РОЗДІЛ 2
МАТЕРІАЛИ ТА МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕНЬ
2.1. Об’єкти досліджень
Об’єктом даного дослідження були конструкційні титанові сплави різного
структурно-фазового складу: a-сплав ВТ-5; псевдо-a сплави ПТ-3В та ТС-5;
(a + b) - сплави ПТ-5В та ВТ-14 [154-156] (табл. 2.1), які застосовуються у
високотехнологічних галузях промисловості, зокрема для виготовлення елементів
ядерних енергетичних установок, теплообмінних систем різного призначення, у
хімічному та авіаційному машинобудуванні, кріогенній техніці тощо.
Таблиця 2.1
Хімічний та фазовий склад титанових сплавів
Сплав
Система
Тип сплаву
Хімічний склад, %
ВТ-5
Ti-Al
5,0 Al
ПТ-3В
Ti-Al-V
псевдо-a
4,5 Al; 2,5 V
ТС-5
Ti-Al-V-Zr-Sn
псевдо-a
5,0 Al; 2,0 V; 2,0 Zr; 3,0 Sn
ПТ-5В
Ti-Al-V-Mo
a+b
5,0 Al; 1,5 V; 1,0 Mo
ВТ-14
Ti-Al-V-Mo
a+b
4,5 Al; 1,0 V; 3,0 Mo
В атомній енергетиці, для виготовлення лопаток останніх ступенів парових
турбін, надали перевагу однофазним структурам: a- та псевдо-a сплавам
[212-214]. Основний легувальний елемент a-сплавів – алюміній
(сплав ВТ-5, система Ti-Al), який підвищує міцність титану, його жароміцність,
опір повзучості, модуль нормальної пружності. Однак за вмісту алюмінію понад
6…7% знижується пластичність та опір крихкому руйнуванню. Сплав добре
деформується в гарячому стані, зварюється, володіє достатньо високими
механічними властивостями (sв = 750…950 МПа; y і 30%;
s-1 = 400…410 МПа [154-156]). Сплав апробовано на натурних лопатках великих
розмірів довжиною 665, 765 та 960 мм [145].
Сплави ТС-5 та ПТ-3В відносяться до групи бетованих a-сплавів (або псевдо-a
сплавів), які містять окрім a-стабілізаторів b-стабілізатори в кількості, що
незначно перевищує межу їх розчинності в a-фазі. В структурі сплавів, окрім
a-фази, знаходиться » 2...4% b-фази. Сплав ПТ-3В належить до системи Ті-Аl-V із
вмістом елементів, за даними [145], 3,5-5 Аl; 1,2-2,5 V. Сплав ТС-5 (система
Ti-Al-Zr-V-Sn) містить 5% Al, 2% Zr, 2% V, 3% Sn. Їх використання в енергетиці
повўязане з виготовленням турбін потужністю 1200 МВт із робочою лопаткою
останнього ступеню довжиною 1200 мм та вищою, порівняно з a-сплавами, міцністю.
Одночасно з ними для лопаток підвищеної міцності апробовуються двохфазні
сплави, зокрема ПТ-5В та ВТ-14 системи Ti-Al-V-Мо із вмістом легуючих елементів
4% Al, 3% Мо, 1% V – сплав ВТ-14 та 5% Al, 1,5% V, 1% Мо – сплав ПТ-5В [145,
154].
2.2. Зразки та технологія виготовлення
Випробування титанових сплавів за умов циклічного деформування здійснювали на
гладких циліндричних зразках (рис. 2.1) діаметром робочої частини 5 мм (ГОСТ
23026-78).
Рис. 2.1. Зразок для втомних випробувань.
Зразки виготовляли за технологією [145, 215], яка забезпечувала достатньо
високу чистоту поверхні робочої частини (шорсткість 0,32 за ГОСТ 2789-73) та
мінімальний поверхневий наклеп. У межах запланованої серії випробовувань
технологія виготовлення зразків була однаковою, точність вимірювання перерізу
робочої частини зразка була не нижчою 0,01 мм. Вплив концентрації напружень
оцінювали на циліндричних зразках типу V (ГОСТ 23026-78) із V-подібним
кільцевим вирізом (рис 2.2).
Рис. 2.2. Зразок для втомних випробувань із кільцевим вирізом.
Сумарна похибка частоти навантаження, при випробовуванні зразків на втому, не
перевищувала при f = 50 с-1 ± 3% від вимірюваної величини.
Зразки для електрохімічних досліджень без навантаження (рис. 2.3а), що мали
форму циліндра, запресовували у фторопластові втулки (рис. 2.3б). Робочу
частину зразка зі втулкою зачищали шліфувальним папером М40. Площа робочої
частини такого зразка складала 0,1 ± 0,01 см2.
При вивченні корозійно-електрохімічних процесів на гладкій циліндричній
циклічно-деформованій поверхні зразка (рис. 2.4) здійснювали виокремлення
робочої частини, нанесенням ізоляційного водостійкого клейового покриття (ТУ
6-15-129-78). Для ущільнення зразків в електрохімічній комірці їх запресовували
у фторопластові втулки.
Механічні властивості сплаву визначали за ГОСТ 1947-61 на стандартних зразках
діаметром 5 мм із п’ятикратною довжиною робочої частини на машині ІМ-4Р. У
межах робочої частини рисками, з похибкою до 1%, позначали початкову
розрахункову довжину l0 = 5,65, де F0 – площа початкового перерізу зразка.
Властивості в’язкості матеріалу визначали випробуваннями на удар зразків із
надрізом за методом Шарпі (KCU).
Рис. 2.3. Зразок для електрохімічних досліджень:
а – зразок; б – фторопластова втулка.
Рис. 2.4. Зразок для вивчення електрохімічних процесів на гладкій циліндричній
циклічно деформованій поверхні.
Перед експериментальними випробуваннями всі зразки знежирювали ацетоном
кваліфікації ХЧ.
2.3. Характеристика корозивних середовищ
Дослідження проводили в корозивних середовищах різної протогенності: в рідкому
(табл. 2.2) та газоподібному аміаку; у водних розчинах аміаку п’яти
концентрацій (0,5; 1,0; 2,0; 4,7; 10,2%); у 10%-х розчинах хлоридної та
сульфатної кислот; у розчинах хлориду натрію чотирьох концентрацій; в
апротонному диметилформамідному (ДМФА) середовищі з фоновими електролітами
хлориду літію та нітрату амонію, у фреоні-12.
Таблиця 2.2
Характеристика рідкого аміаку
Найменування показника
Вміст
Масова доля аміаку, %, при визначенні води об’ємним методом
Масова доля води, %, не більше (об’ємним методом)
Масова концентрація мастила, мг/дм3
Масова концентрація заліза, мг/дм3
99,96
0,04
За нормальної температури та атмосферного тиску аміак знаходиться в
газоподібному стані.
При проведенні електрохімічних досліджень використовували аміак водний (ГОСТ
3760-79, табл. 2.3), необхідну концентрацію якого отримув