Введение

Наиболее широкое применение в российской авиации получил титановый сплав (α + β)-класса средней прочности ВТ6ч, а в зарубежной ‒ его аналог сплав Ti-6-4. Из сплава ВТ6ч изготавливают большое количество деталей и элементов изделий авиационной техники ‒ например, силовые сварные и монолитные детали и узлы планера и шасси в гражданском среднемагистральном узкофюзеляжном самолете Сухой Суперджет (SSJ-100), а также в конструкциях самолета МС-21 и изделиях как гражданского, так и военного назначения ПАО «Туполев» [1–8].

Увеличение значений вязкости разрушения, как неотъемлемой характеристики трещиностойкости, является одной из основных задач современных разработок [5–9]. В работе [2] показано, что, несмотря на высокие значения вязкости разрушения, заключительная деформация в β-области применяется лишь в тех случаях, когда необходимо выполнение требований по геометрическим параметрам крупногабаритных полуфабрикатов, а возможность изготовления данных полуфабрикатов с применением традиционных схем ‒ с деформацией в (α + β)-области – отсутствует. В свою очередь, за рубежом для полуфабрикатов из сплава Ti-6-4 толщиной до 110 мм находит применение отжиг с нагревом при температурах β-области (β-отжиг) [3, 4].

Как известно, после проведения процесса термической обработки образуется микроструктура с крупным размером β-зерна и большей текстурированностью внутризеренных пластин α-фазы, поэтому вязкость разрушения увеличивается сильнее в сравнении с деформацией в β-области на заключительной стадии. Считается, что пластинчатые структуры обеспечивают высокие значения вязкости разрушения, сопротивления развитию трещин, характеристик жаропрочности при низких значениях прочности, пластичности и сопротивления усталости [10–15]. Однако проведенные ранее исследования [2] крупногабаритных полуфабрикатов из сплава ВТ6ч (поковки штампованные (штамповки) и кованые, профили), полученных по различным технологическим схемам, показали, что пластинчатая структура, формируемая при заключительной деформации в β-области, может обеспечить уровень механических свойств, сопоставимый с уровнем свойств полуфабрикатов с глобулярной структурой, полученной при заключительной деформации в (α + β)-области, а также более высокие значения вязкости разрушения.

Согласно данным работы [10], вязкость разрушения титановых сплавов с пластинчатой структурой возрастает с увеличением диаметра первичных β-зерен, размеров α-колоний и толщины α-пластин, что связывают с более частым и резким изменением направления движения магистральной трещины и, соответственно, снижением скорости ее распространения.

Учитывая тот факт, что исследования, проведенные в последние годы [1–3], в некоторых выводах не совпадают с полученными ранее данными, что связано с применением нового, более современного оборудования и внесением корректировок в параметры технологических процессов при изготовлении полуфабрикатов, актуальной остается задача по исследованию процесса термической обработки с нагревом в
β-область.

В данной статье приведены результаты определения (и их сравнение) механических свойств и микроструктуры штамповок из титанового сплава ВТ6ч после процесса термической обработки с нагревом в β-область в зависимости от скорости охлаждения, температуры второй ступени, а также геометрических параметров исследуемых полуфабрикатов.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Материалы и методы

Для проведения исследований использованы штамповки  из титанового сплава ВТ6ч, изготовленные на опытно-промышленном производстве. Данные штамповки изготовлены с заключительной деформацией в (α + β)-области.

Для исследования влияния скорости охлаждения на формирование β-структуры подобраны экспериментальные режимы термической обработки титанового сплава ВТ6ч, включающие нагрев при температуре β-области на первой ступени термической обработки ((Т_п.п + 30) °С, где Т_п.п ‒ температура полиморфного превращения) и различные скорости охлаждения с температуры β-области (750±5 °С) с последующим охлаждением на воздухе (режим 1), под вентилятором (режим 2) и медленным охлаждением с печью (режим 3).

Для исследования влияния температуры второй ступени термической обработки на свойства и микроструктуру штамповок выбраны режимы и проведена термическая обработка при  нагреве и выдержке при температуре (Т_п.п + 30) °С с охлаждением на воздухе и выдержка при температурах 700±5 °С (режим 4), 650±5 °С (режим 5) и 600±5 °С (режим 6) с охлаждением на воздухе.

Для исследования влияния массогабаритных параметров на структуру и свойства штамповок проведена термическая обработка по режиму 4 на двух различных штамповках: массой 180 кг, а также массой 355 кг.

Испытания образцов от штамповок из титанового сплава ВТ6ч на растяжение проводили согласно требованиям ГОСТ 1497‒84, на ударную вязкость – по ГОСТ 9754‒2020, на вязкость разрушения – по ГОСТ 25.506‒85. Исследования микроструктуры выполняли на подготовленных травленых микрошлифах на оптическом металлографическом микроскопе.

Испытания на малоцикловую усталость проводили на двух различных типах образцов: полосе с отверстием и проушине, согласно требованиям ГОСТ 25.502‒79. Для образцов типа «Полоса с отверстием» выбран теоретический коэффициент концентрации напряжений α_σ = 2,6, для образцов типа «Проушина» ‒ α_σ = 3,2; коэффициент асимметрии R_σ = 0,1 и частота ν = 5 Гц.

Испытания на многоцикловую усталость проводили на двух различных типах образцов: на гладких образцах и на образцах с надрезом при изгибе с вращением, согласно требованиям ГОСТ 25.502–79; коэффициент асимметрии R = –1, частота ν = 50 Гц, цикл нагружения синусоидальный.

Результаты и обсуждения

В табл. 1 представлены результаты проведенных испытаний (средние значения) на растяжение, ударную вязкость и вязкость разрушения образцов от штамповок из сплава ВТ6ч после трех режимов термической обработки с различными скоростями охлаждения с температуры β-области. На рис. 1 приведены изображения микроструктуры образцов от штамповок.

Таблица 1

Свойства образцов от штамповок из сплава ВТ6ч

после различных режимов термической обработки (средние значения)

Рис. 1. Микроструктура образцов от штамповок из сплава ВТ6ч после трех режимов термической обработки с нагревом в β-область (поперечное сечение)

Микроструктура исследованных образцов от штамповок из титанового сплава ВТ6ч представлена крупными β-зернами и разориентированными колониями α-пластин внутри них, отличающихся по размеру α-пластин в зависимости от скорости охлаждения с температуры β-области (с увеличением скорости охлаждения размер уменьшается). С уменьшением размера α-пластин (режим 1) увеличивается прочность при растяжении с сохранением уровня характеристик пластичности. При этом показатели вязкости разрушения после режима 1 значительно превышают значения, полученные после медленного охлаждения с температуры β-области. Исходя из полученных данных, можно сделать вывод, что наилучшие свойства штамповки обеспечиваются после режима с охлаждением на воздухе. Поэтому дальнейшие исследования проводили с охлаждением из β-области на воздухе.

В табл. 2 представлены результаты испытаний на определение свойств образцов от штамповок из титанового сплава ВТ6ч после термической обработки с различной температурой второй ступени. На рис. 2 приведены изображения микроструктуры образцов от штамповок.

Таблица 2

Свойства образцов от штамповок из сплава ВТ6ч

после режимов термической обработки с нагревом в β-область

с различной температурой второй ступени (средние значения)

Рис. 2. Микроструктура образцов от штамповок из сплава ВТ6ч после режимов термической обработки с нагревом в β-область с различной температурой второй ступени (поперечное сечение)

Для наглядности в табл. 2 также представлены результаты испытаний после нагрева до 750 °С. Результаты испытаний показывают, что снижение температуры второй ступени термической обработки до 600 °С приводит к уменьшению прочности и значительному увеличению характеристик ударной вязкости и вязкости разрушения. С увеличением температуры второй ступени увеличивается толщина α-пластин и средний размер β-зерен. Ориентировка α-пластин в зависимости от режима термической обработки не отличается.

В табл. 3 представлены результаты испытаний на определение свойств образцов от различных типов штамповок из титанового сплава ВТ6ч после термической обработки с нагревом при температуре β-области. На рис. 3 приведены изображения микроструктуры образцов от штамповок.

Таблица 3

Свойства образцов от различных типов штамповок из сплава ВТ6ч

после режимов термической обработки с нагревом в β-область (средние значения)

Рис. 3. Микроструктура образцов от различных типов штамповок из сплава ВТ6ч после
режимов термической обработки с нагревом в β-область (поперечное сечение)

Полученные результаты исследований влияния скорости охлаждения с температур β-области подтверждают тот факт, что титановый сплав ВТ6ч крайне чувствителен к скоростям охлаждения с температур β-области аналогично сплаву ВТ6 [13–15]. Медленное охлаждение приводит к образованию более широких пластин α-фазы, в результате чего уменьшаются значения вязкости разрушения и прочности. Таким образом, можно предположить, что для получения высоких значений вязкости разрушения при формировании β-структуры в процессе термической обработки необходимо формирование тонких пластин α-фазы.

Исследование влияния температуры второй ступени термической обработки с нагревом при температуре β-области показало, что повышение температуры приводит к росту толщины пластин α-фазы, за счет чего уменьшается вязкость разрушения. Аналогично стандартному режиму отжига, повышение температуры приводит к увеличению предела прочности. Следует отметить, что начиная с температуры 650 и до 750 °С разница в значениях предела прочности, пластичности, ударной вязкости и вязкости разрушения – незначительная.

Для исследования влияния массогабаритных параметров на формирование структуры и механические свойства штамповок после термической обработки с нагревом в β-область выбран режим 4, который обеспечил средние показатели по всем исследуемым механическим свойствам. Следует отметить, что на штамповке массой 355 кг суммарная степень деформации была больше, за счет чего сформировалось более мелкое зерно в сравнении со штамповкой массой 180 кг. Результаты испытаний показали, что на крупногабаритной штамповке (массой 355 кг) получены более высокие значения вязкости разрушения, что может быть связано с размером зерна, который тем больше, чем меньше степень деформации. Разница в полученных значениях вязкости разрушения, прочности и пластичности, приведенных в табл. 2 и 3, также может быть связана с различной предшествующей деформацией.

Исходя из всего вышеизложенного, можно сделать вывод, что на показатели вязкости разрушения при процессе термической обработки с нагревом при температуре β-области влияет как размер β-зерна и α-пластин, так и исходная структура полуфабриката из титанового сплава ВТ6ч.

Благодаря проведенным исследованиям, можно утверждать, что термическая обработка с нагревом при температуре β-области является применимой для полуфабрикатов из сплава ВТ6ч, где необходимо обеспечение высоких значений вязкости разрушения с сохранением прочностных характеристик. Для сравнения рассмотрим полученные значения со значениями штамповки, изготовленной по стандартной технологии: заключительная деформация в (α + β)-области и последующий отжиг, а также со значениями для штамповки с заключительной деформацией в β-области и последующим отжигом в (α + β)-области, при которой образуется структура, обеспечивающая высокие значения вязкости разрушения [2]. В табл. 4 представлены сравнительные результаты испытаний штамповок, полученных по различным технологическим режимам [2].

Таблица 4

Механические свойства образцов от штамповок

из сплава ВТ6ч (средние значения)

Видно, что после термической обработки с нагревом при температуре β-области существенно снижаются значения прочности при растяжении. Однако высокие значения вязкости разрушения и ударной вязкости показывают преимущество применения данного метода.

Как упоминалось ранее в статьях [2, 6, 16–20], большой интерес представляют усталостные свойства, характеризующие способность материала полуфабрикатов сопротивляться усталостному разрушению. В табл. 5 и 6 представлены результаты испытаний на малоцикловую и многоцикловую усталость образцов от штамповок из титанового сплава ВТ6ч после термической обработки с нагревом при температуре β-области. Результаты испытаний штамповки с заключительной деформацией в β-области для сравнения результатов взяты из статьи [2].

Полученные значения малоцикловой усталости показывают, что после термической обработки с нагревом при температуре β-области материал более чувствителен к концентратору типа «Полоса с отверстием», чем типа «Проушина». Число циклов до разрушения незначительно меньше по сравнению с традиционной технологией изготовления штамповок. Значения предела выносливости находятся на одном уровне.

Таблица 5

Результаты испытаний на малоцикловую усталость образцов от штамповок

из сплава ВТ6ч (средние значения)

Таблица 6

Средние значения предела выносливости образцов от штамповок из сплава ВТ6ч

Заключения

Таким образом, можно сделать вывод, что в процессе термической обработки с нагревом при температуре β-области с целью обеспечения высоких значений вязкости разрушения необходима структура с первичными зернами β-фазы и тонкими пластинами α-фазы в виде переплетающихся колоний. Полученные данные противоречат выводам, сделанным в работе [10], о том, что вязкость разрушения сплавов с пластинчатой структурой увеличивается с ростом диаметра первичных β-зерен, толщины α-пластин и размеров α-колоний. Для титанового сплава ВТ6ч рост пластин α-фазы и β-зерен приводит к снижению вязкости разрушения. Однако в зависимости от требуемых механических свойств штамповки необходим тщательный подбор режима в зависимости от исходной структуры и степени деформации.