Введение

Для развития авиационной техники необходимо промышленное производство деталей из сплавов, которые отвечают повышенным требованиям к прочности, надежности и ресурсу работы [1]. Разработка легированных высокопрочных материалов, в том числе титановых сплавов, предназначенных для аэрокосмической отрасли, является одним из основных направлений деятельности НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ [2, 3].

Современный термообрабатываемый титановый сплав ВТ30 сочетает способность к холодной деформации с высокой прочностью [4]. Наиболее близким по химическому составу к сплаву ВТ30 является cплав Beta III, разработанный фирмой Crucible Steel Corporation (США). Титановый сплав ВТ30 имеет следующий состав, % (по массе): основа – Ti; 11,5 – Mo; 6,0 – Zr; 4,5 – Sn [5]. Сплав ВТ30 закаливается на β-фазу [6], поэтому обладает более высокой технологической пластичностью в закаленном состоянии при холодной деформации по сравнению с (α + β)-сплавами [7, 8]. При старении выделяется тонкодисперсная α-фаза [9, 10]. Сплав имеет высокую прочность в сочетании с хорошей пластичностью.

Титановый сплав ВТ30 применяют для изготовления крепежных деталей в авиационной промышленности и деталей из листового материала [5], поскольку в данных случаях с большей эффективностью можно использовать способность сплава к холодной высадке [5, 11] и большой запас прочности [12].

Однако для проведения холодной деформации необходимо формирование определенной (регламентированной) структуры и свойств полуфабрикатов, полученных в результате предварительной горячей деформации.

Исследование технологической пластичности, механизма деформирования и зависимости механических свойств титанового сплава ВТ30 от условий деформации на оборудовании НИЦ «Курчатовский Институт» – ВИАМ является основной целью данной работы. Поведение титанового сплава изучали на образцах в литом и кованом состояниях. Кроме того, исследована деформация сплава при комнатной температуре, поскольку в холодном состоянии он деформируется.

Материалы и методы

Технологическую пластичность сплава ВТ30 исследовали с помощью следующих методов:

‒ осадка образцов Ø15 мм и высотой 20 мм на копре и гидравлическом прессе мощностью 25 т при температурах 700, 750, 800, 900, 1000 и 1100 °С и различной степени деформации как в литом, так и в кованом состояниях [13];

‒ определение ударной вязкости на копре при температурах 20, 700, 750, 800, 900, 1000 и 1100 °С;

‒ кратковременное испытание гладких образцов на разрыв при температурах 20, 700, 750, 800, 900, 1000 и 1100 °С;

‒ определение температуры полиморфного превращения плавки методом металлографического анализа, исследование макроструктуры прутков и металлографическое исследование микроструктуры на головках разрывных образцов. Для определения макро- и микроструктуры образцы подвергали травлению раствором, содержащим 5 % HF и 95 % H₂O;

‒ определение механических свойств сплава ВТ30 в зависимости от условий горячей деформации. Режимы нагрева под штамповку соответствовали (α + β)- и β-областям. Штамповку проводили за два перехода. Степень деформации составила 20, 40 и 60 %. Исследования проводили на заготовках в отожженном и закаленном состояниях [14].

Слитки сплава ВТ30 получены методом двойного переплава [15]. Механические свойства сплава в литом состоянии в зависимости от температуры испытаний приведены в табл. 1.

Таблица 1

Механические свойства сплава ВТ30 в литом состоянии

в зависимости от температуры испытаний

Результаты и обсуждение

Осадку цилиндрических образцов при динамическом деформировании проводили на копре, при статическом – на гидравлическом прессе мощностью 25 т с замером удельного давления.

Осадку образцов под прессом осуществляли в контейнере. Образец закладывали между шайбами со слюдой и вместе с контейнером нагревали в печи.

Критерием допустимой степени деформации является появление первой трещины на поверхности образца. Допустимая степень деформации сплава ВТ30 в литом состоянии приведена в табл. 2.

Таблица 2

Допустимая степень деформации сплава ВТ30 в литом состоянии

Механические свойства сплава ВТ30 в кованом состоянии исследовали в интервале температур 20–1100 °С [16]. Результаты испытаний приведены в табл. 3. С повышением температуры характеристики пластичности (относительное сужение и удлинение при разрыве) увеличиваются, а предел прочности уменьшается.

В интервале температур от 20 до 800 °С относительное удлинение после разрыва непрерывно увеличивается и при 800 °С достигает максимального значения (318 %), при температуре >800 °С – уменьшается. Относительное сужение при комнатной температуре составляет 51,5–57,0 %, а в интервале температур 700–1100 °С достигает 96 %. В ходе испытаний при температуре 1000 °С образец изогнулся.

С повышением температуры предел прочности непрерывно уменьшается и при 1100 °С достигает 11,76 МПа.

Таблица 3

Механические свойства сплава ВТ30 в кованом состоянии

в зависимости от температуры испытаний

В ходе испытаний на ударную вязкость образец сплава в кованом состоянии при температуре 20 °С разрушился, при температурах ≥700 °С – сохранился. Значения допустимой деформации сплава в кованом состоянии представлены в табл. 4.

Таблица 4

Допустимая степень деформации сплава ВТ30 в кованом состоянии

Сплав ВТ30 в литом состоянии обладает низкой пластичностью. Например, наиболее распространенный (α + β)-сплав ВТ3-1 допускает деформацию на копре при температуре, близкой к полиморфному превращению (ε = 60 %). При более высокой температуре допустимая степень деформации возрастает до 80 %. При деформации на прессе сплав более технологичен. В отличие от сплава ВТ3-1 сплав ВТ30 не допускает деформацию на копре со степенью >40 % практически при всех температурах испытаний.

Осадка образцов на прессе показала, что технологическая пластичность сплава ВТ30 увеличивается, но в меньшей степени, чем для других титановых сплавов. Допустимая степень деформации на прессе за ход оборудования не должна превышать 50 % при температуре 900 °С. Учитывая, что температурный интервал деформации слитка должен быть не менее 200–250 °С, степень деформации должна быть <35 %.

Установлено, что предварительно деформированный материал обладает высокой технологической пластичностью. Допустимая степень деформации возрастает более чем в 2 раза независимо от скорости оборудования.

Допустимая степень деформации в (α + β)-области сплава ВТ30 в кованом состоянии при осадке на копре выше, чем сплава ВТ3-1. Переход от литого состояния к кованому также увеличивает ударную вязкость при температурах 800–1100 °С в ~2 раза.

При деформации на прессе изучали сопротивление деформированию сплава. Определено удельное давление сплава в литом и кованом состояниях (рис. 1). Удельное давление сплава в литом состоянии непрерывно увеличивается при уменьшении температуры нагрева под деформацию. Так, при температурах 1000–1100 °С удельное давление составляет 127–137 МПа, при 750–800 °С – достигает 196–245 МПа.

Рис. 1. Удельное давление сплава ВТ30 в литом (а) и кованом (б) состояниях при статическом деформировании на прессе

В кованом состоянии сплав имеет более высокое сопротивление деформации. Например, при температуре 900 °С величина среднего удельного давления сплава в литом состоянии составляет 171 МПа, в кованом – достигает 294 МПа. Значительное упрочнение сплава при деформации в кованом состоянии обнаружено при температуре 700 °С. При снижении температуры с 750 до 700 °С удельное давление возрастает с 313–343 до 539 МПа. Это объясняется тем фактом, что при 700 °С преобладает механизм холодной деформации.

На основании проведенных экспериментов установлено, что деформацию слитка из сплава ВТ30 на молоте следует проводить в интервале температур 800–1100 °С. Степень деформации за удар не должна превышать 25 %. При деформации слитка на прессе интервал температур составляет 750–1100 °С, а степень деформации за ход пресса ≤35 %.

Изучено влияние температуры предварительно деформированного материала на качество полуфабрикатов прутков из сплава ВТ30, а именно на механические свойства, макро- и микроструктуру.

Температура полного полиморфного превращения (α + β ⇄ β) исследуемой плавки, определенная методом металлографического анализа, составляет 750±10 °С. При температуре 700 °С содержание b-фазы не превышает 3–5 %.

Изучены свойства прутков Ø30 мм, кованых при температурах 850 и 950 °С, со степенью деформации 60 % и при штамповке за два перехода при температурах (α + β)- и β-области, т. е. 750 и 900 °С соответственно (рис. 2) [17]. Исследования проводили как в отожженном, так и в закаленных и состаренных состояниях. Отжиг проводили при температуре (α + b)-области с охлаждением на воздухе. Закалку осуществляли в (α + β)-области с охлаждением в воде, после чего выполняли старение при температуре (α + β)-области с охлаждением на воздухе.

Механические свойства прутков представлены в табл. 5, штампованного пруткового полуфабриката – в табл. 6. Приведенные данные показывают, что всесторонняя деформация (ковка со степенью деформации 65 %) обеспечивает высокий уровень свойств как в отожженных, так и в закаленных и состаренных состояниях даже при нагреве в β-области (т. е. при температурах 850 и 950 °С).

Рис. 2. Пруток из сплава ВТ30

Таблица 5

Механические свойства прутков Ø30 мм из сплава ВТ30 (отожженное,

закаленное и состаренное состояние) в зависимости от температуры деформации

Таблица 6

Механические свойства штампованного пруткового полуфабриката из сплава ВТ30 (отожженное, закаленное и состаренное состояние)

в зависимости от температуры деформации

При односторонней деформации на прессе за один ход оборудования уровни свойств пруткового полуфабриката, нагреваемого в (α + β)- и β-областях, в отожженном состоянии практически не различаются. В то время как в закаленном и состаренном состояниях относительное сужение полуфабриката, нагреваемого в β-области, в ~3 раза меньше, а относительное удлинение в ~2 раза меньше по сравнению с данными показателями для полуфабрикатов, полученных после деформации при температурах (α + β)-области.

При температуре 950 °С наблюдается разнозернистость (рис. 3, б), что незначительно снижает уровень механических свойств сплава. Для получения относительно мелкозернистой структуры необходимо проводить предварительный нагрев под ковку в β-области при температуре 850 °С с окончанием процесса при 700 °С. Это позволяет получить однородное относительно мелкое рекристаллизованное зерно, что увеличивает прочность сплава.

Рис. 3. Структура (×450) титанового сплава ВТ30 после старения (а), ковки при температурах 950 (б) и 850 °С (в)

Следует отметить, что уровень пластических свойств как в отожженном, так и в закаленном и состаренном состояниях не возрастает с увеличением степени деформации – колебания не превышают 7 %.

Изучены кинетика роста зерна сплава ВТ30 (рис. 4) и изменение ударной вязкости в интервале температур 500–1100 °С. Ударная вязкость сплава ВТ30 зависела от температуры отжига:

Установлено, что интенсивный рост микрозерен начинается при температуре 700 °С, при этом ударная вязкость достигает максимальных значений в диапазоне температур 500–700 °С. В интервале температур 700–950 °С уровень ударной вязкости изменяется незначительно, хотя и сопровождается резким ростом зерен. Снижение ударной вязкости при температуре >950 °С объясняется, по-видимому, значительным окислением образцов и более интенсивным распадом β-фазы.

С учетом того, что сплав будет деформироваться в холодном состоянии, проведено испытание образцов Ø6 мм при комнатной температуре на прессе со степенью деформации 25–75 % и более (рис. 5). Трещины выявлены на образцах со степенью деформации 40–50 % и закаленных при различных температурах (рис. 5, г). По-видимому, это связано с интенсивным ростом зерна. В то же время образцы демонстрируют высокую пластичность в исходном и отожженном состоянии со степенью деформации 75 % (рис. 5, б, в).

Рис. 4. Микроструктура (×450) сплава ВТ30 при температурах нагрева 500 (а), 600 (б), 700 (в), 800 (г), 850 (д), 900 (е), 950 (ж), 1000 (з) и 1100 °С (и)

Рис. 5. Образцы сплава ВТ30 до испытания (а), в отожженном (б), горячекованом состояниях (в) при степени деформации 75 % и в закаленном состоянии при степени деформации 50 % (г) после осадки при комнатной температуре

Установлено, что сплав ВТ30 в закаленном состоянии обладает значительно меньшей пластичностью по сравнению с горячекованым и отожженным состоянием при холодной деформации. Согласно техническим условиям, титановый сплав ВТ16, применяемый при холодной высадке, подвергается обработке давлением со степенью деформации >70 %. Для сплава ВТ30 это значение достигает 75 %, что удовлетворяет требованиям к холодновысадочным крепежам. Кроме того, сплав ВТ16 деформируют в отожженном состоянии. Сплав ВТ30 демонстрирует высокую пластичность как в исходном горячекованом состоянии, так и после отжига. Это значит, что для достижения большей технологичности сплав ВТ30 можно подвергать холодной деформации без предварительной термообработки.

Заключения

Титановый сплав ВТ30 в литом состоянии обладает ограниченной технологической пластичностью как при деформации с большими скоростями на молотах, так и с малыми скоростями на прессах.

Деформацию слитка на молоте следует проводить в интервале температур 800–1100 °С, степень деформации за удар не должна превышать 25 %. При деформации слитка на прессе температура должна составлять 750 °С, степень деформации за ход пресса ≤35 %.

В предварительно деформированном состоянии сплав обладает высокой технологической пластичностью.

Ковку деформированного материала на предварительные заготовки необходимо проводить на молотах и прессах с температуры 950 °С в зависимости от усилия оборудования и величины заготовки. Заканчивать ковку на молотах необходимо при температуре ≥700 °С, на прессах ≥600 °С. При ковке на окончательный размер температура нагрева должна быть снижена до 850 °С, степень деформации 40–70 %.

Для получения деформированного полуфабриката в отожженном состоянии оптимальные температуры начала и окончания штамповки на прессах должны составлять 850 и 600 °С, на молотах 900 и 700 °С соответственно. Для получения пруткового полуфабриката с высоким уровнем свойств в закаленном и состаренном состоянии следует снижать температуру нагрева под штамповку до температуры (α + β)-области.

Максимальная технологическая пластичность при последующей холодной деформации титанового сплава ВТ30 достигается при формировании мелкозернистой β-рекристаллизованной структуры после предварительной горячей деформации в β-области или после отжига при температурах, близких к температуре полиморфного превращения.