Введение

В настоящее время одним из перспективных классов жаропрочных материалов, применяемых для авиакосмической техники, являются деформируемые интерметаллидные орто-сплавы. Основа данных сплавов – интерметаллидная орто-ромбическая фаза Ti₂AlNb (О-фаза) [1–5]. Сплавы данной группы обладают повышенной (по сравнению с традиционными жаропрочными титановыми сплавами) рабочей температурой до 700°С, высокими прочностными и жаропрочными свойствами. При этом хорошие (по сравнению с литейными интерметаллидными титановыми сплавами) технологические свойства позволяют изготавливать из них крупногабаритные полуфабрикаты. С учетом вышеприведенного, а также принимая во внимание плотность интерметаллидных орто-сплавов (до 5,4 г/см³), можно рассматривать возможность замены жаропрочных никелевых сплавов (с плотностью – до 8,55 г/см³) при изготовлении деталей, работающих в диапазоне температур до 700°С, для новых перспективных авиационных двигателей. Применение жаропрочных орто-сплавов позволит обеспечить снижение массы деталей на 20–40%.

Микроструктура деформируемых орто-сплавов характеризуется тремя фазами: О (Ti₂AlNb), α₂ (Ti₃Al) и β/B2. Упорядоченные интерметаллидные О- и α₂-фазы обладают крайненизкой пластичностью; β-фаза, присутствие которой обусловлено высоким содержанием β-стабилизаторов (в первую очередь, Nb), является пластичной матрицей. Микроструктура орто-сплавов может варьироваться в широком диапазоне в зависимости от способов деформационной и термической обработок. Для работы при высоких температурах важно сформировать термически стабильную однородную структуру: равноосную, пластинчатую или бимодальную. Уровень механических характеристик титановых орто-сплавов напрямую зависит от морфологии структуры. Изменяя температурно-временны́е параметры термической обработки (ТО), можно управлять уровнем пластичности, прочности и жаропрочности.

К настоящему времени ФГУП «ВИАМ» совместно с ПАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА» опробованы технологические режимы изготовления крупногабаритных полуфабрикатов из интерметаллидных орто-сплавов ВТИ-4 и ВИТ1 [6–8], проводится набор статистических данных по результатам прочностных и эксплуатационных испытаний полуфабрикатов для оценки возможности применения этих сплавов в конструкции узлов ГТД.

Несмотря на практические достижения при изготовлении крупногабаритных полуфабрикатов из орто-сплавов ВТИ-4 и ВИТ1, намечены дальнейшие пути совершенствования данного класса материалов, в том числе путем разработки составов, легированных редкоземельными элементами (РЗЭ), активно применяемыми в литейных интерметаллидных титановых γ-сплавах [9–21]. В этом направлении во ФГУП «ВИАМ» выполнены опытные работы, показавшие хорошие результаты по повышению механических свойств изготовленных полуфабрикатов [21–25].

В данной работе продолжено исследование катаной плиты, представленное в первой части статьи, посвященной интерметаллидному титановому орто-сплаву с микродобавками иттрия [26]. Показана микроструктура катаной плиты в исходном состоянии и после проведения ТО по нескольким режимам. Изучено влияние температуры нагрева первой ступени ТО на структуру и механические свойства катаной плиты. Работа выполнена в рамках реализациикомплексной научной проблемы 7.1. «Интерметаллидные сплавы на основе титана» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [27–30].

Материалы и методы

Исследования проводили на катаной плите из деформируемого интерметаллидного титанового орто-сплава, легированного редкоземельным элементом (РЗЭ) иттрием. Химический состав сплава представлен в таблице.

Химический состав деформируемого интерметаллидного титанового орто-сплава,

легированного иттрием

Выплавку слитка исследуемого сплава осуществляли в вакуумно-дуговой печи VAR L200 фирмы ALD. Изготовленный слиток имел массу 30 кг и следующие размеры: диаметр 154 мм, высота 270 мм.

Деформационную обработку, включающую осадку слитка орто-сплава, легированного иттрием, и всестороннюю ковку со снижением температуры подогрева заготовки, проводили на гидравлическом прессе (усилием 1600 тс) со штампами, подогреваемыми до температуры 940–960°С. Изготовление катаной плиты толщиной 35 мм осуществляли на прокатном стане «Шмитц».

Для термической обработки заготовок из катаной плиты использовали муфельную лабораторную печь NaberTherm L(T) 15/12 и камерную печь с каменной изоляцией NaberTherm LH 60/14.

Исследование микроструктуры выполняли на оптическом металлографическом микроскопе Leica DM IRM и растровом электронном микроскопе JSM-6490LV.

Механические испытания на растяжение при температурах 20 и 700°С и длительную прочность при температуре 700°С (при заданном напряжении 260 МПа) образцов из катаной плиты проводили в условиях испытательного центра ФГУП «ВИАМ» на аттестованных и поверенных испытательных машинах.

Результаты и обсуждение

Представленные в данной статье результаты являются продолжением исследований деформируемого интерметаллидного титанового орто-сплава, легированного иттрием [26]. В первой части работы выполнено и установлено следующее.

1. В высотном направлении выплавленного слитка микроструктура по образующей поверхности представлена вытянутыми β-зернами и незначительными мелкодисперсными частицами α₂-фазы, при этом в центральной части наблюдается увеличение количества мелкодисперсных выделений α₂-фазы (длина – до 10 мкм), что обусловлено различной скоростью охлаждения центральной и образующих частей слитка, а следовательно, и скоростью протекания фазовых прекращений.

2. В центральной части слитка интерметаллидного орто-сплава дисперсные частицы α₂-фазы предпочтительно выделяются в междендритных зонах, обогащенных легкоплавкими элементами, такими как алюминий.

3. Проведен дифференциальный термический анализ интерметаллидного титанового орто-сплава, легированного иттрием, с построением ДСК-кривых, характеризующих температуры фазовых превращений:

– при температуре 922°С на ДСК-кривой наблюдается минимум, отвечающий за растворение О-фазы при нагреве образца;

– при температуре 1068°С наблюдается второй минимум, соответствующий температуре растворения α₂-фазы и фазовому переходу из двухфазной (β/В2+α₂)-области в однофазную β/В2-область.

4. При температурах 850; 950 и 1050°С проведены испытания цилиндрических образцов на сжатие при скорости осадки 10^-2 с^-1. Для интерметаллидного титанового орто-сплава, легированного иттрием, показана зависимость снижения предела текучести при сжатии с повышением температуры: 740, 225 и 84 МПа соответственно.

5. Легирование интерметаллидных титановых орто-сплавов РЗЭ обеспечивает повышение сопротивления деформации и температуры прокатки.

Прокатку первой (экспериментальной) плиты на толщину 35 мм из деформируемого интерметаллидного титанового орто-сплава, легированного иттрием, осуществляли при температуре двухфазной (β/В2+α₂)-области. Микроструктура в исходном состоянии после прокатки представлена на рис. 1.

Микроструктура катаной плиты представлена вытянутыми в направлении прокатки первичными β-зернами (рис. 1, а, б), внутри и по границам которых располагаются дисперсные выделения упорядоченной интерметаллидной α₂-фазы; в структуре также наблюдаются частицы оксида иттрия Y₂O₃ (рис. 1, в, г).

Рис. 1. Микроструктура первой (экспериментальной) катаной плиты толщиной 35 мм из деформируемого интерметаллидного титанового орто-сплава, легированного иттрием, в исходном состоянии: а, б – оптическая микроскопия; в, г – РЭМ

Формирование основного комплекса механических свойств полуфабрикатов из деформируемых интерметаллидных титановых орто-сплавов обеспечивается проведением  последующей ТО, которая, как правило, является двухступенчатой и состоит из закалки на воздухе и старения. В данной работе для исследования влияния ТО на механические свойства плиты из орто-слава, легированного иттрием, выбрано пять технологических режимов, отличающихся друг от друга температурой нагрева первой ступени. Температуру нагрева повышали через каждые 30°С в диапазоне температур от 890 до 1010°С, при этом все остальные параметры (время выдержки, скорость нагрева и охлаждения) ТО оставались неизменными. Старение проводили в двухфазной (О+β/В2)-области с последующим охлаждением образцов с печью со скоростью 150°С/ч.

Как известно, одним из недостатков интерметаллидных сплавов являются невысокие пластические свойства при комнатной температуре. Поэтому в данной работе основное внимание обращено на исследование влияния режимов ТО на механические свойства при температуре 20°С. Результаты испытаний на растяжение при комнатной температуре образцов из катаной плиты орто-сплава, легированного иттрием, в исходном состоянии и после проведения термической обработки по выбранным режимам представлены на рис. 2. Как видно из полученных результатов механических испытаний (рис. 2), проведение ТО по всем выбранным режимам приводит к снижению кратковременной прочности с 1180 до 1030–1125 МПа и повышению относительного удлинения с 1,2 до 3,2–11,7%. Это объясняется как снятием остаточных напряжений, возникших в материале после деформационной обработки, так и формированием нового структурно-фазового состояния.

Рис. 2. Результаты испытаний (средние значения) на растяжение при 20°С образцов из катаной плиты из деформируемого интерметаллидного титанового орто-сплава, легированного иттрием, в исходном состоянии после прокатки и после термической обработки (ТО)

Максимальное значение пластических свойств (δ^20°=11,7%) наблюдается при проведении термической обработки с температурой нагрева первой ступени 920°С, которая практически соответствует пику на ДСК-кривых, отвечающему за растворение О-фазы [26]. Дальнейшее повышение температуры нагрева первой ступени с 920 до 1010°С за счет изменения количества и морфологии интерметаллидной О-фазы приводит к постепенному снижению пластических свойств. Изменение микроструктуры в зависимости от температуры нагрева первой ступени ТО можно наблюдать на рис. 3.

Следует отметить, что поскольку параметры (температура нагрева и время выдержки) второй ступени ТО остаются постоянными для всех опробованных режимов, то фазовый состав после проведения старения при температуре двухфазной (О+β/В2)-области практически не изменяется. В матрице β-фазы наблюдаются пластинчатые частицы О-фазы и глобулярные частицы α₂-фазы. Полного превращения α₂-фазы в О-фазу не происходит из-за недостаточной диффузионной подвижности атомов при данной температуре и времени выдержки.

Рис. 3. Микроструктура образцов катаной плиты из деформируемого интерметаллидного титанового орто-сплава, легированного иттрием, после проведения термической обработки при температуре нагрева первой ступени 920 (а, б) и 980°С (в, г) (а, в – оптическая микроскопия, ×500; б, г – РЭМ, ×5000)

Как видно из снимков микроструктуры, представленных на рис. 3, повышение температуры нагрева первой ступени с 920 до 980°С приводит к растворению крупных первичных пластин О-фазы и росту мелкодисперсных вторичных пластинчатых выделений О-фазы внутри β-зерен, что и приводит к снижению пластических свойств. При этом повышение температуры с 920 до 950°С обеспечивает увеличение кратковременной прочности с 1030 до 1125 МПа (рис. 2). Дальнейшее повышение температуры нагрева первой ступени ˃950°С нецелесообразно, так как прочностные свойства практически не изменяются, а значения пластических свойств снижаются значительно. В связи с этим механические испытания образцов из катаной плиты орто-сплава, легированного иттрием, на растяжение при повышенной температуре (700°С) проводили только после ТО в интервале температур нагрева первой ступени от 890 до 950°С. Значения механических свойств после испытаний на растяжение при 700°С представлены на рис. 4.

Рис. 4. Результаты испытаний (средние значения) на растяжение при 700°С образцов из катаной плиты из деформируемого интерметаллидного титанового орто-сплава, легированного иттрием, в исходном состоянии после прокатки и после термической обработки (ТО)

Характер изменения кривых в зависимости от температуры нагрева первой ступени ТО после механических испытаний на растяжение при температуре 700°С практически совпадает с результатами испытаний при 20°С. Температура нагрева первой ступени 920°С также обеспечивает максимальное значение относительного удлинения (δ^700°=13,5%).

Дополнительно следует отметить высокий уровень прочностных свойств образцов из катаной плиты интерметаллидного титанового орто-сплава, легированного иттрием, при температуре испытания 700°С – предел кратковременной прочности после всех режимов термической обработки ˃850 МПа, что может свидетельствовать о хороших жаропрочных свойствах данного сплава.

Для подтверждения высказанного предположения проведены испытания на длительную прочность образцов из катаной плиты интерметаллидного титанового орто-сплава, легированного иттрием, при температуре испытания 700°С при заданном напряжении 260 МПа. Испытания на длительную прочность проводили после термической обработки образцов по двум режимам: с температурой нагрева первой степени при 920 и 950°С (как отмечено ранее, дальнейшее повышение температуры первой ступени нецелесообразно, поскольку происходит заметное снижение пластических свойств). По результатам испытаний на длительную прочность установлено, что образец с температурой нагрева первой ступени 920°С простоял при напряжении 260 МПа 63 ч до разрушения, в то время как повышение температуры термической обработки до 950°С приводит к увеличению времени до разрушения почти в два раза – до 120 ч.

Заключения

1. Микроструктура изготовленной катаной плиты из деформируемого интерметаллидного титанового орто-сплава, легированного иттрием, представлена вытянутыми в направлении прокатки первичными β-зернами с дисперсными выделениями упорядоченной интерметаллидной α₂-фазы, которая располагается внутри и по границам зерен.

2. Проведение опробованных режимов двухступенчатой ТО со старением в двухфазной (О+β/В2)-области приводит к появлению пластинчатых частиц О-фазы. При этом выбранных в данной работе температуры и времени старения недостаточно для полного прохождения процесса превращения α₂-фазы в О-фазу, что объясняется низкой диффузионной подвижностью атомов.

3. Показано, что повышение температуры нагрева первой ступени с 920 до 980°С приводит к растворению крупных первичных пластин О-фазы и росту мелкодисперсных вторичных пластинчатых выделений О-фазы внутри β-зерен, что отражается на изменении механических свойств.

4. Максимальное значение пластических свойств (11,7%) наблюдается при проведении ТО с температурой нагрева первой ступени 920°С, соответствующей пику на ДСК-кривых, отвечающему за растворение О-фазы. Дальнейшее повышение температуры нагрева первой ступени за счет изменения морфологии пластинчатых выделений О-фазы приводит к снижению пластических (до 3,2%) и увеличению прочностных свойств (с 1030 до 1125 МПа). При этом повышение температуры нагрева первой ступени ˃950°С нецелесообразно, так как значение прочности практически не изменяется, а пластичность резко снижается.