Введение

Для изготовления элементов листовых конструкций авиационного назначения необходимо применение титановых сплавов средней и высокой прочности [1–5]. Типичными представителями этих групп сплавов являются сплавы марок ВТ5, ВТ20 и ВТ6, которые часто используются для изготовления листовых полуфабрикатов [6]. Однако сплавы ВТ5 и ВТ20 относятся к термически неупрочняемым [7], т. е. для них практически отсутствует возможность изменения структуры и свойств в процессе термического воздействия. Для сплава ВТ6 хотя и существует возможность изменять структуру и свойства при помощи различных видов термической обработки, но потенциальный уровень прочности при этом реализуется не в полной мере.

С точки зрения обработки давлением для получения листовых полуфабрикатов и конечных изделий из них актуальной проблемой является создание гетерофазных ультрадисперсных структур в титановых сплавах с целью осуществления сверхпластической формовки [8]. Можно выделить два основных условия проявления эффекта сверхпластичности – это наличие протяженных межфазных границ и микро- или субмикрокристаллический масштаб структурных составляющих. В работах [9–11] показано, что и то и другое можно получить с помощью дополнительного легирования титановых сплавов водородом в процессе термоводородной обработки. Так, исследования в этой области позволили существенно повысить прочностные свойства и ресурс фасонных отливок из литейных сплавов ВТ5Л, ВТ6Л и ВТ20Л, увеличить термическую стабильность жаропрочных сплавов типа ВТ9, повысить прочность термически неупрочняемых титановых сплавов ВТ5 и ВТ20, снизить температуры или усилия деформации при обработке давлением деформируемых конструкционных сплавов средней и высокой прочности (ВТ6, ВТ23 и др.) [12–24].

Однако в научно-технической литературе приводится ограниченное количество данных о влиянии водорода на формирование структуры в наводороженных титановых сплавах в процессе пластической деформации. В связи с этим в данной статье рассматривается комплексный подход к преобразованию структуры и свойств полуфабрикатов из промышленно освоенных титановых сплавов ВТ5, ВТ20 и ВТ6 путем совмещения термоводородной обработки с пластической деформацией.

Работа выполнена в рамках реализации комплексного научного направления 2.1. «Фундаментально-ориентированные исследования» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [25].

Материалы и методы

В работе исследовали влияние обратимого легирования водородом и термоводородной обработки, совмещенной с пластической деформацией, на структуру и свойства деформированных полуфабрикатов (плит и листов) из титановых сплавов ВТ5, ВТ20 и ВТ6, полученных по промышленным и опытным технологиям. Исходные слитки для проведения термомеханической обработки получали методом вакуумно-дуговой плавки по технологии, аналогичной описанной в работах [26, 27]. Химический состав исследованных полуфабрикатов сплавов ВТ5, ВТ20 и ВТ6 приведен в таблице.

Химический состав полуфабрикатов из титановых сплавов

Насыщение образцов водородом проводили термодиффузионным способом в лабораторной установке Сивертса до концентраций 0,2–1,0% (по массе), с шагом 0,2% (по массе) в интервале температур 650–900°С. Принцип действия установки Сивертса основан на термическом разложении порошка гидрида титана. Газообразный молекулярный водород собирается в баллон до достижения в нем расчетного давления, определяемого исходя из требуемой конечной концентрации водорода в образцах с учетом их суммарной массы. Водород из баллона через систему трубопроводов и вакуумных клапанов поступает в вакуумированную реторту, в которой находятся образцы при заданной температуре. После поглощения заданного количества водорода (о чем свидетельствует изменение давления в системе) реторта с образцами извлекается из печи и охлаждается в потоке воздуха от вентилятора, что обеспечивает скорость охлаждения 1 К/с в интервале температур – от 800 до 400°С. Концентрацию вводимого водорода контролировали с помощью взвешивания образцов на аналитических весах, а остаточного водорода после вакуумного отжига – спектральным методом.

Обработку давлением в наводороженном состоянии осуществляли методом прокатки при температурах (α+β)-области. Низкотемпературный вакуумный отжиг после деформации проводили в печи типа СВНЭ-1.3.1/16-И3 в течение 7 ч.

Фазовый состав и структуру образцов изучали методами оптической микроскопии (по ПИ 1.2.785–2009), электронной микроскопии и микродифракции, а также рентгеноструктурного анализа на стандартных металлографических шлифах.

Результаты

На первом этапе исследований изучали структурно-фазовое состояние листовых полуфабрикатов из титановых сплавов ВТ5, ВТ20 и ВТ6, полученных по промышленным технологиям.

Проведенный металлографический анализ показал, что микроструктура листа толщиной 2 мм из псевдо-α-сплава ВТ20, полученного по промышленной технологии, представлена α-матрицей с небольшим количеством β-фазы (рис. 1, а), а лист той же толщины из сплава α-класса ВТ5 имеет рекристаллизованную α-структуру (рис. 1, б). Лист толщиной 2 мм из (α+β)-сплава ВТ6, также полученный по промышленной технологии, имеет деформированную, частично рекристаллизованную структуру (рис. 1, в).

На следующем этапе работы проводили исследования формирования фазового состава и структуры в листовых полуфабрикатах толщиной 2 мм из сплавов ВТ5, ВТ20 и ВТ6, полученных по опытной технологии, включающей наводороживающий отжиг, прокатку в наводороженном состоянии в верхнем температурном интервале (α+β)-области с промежуточными отжигами и заключительный низкотемпературный вакуумный отжиг, обеспечивающий удаление водорода до безопасных остаточных концентраций – не более 0,005% (по массе).

Рис. 1. Структура листов из сплавов ВТ20 (а), ВТ5 (б) и ВТ6 (в), полученных по промышленной технологии

Водород, как легирующий элемент, представляет собой мощный «инструмент», который позволяет управлять процессами структурообразования в титановых сплавах [12, 13]. Преимущество термоводородной обработки заключается в возможности введения водорода в сплав в твердофазном состоянии, т. е. без изменения номинального химического состава получать на промежуточных стадиях структурно-фазовые состояния, не свойственные сплавам в равновесных условиях, а также удалять водород из материала без расплавления, осуществляя тем самым «обратимое» легирование. При этом под обратимостью легирования понимается только возможность контролируемого введения/удаления водорода, в то время как фазовый состав и структура сплава изменяются необратимо.

Водород в титановых сплавах является сильным β-стабилизатором, поэтому он понижает температуру полиморфного превращения (α+β)→β (Ac₃), уменьшает первую критическую скорость охлаждения и диффузионную подвижность основных легирующих элементов [12]. Это позволяет при одних и тех же условиях (температура нагрева, скорость охлаждения), изменяя только концентрацию водорода, получать в титановых сплавах целый спектр структур, который невозможно получить никакими другими технологическими способами.

Металлографический анализ плиты толщиной 20 мм из сплава ВТ6 в исходном состоянии (без дополнительного легирования водородом) показал, что плита характеризуется пластинчатой микроструктурой, достаточно хорошо проработанной на технологической стадии ее изготовления (рис. 2, а), в которой, однако, присутствуют отдельные микрообъемы с более ярко выраженной геометрической текстурой вдоль направления прокатки (рис. 2, б).

На следующем этапе работы исходную плиту из сплава ВТ6 толщиной 20 мм наводороживали при температуре 800°С до концентрации водорода 0,7% (по массе). Водород, как β-стабилизатор, расширяет область существования b-фазы, повышает ее стабильность и уменьшает критические скорости охлаждения. Кроме того, увеличение количества β-фазы способствует также уменьшению степени ее легирования как β-стабилизаторами, так и алюминием, вследствие сосредоточения его преимущественно в α-фазе. Исследования показали, что после проведения наводороживающего отжига и охлаждения до комнатной температуры с максимально возможной (для используемой лабораторной установки Сивертса) скоростью 1 К/с в плите из сплава ВТ6 формируется структура, состоящая в основном из β-фазы и небольшого количества мартенситной фазы αʺ (рис. 2, в, г).

Рис. 2. Микроструктура плиты толщиной 20 мм из сплава ВТ6 в исходном состоянии (а, б) и после наводороживания до 0,7% (по массе) H (в, г):

а, в – съемка с плоскости, перпендикулярной направлению прокатки; б, г – съемка с плоскости, параллельной направлению прокатки

После проведения наводороживающего отжига при 800°С плиту толщиной 20 мм прокатывали в наводороженном состоянии в температурном интервале (α+β)-области (с промежуточными отжигами) до листа толщиной 2 мм с суммарной степенью обжатия 90%. В процессе деформации и охлаждения до комнатной температуры происходит выделение α-фазы, обогащенной алюминием. Таким образом, после деформации структура сплава ВТ6 (рис. 3, а, б) представлена:

– мелкодисперсными частицами α-фазы, обогащенной алюминием; в отдельных микрообъемах формируется α₂-фаза на основе Ti₃Al;

– деформированными зернами β-фазы, сильно обедненной алюминием и пересыщенной водородом;

– эвтектоидной смесью (α+δ), так как в процессе охлаждения после деформации происходит уменьшение количества β-фазы, и вследствие ее пересыщения водородом она частично претерпевает эвтектоидный распад β→α+δ(TiH₂).

Последующий низкотемпературный вакуумный отжиг в течение 7 ч предварительно деформированных в (α+β)-области листов из сплава ВТ6, дополнительно легированного водородом до концентрации 0,7% (по массе), приводит к формированию в полуфабрикате хорошо проработанной мелкодисперcной структуры (рис. 3, в, г).

Рис. 3. Микроструктура листа толщиной 2 мм из сплава ВТ6 в наводороженном состоянии до концентрации 0,7% (по массе) (а, б) и после низкотемпературного вакуумного отжига (в, г):

а, в – съемка с плоскости, перпендикулярной направлению прокатки; б, г – съемка с плоскости, параллельной направлению прокатки

Водород, являясь β-стабилизатором, имеет высокую растворимость в β-фазе и практически не растворяется в α-фазе. Под действием водорода происходит не только увеличение количества β-фазы, но и перераспределение основных легирующих элементов: α-фаза обогащается алюминием, а β-фаза – ванадием. При пластической деформации в водородсодержащей β-фазе появляется большое количество новых дефектов кристаллического строения, в основном линейного характера (дислокации), которые при дегазации являются предпочтительными центрами зарождения частиц α-фазы. Вследствие низкой диффузионной подвижности атомов основных легирующих элементов при вакуумном отжиге процессы зарождения частиц преобладают над процессами их роста, так как зарождение всегда происходит по сдвиговому механизму и не зависит от диффузионных процессов [28].

Низкотемпературный вакуумный отжиг приводит к выделению в β-фазе, которая обеднена алюминием, также обедненной алюминием α_дег-фазы, поэтому при рентгеноструктурном анализе на дифрактограммах отчетливо видны дифракционные максимумы, полученные от двух α-фаз – обогащенной и обедненной алюминием. Кроме того, после вакуумного отжига на дифрактограммах остаются и сверхструктурные рефлексы (10.1) и (11.0), свидетельствующие о присутствии α₂-фазы (рис. 4, а).

Аналогичные результаты получены и для сплавов ВТ5 и ВТ20. Показано, что увеличение в сплавах ВТ5 и ВТ20 количества водорода с 0,3 до 0,7% (по массе) приводит к формированию гетерофазной структуры и уменьшению размера структурных составляющих α-фазы после деформации и вакуумного отжига – с 1–2 мкм до 300–500 нм. С помощью рентгеноструктурного анализа показано, что в образцах толщиной 2 мм из листовых полуфабрикатов α-сплава ВТ5 и псевдо-α-сплава ВТ20 совмещение термоводородной обработки с пластической деформацией позволяет после вакуумного отжига создать двухфазную структуру, состоящую из первичной α^I-фазы, обогащенной алюминием, и α_дег-фазы, обедненной алюминием, так как она образуется из β-фазы в процессе дегазации, а низкие температуры вакуумного отжига замедляют процессы выравнивающей диффузии между двумя α-фазами с различным содержанием алюминия (рис. 4, б, в).

Рис. 4. Участки дифрактограмм листовых образцов толщиной 2 мм из сплавов ВТ5 (а), ВТ20 (б) и ВТ6 (в) после наводороживающего отжига, пластической деформации и вакуумного отжига

Проведенные электронно-микроскопические исследования образцов после вакуумного отжига показали, что сочетание термоводородной обработки с пластической деформацией позволило создать в листах субмикрокристаллическую гетерофазную структуру с размером частиц α-фазы 300–500 нм [9, 11]. Исследования, проведенные методом темного поля и электронной микродифракции, подтвердили наличие в структуре отдельных (некогерентных) частиц α₂-фазы.

Обсуждение и заключения

Проведенные исследования показали, что обратимое легирование водородом до концентрации 0,7% (по массе) в сочетании с пластической деформацией в наводороженном состоянии позволяет создавать в листовых полуфабрикатах толщиной 2 мм субмикрокристаллическую гетерофазную структуру, в которой α-фаза присутствует в виде двух структурных составляющих: первичной α^I-фазы, обогащенной алюминием до состава α₂-фазы на основе интерметаллида Ti₃Al, и вторичной α_дег-фазы, обедненной алюминием. Размер структурных составляющих α-фазы составляет при этом 300–500 нм. Важно отметить, что в зависимости от класса сплава формируются следующие структурно-фазовые состояния: в сплаве ВТ5 – двухфазная (α+α₂)-структура, в сплавах ВТ20 и ВТ6 – многофазная (α+α₂+β)-структура. Наличие упорядоченной α₂-фазы подтверждается данными электронной микродифракции, а также появлением на рентгеновских дифрактограммах сверхструктурных рефлексов (10.1) и (11.0). Структура, содержащая α₂-фазу на основе интерметаллидного соединения Ti₃Al, является метастабильной и не свойственна сплавам ВТ5, ВТ20 и ВТ6 в равновесных условиях. В связи с этим при последующем нагреве до температур обработки и/или эксплуатации возможно протекание диффузионных процессов, приводящих к преобразованию сформировавшейся метастабильной структуры в равновесную. Для определения технологических (в первую очередь, температурно-временны́х) параметров дальнейшей обработки полуфабрикатов из сплавов ВТ5, ВТ20 и ВТ6, подвергнутых термоводородной обработке, необходимо исследовать температурные пределы стабильности гетерофазных структур, содержащих α₂-фазу. Исследование термической стабильности (α+α₂+β)-структуры в сплаве ВТ6 проведено авторами и описано в работе [23].

Благодарности

Авторы выражают благодарность одному из основоположников водородной технологии титановых сплавов в России академику РАН А.А. Ильину и сотрудникам его научной школы – д. т. н., профессору С.В. Скворцовой и д. т. н., профессору А.М. Мамонову – за помощь в получении и интерпретации экспериментальных результатов, обсуждение и критические замечания.