Введение

ВИАМ представляет одну из старейших научных школ России в области металловедения титановых сплавов применительно к изделиям авиационной техники [1–6]. Вопрос о влиянии эвтектоидных β-стабилизаторов на механические свойства жаропрочных титановых сплавов неоднократно рассматривался как в отечественных, так и в зарубежных научных публикациях. Общепринято, что содержание таких элементов, как железо и никель в жаропрочных титановых сплавах следует ограничивать, что обусловлено их отрицательным влиянием на характеристики жаропрочности. Наиболее часто в этой связи упоминаются работы зарубежных авторов [7–9], в которых основательно исследовалось влияние содержания примеси железа на жаропрочные характеристики деформированных полуфабрикатов из сплавов Ti-1100, Ti-6242S и Ti-6246. Полученные для этих сплавов выводы нельзя в полной мере распространить на сплав ВТ41, так как рассматриваемый сплав имеет более сложную композицию и, соответственно, различается по фазовому составу и химическому составу фаз по сравнению со сплавами, перечисленными выше. Для промышленных жаропрочных псевдо-α-титановых сплавов разработки ЦНИИ КМ «Прометей» [10, 11] подобных исследований не проводилось.

В данной работе рассмотрено влияние содержания железа в пределах от 0,06 до 0,125% (по массе) на механические свойства, микроструктуру и фазовый состав прутков из сплава ВТ41.

Материалы и методы

Исследования проводили на прутках, полученных ковкой слитка, при температурах однофазной области с последующей прокаткой при температурах (α+β)-области до диаметра 18–22 мм. Типичная микроструктура прутков после прокатки приведена на рис. 1.

 Рис. 1. Микроструктура прутков из сплава ВТ41 после деформации с содержанием железа 0,12–0,125 (α) и 0,06–0,064% (по массе) (б)

Структура прутков после деформации в обоих случаях – мелкозернистая, глобулярно-пластинчатого типа. Термическую обработку прутков проводили по двум режимам:

– двойной отжиг по принятому для сплава ВТ41 режиму [12];

– упрочняющая термическая обработка (УТО), заключающаяся в закалке в воде от температур верхней границы двухфазной области с последующим старением при температуре 700°С.

По химическому составу все плавки соответствовали требованиям технических условий на сплав ВТ41 и близки к номинальным значениям по содержанию основных элементов и примесей (кислорода и азота). Пробы для определения химического состава отбирали из литниковой и донной частей слитков. Анализ микроструктуры материала проводили по ПИ1.2.785–2009. Определение механических свойств осуществляли по стандартным методикам (ГОСТ 1497, ГОСТ 9454, ГОСТ 9651, ГОСТ 10145, ГОСТ 25.502).

Результаты

 Микроструктура прутков после термической обработки приведена на рис. 2. При изучении структуры прутков из сплава ВТ41 с различным содержанием железа в отожженном и термоупрочненном состояниях методом оптической микроскопии при различных увеличениях было выявлено, что объемная доля первичной α-фазы в рассмотренных случаях составляет приблизительно 30–35%. В отожженном состоянии толщина пластин вторичной α-фазы в прутках с содержанием железа 0,12–0,125% (по массе) значительно меньше, чем в прутках с содержанием железа 0,06–0,064% (по массе) (см. рис. 2, а, в).

Рис. 2. Микроструктура прутков из сплава ВТ41 с содержанием железа 0,12–0,125 (а, б) и 0,06–0,064% по массе (в, г) в отожженном состоянии (а, в) и после термической обработки (б, г)

Механические и усталостные свойства прутков из сплава ВТ41 с содержанием железа 0,12–0,125% (по массе) в зависимости от режима термической обработки приведены в табл. 1 и 2, с содержанием железа 0,06–0,064% (по массе) – в табл. 3 и 4.

Таблица 1

Механические свойства прутков из сплава ВТ41 с содержанием железа 0,12–0,125% (по массе)

Таблица 2

Усталостные свойства прутков из сплава ВТ41 с содержанием железа 0,12–0,125% (по массе)

Таблица 3

Механические свойства прутков из сплава ВТ41 с содержанием железа 0,06–0,065% (по массе)

Таблица 4

Усталостные свойства прутков из сплава ВТ41 с содержанием железа 0,06–0,065% (по массе)

Обсуждение и заключения

Исследование показало, что снижение содержания железа с 0,125 до 0,06% (по массе) в прутках из сплава ВТ41 в отожженном состоянии приводит к изменению параметров глобулярно-пластинчатой микроструктуры (укрупнению пластинок превращенной α-фазы), снижению прочностных характеристик и возрастанию характеристик пластичности и жаропрочности. Вместе с тем чувствительность материала к концентратору напряжений при различных видах испытаний со снижением содержания железа также снижается.

После упрочняющей термической обработки (УТО) характер изменения прочностных и пластических характеристик остается неизменным, при этом влияние содержания железа на жаропрочность менее выражено. Это связано с различием механизма превращения β→α при высокотемпературном отжиге и УТО: в первом случае превалирует диффузионный механизм превращения, а во втором – превращение происходит по мартенситному механизму с образованием α¢-фазы. Как известно, железо обладает наибольшим коэффициентом ликвации среди элементов, стабилизирующих β-фазу
[13–17], что и обуславливает «модифицирующее» воздействие этого элемента на дисперсность превращенной α-фазы.

В случае УТО, при старении происходит распад мартенсита α¢ на дисперсную смесь (α+b) (рис. 3) и толщина пластинок вторичной α-фазы определяется режимом старения.

 Рис. 3. Микроструктура сплава ВТ41 после закалки и старения (ПЭМ, светлопольное изображение)

Результаты исследования свидетельствуют о значительном влиянии на параметры структуры и механические свойства прутков из сплава ВТ41 содержания железа в исследованном диапазоне концентраций. Необходимо принять во внимание то обстоятельство, что объектом исследования являются катаные прутки малого диаметра с относительно малым размером β-зерна, что является дополнительным фактором, усиливающим описываемый эффект от изменения содержания железа.

Обобщая результаты данного исследования и результаты, полученные в работах [7–9], следует отметить, что изменение характеристик жаропрочности в сплаве ВТ41 происходит аналогично наблюдаемым в псевдо-α- и (α+β)-сплавах марок Ti-1100, Ti-6242S и Ti-6246. С увеличением содержания b-стабилизаторов «чувствительность» сплавов к содержанию железа снижается.