Введение

Разработка, апробация и внедрение материалов нового поколения в условиях высокотехнологичных производств непосредственно сопряжены с инновационными технологиями их получения и обработки. С учетом государственных приоритетов в области создания и поддержки высокотехнологичных производств в авиационно-космической индустрии в ВИАМ разработаны «Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» [1, 2], где важное место отводится материалам на основе легких металлов, в частности – титановым сплавам [3–6].

Одной из инновационных технологий изготовления титановых сплавов является водородная обработка [7], основанная на использовании водорода в качестве постоянного или временного легирующего элемента. По результатам исследований в данной области построены температурно-концентрационные и температурно-скоростные диаграммы для большой группы титановых сплавов [7–9]. Показаны широкие возможности преобразования структуры сплавов разных классов [10–15], что позволило существенно повысить прочностные и усталостные свойства фасонных отливок, увеличить термическую стабильность жаропрочных сплавов, повысить прочность термически неупрочняемых титановых сплавов, снизить температуры или усилия деформирования при обработке давлением и получении деформированных полуфабрикатов [16–18]. В основе водородной обработки лежит уникальный технологический метод – термоводородная обработка (ТВО). Ключевыми стадиями ТВО являются процессы введения водорода (наводороживания) термодиффузионным способом и удаления водорода (дегазации) с помощью вакуумного отжига, который играет важную роль, так как в большей степени определяет конечный комплекс свойств обрабатываемого полуфабриката или изделия.

В данной работе изучено влияние низкотемпературного вакуумного отжига на фазовый состав и структуру образцов из сплава ВТ6, наводороженных по различным режимам.

Материалы и методы

Исходные слитки сплава ВТ6 состава Ti–6,25Al–4,1V (ГОСТ 19807–91) для проведения исследований получали методом тройного вакуумно-дугового переплава по технологии, аналогичной описанной в работе [19]. Исследования проводили на образцах, вырезанных из горячекатаной плиты толщиной 12 мм. Предварительно плиту отжигали в вакууме при температуре β-области (980°С) в течение 2 ч. Остаточная концентрация водорода после вакуумного отжига, измеренная спектральным методом, не превышала 0,006% (по массе). Насыщение образцов водородом проводили в лабораторной установке Сивертса до концентрации 0,2–1% (по массе), с шагом 0,2% в интервале температур 650–900°С. Охлаждение до комнатной температуры осуществляли со скоростью 1 К/с. Отжиг наводороженных образцов проводили при температуре 625°С в течение 7 ч в вакуумной камерной электропечи сопротивления с экранной теплоизоляцией «Вега-3М». Фазовый состав и структуру образцов изучали при комнатной температуре с помощью оптической (ОМ) и просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), а также рентгеноструктурного анализа (РСА).

Результаты

Практически все схемы ТВО титановых сплавов [7] включают отжиг в вакууме как заключительную операцию с целью снижения количества введенного водорода в изделии или полуфабрикате до безопасной концентрации, при которой гарантированно не развивается водородная хрупкость при последующей эксплуатации.

В процессе вакуумного отжига диффузия водорода ускоряется, а градиент диффузионного потока направлен к поверхности образца. Парциальное давление водорода в вакуумной системе меньше его равновесного давления в образце, в результате чего в системе происходит выравнивающая диффузия, приводящая к дегазации. Удаление водорода протекает значительно быстрее, чем диффузионное перераспределение атомов основных легирующих элементов сплава, что оказывает влияние на фазовые превращения, которые, согласно работе [7], можно выделить в отдельный вид – фазовые превращения, протекающие при непрерывном изменении концентрации легирующего компонента (водорода).

Вакуумный отжиг титановых сплавов условно можно разделить на высокотемпературный и низкотемпературный. Высокотемпературный вакуумный отжиг (750–900°С) обычно применяют для снижения содержания водорода до безопасной концентрации, при этом не преследуется цель путем изменения параметров отжига повлиять на фазовые превращения, протекающие в сплаве при дегазации. Низкотемпературный отжиг (600–700°С), напротив, применяется для контролируемого управления фазовым составом и структурой. Так, при низкотемпературном вакуумном отжиге реализуется возможность измельчения структуры, так как в процессе отжига вследствие низкой диффузионной подвижности основных легирующих элементов при β→α-превращении процессы зарождения новых частиц α-фазы преобладают над процессами их роста.

Как показали ранее проведенные исследования [20], спектр структур титанового сплава ВТ6 после наводороживающего отжига расширяется с увеличением концентрации введенного водорода:

– (α+β)→(α′(α″)+β)→β – после наводороживания в β-области;

– (α+β)→(α+α₂+β)→(α+α₂+β+δ)→(α+α₂+δ) – после наводороживания в (α+β)-области.

Анализ указанных последовательностей позволяет выявить два основных структурных фактора, которые могли бы оказывать влияние на морфологию структуры после вакуумного отжига. К этим факторам можно отнести наличие или отсутствие в структуре после наводороживающего отжига β-фазы и  α′(α″)-мартенсита, а также количественное соотношение α_I- (первичная) и β-фаз.

Вакуумный отжиг проводили при температуре 625°С в течение 7 ч, с охлаждением в печи. Измеренная спектральным методом концентрация водорода во всех образцах после вакуумного отжига не превышала 0,007% (по массе).

Рис. 1. Дифрактограммы отожженных в вакууме образцов из сплава ВТ6 после наводороживания в β-области (а) и (α+β)-области (б)

Согласно данным РСА образцы, наводороженные в β-области, после вакуумного отжига имели двухфазную (α_р+β_р)-структуру равновесного состава (рис. 1, а). Однако размер структурных составляющих α-фазы значительно изменяется в зависимости от структурного состояния после наводороживания. Так, если в структуре наводороженного сплава преобладал мартенсит (температура наводороживающего отжига 900°С, концентрация водорода 0,6% (по массе)), то образующаяся в процессе дегазации α_дег-фаза наследует его морфологию, что приводит к сохранению исходного пластинчатого типа структуры α-фазы (рис. 2, а), однако размер пластин меньше по сравнению с исходной «псевдолитой» структурой после высокотемпературного отжига при температуре 980°С.

Рис. 2. Микроструктура образцов из сплава ВТ6 после наводороживающего при 900 (а – до 0,6% (по массе) Н) и 800°С (б – до 0,4% (по массе) Н) и вакуумного отжига при 625°С (ОМ)

Рис. 3. Структура образца из сплава ВТ6, дополнительно легированного 0,8% (по массе) H при 850 (а) и 800°С (б), после вакуумного отжига при 625°С (ПЭМ)

Если же после наводороживающего отжига в структуре удается зафиксировать практически однофазное β-состояние (возможно содержание до 5% (объемн.) мартенсита), то вакуумный отжиг приводит к формированию равновесной мелкодисперсной (α_р+β_р)-структуры (рис. 3, а). Количественный анализ морфологии получаемой в этом случае структуры показывает, что пластины равновесной α_дег-фазы имеют длину 500–700 нм и толщину не более 100 нм. Это позволяет сделать вывод о формировании наноструктуры.

Наличие в структуре после наводороживания первичной α_I-фазы, обогащенной алюминием до состава α₂, оказывает влияние на структурообразование при вакуумном отжиге. Структура таких образцов после дегазации представлена α- и β-фазами неравновесного состава; в микрообъемах α-фазы сохраняется дальний порядок упорядочения, о чем свидетельствуют сверхструктурные рефлексы на дифрактограммах (см. рис. 1, б).

Исследования показали, что если в структуре после наводороживающего отжига присутствует менее 30% (объемн.) α_I-фазы, то процессы зарождения частиц α_дег-фазы преобладают над процессами их роста и в результате формируется бимодальная структура, содержащая частицы первичной частично упорядоченной α(α₂)-фазы размером 1–3 мкм и обедненную алюминием вторичную наноразмерную α_дег-фазу, которая выделяется из β-фазы при дегазации (рис. 3, б). Если же в структуре наводороженного сплава содержится более 30% (объемн.) α_I-фазы, то даже при низкотемпературной дегазации преобладают процессы роста ее частиц, а вторичной α_дег-фазы образуется значительно меньше (см. рис. 2, б).

Обсуждение и заключения

Установлено, что если в процессе наводороживания α→β-превращение протекает до конца и последующее охлаждение до комнатной температуры позволяет зафиксировать однофазную β-структуру, то при последующем низкотемпературном (600–650°С) вакуумном отжиге формируется (α+β)-наноструктура, содержащая пластины α-фазы длиной 500–700 нм и толщиной не более 100 нм.

Установлено, что если после наводороживающего отжига в структуре сплава ВТ6 содержится не более 30% (объемн.) первичной α-фазы, то вакуумный отжиг при температуре 625°С позволяет сформировать бимодальную структуру, содержащую (кроме равновесного количества β-фазы) обогащенную алюминием и частично упорядоченную первичную α(α₂)-фазу и обедненную алюминием наноразмерную вторичную α-фазу, выделяющуюся из β-фазы в процессе дегазации.

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., проф. С.В. Скворцовой и д.т.н., проф. А.М. Мамонову за помощь в получении и интерпретации экспериментальных результатов, обсуждение и критические замечания.

* Экспериментальные результаты получены на оборудовании Ресурсного центра коллективного пользования «Авиационно-космические материалы и технологии» ФГБОУ ВПО «МАТИ – Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского» (МАИ).