Исследование влияния продолжительности высокотемпературного нагрева и степени пластической деформации на свойства а-сплавов титана » Ремонт Строительство Интерьер. Лесное дело и деревообработка.

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Исследование влияния продолжительности высокотемпературного нагрева и степени пластической деформации на свойства а-сплавов титана

02.11.2020

Производство полуфабрикатов из сплавов на основе титана (крупных и сложных поковок, листов, проката и т. д.) связано с продолжительными высокотемпературными нагревами металла. В настоящее время нагрев заготовок перед деформацией в производственных условиях осуществляется, как правило, в газовых и мазутных печах.

Известно, что при высоких температурах титан активно взаимодействует с кислородом и азотом, происходит интенсивная диффузия кислорода и водорода в глубь металла, растет величина микрозерна и т. д. Образование поверхностного газонасыщенного (альфированного) слоя и повышение содержания кислорода и водорода в металле приводят к падению технологической пластичности и механических характеристик титановых сплавов.

Вопросы о влиянии продолжительности нагрева перед деформацией на свойства полуфабрикатов из сплавов титана освещены в литературе недостаточно.

В настоящей работе исследуется влияние высокотемпературных выдержек и последующей деформации на структуру и механические свойства а-сплавов титана.

Материал и методика исследования


Исследовались два однофазных а-сплава системы Ti—Al, химический состав и механические свойства которых в литом состоянии приведены в табл. 1.

Материалом для исследования служили бруски размером 23—90х90х125 мм, вырезанные из периферийной зоны слитка весом 1 т (диаметр 450 мм), и лабораторные слитки весом 45 кг (диаметр 180—190х300—350 мм), выплавленные на мягкой губке марки ТГ-118.

Бруски нагревались в электрической печи сопротивления до 1140—1150°, выдерживались при этой температуре 2, 8, 16 и 24 часа и затем прокатывались вдоль оси слитка на стане «дуо» (диаметр валков 250 мм) на карточки толщиной 12—13 мм. При каждой продолжительности выдержки осуществлялась деформация с коэффициентом вытяжки u = 2—7. После прокатки карточки отжигались при температуре 890° в течение часа.
Исследование влияния продолжительности высокотемпературного нагрева и степени пластической деформации на свойства а-сплавов титана

Лабораторные слитки после нагрева в мазутной производственной печи при температуре 1180—1200° в течение 2,5; 10 и 16 часов подвергались ковке на поковки размером 88—90х250х420—480 мм на паровоздушном молоте мощностью 1,8 т путем продольной вытяжки со свободным уширением. После строжки вырезанные из поковок заготовки нагревались в электрической печи до 1140—1150°, выдерживались при этой температуре 2 и 6 часов и прокатывались на лабораторном стане на карточки толщиной 14 мм. После прокатки карточки отжигались при температуре 890° в течение 1,5 часа.

Структура карточек из обоих сплавов и слябов изучалась на продольных и поперечных макротемплетах, а также на микрошлифах. Механические свойства металла в литом и деформированном состояниях определялись на разрывных образцах типа Гагарина и ударных образцах Менаже в долевом и поперечном направлениях. При этом из слябов образцы вырезались в три слоя по толщине.

Содержание кислорода в металле определялось методами вакуум-плавления и изотопного разбавления, водорода — методом вакуум-плавления и с помощью спектрального анализа. Образцы для газового анализа изготовлялись из половинок ударных образцов.

Величина газонасыщенного слоя определялась путем замера микротвердости металла на приборе ПМТ-3 с нагрузкой 100 г. Микротвердость металла с целью оценки равномерности распределения легирующих и примесей замерялась на приборе ПМТ-3 с нагрузкой 20 г.

Результаты исследования и их обсуждения


Для оценки влияния продолжительности высокотемпературного нагрева в электропечи на технологическую пластичность а-сплава изучалось состояние поверхности карточек после прокатки брусков, вырезанных из слитка весом 1 т.

Прокатка заготовок, нагретых в течение 2 часов, обеспечивает получение карточек с чистой поверхностью во всем диапазоне исследованных степеней деформации. Увеличение продолжительности выдержки свыше 8 часов сопровождается появлением на карточках, изготовленных с коэффициентом вытяжки 1,83—1,88, отдельных мелких дефектов глубиной менее 0,5 мм. Прокатка более толстых заготовок (u=4—7) после выдержки в печи в течение 8—24 часов приводит к образованию на поверхности металла большого числа трещин, которые раскатываются в последующих проходах. Образовавшиеся дефекты имеют ровные края и не распространяются в глубь металла (рис. 1). Глубина их в зависимости от продолжительности нагрева и степени деформации составляет 0,5—1,0 мм.

Таким образом, технологическая пластичность а-сплава при прокатке падает с ростом величины газонасыщенного слоя на заготовке и понижением температуры этого слоя. Очевидно, что при условии постоянства частных обжатий по проходам степень охлаждения металла прямо пропорциональна суммарному объему деформации от заготовки к карточке. Температурный эффект деформации при прокатке незначителен и, по-видимому, мало влияет на повышение пластичности газонасыщенного слоя.

Как следует из табл. 2, глубина альфированного слоя на карточках колеблется в пределах 0,2—1,7 мм и зависит как от продолжительности нагрева, так и от коэффициента вытяжки.

Из рис. 1 видно, что прокатка со степенью деформации р,= 1,83 вызывает значительное изменение литой макроструктуры заготовки. Повышение коэффициента вытяжки приводит к образованию волокнистой структуры карточек независимо от продолжительности выдержки заготовок в печи перед прокаткой.

Деформация обеспечивает получение мелкозернистого излома катаного металла, при этом продолжительность нагрева заготовок практически не оказывает влияния на вид излома карточек (рис. 2).


Прокатка с коэффициентом деформации u=1,83 вызывает образование корзинчатой микроструктуры карточек (рис. 3). Возрастание коэффициента вытяжки сопровождается уменьшением толщины а-пластинок и выделений второй фазы, а также их длины. Можно отметить ориентацию в направлении вытяжки микросоставляющих структуры карточек, прокатанных с коэффициентом деформации 6,9—7,2 (рис. 3). Пластинчатый характер микроструктуры карточек объясняется тем, что основной объем деформации заготовок осуществлялся в в- и а+в-областях диаграммы состояния сплава (температурный интервал прокатки составляет в среднем 1080—890°). Как следует из рис. 3, продолжительность нагрева заготовок не оказывает влияния на микроструктуру катаных карточек.

Результаты определения содержания кислорода в середине карточек, приведенные в табл. 2, показывают, что газонасыщения заготовок исследуемого а-сплава в процессе высокотемпературных нагревов в электрической печи во всем диапазоне исследованных выдержек не происходит. Можно также отметить незначительное наводороживание центральных слоев карточек. При малых степенях деформации наблюдается повышение концентрации водорода в поверхностных слоях карточек с увеличением времени выдержки металла в печи при высоких температурах. При коэффициентах вытяжки 3,6—7,0 содержание водорода в поверхностных слоях карточек незначительно изменяется при увеличении продолжительности нагрева. Это, по-видимому, следует объяснить уменьшением толщины наводороженного поверхностного слоя и выходом на поверхность карточек менее газонасыщенных слоев металла при прокатке.

Прокатка приводит к росту всех характеристик механических свойств а-сплава за исключением ударной вязкости. При коэффициенте деформации равном 1,83 прочностные свойства карточек в продольном направлении возрастают меньше, чем в поперечном. С ростом коэффициента вытяжки наблюдается повышение предела текучести и временного сопротивления на продольных образцах и падение этих характеристик на поперечных образцах. Подобная зависимость прочностных свойств имеет место на кованых карточках сплава 48-ОТЗ.

Как видно из рис. 4, продольная прокатка с коэффициентом вытяжки 1,83 повышает относительное удлинение и относительное сужение карточек в поперечном направлении. В отличие от ковки прокатка приводит к понижению характеристик пластичности на продольных образцах по сравнению с поперечными. Повышение степени деформации при прокатке сопровождается ростом пластических свойств металла в продольном и снижением в поперечном направлениях. Из табл. 2 видно, что характеристики механических свойств исследуемого а-сплава после прокатки практически не зависят от продолжительности выдержки заготовок перед деформацией.

Ударная вязкость металла карточек находится на уровне ударной вязкости литого металла Падение значений этой характеристики в случае деформации с коэффициентом вытяжки 1,88 после нагрева заготовки в течение 16 часов объясняется повышенным содержанием водорода на поверхности ударных образцов. Известно, что критическое содержание водорода, при котором начинается резкое снижение ударной вязкости а-сплава титана 48-ОТЗ с крупнозернистым строением микроструктуры, составляет 0.008—0,0085%

Высокотемпературные нагревы активизируют диффузионные процессы в металлах и сплавах. В ряде случаев длительные выдержки при высоких температурах (гомогенизационные отжиги) используются для устранения дендритнои ликвации и повышения механических свойств стальных поковок и отливок В связи с этим представляют интерес результаты статистической обработки замеров микротвердости карточек.

Известно, что среднеквадратичное отклонение микротвердости om характеризует неоднородность прочности (твердости) в отдельных участках микрозерна и поэтому может быть использовано для качественной оценки равномерности распределения легирующих и примесей в металле. Среднеквадратичное отклонение микротвердости подсчитывалось по формуле для малого числа событий (в нашем случае 50—60 замеров):

где n — число замеров;

Hi — значение микротвердости в точке замера, кгс/мм2;



Hm = EHi/n — среднее арифметическое из результатов замеров микротвердости.

Как видно из табл. 2, рост продолжительности высокотемпературных выдержек заготовок перед прокаткой сопровождается уменьшением величины среднеквадратичного отклонения микротвердости деформированного металла по сравнению с литым. На основании этого можно сделать вывод, что длительные нагревы и последующая деформация заготовок приводят к выравниванию распределения легирующих и примесей по объему микрозерна.

Несмотря на длительные выдержки лабораторных слитков в мазутной печи при температурах 1180—1200°, в процессе ковки слябов поверхностные дефекты не образовывались. Как видно из рис. 5, макроструктура поковок практически не зависит от продолжительности нагрева заготовок. К таким же результатам приводит изучение вида излома и микроструктуры кованого металла

Содержание кислорода в литом и кованом металле находится практически на одном уровне Содержание водорода с ростом выдержки увеличивается в поверхностных слоях поковок в 1,5—2 0 раза (0,0012—0,0018% вместо 0,001% в слитке), а в центральных областях металла практически не изменяется по сравнению с содержанием водорода в слитках.

Временное сопротивление металла лабораторных слитков возрастает в процессе ковки на 23—14отн. %, а предел текучести — на 22—10 отн. % по сравнению с прочностными характеристиками литого металла (табл. 3) Относительное сужение исследуемого сплава в результате деформации практически не изменяется. Относительное удлинение кованого металла повышается по сравнению с относительным удлинением металла слитка на 60—15 отн. %. Из табл. 3 видно, что продолжительность нагрева заготовок перед ковкой не влияет на механические свойства поковок.

К таким же результатам приводит прокатка карточек из кованых слябов. Как следует из табл. 3, увеличение продолжительности нагрева металла как перед ковкой, так и перед прокаткой не изменяет механических свойств карточек. He изменяется практически и их структура

Следует отметить, что прочностные характеристики сплава в катаном состоянии повышаются на 3—10 отн. % по сравнению с соответствующими характеристиками кованого металла. Более высокая степень деформации при прокатке оказывает благотворное влияние также на показатели пластичности карточек, в частности на относительное удлинение, которое возрастает в среднем на 55—25 отн. %.

Наблюдаемые колебания значений механических свойств деформированного металла, по-видимому, связаны с некоторой разницей в химическом составе и структуре лабораторных слитков.

Выводы


1. Выдержки литого а-сплава титана типа 48-ОТЗ в электрической печи при температуре 1140—1150° продолжительностью до 24 часов практически не оказывают влияния на структуру и механические свойства катаных карточек. На основании замеров микротвердости металла можно сделать вывод, что в процессе нагрева и деформации заготовок происходит выравнивание распределения легирующих и примесей.

Показано, что длительные нагревы (до 16 часов) лабораторных слитков а-сплава Ti+3,7% Al, выплавленных на мягкой губке, в мазутной печи при 1180—1200°, а также выдержки кованых заготовок из этого сплава в электрической печи при 1140—1150° в течение 2—6 часов не изменяют структуру и механические свойства поковок и карточек.

2. Технологическая пластичность а-сплава титана типа 48-ОТ3 при прокатке зависит как от продолжительности нагрева, так и от суммарного объема деформации.

3. Глубинного газонасыщения исследуемых сплавов кислородом в результате высокотемпературных выдержек в мазутной и электрической печах практически не происходит.

В результате длительных нагревов наблюдается повышение содержания водорода в металле поковок и карточек по сравнению с содержанием его в металле заготовок. Содержание водорода (в катаных карточках 0,0045—0,006% и ковано-катаных 0,0023—0,0048%) находится ниже критического уровня для а-сплавов титана, содержащих 3,3—4,3% Al при крупнозернистом строении микроструктуры (0,008—0,0085% H2) и не оказывает влияния на показатели ударной вязкости. Высокое содержание водорода в поверхностных слоях карточки (0,009%), обусловившее падение ударной вязкости, наблюдается в случае нагрева заготовки в электрической печи в течение 16 часов и прокатки с коэффициентом деформации u = 1,88.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: