Формирование и оценка показателей качества титанового сплава ВТ6 с ультрамелкозернистой структурой

Formation and evaluation of quality indicators of BT6 titanium alloy with the ultra-fine grain structure
Сафин Э.В.
Цитировать:
Сафин Э.В. Формирование и оценка показателей качества титанового сплава ВТ6 с ультрамелкозернистой структурой // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2017. № 12 (45). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/5404 (дата обращения: 26.09.2021).
Прочитать статью:

АННОТАЦИЯ

В работе на примере двухфазного титанового сплава ВТ6 рассматривается возможность формирования требуемого комплекса показателей качества конструкционного материала путем формирования в нем ультрамелкозернистой структуры. Анализируются результаты сравнительных исследований механических свойств титанового сплава ВТ6 со стандартной равноосной микрокристаллической структурой с размером зерен порядка 10 мкм, однородной субмикрокристаллической структурой с размером зерен (фрагментов) порядка 0,5 мкм и бимодальной субмикро-микрозеренной структурой, состоящей из матрицы со средним размером зерен 0,8-1,5 мкм и включением в нее зерен α-фазы размером 5 мкм. Выполненная оценка механических свойств позволяет на примере титанового сплава ВТ6 выработать общие рекомендации, касающиеся формирования возможных показателей качества материала детали в зависимости условий её нагружения, предполагаемой температуры эксплуатации путем создания микроструктуры определенного типа.

ABSTRACT

The possibility of forming the required set of quality indicators of structural material by forming an ultra-fine grain structure in it is considered in the article on the example of a two-phase BT6 titanium alloy. The results of comparative studies of mechanical properties of BT6 titanium alloy with a standard equiaxed microcrystalline structure with a grain size of about 10 μm, a homogeneous submicrocrystalline structure with grain size (fragments) of the order of 0.5 μm, and a bimodal submicro-micronized structure consisting of a matrix with an average grain size of 0.8-1.5 μm, and inclusion into it of α-phase grains of 5 μm in size are analyzed. Based on BT6 titanium alloy, performed evaluation of mechanical properties allows to develop general recommendations concerning the formation of possible quality indicators of the material of the component, depending on conditions of its loading, the expected operating temperature by creating a microstructure of a certain type.

 

Ключевые слова: двухфазный титановый сплав ВТ6, микроструктура, показатели качества, механические свойства.

Keywords: two-phase BT6 titanium alloy, microstructure, quality indicators, mechanical properties.

 

Вопрос повышения конкурентоспособности изделий машиностроения представляется всегда актуальным. При этом основным средством достижения конкурентоспособности является улучшение качества продукции [1]. Для потребителя наиболее важны надежность и повышенные эксплуатационные характеристики изделия, которые, в свою очередь, определяются свойствами конструкционных материалов. В последние годы одно из направлений создания и использования материалов с повышенными механическими свойствами и эксплуатационными характеристиками связано с ультрамелкозернистыми (УМЗ), субмикрокристаллическими (СМК) и наноматериалами. Применять стали и сплавы с такими структурами предполагается, в частности, в качестве конструкционных материалов для изготовления высоконагруженных деталей двигателей летательных аппаратов [2-6]. Однако промышленные стали и сплавы с такими микроструктурами не подлежат обязательной сертификации, поэтому специалисты машиностроительных предприятий, рассматривающие возможность применения УМЗ материалов как конструкционных, испытывают затруднения в оценке их качества. Часто решения о применении материала для опытного производства принимаются на основе субъективного мнения отдельных специалистов по результатам лабораторных испытаний, связанных с определением механических характеристик, как правило, при статическом нагружении. Это приводит к большой вероятности ошибок, значительным экономическим и временным потерям.

Проведенные исследования показывают, что формирование УМЗ и СМК структур в полуфабрикатах из обычных конструкционных сталей и сплавов позволяет значительно повысить их прочность, сопротивление усталости, износостойкость [2-4, 6]. Однако практическое применение материалов со сверхмелким зерном сдерживает ряд недостатков, к которым следует отнести пониженную пластичность, термостабильность, ударную вязкость, циклическую трещиностойкость, повышенную чувствительность к концентраторам напряжений, а также порообразование при циклических нагрузках в зоне наибольших напряжений (приповерхностной зоне). В этой связи предлагается подход к оценке качества материалов в УМЗ и СМК состояниях, учитывающий разнонаправленное изменение различных характеристик механических свойств при статическом, динамическом и циклическом нагружениях.

В работе исследовались механические свойства двухфазного титанового сплава ВТ6 (Ti-6Al-4V) в трех состояниях: 1) однородном субмикрокристаллическом (СМК) со средним размером зерен (фрагментов) порядка 0,5 мкм; 2) бимодальном с субмикро-микрозеренной структурой, состоящей из матрицы со средним размером зерен (или их фрагментов) 0,8-1,5 мкм с включением в нее зерен α-фазы размером порядка 5 мкм; 3) стандартном лическом (МК) со средним размером зерен α-фазы 5 мкм. Заготовки с СМК структурой были получены методом всесторонней изотермической ковки с постепенным понижением температуры от этапа к этапу. Заготовки с бимодальной структурой были получены всесторонней ковкой при постоянной температуре с последующим отжигом. Заготовки с МК структурой были получены горячей прокаткой с последующим рекристаллизационным отжигом.

В таблице 1 представлены механические свойства сплава ВТ6 в исследуемых состояниях.

Таблица 1.

Механические свойства сплава ВТ6 с субмикрокристаллической, бимодальной и микрокристаллическими структурами

Состояние

σв , МПа

σ0,2 , МПа

δ, %

ψ , %,

Микротвердость по Виккерсу HV

KCU, МДж/м2

KCT, МДж/м2

σ-1, МПа

Состояние 1 – СМК

1302

1178

7,4

60,1

377,0

0,37

0,08

688

Состояние 2 – бимодальное

1112

1089

19,4

55,3

362,0

0,38

0,15

720

Состояние 3 – МК

1064

950

18,9

42,9

345,3

0,45

0,24

527

 

У сплава ВТ6 в состоянии 1 по сравнению с состоянием 3 наблюдается заметный рост характеристик прочности и твердости, прочность почти на
250 МПа выше, чем в состоянии 3. Относительное удлинение в состоянии 1 ниже, чем в состоянии 3, но, с другой стороны, относительное сужение материала в состоянии 1 почти в 2 раза больше, чем состоянии 3. Однако ударная вязкость в СМК состоянии существенно ниже, хотя по параметру KCU она остается в пределах требований технических условий к сплаву ВТ6 (KCU более 0,35). Увеличение остроты надреза (KCV) снижает величину ударной вязкости во всех состояниях.

В этой связи, практический интерес может представлять сплав с бимодальной структурой [5, 6] в состоянии 2, микротвердость которого по Виккерсу составляет 362 HV, это лишь немного ниже, чем в состоянии 1, но существенно выше, чем в состоянии 3. Последнее позволяет прогнозировать, например, повышенные характеристик сопротивления усталости по сравнению с более крупнозернистым состоянием 3. Кроме того, сплав с бимодальной структурой в состоянии 2 обладает заметно большей пластичностью.

Значения ударной вязкости сплава (KCU) с бимодальной структурой выше, чем в СМК состоянии, а у образцов с наведенной усталостной трещиной (КСТ) значения существенно выше, чем в сплаве с однородной СМК структурой.

Значение предела выносливости образцов с МК микроструктурой в состоянии 3 составило σ-1= 527 МПа. Значение предела выносливости образцов с СМК микроструктурой в состоянии 1 – σ-1= 688 МПа. То есть с повышением характеристик прочности отмечается повышение предела выносливости [4]. Расчетное значение предела выносливости для образцов с бимодальной микроструктурой (состояние 2) составило σ-1= 720 МПа, что сопоставимо с СМК состоянием 1. Здесь следует учесть, что испытания на усталость в бимодальном состоянии 2 проводились на базе N= 1×107 циклов нагружения, а в состояниях 1 и 3 - на базе N= 2×107 циклов.

Технологически в сплаве ВТ6 сформировать бимодальную микроструктуру легче, чем СМК, поскольку всесторонняя ковка осуществляется при одной достаточно высокой температуре.

Выполненный анализ позволяет выработать общие рекомендации для специалистов машиностроительных предприятий, касающиеся получения типа микроструктуры и размеров структурных составляющих в двухфазных титановых сплавах в зависимости от величины, условий нагружения и предполагаемой температуры эксплуатации деталей. Также актуальной является задача определения и обоснованного выбора рационального сочетания способов и режимов объемного и поверхностного упрочения титановых сплавов по критериям повышения эксплуатационных свойств высоконагруженных деталей машин.

 

Список литературы:
1. Барвинок В.А., Чекмарёв А.Н., Еськина Е.В. Роль квалиметрии в повышении конкурентоспособности изде-лий машиностроения // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. – 2014. – Т.16. №6(2). – С. 364-370.
2. Zherebtsov S.V., Salishchev G.A., Galeyev R.M., et al. Scripta Mater. 51, 1147 (2004).
3. Салищев Г.А., Галеев Р.М., Жеребцов С.В., Смыслов А.М., Сафин Э.В., Мышляев М.М. Механические свой-ства титанового сплава ВТ6 с микрокристаллической и субмикрокристаллической структурами // Метал-лы. - 1999. - № 6. -С. 84 - 87.
4. Жеребцов С.В., Салищев Г.А., Галеев Р.М., Смыслов А.М., Сафин Э.В., Мышляев М.М. Влияние субмикро-кристаллической структуры на усталостную прочность сплава ВТ6 // Перспективные материалы. - 1999. - № 6. - С. 16 - 22.
5. Малыгин Г.А. Пластичность и прочность микро- и нанокристаллических материалов // Физика твердого тела. - 2007. Т. 49, - № 6. - С. 961 – 982.
6. Сафин Э.В., Малышева С.П., Галлеев Р.М. Повышение механических свойств титанового сплава ВТ6 путем формирования бимодальной субмикро-микрозеренной структуры // Письма о материалах. – 2015. – Т.5. №1(17). – С. 94 - 96.

 

Информация об авторах

канд. техн. наук, доцент, ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный технический университет», 450008, РФ, Республика Башкортостан, г. Уфа, улица К. Маркса 12

candidate of Technical Sciences, Associate Professor, FSBEI HE “Ufa State Aviation Technical University”, 450008, Russia, the Republic of Bashkortostan, Ufa, K. Marx Street, 12

Журнал зарегистрирован Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор), регистрационный номер ЭЛ №ФС77-54434 от 17.06.2013
Учредитель журнала - ООО «МЦНО»
Главный редактор - Ахметов Сайранбек Махсутович.
Top