Введение

Продолжено исследование влияния содержания железа на свойства сплава ВТ41, проведенное на материале катаных прутков, результаты которого изложены в статье [1]. В предлагаемой работе рассмотрено влияние содержания железа в пределах от 0,052–0,061 до 0,11–0,121% (по массе) на механические свойства поковок из сплава ВТ41.

Материалы и методы

Исследования проводили на поковках Ø(200–335)×(35–45) мм (рис. 1). Поковки изготавливали из слитков ковкой при температурах β-области, всесторонней ковкой мерных заготовок при температурах (α+β)-области и окончательной осадкой со степенью деформации 60–75% в изотермических условиях при температурах (α+β)-области, для сплава с повышенным содержанием железа – штамповкой на прессе с несколькими промежуточными подогревами (толщина сечения штамповки 30–42 мм) со степенью деформаци 35–40% при каждой осадке. После деформации поковки отжигали по режиму двойного отжига [2, 3], для плавки с повышенным содержанием железа температура второй ступени отжига была увеличена на 30°С. Химический состав слитков сплава ВТ41 соответствует требованиям ОСТ 1 90013 «Сплавы титановые. Марки».

  Рисунок 1. Внешний вид поковки из сплава ВТ41

Уровень легирования сплава ВТ41, выраженный в структурных эквивалентах по алюминию и молибдену [4], а также содержание элементов внедрения приведены в табл. 1.

Таблица 1

Уровень легирования сплава ВТ41 в структурных эквивалентах по алюминию

и молибдену и содержание элементов внедрения

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

Макроструктура поковок обеих плавок  матового фона с зернами 4–5 балла по 10-балльной шкале макроструктур титановых сплавов. Микроструктура материала в хордовом сечении поковок после термической обработки приведена на рис. 2.

Рисунок 2. Микроструктура (оптическая микроскопия) поковок из сплава ВТ41 с содержанием железа 0,052–0,061 (а) и 0,11–0,121% (по массе) (б)

В обоих случаях микроструктура материала глобулярно-пластинчатая, объемная доля первичной α-фазы в поковке с минимальным содержанием железа составила 26,3–31,2%, с максимальным содержанием железа: 18,2–25,4%. Как и в случае с прутками [5], дисперсность пластин вторичной α-фазы при повышении содержания железа значительно возрастает. Механические свойства поковок приведены в табл. 2–4.

Таблица 2

Механические свойства поковок из сплава ВТ41 при комнатной температуре

* Штамповка диска.

Таблица 3

Механические свойства поковок из сплава ВТ41 при высоких температурах

Условный номер плавки	Содержание Fe, % (по массе)
		МПа
1	0,052–0,061	705–785	655–725	460–480	295	98–117
2	0,11–0,121	810–840	735–780	475–510	315–335	117–127*

* Штамповка диска.

Таблица 4

Малоцикловая усталость поковок из сплава ВТ41

* Штамповка диска.

Обсуждение и заключения

По результатам исследования показано, что снижение содержания железа с 0,11 до 0,061% (по массе) в поковках из сплава ВТ41 в отожженном состоянии приводит к изменению параметров глобулярно-пластинчатой микроструктуры (укрупнению пластинок превращенной α-фазы) и снижению прочностных характеристик материала. В данном случае также имеет место «модифицирующее» воздействие этого элемента на дисперсность превращенной α-фазы [5–8]. Полученные результаты аналогичны результатам исследования прутков из сплава ВТ41 [1]. Однако для материала поковок с более крупным β-зерном (по сравнению с прутками), увеличение содержания железа на характеристики пластичности и чувствительности к надрезу влияния практически не оказывает. Более высокие характеристики ударной вязкости можно объяснить большей объемной долей вторичной α-фазы в структуре материала поковок с высоким содержанием железа, а также снижением температуры полного растворения силицидов для данной плавки [9]. По данным табл. 3 видно, что с повышением прочности при увеличении содержания железа возрастает жаропрочность материала поковок из сплава ВТ41 (различием в содержании кремния в 0,02–0,04%, а также других легирующих элементов можно пренебречь).

Обобщая результаты данного исследования с работами [1, 10–12] следует отметить, что изменение характеристик жаропрочности в сплаве ВТ41 в зависимости от содержания железа происходит аналогично изменениям, наблюдаемым в псевдо-α- и (α+β)-сплавах Ti1100, Ti6242S и Ti6246, но только при определенных текстурном и структурно-фазовом состояниях. Для поковок с относительно крупнозернистой структурой увеличение содержания железа в исследованном интервале не приводит к снижению жаропрочности материала. Вероятно, это обусловлено большей степенью легирования β-фазы в сплаве ВТ41 (нейтральными упрочнителями и изоморфными β-стабилизаторами). Необходимо также отметить, что модифицирующее воздействие железа на структуру литого и деформированного материала подтвердилось в процессе исследования новой композиции псевдо-α-сплава [13], выполненного в соответствии со стратегическими направлениями развития авиационных материалов [14]. Использование небольших добавок железа как элемента, модифицирующего структуру и повышающего прочностные характеристики псевдо-α-титановых сплавов определенных композиций, не требует каких-либо изменений в существующей технологии и значительно снижает стоимость производства полуфабрикатов по сравнению с другими способами повышения прочности и служебных характеристик металлических материалов (например, термомеханической обработкой, микролегированием РЗМ и т. д.) [15–19].