Диссертация (Закономерности формирования фазового состава и структуры в жаропрочном сплаве на основе интерметаллида титана ВТИ-4 при термической и термоводородной обработках)

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕУЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ«МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ(национальный исследовательский университет)»На правах рукописиУМАРОВА ОКСАНА ЗИЯРОВНАЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ФАЗОВОГО СОСТАВА ИСТРУКТУРЫ В ЖАРОПРОЧНОМ СПЛАВЕ НА ОСНОВЕИНТЕРМЕТАЛЛИДА ТИТАНА ВТИ-4 ПРИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ИТЕРМОВОДОРОДНОЙ ОБРАБОТКАХСпециальность 05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металловДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степени кандидата технических наукНаучный руководитель: доктор технических наук, профессорСкворцова Светлана ВладимировнаМосква – 2017-2-СодержаниеСтрВведение ……………………………………………………………………………..4Глава I.

Состояние вопроса и постановка задач исследований……………….101.1. Жаропрочные сплавы на основе интерметаллидов титана…………..101.1.1. Общая характеристика интерметаллических соединений исплавов на их основе……………………………………………………101.1.2. Алюминиды титана как основа жаропрочных титановыхсплавов…………………………………………………………………...161.2 Состав, структура, свойства жаропрочных сплавов на основеинтерметаллида титана Ti2AlNb……………………………………….241.2.1 Структура и свойства интерметаллида Ti2AlNb………………...241.2.2 Принципы легирования сплавов на основе интерметаллидаTi2AlNb………………………………………………………………......341.2.3 Фазовый состав и свойства сплавов на основе интерметаллидаTi2AlNb при термическом и термомеханическом воздействии……...1.3 Термоводороднаяобработкасплавовнаосноветитана40иинтерметаллидов титана………………………………………………..551.3.1 Общие положения о взаимодействии титановых сплавов сводородом и термоводородной обработке…...………………..............551.3.2 Влияние водорода на деформируемость сплавов на основетитана и интерметаллидов титана……………………………………...1.4.

Заключениеполитературному обзору ипостановка64задачисследований…………………………………………………………….75Глава II Объекты и методы исследования………………………………............772.1. Объекты исследования………………………………………………….772.2. Методы исследования…………………………………………………..78Глава III Влияние термической обработки на формирование фазовогосостава, структуры и механические свойства жаропрочногоинтерметаллидного сплава ВТИ-4…………………...…………...........843.1 Исследование фазового состава и структуры сплава ВТИ-4 в литоми горячекатаном состояниях ……………………………………...........84-3-3.2 Влияниеразличныхрежимовтермическойобработкинаформирование структуры и механические свойства сплава ВТИ-4…97Выводы по главе III..……………………………………………………110Глава IV Влияниедополнительноголегированияводородомнаформирование фазового состава, структуры и деформируемостьжаропрочного интерметаллидного сплава ВТИ-4……………………1124.1 Формирование фазового состава и структуры в сплаве ВТИ-4 принаводороживающем отжиге…………………………………………....1134.2 Влияние температуры нагрева под закалку на изменение фазовогосостава и структуры сплава ВТИ-4, дополнительно легированноговодородом………………………………………………………………..1194.3 Влияние содержания водорода на сопротивление деформациисплава ВТИ-4……………………………………………………………150Выводы по главе IV……………………………………………………..156Глава V Формирование фазового состава и структуры в сплаве ВТИ-4 привакуумном отжиге и их влияние на комплекс механических свойств158Выводы по главе V……………………………………………………...163Основные выводы……………………………………………………………………164Список литературы…………………………………………………………………..166-4-ВведениеАктуальность темы исследованияРазвитиеавиационно-космическойтехникитребуетпостоянногосовершенствования старых или создания новых материалов, обладающихповышенным уровнем свойств.По удельной прочности в интервале температур 250-600°С титановыесплавы не имеют себе равных; при температуре ниже 250°С сплавы титанауступают алюминиевым сплавам, а выше 600°С – сплавам на основе железа иникеля.Рабочие температуры современных серийных жаропрочных титановыхсплавов не превышают 500-550°С (ВТ8-1, ВТ9, ВТ25У, ВТ18У).

Опытный сплавВТ28 является наиболее жаропрочным из существующих титановых сплавов притемпературах 550-600°С.В последнее время особый интерес представляют сплавы на основеалюминидов титана, так как данный класс материалов обладает более высокимизначениями прочности, жаропрочности и жаростойкости по сравнению спромышленными жаропрочными титановыми сплавами, а также меньшимудельным весом, что позволяет снизить общий весь конструкции и повыситьтяговесовые характеристики двигателя при замене ими деталей из жаропрочныхсталей.Сплавы на основе интерметаллида титана Ti2AlNb (орто-сплавы) являютсяперспективными материалами для изготовления деталей газотурбинных двигателейи силовых установок, работающих при температурах до 650°.

По сравнению сдругими алюминидами титана Ti3Al и TiAl орто-сплавы обладают лучшейтехнологическойотдельныепластичностью.механическиеНесмотрясвойстванаболееорторомбическихвысокуюплотность,алюминидовтитанапревосходят свойства конкурирующих сплавов на основе титана.На конечные механические и технологические свойства полуфабрикатов изорто-сплавов большое влияние оказывают фазовый состав и структура, которыеможнорегулироватьспомощьюпримененияопределенныхрежимовтермомеханической и термической обработок. В настоящее время идет освоение-5-опытно-промышленного производства различных видов полуфабрикатов из ортосплавов разного химического состава. Очевидно, что достижение требуемогоуровня свойств зависит не только от системы и степени легирования, но и отспособов и режимов выплавки, термомеханической и термической обработок.Высокая по сравнению с другими алюминидами титана плотность, а также наличиебольшого количества тугоплавких легирующих элементов в составе орто-сплавовопределяют специфику режимов выплавки слитковитермомеханическойобработки полуфабрикатов из этих сплавов.

Достижение необходимого уровняпрочностных и пластических характеристик жаропрочных сплавов на основе ортофазы возможно за счет создания регламентированной структуры. Для этогонеобходимо дальнейшее изучение взаимосвязи их фазового состава, структуры исвойств при термическом воздействии и разработка на этой основе технологийполучения из них полуфабрикатов и деталей, что, несомненно, является актуальнойзадачей.Существующие на сегодняшний день методы производства изделий изсплавов на основе алюминидов титана являются достаточно энергоемкими, так кактребуют применения высокомощного оборудования. Но возможности повышенияпластических свойств сплавов на основе алюминидов титана не ограничиваютсятрадиционнымиметодамиобработки.Эффективнымспособомснижениятрудоемкости изготовления полуфабрикатов за счет снижения усилий и/илитемпературы деформации является использование технологий, основанных наэффекте обратимого легирования водородом: водородное пластифицирование итермоводороднаяобработка.Высокаядиффузионнаяподвижностьатомовводорода, его сильное влияние на кинетику и температурные интервалы фазовыхпревращений, стабильность фаз, процессы упорядочения могут эффективноиспользоваться для управления структурным состоянием орто-сплавов.Поэтому установление закономерностей формирования фазового состава,структуры и свойств жаропрочного титанового сплава на основе интерметаллидаTi2AlNb при термоводородной обработке, исследование фазовых равновесий всистеме сплав-водород, а также изменений фазового состава и структуры вводородсодержащем сплаве при различных видах термического, в том числевакуумного, и деформационного воздействия является актуальной задачей.-6-Цель и задачиЦель настоящей работы состояла вустановлении закономерностейформирования фазового состава и структуры жаропрочного интерметаллидноготитанового сплава ВТИ-4 на основе орто-фазы Ti2AlNb при термическомвоздействии и обратимом легировании водородом и разработке на этой основетехнологии его обработки, обеспечивающей получение регламентированнойструктуры и требуемого комплекса механических свойств.Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующиезадачи:1.

Установить влияние различных режимов термической обработки наформирование фазового состава, структуры и механические свойства сплава ВТИ-4.2. Установить закономерности формирования фазового состава и структурыв сплаве ВТИ-4 при дополнительном легировании водородом.3. Определить влияние содержания водорода на сопротивление деформациипри сжатии сплава ВТИ-4.4.

Установить влияние термического воздействия на формирование фазовогосостава и структуры сплава ВТИ-4, дополнительно легированного водородом.5. Установить влияние вакуумного отжига на формирование структуры икомплекс механических свойств при нормальной температуре сплава ВТИ-4.Научная новизна:1. Установлено, что дополнительное легирование водородом сплава ВТИ-4приводиткснижениютермодинамическойустойчивостиВ2-фазы,ееразупорядочению, инициирует β→α2-превращение и способствует повышениюстабильности О-фазы. Показано, что наводороживающий отжиг до 0,3-0,4 масс.%сплава ВТИ-4 приводит к стабилизации при комнатной температуре однофазногоО-состояния. Построен участок температурно-концентрационной диаграммысистемы сплав ВТИ-4 – водород в интервале концентраций водорода от 0,006 до0,4 масс.% и температур 800-1200°С, определяющий границы фазовых областей вэтой системе.-7-2.

Показано, что предпочтительные места выделения интерметаллидных фаззависят от содержания водорода в сплаве ВТИ-4: при 0,2 масс.% водородаобразование частиц О- и α2-фаз происходит преимущественно по границамисходных β-зерен, а при 0,3 и 0,4 масс.% водорода – преимущественно по телу βзерна.3. Установлено, что при содержании в сплаве ВТИ-4 0,4 масс.% водородаβ→О превращение протекает с большим объемным эффектом (от 2 до 6%), чтоспособствует накоплению дефектов кристаллического строения. При температурахвыше 1050°С в частицах О-фазы протекают процессы полигонизации исфероидизации, и образуется структура, близкая к глобулярной.Теоретическая и практическая значимость:1.