УДК 620.186.8:669.295
ВЛИЯНИЕ ОБЪЕМНОГО ФАКТОРА НА КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ПАРАМЕТРЫ МИКРОСТРУКТУРЫ ПОКОВОК ИЗ СПЛАВА ВТ43
© Ночовная Надежда Алексеевна, д-р техн. наук, e-mail: nochovnaya_viam@mail.ru; Динмухаметова Диана Ильдаровна; Тарасенко Елена Николаевна; Исходжанова Ирина Васильевна
ФГУП «Всероссийский институт авиационных материалов». Россия, Москва Статья поступила 31.07.2014 г.
Рассмотрено влияние объемного фактора на микроструктуру поковок, изготовленных по разработанной технологии. Установлена идентичность составляющих микроструктуры поковок толщиной 100 и 250 мм. Определена степень дисперсности р-фазы. Показано, что присутствие различных структурных составляющих благоприятно влияет на механические свойства и показатели работоспособности сплава. Определены параметры микроструктуры, способствующие повышению уровня трещиностойкости.
Ключевые слова: конструкционный свариваемый (а+р)-титановый сплав мартенсит-ного типа марки ВТ43; микроструктура; трещиностойкость.
Со времен создания гражданской авиации самолет рассматривается в качестве общественного транспортного средства, и основное внимание уделяется скорости, экономичности, безопасности и удобству полета. Главными направлениями на пути повышения эффективности полета являются уменьшение массы конструкции планера и увеличение ресурса самолета. Это становится возможным только при использовании принципиально новых материалов и материалов с улучшенными профильными свойствами, увеличением количества монолитных конструкций, т.е. использованием крупногабаритного полуфабриката, а также соединений с минимальной металлоемкостью (уменьшение количества клепаных и увеличение сварных соединений) и др. [1—9]. Значительную экономию средств определяет также использование широкофюзеляжных самолетов на загруженных направлениях, изготовление которых принципиально невозможно без крупногабаритных полуфабрикатов [10-17].
В ВИАМе на основе проведенных ранее исследований [1, 2, 6] были определены термомеханические параметры изготовления поковок, в том числе крупногабаритных, из нового высокопрочного свариваемого титанового сплава ВТ43 универсального применения.
Конструкторскими требованиями обусловлена необходимость использования полуфабрикатов различных размеров, в том числе и толщины. Цель данной работы - исследование изменений микроструктуры металла, определяющей механические свойства поковок, при изменении толщины полуфабриката.
В условиях опытно-промышленного производства ОАО «Корпорация «ВСМПО-АВИСМА» по режиму высокотемпературной механической обработки (ВТМО), включающей нагревы и чередование деформаций в ß- и (о^)-областях, были изготовлены две поковки толщиной 100 и 250 мм из сплава ВТ43. Из этих поковок были получены заготовки, обработанные по режиму: старение при 550 °С в течение 10 ч. Исследование микроструктуры проводили на металлографическом комплексе фирмы Leica при увеличениях х50-1000 и на металлографическом стере-омикроскопе Leica Mz12,5 при увеличениях х 16-20. Съемку изображений вели с помощью цифровой камеры VEC-335 и цифровой камеры Olympus SC 20, подготовку изображений к количественному анализу и их математическую обработку выполняли с использованием компьютерной программы Image Expert Pro 3x.
Количественный анализ начинали с определения степени неравноосности ß-зерна. Исследования проводили на сте-реомикроскопе Leica Mz12,5 при увеличениях х16-20 на травленых поперечных шлифах (определение размера зерна на продольных шлифах не представлялось возможным из-за особенностей структуры). Площадь кадра при увеличении х16 составляла 48 мм2; при увеличении х20 - 30 мм2. Поскольку границы зерен недостаточно резкие для проведения автоматического количественного анализа, ß-зерна обрисовывали вручную по границам зерна на графическом планшете Wacom intios2 A3 и определяли их размеры с помощью компьютерной программы Image Expert Pro 3x.
Рис. 1. Микроструктура образцов поковок толщиной 100 мм (а-г) и 250 мм (д-з) сплава ВТ43, определенная с помощью стереомикроскопа: х20 (а, б, д, е)
и х16 (в, г, ж, з); слева исходное изображение, справа - то же изображение, подготовленное к количественному анализу
Площадь каждого образца, на которой проводили количественный анализ, - до 90 мм2. Число измеренных р-зерен - не менее 200 на образец.
Определение объемной доли, количества и размеров частиц первичной а-фазы выполняли на травленых шлифах. Количественный анализ объемной доли а-фазы на поверхности шлифов проводили, анализируя одно поле зрения для
каждого образца при увеличении х500. В программе а-фаза выделяется цветом, затем определяется ее объемная доля, количество и размеры частиц. Площадь кадра при увеличении х500 составляла 52 272 мкм2 = 0,052 мм2. Число измеренных частиц а-фазы - от 1767 до 2022 измерений на образец. На данном этапе работы анализировали размерный фактор зерен первичной а-фазы, поэтому все частицы площадью менее 1 мкм2 не учитывались, чтобы не вносить ошибку в измерения размеров зерен первичной а-фазы.
Определение количественных параметров упрочняющей вторичной дисперсной а-фазы проводили на изображениях, полученных на РЭМ при увеличении х4000. Для каждого образца анализировали не менее трех кадров. На каждом изображении в автоматическом режиме закрашивали цветом хорошо видимые частицы дисперсной а-фазы, на сложных изображениях вручную прорисовывали контуры частицы с помощью графического планшета Wacom intios2 A3, затем анализировали их размеры с помощью компьютерной программы Image Expert Pro 3x.
Металлографический анализ показал, что микроструктура поковок представлена структурой корзиночного плетения. Наряду с пластинами а-фазы наблюдаются остаточные прерывистые участки границ первичной р-фазы. Количественный анализ начинали с определения параметров p-зерна как наиболее крупного структурного фрагмента.
Приведены примеры изображения полей зрения при увеличении х16-20 (рис. 1), по которым определяли размер p-зерен. Стандартное распределение (интервал от минимального до максимального значения) делится на 10 равных частей
Таблица 1. Геометрические параметры р-зерен
0,108 0,1561 0,2043 0,2524 0,3006 0,3487 0,3969 0,445 0,4932 0,5413 Площадь объекта
30 25 20
З15
^ 10 5 0
0,1142 0,1759 0,2375 0,2992 0,3608 0,4225 0,4842 0,5458 0,6075 0,6692 Площадь объекта
Рис. 2. Гистограмма распределения в-зерен по площади поковок толщиной 100 мм (а) и 250 мм (б)
и по ним строится гистограмма распределения (3-зерен по площади (рис. 2). Геометрические параметры, размеры и площади (3-зерен даны в табл. 1.
Размеры р-зерна в поковках различной толщины отличаются не более чем на 5%. Чем больше сечение поковки (в рассматриваемом диапазоне толщин), тем сложнее осуществить равномерную деформацию материала поковки, что нашло отражение в вытянутости зерна. Указанная разница
Толщина поковки,
Параметр мм
100 250
Диаметр окружности эквивалентной площади, мм 0,506 0,529
Диаметр Фере, мм:
максимальный 0,642 0,685
минимальный 0,465 0,487
Вытянутость 1,41 1,44
Средний диаметр, мм 0,553 0,586
Параметр формы [Р/Бдг^З)]
5,21
5,38
Рис. 3. Частицы а-фазы в образцах поковок толщиной 100 (а, в) и 250 мм (б, г) сплава ВТ43 в продольном (а, б) и поперечном (в, г) направлениях, х1000
(5%) свидетельствует об универсальности разработанной технологии изготовления поковок.
На следующем этапе определяли параметры первичной а-фазы. Структура сплава представляет собой первичную а-фазу в виде стержней и пластин (одинарных и пачек параллельных пластин) различной длины (1-60 мкм) и толщины (0,2-7 мкм), ориентированных под различными углами. На рис. 3 представлена микроструктура образцов, снятая на оптическом микроскопе при увеличении х500, по которой определяли размеры первичной а-фазы. Если стержень а-фазы ориентирован перпендикулярно плоскости шлифа, то на шлифе он имеет округлую форму. Необходимо отметить, что в образцах титанового сплава ВТ43 пластины а-фазы располагаются под разными углами к плоскости шлифа, поэтому наиболее достоверными являются результаты измерений толщины пластин.
На рис. 4 приведены гистограммы распределения частиц а-зерен по толщине. Определение объемной доли, количества и размеров частиц первичной а-фазы показало, что в образцах поковки толщиной 100 мм объемная доля а-фазы в продольном направлении составляет 20,4%, в поперечном - 25,1%. Плотность частиц в продольном направлении 27 380 шт/мм2, в поперечном - 28 236 шт/мм2. Средняя длина стержней и пластин а-фазы в продольном направлении 5,76 мкм, в поперечном - 4,56 мкм. Средняя толщина стержней и пластин а-фазы в продольном направлении 2,30 мкм, в поперечном -2,24 мкм. Вытянутость стержней
0,989 1,8479 2,7069 3,5659 4,4248 5,2838 6,1427 7,0017 7,8607 8,7196 Минимальный диаметр Фере
1,0147 1,8995 2,7842 3,6689 4,5536 5,4384 6,3231 7,2078 8,0926 8,9773 Минимальный диаметр Фере
0,925 1,5901 2,2551 2,9202 3,5852 4,2503 4,9153 5,5804 6,2454 6,9105 Минимальный диаметр Фере
70
60
50
« < 40
О < 30
20
10
0
г
/
¡5—<2.—^ // жвви z1
1,9405 3,0077 4,075 5,1422 6,2094 7,2767 8,3439 9,4111 10,4783 11,5456 Минимальный диаметр Фере
Рис. 4. Гистограмма распределения а-зерен по толщине а-зерна D . (от min до max, деленное на 10) поковок толщиной 100 мм (а, в) и 250 мм (б, г) в продольном (а, б) и поперечном (в, г) направлениях
и пластин а-фазы в продольном направлении 2,52, в поперечном - 2,02. Параметр сложности формы частиц X = где Р - периметр изображения частицы; 5 - площадь изображения частицы (для изображений в форме правильного круга X = = 3,54), в продольном направлении X = 6,29, в поперечном X = 5,66.
В образцах поковки толщиной 250 мм объемная доля а-фазы в продольном направлении составляет 28,68%, в поперечном - 33,36%. Плотность частиц в продольном направлении 26159 шт/мм2, в поперечном - 30 004 шт/мм2. Средняя длина стержней и пластин а-фазы в продольном направлении 7,01 мкм, в поперечном -
Рис. 5. Изображение дисперсной а-фазы в образце сплава ВТ43 (РЭМ, х4000)
6,46 мкм. Средняя толщина стержней и пластин а-фазы в продольном направлении 2,27 мкм,
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.