Диссертация (Влияние химического состава и структуры на обрабатываемость резанием титановых сплавов ВСТ2К и ВТ6)

МИНИСТЕРСТВОО ОБРАЗОВААНИЯ И НААУКИ РОСССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИФИРАЛЬНОЕ ГГОСУДАРСТТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОБОЕ ОБРАЗООВАТЕЛЬНООЕФЕДЕРУУЧРЕЖДЕНИИЕ ВЫСШЕЕГО ОБРАЗООВАНИЯ« М О С К О В С К И Й А В И А ЦИ О Н Н Ы Й И Н С Т И Т У Т(ннациональныйй исследовательский унивверситет)»На праваах рукопиисиМИТРООПОЛЬСККАЯ НААТАЛИЯ ГЕОРГИИЕВНАВЛИЯНИЕ ХИИМИЧЕССКОГО СОСТАВАСА И СТРРУКТУРЫЫ НААТЫВАЕЕМОСТЬЬ РЕЗАНИЕМ ТИИТАНОВЫЫХ СПЛЛАВОВОБРАБАВСТ2К И ВТ6Спеециальноссть 05.16.01 - Метаалловеденние и терммическая обработкка металлловДДИССЕР ТАЦИЯна соисканиие ученой степени кандидатта техничееских науукй руководитель: аккадемик РАН,РдоктторНаучныйтехничесских наук,, професссорИлльин Алеександр АнатольевАвичМосква – 2017‐ 2 ‐ СОДЕРЖАНИЕСтр.Введение ……………………………………………………………………….

4Глава 1 Состояние вопроса и постановка задач исследований ………… 91.1 Сплавы на основе титана ………………………………………… 91.1.1 Классификация титановых сплавов ………………………. 91.1.2 Принципы легирования титановых сплавов ……………..151.1.3 Термическая обработка титановых сплавов ……………..191.2 Применение титана и его сплавов в медицине …………………. 281.2.1 Металлические материалы, применяемые в медицине …281.2.2 Биологическая и механическая совместимость …………..321.2.3 Коррозионная стойкость и износостойкость ……………..371.3 Обрабатываемость резанием титановых сплавов ……………… 421.3.1 Параметры, определяющие обрабатываемость металлови сплавов резанием ………………………………………………. 421.3.2 Свойства титановых сплавов и условия, создающиеся взоне резания ……………………………………………………….

441.3.3 Механизм образования стружки при обработке резаниемтитановых сплавов ……………………………………………….521.3.4 Способы улучшения обрабатываемости резаниемтитановых сплавов ………………………………………………591.4 Комплексные технологии для обработки титановых сплавов … 621.4.1 Термоводородная обработка ………………………………. 621.4.2 Химико-термическая обработка …………………………… 731.5 Заключение по литературному обзору и постановка задачисследований ……………………………………………………... 82Глава 2Объекты и методы исследования ……………………………......852.1 Объекты исследования ……………………………………...……852.2 Методы исследования ..…………………………………………..86‐ 3 ‐ Глава 3 Влияние режимов термической обработки на структуру ифизико-механические свойства сплава ВСТ2К ………………… 963.1 Формирование фазового состава и структуры в сплаве ВСТ2Кв зависимости от температуры нагрева и скорости охлаждения. 973.2 Исследование влияния химического состава и структуры накоррозионную стойкость сплава ВСТ2К приэлектрохимической коррозии ……………………………………124Выводы по главе 3 ……….……………………………………….128Глава 4 Влияние химического состава и структуры наобрабатываемость резанием титанового сплава ВСТ2К ….…… 1304.1 Исследование влияния химического состава сплава ВСТ2К натермосиловые параметры резания ……………………………….

1324.2 Исследование влияния параметров структуры сплава ВСТ2Кна термосиловые параметры резания …………………………… 1444.3 Исследование влияния структуры и химического составасплава ВСТ2К на параметры стружки ………………………….1484.4 Исследование влияния дополнительного легированияводородом на термосиловые параметры резания сплава ВСТ2К 153Выводы по главе 4 ……...………………………………………… 153Глава 5 Влияние содержания алюминия на качество полированнойповерхности заготовок из титанового сплава ВТ6 ……………..154Выводы по главе 5 …………………………………………...…… 166Общие выводы по работе……………………………………………………..167Литература……………………………………………………………………..

170Приложение. Акт внедрения…………………………………………………182‐ 4 ‐ ВведениеАктуальность темы исследованияБлагодаря сбалансированному сочетанию физико-механических итехнологических свойств титановый сплав ВТ6 (Ti-6Al-4V) является однимиз наиболее часто используемых материалов для изготовления изделийответственного назначения, в частности, высоконагруженных медицинскихимплантатов.

Производство изделий из титана от выплавки слитков иполучения деформированных полуфабрикатов до готовой продукцииявляется энергозатратным и дорогостоящим процессом. Поэтому, несмотряна преимущества титана по биологической совместимости, удельнойпрочности и коррозионной стойкости в биологической среде, зачастуюиспользование нержавеющей стали для изготовления имплантируемыхмедицинских изделий экономически предпочтительнее.Перспективным способом снижения стоимости титановой продукцииявляется вовлечение в производство вторичных отходов, что позволяетудешевить вторичные сплавы на 30% и более при сохранении основныхконструкционных свойств, присущих титановым сплавам. Такой сплав,впоследствии названный ВСТ2К, был создан в ОАО «Корпорация ВСМПОАВИСМА (патент РФ №2425164).Однако, вследствие непредсказуемого сочетания отходов, имеющихся вналичии на момент плавки, трудно получить составы слитков с точнорегламентированными структурой и свойствами.

Это может приводить кбольшомуразбросумеханическихитехнологическихсвойствполуфабрикатов, изготовленных из разных плавок. Поэтому разработкатехнологии обработки полуфабрикатов из сплава ВСТ2К, полученных изслитков с разным химическим составом, обеспечивающей формированиеоднотипной структуры и, соответственно, стабильного уровня свойств,является актуальной задачей.Известно, что титановые сплавы трудно обрабатываются резанием.Применение фасонного литья для изготовления деталей из титановыхсплавовзачастуюнеприемлемовследствиеформирования‐ 5 ‐ крупнопластинчатой структуры, в несколько раз снижающей ресурс ихработы при знакопеременных нагрузках. А применение изотермическойштамповки целесообразно только при массовом производстве.

Одним извариантов решения данной проблемы является создание специальныхсплавов с улучшенной обрабатываемостью. Однако полностью решитьпроблему таким путем не удается, т.к. эти сплавы не всегда могут обеспечитьтребуемый комплекс свойств.На обрабатываемость резанием влияют не только режимы обработки иматериал режущего инструмента, но и химический состав сплава и егоструктурное состояние.Однако данный аспект проблемы практически не изучен. Поэтомуисследование влияния химического состава и структуры (α+β)-сплавов натермосиловые параметры резания и качество обрабатываемой поверхностиявляется актуальной задачей.Цель и задачиЦель настоящей работы состояла в установлении влияния химическогосостава и структуры сплавов ВСТ2К и ВТ6 на комплекс механическихсвойств и термосиловые параметры резания и разработке на этой основетехнологий их обработки, обеспечивающих регламентированной уровеньфизико-механических свойств.Для достижения поставленной цели необходимо было решитьследующие задачи:1.

Установить влияние химического состава, температуры нагрева искорости охлаждения на формирование структуры и свойства горячекатаныхплит из сплава ВСТ2К.2. Разработать режимы термической обработки, обеспечивающиеформированиерегламентированнойструктурыиуровеньсвойстввгорячекатаных полуфабрикатах из сплава ВСТ2К.3. Провести сравнительную оценку коррозионной стойкости сплавовВСТ2К, ВТ6, медицинской стали и кобальт-хром-молибденового сплава.‐ 6 ‐ 4. Установить влияние химического состава и структуры сплава ВСТ2Кна термосиловые параметры резания.5. Оценить влияние химического состава и структуры сплава ВСТ2К наструктуру стружки.6. Исследовать влияние дополнительного легирования водородом наобрабатываемость резанием сплава ВСТ2К.7.

Изучить влияние химического состава сплава ВТ6 на качествополированной поверхности заготовок.Научная новизна работы:1. Показано, что в качестве критерия обрабатываемости резаниемсплава возможно использовать расстояние между полосами сдвига (Lс),образующимися в структуре стружки. Установлено, что чем меньше эторасстояние, тем лучше обрабатываемость резанием: ниже усилие резания итемпература в зоне резания. Установлено, что сравнение данного параметраможно проводить только для сплава одного состава в разных структурныхсостояниях. При изменении химического состава сплава закономерностьизменения Lс сохраняется, но абсолютные значения могут существенноотличаться.2.

Установлено, что для сплава ВСТ2К минимальные усилие резания итемпературу в зоне резания обеспечивает структура с глобулярнойморфологией частиц α-фазы размером 3-7 мкм и твердостью 35-37 ед.HRC.3. Показано, что при содержании алюминия 6,0-6,3% в сплаве ВТ6обеспечивается стабильно высокое качество полированной поверхностизаготовки с шероховатостью Rа  0,04 мкм. Установлено, что присодержании алюминия менее 6,0% механическое полирование не позволяетполучить чистоту поверхности менее 0,05 мм вследствие «наволакивания»металла, а при содержании алюминия более 6,3% в процессе полировкинаблюдается «выкрашивание» частиц металла с поверхности, а значениепараметра Rа нестабильно и может изменяться от 0,02 до 0,1 мкм.‐ 7 ‐ Теоретическая и практическая значимость:1.

Доказана возможность улучшения термосиловых характеристикрезания за счет изменения структурного состояния материала.2. Разработаны режимы отжига горячекатаных полуфабрикатов изсплава ВСТ2К разного химического состава, обеспечивающие формированиеоднотипной структуры и стабильных свойств. Определены температурынагреваискоростьохлаждениявзависимостиотсодержанияβ-стабилизаторов. Для сплавов с [Мо]экв=4,0÷5,0 отжиг необходимо проводитьпри температуре 880°С (Тпп  100°С), для сплава с [Мо]экв=5,0÷6,0 – при920°С (Тпп  60°С), а для сплава с [Мо]экв≥6,0 – при 880°С (Тпп  90°С).Последующая изотермическая выдержка в течение 1 часа и охлаждение соскоростью 0,04 К/с до комнатной температуры позволяют сформироватьоднотипнуюструктуруипримерноодинаковыйуровеньсвойств.Разработанные режимы отжига обеспечивают не только требуемый уровеньсвойств, но и лучшую обрабатываемость резанием.3.

Даны рекомендации по химическому составу прутков из сплава ВТ6,предназначенныхдляизготовленияшаровыхголовокэндопротезовтазобедренного сустава: для уменьшения времени обработки и обеспечениястабильно высокого качества полированной поверхности содержаниеалюминия в полуфабрикате должно лежать в интервале 6,0 – 6,3 масс.%.Методология и методы исследованияМетодологической основой исследования послужили работы ведущихроссийских и зарубежных ученых, государственные стандарты РФ.При выполнении работы были использованы современные методыисследования:металлографический,рентгеноструктурныйимикрорентгеноспектральный анализы, испытания на растяжение и сжатие,измерение твердости.‐ 8 ‐ Положения, выносимые на защиту:1.