ПРОЧНОСТЬ И ПЛАСТИЧНОСТЬ
УДК 669.781 '295:539.4.015
МИКРОСТРУКТУРА И ПОВЕДЕНИЕ ПРИ ГОРЯЧЕЙ ДЕФОРМАЦИИ ДВУХФАЗНОГО ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ8, ЛЕГИРОВАННОГО БОРОМ
© 2013 г. Р. А. Гайсин, В. М. Имаев, Р. М. Имаев, Э. Р. Гайсина
Институт проблем сверхпластичности металлов РАН, 450001 Уфа, ул. Халтурина, 39
e-mail: ramilgaisin@gmail.com Поступила в редакцию 12.04.2012 г.; в окончательном варианте — 02.10.11 г.
Представлены результаты исследования микроструктуры, механических свойств на сжатие и эволюции микроструктуры в ходе горячей деформации литых двухфазных титановых сплавов ВТ8-хВ, где х — 0, 0.2 и 0.4 вес. %. Легирование бором приводит к образованию боридов, располагающихся преимущественно по границам Р-зерен и обеспечивающих существенное измельчение исходной литой структуры. Испытания на сжатие при повышенных температурах показали, что прочностные свойства легированных бором сплавов заметно превышают прочностные свойства нелегированного ВТ8. Эксперименты по всесторонней изотермической ковке при температурах 700—650°С, выполненные для сплавов ВТ8 и ВТ8-0.4В, обнаружили ускорение кинетики динамической рекристаллизации благодаря присутствию боридов, причем сами бориды эффективно дробились в ходе деформации. Легирование сплава ВТ8 бором обсуждается с точки зрения повышения эффективности деформационной обработки и конечных эксплуатационных свойств двухфазных титановых сплавов.
Ключевые слова: титановые сплавы, микроструктура, механические свойства, рекристаллизация. DOI: 10.7868/S0015323013040049
ВВЕДЕНИЕ
Создание техники нового поколения требует применения новых конструкционных материалов, способных обеспечить более высокий уровень эксплуатационных свойств по сравнению с существующими материалами и/или облегчение конструкций за счет использования материалов с пониженным удельным весом. В этом смысле идея использования легированных бором титановых сплавов вместо традиционных титановых сплавов, сталей и некоторых жаропрочных никелевых сплавов представляется плодотворной. Во-первых, бор имеет низкую растворимость в титане — не более 0.001 ат. % [1], и соответственно почти не влияет на температуру полиморфного превращения [2]. Во-вторых, легирование титана бором да-
же в относительно больших количествах ведет к образованию моноборида титана (структура В27) [3], являющегося наиболее подходящим упрочни-телем для титановых сплавов, поскольку по плотности и коэффициенту термического расширения он близок к титану (табл. 1). К достоинствам TiB (например, в сравнении с TiC) следует отнести его высокую химическую стабильность, благодаря чему на границе раздела между титаном и бо-ридом титана не образуется промежуточных фаз, и существование в узком композиционном диапазоне (Ti-18—18.5 вес. % B) [1, 3], что важно для стабильности свойств борида титана, а значит и титанового сплава, легированного бором.
Титановые сплавы, легированные бором, обычно подразделяют, согласно бинарной диаграмме Ti—B, на до- (при содержании бора <1.5 вес .%) и
Таблица 1. Свойства TiB (структура В27) в сравнении с Ti, TiB2, TiC и TiN [3]
Свойства Ti TiB TiB2 TiC TiN
Плотность, г/см3 Модуль упругости, ГПа Коэфф. терм. расшир. при 20°С 4.57 110 105* 8.6 х 10-6 *8.8 х 10-6 4.56 371 550* 7.15 х 10-6 *8.6 х 10-6 4.52 540 6.2 х 10-6 4.92 450 7.95 х 10-6 5.43 390 9.35 х 10-6
* Согласно [1].
371
5*
Таблица 2. Химический состав выплавленных сплавов
Сплав
Содержание элементов, вес. %
Ti Al Мо Zr Si В
ВТ8 Основа 6.5 3.3 0.5 0.3 -
ВТ8-Б1 Основа 6.5 3.3 0.5 0.3 0.2
ВТ8-Б2 Основа 6.5 3.3 0.5 0.3 0.4
заэвтектические (>1.5 вес. %) сплавы [3]; последние классифицируются, как коротковолокнистые композиционные материалы. Они привлекли внимание исследователей сравнительно давно, и нашли практическое применение в различных областях [3—5].
Титановые сплавы, легированные небольшими добавками бора (на уровне десятых долей весовых процентов), интенсивно изучаются только в последние годы [2, 6—12]. Оказалось, что добавление бора повышает прочность, жесткость, износостойкость, усталостные свойства, сопротивление ползучести, технологическую пластичность литых титановых сплавов благодаря измельчению структуры слитка в ходе его затвердевания и охлаждения, а также за счет повышенной жесткости и износостойкости самих боридов. Эффект измельчения литой структуры наблюдался как в однофазных а- (ПтсЫ 834), р- (Т1-15У-3Л1-38п-3Сг), так и в двухфазных (а + Р)-титановых сплавах (Т1-6-4) [2, 6—12]. Другим обнаруженным эффектом явилось снижение остроты текстуры литого сплава, что было показано для Т1-6-4-0.1 вес. % бора [2]. Вместе с тем, было обнаружено, что присутствие боридов, в особенности крупных (до 100—200 мкм в длину), может снижать трещиностойкость титановых сплавов в литом состоянии [9]. С другой стороны, горячая деформация позволяет существенно раздробить бориды, что может нивелировать отрицательное влияние боридов на трещиностойкость и сохранить их положительное влияние на прочность, жесткость и другие свойства [11, 12]. Неизученным здесь является влияние всесторонней изотермической ковки при температурах (а + Р)-фазо-вой области — метода, хорошо апробированного в отношении деформируемых двухфазных титановых сплавов, когда в материале происходит интенсивное развитие процессов переориентации пластин, возврата и рекристаллизации. Наличие бори-дов может ускорить развитие рекристаллизации, а сами они, в свою очередь, будут эффективнее раздроблены при изменении направления деформирования, чем в случае однократного сжатия или прокатки при температурах Р- или (а + Р)-фазовой области. Интерес представляет также влияние на полученную мелкозернистую микроструктуру последующего отжига при температурах Р-фазовой области. Следует ожидать, что раздробленные бо-
риды будут сдерживать рост ß-зерен, что позволит получить полностью пластинчатую микроструктуру с малым размером колоний — наиболее благоприятную в этом сплаве для достижения высоких механических свойств.
Целью настоящей работы явилось исследование влияния легирования бором на микроструктуру литого двухфазного титанового сплава, его механическое поведение при сжатии и эволюцию микроструктуры в процессе горячей деформации и последующего отжига при температурах ß-фа-зовой области. В качестве титанового сплава был выбран ВТ8 — деформируемый титановый сплав, для которого эффективность всесторонней изотермической ковки при формировании ультрамелкозернистой структуры была показана ранее [13]. Содержание вводимого бора выбиралось на основе литературных данных. Отметим, что такого рода исследования в отношении двухфазных титановых сплавов не проводились.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
В качестве исходного материала был взят двухфазный титановый сплав ВТ8, а также ВТ8, легированный 0.2 и 0.4 вес. % бора. Химический состав выплавленных сплавов представлен в табл. 2. Выплавка слитков весом около 30 г производилась на лабораторной установке фирмы "Edmund Bühler", обеспечившей высокую точность составов выплавляемых сплавов. Слитки переплавлялись не менее 7 раз, чтобы обеспечить высокую химическую однородность. Бор вводился в виде аморфного порошка.
Образцы сплавов отжигали при температуре ß-фазовой области (Т = 1020°С): исходные литые состояния отжигали 40 мин с последующим охлаждением в печи; деформированные состояния — 15 мин с последующим охлаждением на воздухе в контейнере. Размер колоний и толщину пластин измеряли методом секущих. Твердость сплавов измеряли по методу Виккерса.
Испытания на сжатие отожженных образцов сплавов проводили при температурах Т = 700, 800, 900 и 1000°С на инженерную степень деформации s = 60% с начальной скоростью деформации s' = 10-3 с-1. Для этого использовали образцы с размерами 5 х 5 х 8 мм3. Образцы после испытания извлекали из печи на воздух менее чем за 1 мин. Испытания проводили на испытательной машине фирмы Scheck Trebel RMS-100. Кривые зависимостей истинного напряжения течения от деформации строили с учетом равномерного увеличения поперечного сечения образцов в ходе испытания. Для каждого сплава испытывали по 2 образца на точку.
Эксперименты по всесторонней изотермической ковке проводили на 100-тонном гидравличе-
Рис. 1. Микроструктура исходных слитков сплавов, полученная с помощью сканирующей электронной микроскопии в режиме обратно-рассеянных электронов: а - ВТ8; б - ВТ8-Б1; в - ВТ8-Б2.
ском прессе EU-100, оснащенном изотермическим штамповым блоком. Для этого использовали образцы, охлажденные от температуры ß-фазовой области (Т = 1020°С) на воздухе. Размеры образцов составили (12—15) х 15 х 25 мм. Ковку осуществляли при Т = 700—650°С со скоростью деформации s' « 10—3—3 х 10-3 с-1, суммарная степень деформации составила е ~ 3. Деформированные образцы разрезали пополам вдоль диаметра и изучали микроструктуру поперечного сечения. Для этого использовали оптический микроскоп Olympus GX-51, сканирующие электронные микроскопы Leo 1550 (Zeiss SMT) и Mira-3 Tescan. Электронно-микроскопические снимки делали в режиме обратно-рассеянных электронов (BSE). Для образцов, деформированных при Т = 900°С, использовали также метод автоматического анализа картин дифракции обратно-рассеянных электронов (EBSD-анализ) с шагом сканирования 0.2 мкм. Малоугловые границы с разориентировкой менее 2°, учитывая погрешность EBSD-анализа, были исключены из рассмотрения. Для электронно-микроскопических исследований использовали полированную поверхность образцов.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Микроструктура слитков сплавов. На рис. 1
представлена микроструктура исходных слитков сплавов, а на рис. 2 — микроструктура сплавов после отжига при температуре Р-фазовой области с последующим медленным охлаждением в печи. Светлые участки на фотографиях микроструктуры соответствуют Р-фазе, серые — а-фазе, темные нитеобразные включения - монобориду титана. Для всех сплавов наблюдается оторочка а-фазы вдоль границ Р-зерен, типичная для двухфазных титановых сплавов после медленного охлаждения от температур Р-фазовой области. Видно, что в сплавах, содержащих бор, бориды располагаются преимущественно по границам Р-зерен. Очеви
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.