Статьи

 




dx.doi.org/ 10.18577/2307-6046-2016-0-2-5-5
УДК 669.295.615.46
П. В. Панин, Д. А. Дзунович, Е. Б. Алексеев
ФАЗОВЫЙ СОСТАВ И СТРУКТУРА ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ6, ДОПОЛНИТЕЛЬНО ЛЕГИРОВАННОГО ВОДОРОДОМ, ПОСЛЕ ВАКУУМНОГО ОТЖИГА*

Проведены исследования фазового состава и структуры образцов титанового сплава ВТ6 (Ti6,25Al4,1V, % по массе), дополнительно легированных водородом до различной концентрации, после низкотемпературного вакуумного отжига. Показано, что если процесс наводороживания сплава ВТ6 заканчивается в β-области, а кинетические условия охлаждения до комнатной температуры позволяют зафиксировать однофазное β-состояние, то при последующем низкотемпературном вакуумном отжиге формируется (α+β)-структура с наноразмерными частицами α-фазы.


Введение

Разработка, апробация и внедрение материалов нового поколения в условиях высокотехнологичных производств непосредственно сопряжены с инновационными технологиями их получения и обработки. С учетом государственных приоритетов в области создания и поддержки высокотехнологичных производств в авиационно-космической индустрии в ВИАМ разработаны «Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» [1, 2], где важное место отводится материалам на основе легких металлов, в частности – титановым сплавам [3–6].

Одной из инновационных технологий изготовления титановых сплавов является водородная обработка [7], основанная на использовании водорода в качестве постоянного или временного легирующего элемента. По результатам исследований в данной области построены температурно-концентрационные и температурно-скоростные диаграммы для большой группы титановых сплавов [7–9]. Показаны широкие возможности преобразования структуры сплавов разных классов [10–15], что позволило существенно повысить прочностные и усталостные свойства фасонных отливок, увеличить термическую стабильность жаропрочных сплавов, повысить прочность термически неупрочняемых титановых сплавов, снизить температуры или усилия деформирования при обработке давлением и получении деформированных полуфабрикатов [16–18]. В основе водородной обработки лежит уникальный технологический метод – термоводородная обработка (ТВО). Ключевыми стадиями ТВО являются процессы введения водорода (наводороживания) термодиффузионным способом и удаления водорода (дегазации) с помощью вакуумного отжига, который играет важную роль, так как в большей степени определяет конечный комплекс свойств обрабатываемого полуфабриката или изделия.

В данной работе изучено влияние низкотемпературного вакуумного отжига на фазовый состав и структуру образцов из сплава ВТ6, наводороженных по различным режимам.

 

Материалы и методы

Исходные слитки сплава ВТ6 состава Ti–6,25Al–4,1V (ГОСТ 19807–91) для проведения исследований получали методом тройного вакуумно-дугового переплава по технологии, аналогичной описанной в работе [19]. Исследования проводили на образцах, вырезанных из горячекатаной плиты толщиной 12 мм. Предварительно плиту отжигали в вакууме при температуре β-области (980°С) в течение 2 ч. Остаточная концентрация водорода после вакуумного отжига, измеренная спектральным методом, не превышала 0,006% (по массе). Насыщение образцов водородом проводили в лабораторной установке Сивертса до концентрации 0,2–1% (по массе), с шагом 0,2% в интервале температур 650–900°С. Охлаждение до комнатной температуры осуществляли со скоростью 1 К/с. Отжиг наводороженных образцов проводили при температуре 625°С в течение 7 ч в вакуумной камерной электропечи сопротивления с экранной теплоизоляцией «Вега-3М». Фазовый состав и структуру образцов изучали при комнатной температуре с помощью оптической (ОМ) и просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), а также рентгеноструктурного анализа (РСА).

 

Результаты

Практически все схемы ТВО титановых сплавов [7] включают отжиг в вакууме как заключительную операцию с целью снижения количества введенного водорода в изделии или полуфабрикате до безопасной концентрации, при которой гарантированно не развивается водородная хрупкость при последующей эксплуатации.

В процессе вакуумного отжига диффузия водорода ускоряется, а градиент диффузионного потока направлен к поверхности образца. Парциальное давление водорода в вакуумной системе меньше его равновесного давления в образце, в результате чего в системе происходит выравнивающая диффузия, приводящая к дегазации. Удаление водорода протекает значительно быстрее, чем диффузионное перераспределение атомов основных легирующих элементов сплава, что оказывает влияние на фазовые превращения, которые, согласно работе [7], можно выделить в отдельный вид – фазовые превращения, протекающие при непрерывном изменении концентрации легирующего компонента (водорода).

Вакуумный отжиг титановых сплавов условно можно разделить на высокотемпературный и низкотемпературный. Высокотемпературный вакуумный отжиг (750–900°С) обычно применяют для снижения содержания водорода до безопасной концентрации, при этом не преследуется цель путем изменения параметров отжига повлиять на фазовые превращения, протекающие в сплаве при дегазации. Низкотемпературный отжиг (600–700°С), напротив, применяется для контролируемого управления фазовым составом и структурой. Так, при низкотемпературном вакуумном отжиге реализуется возможность измельчения структуры, так как в процессе отжига вследствие низкой диффузионной подвижности основных легирующих элементов при β→α-превращении процессы зарождения новых частиц α-фазы преобладают над процессами их роста.

Как показали ранее проведенные исследования [20], спектр структур титанового сплава ВТ6 после наводороживающего отжига расширяется с увеличением концентрации введенного водорода:

– (α+β)→(α′(α″)+β)→β – после наводороживания в β-области;

– (α+β)→(α+α2+β)→(α+α2+β+δ)→(α+α2+δ) – после наводороживания в (α+β)-области.

Анализ указанных последовательностей позволяет выявить два основных структурных фактора, которые могли бы оказывать влияние на морфологию структуры после вакуумного отжига. К этим факторам можно отнести наличие или отсутствие в структуре после наводороживающего отжига β-фазы и  α′(α″)-мартенсита, а также количественное соотношение αI- (первичная) и β-фаз.

Вакуумный отжиг проводили при температуре 625°С в течение 7 ч, с охлаждением в печи. Измеренная спектральным методом концентрация водорода во всех образцах после вакуумного отжига не превышала 0,007% (по массе).

 

Рис. 1. Дифрактограммы отожженных в вакууме образцов из сплава ВТ6 после наводороживания в β-области (а) и (α+β)-области (б)

 

 

Согласно данным РСА образцы, наводороженные в β-области, после вакуумного отжига имели двухфазную (αрр)-структуру равновесного состава (рис. 1, а). Однако размер структурных составляющих α-фазы значительно изменяется в зависимости от структурного состояния после наводороживания. Так, если в структуре наводороженного сплава преобладал мартенсит (температура наводороживающего отжига 900°С, концентрация водорода 0,6% (по массе)), то образующаяся в процессе дегазации αдег-фаза наследует его морфологию, что приводит к сохранению исходного пластинчатого типа структуры α-фазы (рис. 2, а), однако размер пластин меньше по сравнению с исходной «псевдолитой» структурой после высокотемпературного отжига при температуре 980°С.

 

 

Рис. 2. Микроструктура образцов из сплава ВТ6 после наводороживающего при 900 (а – до 0,6% (по массе) Н) и 800°С (б – до 0,4% (по массе) Н) и вакуумного отжига при 625°С (ОМ)

 

 

Рис. 3. Структура образца из сплава ВТ6, дополнительно легированного 0,8% (по массе) H при 850 (а) и 800°С (б), после вакуумного отжига при 625°С (ПЭМ)

 

Если же после наводороживающего отжига в структуре удается зафиксировать практически однофазное β-состояние (возможно содержание до 5% (объемн.) мартенсита), то вакуумный отжиг приводит к формированию равновесной мелкодисперсной (αрр)-структуры (рис. 3, а). Количественный анализ морфологии получаемой в этом случае структуры показывает, что пластины равновесной αдег-фазы имеют длину 500–700 нм и толщину не более 100 нм. Это позволяет сделать вывод о формировании наноструктуры.

Наличие в структуре после наводороживания первичной αI-фазы, обогащенной алюминием до состава α2, оказывает влияние на структурообразование при вакуумном отжиге. Структура таких образцов после дегазации представлена α- и β-фазами неравновесного состава; в микрообъемах α-фазы сохраняется дальний порядок упорядочения, о чем свидетельствуют сверхструктурные рефлексы на дифрактограммах (см. рис. 1, б).

Исследования показали, что если в структуре после наводороживающего отжига присутствует менее 30% (объемн.) αI-фазы, то процессы зарождения частиц αдег-фазы преобладают над процессами их роста и в результате формируется бимодальная структура, содержащая частицы первичной частично упорядоченной α(α2)-фазы размером 1–3 мкм и обедненную алюминием вторичную наноразмерную αдег-фазу, которая выделяется из β-фазы при дегазации (рис. 3, б). Если же в структуре наводороженного сплава содержится более 30% (объемн.) αI-фазы, то даже при низкотемпературной дегазации преобладают процессы роста ее частиц, а вторичной αдег-фазы образуется значительно меньше (см. рис. 2, б).

 

Обсуждение и заключения

Установлено, что если в процессе наводороживания α→β-превращение протекает до конца и последующее охлаждение до комнатной температуры позволяет зафиксировать однофазную β-структуру, то при последующем низкотемпературном (600–650°С) вакуумном отжиге формируется (α+β)-наноструктура, содержащая пластины α-фазы длиной 500–700 нм и толщиной не более 100 нм.

Установлено, что если после наводороживающего отжига в структуре сплава ВТ6 содержится не более 30% (объемн.) первичной α-фазы, то вакуумный отжиг при температуре 625°С позволяет сформировать бимодальную структуру, содержащую (кроме равновесного количества β-фазы) обогащенную алюминием и частично упорядоченную первичную α(α2)-фазу и обедненную алюминием наноразмерную вторичную α-фазу, выделяющуюся из β-фазы в процессе дегазации.

Авторы выражают благодарность одному из основоположников водородной технологии титановых сплавов в России академику РАН А.А. Ильину и сотрудникам его научной школы д.т.н., проф. С.В. Скворцовой и д.т.н., проф. А.М. Мамонову за помощь в получении и интерпретации экспериментальных результатов, обсуждение и критические замечания.

 

* Экспериментальные результаты получены на оборудовании Ресурсного центра коллективного пользования «Авиационно-космические материалы и технологии» ФГБОУ ВПО «МАТИ – Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского» (МАИ).


ЛИТЕРАТУРА REFERENCE LIST
1. Каблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» // Авиационные материалы и технологии. 2015. №1 (34). С. 3–33.
2. Каблов Е.Н. Шестой технологический уклад // Наука и жизнь. 2010. №4. С. 2–7.
3. Каблов Е.Н. Материалы и химические технологии для авиационной техники // Вестник Российской академии наук. 2012. Т. 82. №6. С. 520–530.
4. Ночовная Н.А. Перспективы и проблемы применения титановых сплавов / В сб. Авиационные материалы и технологии. Вып. «Перспективы развития и применения титановых сплавов для самолетов, ракет, двигателей и судов»: cб. докладов юбилейного совещания, посвященного 55-летию титановой лаборатории ВИАМ. М.: ВИАМ. 2007. С. 4–8.
5. Хорев А.И. Фундаментальные и прикладные работы по конструкционным титановым сплавам и перспективные направления их развития // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2013. №2. Ст. 04. URL:http://www.viam-works.ru (дата обращения: 14.07.2015).
6. Ночовная Н.А., Панин П.В., Алексеев Е.Б., Боков К.А. Экономнолегированные титановые сплавы для слоистых металлополимерных композиционных материалов // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2014. №11. Ст. 02. URL:http://www.viam-works.ru (дата обращения: 14.07.2015). DOI: 10.18577/2307-6046-2014-0-11-2-2.
7. Ильин А.А., Колачев Б.А., Носов В.К., Мамонов A.M. Водородная технология титановых сплавов. М.: Издательский дом МИСиС, 2002. 392 с.
8. Панин П.В., Дзунович Д.А., Алексеев Е.Б. Способы описания фазового состава титановых сплавов, дополнительно легированных водородом (обзор) // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2015. №3. Ст. 03. URL:http://www.viam-works.ru (дата обращения: 14.07.2015). DOI: 10.18577/2307-6046-2015-0-3-3-3.
9. Панин П.В., Ширяев А.А., Дзунович Д.А. Построение температурно-концентрационной диаграммы фазового состава титанового сплава ВТ6, дополнительно легированного водородом // Технология машиностроения. 2014. №3. С. 5–9.
10. Ильин А.А., Скворцова С.В., Мамонов А.М., Коллеров М.Ю. Фазовые и структурные превращения в титановых сплавах разных классов под действием водорода // Титан. 2007. №1. С. 32–37.
11. Скворцова С.В., Панин П.В., Ночовная Н.А., Грушин И.А., Митропольская Н.Г. Влияние водорода на фазовые и структурные превращения в титановом сплаве ВТ6 // Технология легких сплавов. 2011. №4. С. 35–40.
12. Скворцова С.В., Панин П.В., Дзунович Д.А., Засыпкин В.В., Герман М.А. Создание композитной структуры в титановом сплаве Ti–6Al с помощью термоводородной обработки / В сб. тезисов докладов VII Международного аэрокосм. конгресса (IAC’12). М.: МГУ им. М.В. Ломоносова, 2012. С. 197–198.
13. Панин П.В., Дзунович Д.А., Засыпкин В.В. Создание двухфазной композитной структуры в альфа-сплаве Ti–6Al с помощью термоводородной обработки // Научные труды (Вестник МАТИ). 2012. №19 (91). С. 33–37.
14. Панин П.В., Лукина Е.А., Дзунович Д.А., Герман М.А. Преобразование структуры титанового сплава Ti–6Al с помощью термоводородной обработки / В сб. материалов Всероссийской науч.-технич. конф. «Новые материалы и технологии – 2012». М.: МАТИ, 2012. С. 83–84.
15. Панин П.В., Грушин И.А., Митропольская Н.Г. Исследование закономерностей изменения структурно-фазового состояния титанового сплава ВТ6 при дополнительном легировании водородом // Научные труды (Вестник МАТИ). 2013. №20 (92). С. 31–34.
16. Ильин А.А., Скворцова С.В., Панин П.В., Шалин А.В. Влияние термоводородной обработки и пластической деформации на структурообразование в титановых сплавах разных классов // Авиационная промышленность. 2009. №4. С. 31–36.
17. Овчинников А.В., Носов В.К., Афонин В.Е., Панин П.В. Основные закономерности деформации сплавов титан-водород // Технология легких сплавов. 2007. №3. С. 96–99.
18. Панин П.В., Дзунович Д.А., Лукина Е.А. Управление структурой и свойствами титановых сплавов при обратимом легировании водородом и пластической деформации / В сб. материалов XIX науч.-технич. конф. молодых ученых и специалистов РКК «Энергия». Сер. XII. 2012. Вып. 1–2. С. 103–107.
19. Каблов Д.Е., Панин П.В., Ширяев А.А., Ночовная Н.А. Опыт использования вакуумно-дуговой печи ALD VAR L200 для выплавки слитков жаропрочных сплавов на основе алюминидов титана // Авиационные материалы и технологии. 2014. №2. С. 27–33.
20. Панин П.В. Закономерности формирования фазового состава и структуры в титановых сплавах при термоводородной обработке и пластической деформации: автореф. дис. … канд. техн. наук. М., 2009. 24 с.
1. Kablov E.N. Innovacionnye razrabotki FGUP «VIAM» GNC RF po realizacii «Strategicheskih napravlenij razvitiya materialov i tehnologij ih pererabotki na period do 2030 goda» [Innovative developments of FSUE «VIAM» SSC of RF on realization of «Strategic directions of the development of materials and technologies of their processing for the period until 2030»] // Aviacionnye materialy i tehnologii. 2015. №1 (34). S. 3–33.
2. Kablov E.N. Shestoj tehnologicheskij uklad [Sixth technological way] //Nauka i zhizn. 2010. №4. S. 2–7.
3. Kablov E.N. Materialy i himicheskie tehnologii dlya aviacionnoj tehniki [Materials and chemical technologies for aviation engineering] // Vestnik Rossijskoj akademii nauk. 2012. T. 82. №6. S. 520–530.
4. Nochovnaya N.A. Perspektivy i problemy primeneniya titanovyh splavov [Perspectives and problems of application of titanium alloys] / V sb. Aviacionnye materialy i tehnologii. Vyp. «Perspektivy razvitiya i primeneniya titanovyh splavov dlya samoletov, raket, dvigatelej i sudov»: sb. dokladov yubilejnogo soveshhaniya, posvyashhennogo 55-letiyu titanovoj laboratorii VIAM. M.: VIAM. 2007. S. 4–8.
5. Horev A.I. Fundamentalnye i prikladnye raboty po konstrukcionnym titanovym splavam i perspektivnye napravleniya ih razvitiya [Fundamental and applied works on structural titanium alloys and perspective directions of their development] //Trudy VIAM: elektron. nauch.-tehnich. zhurn. 2013. №2. St. 04. Available at: http://www.viam-works.ru (accessed: July 14, 2015).
6. Nochovnaya N.A., Panin P.V., Alekseev E.B., Bokov K.A. Ekonomnolegirovannye titanovye splavy dlya sloistyh metallopolimernyh kompozicionnyh materialov [Low-cost alloyed titanium alloys for metal-polymer laminates] // Trudy VIAM: elektron. nauch.-tehnich. zhurn. 2014. №11. St. 02. Available at: http://www.viam-works.ru (accessed: July 14, 2015). DOI: 10.18577/2307-6046-2014-0-11-2-2.
7. Ilin A.A., Kolachev B.A., Nosov V.K., Mamonov A.M. Vodorodnaya tehnologiya titanovyh splavov [Hydrogen technology of titanium alloys]. M.: Izdatelskij dom MISiS, 2002. 392 s.
8. Panin P.V., Dzunovich D.A., Alekseev E.B. Sposoby opisaniya fazovogo sostava titanovyh splavov, dopolnitelno legirovannyh vodorodom (obzor) [Ways of phase areas representation in titanium alloys additionally doped with hydrogen (review)] // Trudy VIAM: elektron. nauch.-tehnich. zhurn. 2015. №3. St. 03. Available at: http://www.viam-works.ru (accessed: July 14, 2015). DOI: 10.18577/2307-6046-2015-0-3-3-3.
9. Panin P.V., Shiryaev A.A., Dzunovich D.A. Postroenie temperaturno-koncentracionnoj diagrammy fazovogo sostava titanovogo splava VT6, dopolnitelno legirovannogo vodorodom [Creation of the temperature and concentration chart of phase composition of the VT6 titanium alloy which has been in addition alloyed by hydrogen] // Tehnologiya mashinostroeniya. 2014. №3. S. 5–9.
10. Ilin A.A., Skvorcova S.V., Mamonov A.M., Kollerov M.Yu. Fazovye i strukturnye prevrashheniya v titanovyh splavah raznyh klassov pod dejstviem vodoroda [Phase and structural transformations in titanium alloys of different classes under the influence of hydrogen] // Titan. 2007. №1. S. 32–37.
11. Skvortsova S.V., Panin P.V., Nochovnaya N.A., Grushin I.A., Mitropolskaya N.G. Vliyanie vodoroda na fazovye i strukturnye prevrashheniya v titanovom splave VT6 [Influence of hydrogen on phase and structural transformations in BT6 titanium alloy] //Tehnologiya legkih splavov. 2011. №4. S. 35–40.
12. Skvortsova S.V., Panin P.V., Dzunovich D.A., Zasypkin V.V., German M.A. Sozdanie kompozitnoj struktury v titanovom splave Ti–6Al s pomoshhyu termovodorodnoj obrabotki [Creation of composite structure in Ti-6Al titanium alloy by means of thermohydrogen treating] / V sb. tezisov dokladov VII Mezhdunarodnogo ajerokosm. kongressa (IAC’12). M.: MGU im. M.V. Lomonosova, 2012. S. 197–198.
13. Panin P.V., Dzunovich D.A., Zasypkin V.V. Sozdanie dvuhfaznoj kompozitnoj struktury v alfa-splave Ti–6Al s pomoshhyu termovodorodnoj obrabotki [Creation of diphasic composite structure in Ti–6Al alpha alloy by means of thermohydrogen treating] // Nauchnye trudy (Vestnik MATI). 2012. №19 (91). S. 33–37.
14. Panin P.V., Lukina E.A., Dzunovich D.A., German M.A. Preobrazovanie struktury titanovogo splava Ti–6Al s pomoshhyu termovodorodnoj obrabotki [Transformation of structure of Ti-6Al titanium alloy by means of thermohydrogen treating] / V sb. materialov Vserossijskoj nauch.-tehnich. konf. «Novye materialy i tehnologii – 2012». M.: MATI. 2012. S. 83–84.
15. Panin P.V., Grushin I.A., Mitropolkaya N.G. Issledovanie zakonomernostej izmeneniya strukturno-fazovogo sostoyaniya titanovogo splava VT6 pri dopolnitelnom legirovanii vodorodom [Research of patterns of change of structural and phase condition of BT6 titanium alloy at additional alloying hydrogen] // Nauchnye trudy (Vestnik MATI). 2013. №20 (92). S. 31–34.
16. Ilin A.A., Skvortsova S.V., Panin P.V., Shalin A.V. Vliyanie termovodorodnoj obrabotki i plasticheskoj deformacii na strukturoobrazovanie v titanovyh splavah raznyh klassov [Influence of thermohydrogen treating and plastic strain on structurization in titanium alloys of different classes] //Aviacionnaya promyshlennost. 2009. №4. S. 31–36.
17. Ovchinnikov A.V., Nosov V.K., Afonin V.E., Panin P.V. Osnovnye zakonomernosti deformacii splavov titan-vodorod [Main patterns of deformation of alloys titanium-hydrogen] // Tehnologiya legkih splavov. 2007. №3. S. 96–99.
18. Panin P.V., Dzunovich D.A., Lukina E.A. Upravlenie strukturoj i svojstvami titanovyh splavov pri obratimom legirovanii vodorodom i plasticheskoj deformacii [Management of structure and properties of titanium alloys at reversible alloying hydrogen and plastic strain] / V sb. materialov XIX nauch.-tehnich. konf. molodyh uchenyh i specialistov RKK «Energiya». Ser. XII. 2012. Vyp. 1–2. S. 103–107.
19. Kablov D.E., Panin P.V., Shiryaev A.A., Nochovnaya N.A. Opyt ispolzovaniya vakuumno-dugovoj pechi ALD VAR L200 dlya vyplavki slitkov zharoprochnyh splavov na osnove aljuminidov titana [The use of ADL VAR L200 vacuum-arc furnace for ingots fabrication of high-temperature titanium aluminides base alloys] // Aviacionnye materialy i tehnologii. 2014. №2. S. 27–33.
20. Panin P.V. Zakonomernosti formirovaniya fazovogo sostava i struktury v titanovyh splavah pri termovodorodnoj obrabotke i plasticheskoj deformacii [Patterns of forming of phase structure and structure in titanium alloys at thermohydrogen treating and plastic strain]: avtoref. dis. … kand. tekhn. nauk. M., 2009. 24 s.
Вы можете оставить комментарий к статье. Для этого необходимо зарегистрироваться на сайте.