РАЗДЕЛ 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
2.1 Изучаемые сплавы и методика их термической обработки
Для исследования были выбраны следующие промышленные ?-титановые сплавы: ВТ-22 (производитель - ВСМПО, Россия), TIMETAL-LCB (производитель - TIMET, США) и Ti-15-3 (производители - ВСМПО и TIMET). Часть экспериментов также проводилась на сплаве ТС6 (производитель - ВСМПО). Номинальные химические составы сплавов приведены в таблице 2.1.
Таблица 2.1.
Химические составы исследуемых сплавов.
СплавСостав (вес.%)ТппAlSnMoVFeCrCMoК?(oC)ВТ225-55117.01.2850Ti-15-333-15-312.61.5760TIMETAL-LCB1.5-6.8-4.5-18.41.9790TC63-56-1123.22.5800
Выбор сплавов диктовался желанием, по возможности, охватить весь спектр существующих бета сплавов: от слабо легированных сплавов переходного класса (К?=1,0-1,4; например ВТ22), псевдо-бета (К?=1,4-2,4; например Ti-15-3 и TIMETAL-LCB) до стабильных бета сплавов (К?>2,4; например ТС6). Так, наименее легированный сплав ВТ22 находится практически на границе альфа+бета/бета сплавов и часто используется в качестве несущих конструкций, например в авиационных шасси, а сплав ТС6 принадлежит к классу сильнолегированных стабильных бета сплавов и используется в основном в виде пружинных материалов. Также, как видно из таблицы, в качестве легирующих элементов выбранных сплавов используются как изоморфные (Мо, V), так и к эвтектоидные элементы (Fe, Cr). Такой выбор сплавов позволяет перенести полученные при исследовании закономерности и на другие сплавы подобного класса.
Сплав TIMETAL?-LCB был получен в виде горячекатаной (при температурах альфа+бета области) плиты толщиной 45 мм и в виде горячекатаных прутков диаметром 14,6 (пруток №1, прокатка в альфа+бета области) и 8,6 мм (пруток №2, прокатка в бета области). Сплав ВТ22 был получен в виде горячекатаных плиты толщиной 50 мм (прокатка при температурах альфа+бета области) и прутка диаметром 10мм (прокатка в альфа+бета области). Сплавы Ti-15-3 и TC6 были получены в виде горячекатаных (при температурах бета области) плит толщиной 12 мм. Химический состав всех сплавов находился в пределах спецификации. Микроструктуры сплавов в состоянии поставки представлены на Рис. 2.1-2.4.
Как видно из Рис.2.1-2.4, микроструктуры сплавов существенно отличаются даже в пределах одного сплава. Так, например, материал плиты сплавов TIMETAL-LCB и ВТ22 характеризуется однородной глобулярной альфа+бета структурой (Рис.2.1а и 2.2а) и сравнительно небольшим размером бета зерен. Как было показано ранее для коммерческих ??? сплавов [12, 108], такая микроструктура наиболее пригодна для СТО, т.к. быстрый нагрев в однофазную бета область позволяет полностью растворить первичную альфа фазу и сформировать однородную ?-зеренную микроструктуру со сравнительно мелкими, порядка десятков микрометров ? зернами. С другой стороны, структура прутка сплава TIMETAL-LCB, также прокатанного в альфа+бета области (Рис. 2.1б, в) более неоднородная (Рис. 2.1б, в и 2.2б) и отличается по поперечному сечению.
абвгдРис. 2.1. Микроструктуры сплава LCB в состоянии поставки. а - плита, б, в - пруток №1 диаметром 14.6 мм, г, д - пруток №2 диаметром 8,6 мм. б, г - центральная часть, в, д - область возле края.
абРис. 2.2. Микроструктура сплава ВТ22 в состоянии поставки. а - плита, б пруток диаметром 10 мм.
Материал прутка сплава ВТ22 характеризовался микроструктурой с сильно вытянутыми в направлении прокатки бета зернами (Рис. 2.2в). Внутри бета зерен образовалась двухфазная (? + ?)-структура, содержащая очень мелкую (? 1 мкм) глобулярную альфа фазу (Рис. 2.2в). При этом не наблюдалась непрерывная альфа фаза декорирующая границы старых бета зерен. Электронно-микроскопические исследования (Рис. 2.3) показывают, что динамической рекристаллизации бета фазы не произошло.
абРис. 2.3. Структура прутка диаметром 10 мм сплава ВТ22 в состоянии поставки: (а) - светлое поле, (б) - электронная дифракция от бета зерна показанного на (а). Уширение бета рефлекса отмеченного стрелкой на (б) говорит о том, что динамической рекристаллизации бета фазы не произошло.
абРис. 2.4 Микроструктура сплавов (а) Ti-15-3 и (б) TC6 в состоянии поставки.
Предварительная термомеханическая обработка при температурах однофазной бета области немного выше температуры окончания полиморфного превращения (Тп.п.) может давать мелкую бета зеренную микроструктуру, если степень деформации достаточна для динамической рекристаллизации. Анализ микроструктуры прутка №2 сплава TIMETAL-LCB, прокатанного производителем в бета области, показал, что в них сформирована бета структура с признаками неоднородной динамической рекристаллизации (Рис. 2.1, г, д и 2.2б). Также видно различие в структуре в центре и ближе к поверхности образца в случае сплава TIMETAL-LCB; в этом случае видна разница в степени рекристаллизации и размере бета зерна.
Материал сплавов Ті-15-3 и ТС6, прокатанных в бета области, характеризуется наличием рекристаллизованных бета зерен, что свидетельствует о прохождении динамической рекристаллизации в процессе прокатки. При этом не наблюдается грубых пластин альфа фазы.
Термическая обработка производилась в электрической печи BIFATHERM (производитель - Израиль) в воздушной среде. Также термообработка производилась методом скоростного нагрева. Скоростной нагрев выполнялся путем прямого пропускания электрического тока (220 В, 50Гц) на установке разработанной в Институте металлофизики.
2.2. Методики прокатки, механических испытаний, и микроструктурных исследований
Горячая и холодная деформация проводилась на плоском и ручьевом прокатных станах с обжатием 1 и 0.5 мм за один проход соответственно.
Твердость по Виккерсу измеряли на шлифованных образцах размером не менее 0,5х1 см по стандартной методике с помощью установки ПТ2.
Механические свойства на растяжение измеряли на стандартных цилиндрических образцах с диаметром рабочей час