Грант РНФ № 19-19-00033
Отчет по проекту РНФ № 19-19-00033 за 2019 год
На данном этапе работы по проекту, на примере промышленных титановых сплавов псевдо β и переходного класса ВТ35 и ВТ22, проводили отработку различных режимов получения ультрамелкозернистой структуры методами радиально-сдвиговой прокатки, всестороннего прессования и дополнительных термомеханических обработок.
В состоянии поставки сплав ВТ22 представляет собой смесь α-фаз (58 %) и β-фаз (42 %), средний размер зерен в поперечном сечении составляет 150 мкм (рис. 1а). После радиально-сдвиговой прокатки происходит измельчение структуры. В сплаве ВТ22 формируется зеренно-субзеренная структура со средним размером элементов 0,7 мкм (рис. 1 б-в). В результате старения в зернах и по границам β-фазы наблюдается выделение вторичной α-фазы в виде игл толщиной несколько нанометров (рис. 1г).
Рисунок 1. Структура сплава ВТ22 в состоянии поставки(а), после радиально-сдвиговой прокатки(б, в) и последующего старения(г).
Пределы прочности σв и текучести σ02 сплава ВТ22 после радиально-сдвиговой прокатки составляют около 1000МПа и 900 МПа соответственно. Старение образцов после прокатки позволяет повысить их механические свойства в 1,3 раза по сравнению с состоянием поставки и в 1,7 раза по сравнению с состоянием после прокатки (табл. 1).
В состоянии поставки сплав ВТ35 крупнозернистый с зернами вытянутыми вдоль направления прокатки (рис. 2а). Ширина зерен составляет 60 мкм. Объемная доля β-фазы 100%.
После прокатки сплава ВТ35 зерна становятся равноосными, средний размер зерен становится равным 22 мкм (рис. 2б). В структуре сохраняются вытянутые вдоль прутка зерна. В результате старения происходит выделение мелкодисперсной α-фазы (рис. 2в-г).
Рисунок 2. Структура сплава ВТ35 всостоянии поставки (а), после радиально-сдвиговой прокатки (б) и последующего старения (в, г).
Всестороннее прессование проводили со ступенчатым понижением температуры в интервале 973-773 К для сплава ВТ35 и 1073-773 К для сплава ВТ22. Электронномикроскопические исследования образцов после интенсивной пластической деформации показали, что в обоих исследуемых сплавах формируется достаточно однородная зеренно-субзеренная структура со средним размером элементов менее 0,2 мкм (рис. 3). При этом максимальные размеры элементов полученной структуры не превышают 0,6-07 мкм. Показано, что формирование ультрамелкозернистой структуры в рассматриваемых титановых сплавах приводит к повышению их механических свойств при комнатной температуре при испытаниях на растяжение. В частности, пределы прочности и текучести сплава ВТ22 составляют 1630±20 и 1530±20 МПа, соответственно при пластичности ~10%. Для сплава ВТ35 пределы прочности и текучести достигают 1460 и 1440 МПа, соответственно при пластичности ~5%. Указанные значения механических свойств сплавов ВТ22 и ВТ35 превышают аналогичные свойства рассматриваемых сплавов в крупнозернистом состоянии на 25-50% (табл.1).
Рисунок 3. Микроструктура (а, б) и гистограммы распределения зеренно-субзеренной структуры по размерам (в, г) сплавов ВТ35 (а, б, в) и ВТ22 (г) после всестороннего прессования
Таблица 1. Механические свойства титановых сплавов ВТ22 и ВТ35 при комнатной температуре после различных обработок.
| ВТ22 | α/β, % |
σв± 20, МПа |
σ0,2 ± 20, МПа |
δ ± 1, % |
| состояние поставки | 58/42 | 1300 | 1220 | 7 |
| радиально-сдвиговая прокатка | 10/90 | 1000 | 900 | 8 |
| радиально-сдвиговая прокатка + отжиг 723 К, 5 ч. | 1700 | 1600 | 2 | |
| всестороннее прессование | 62/38 | 1630 | 1530 | 9 |
| ВТ35 | ||||
| состояние поставки | 0/100 | 860 | 850 | 19 |
| радиально-сдвиговая прокатка | 0/100 | 810 | 800 | 27 |
| радиально-сдвиговая прокатка + отжиг 723 К, 5 ч. | 24/76 | 1200 | 1050 | 7 |
| всестороннее прессование | 18/82 | 1360 | 1340 | 8 |
| всестороннее прессование + отжиг 723 К, 5 ч. | 47/53 | 1460 | 1440 | 5 |
На примере титанового сплава переходного класса ВТ22 обнаружено, что формирование оксидного слоя толщиной 1,5-2 мкм при старении на воздухеприводит к одновременному снижению пластичности и прочности, в отличие от менее легированных титановых сплавов, в которых окисление вызывает охрупчивание с повышением прочности в следствие твердорастворного упрочнения кислородом α-фазы. Показано, что причиной снижения пластичности является развитие системы поверхностных микротрещин в оксидном слое (рис.4), распространение которых на глубину превышающую толщину такого слоя приводит к развитию хрупкого разрушения (рис.4). Причиной уменьшения прочности является соответствующее снижение микротвердости приповерхностных слоев обусловленное изменением кинетики распада β фазы вследствие диффузионного насыщения сплава кислородом на глубину, значительно превышающую толщину оксидного слоя (рис.4).
Рисунок 4. Кривые растяжения, с изображениями боковых поверхностей и картин разрушения образцов титанового сплава переходного класса ВТ22 с и без оксидного слоя, а также распределение кислорода по глубине окисленного образца
Таблица 2. Усталостные характеристики сплава ВТ22 с ультрамелкозернистой структурой
| Номер образца | s, МПа (по датчику) | DN, циклы до разрушения |
| 1.1 | 702 (721) | 7,10·107 разрушился «fish-eye» |
| 1.2 | 680(656) | 1,18·108 разрушился «fish-eye» |
| 1.4 | 640(660) | 6,70·108 разрушился «fish-eye» |
| 1.6 | 630 | 2,23·108 разрушился «fish-eye» |
| 1.7 | 750(760) | 1,31·109 разрушилсявозможно«fish-eye» |
| 1.8 | 800(803) | 3,51·108разрушилсявозможно«fish-eye» |
| 1.9 | 850(833) | 2,78·107разрушилсявозможно «fish-eye» |