Формирование и оценка показателей качества титанового сплава ВТ6 с ультрамелкозернистой структурой

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

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.