К.т.н. Мухаметрахимов М. Х.

Учреждение Российской академии наук Институт проблем сверхпластичности металлов РАН, Россия

ТВЕРДОФАЗНОЕ СОЕДИНЕНИЕ НАНОСТРУКТУРНОГО ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ6 В УСЛОВИЯХ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ СВЕРХПЛАСТИЧНОСТИ

Введение

Развитие машиностроения и авиационного, в частности, требует создания новых ресурсосберегающих, экологически безопасных технологических процессов, использующих прогрессивные материалы с высокими эксплуатационными свойствами.

Сварка давлением относится к перспективным технологиям машиностроения, и ее эффективность может быть существенно повышена при использовании явления сверхпластичности [1]. Ускоренное формирование соединения в твердом состоянии с достижением уровня свойств основного материала обеспечивается при условии максимальной реализации в процессе деформационной обработки основного механизма сверхпластичности – зернограничного проскальзывания [2]. Появление наноструктурных материалов [3] повышает актуальность использования сварки давлением в сверхпластичном состоянии как одной из наиболее приемлемых технологий их обработки для достижения высоких механических свойств изделий, полученных твердофазным соединением двух или одновременно нескольких заготовок.

Материал и методика исследования

Материалом для исследования был выбран промышленный двухфазный титановый сплав ВТ6 системы Ti-Al-V стандартного химического состава по ГОСТ 19807-91. Объемные заготовки наноструктурированного сплава были получены методом интенсивной пластической деформации (ИПД) согласно известным режимам [3]. Средний размер зерен определяли методом секущих [4].

Соединение в состоянии сверхпластичности (СП) осуществляли сваркой давлением (осадкой установленных друг на друга цилиндрических образцов) в вакууме 2х10^-3 Па на установке «АЛА-ТОО (тип ИМАШ 20-78)» в температурном интервале 600…900^оС при скорости деформации = 5х10^-4 с^-1.

Механические свойства исследуемого сплава определяли растяжением при комнатной температуре не менее 3-х образцов. Поверхность соединения ориентировали перпендикулярно оси растяжения в центральной части образца. Для механических испытаний при нормальной температуре использовали универсальную машину фирмы «Инстрон» модели 1185.

Результаты и их обсуждение

Для исследуемого титанового сплава ВТ6 исходное наноструктурное состояние 1 соответствовало среднему размеру зерен 0,2 мкм (Рис.1, а), наноструктурное состояние 2 – среднему размеру зерен 0,4 мкм (Рис.1,б), а состояние 3 (микрокристаллическое) – среднему размеру зерен 2 мкм.

Рисунок 1 – Микроструктура сплава ВТ6 в исходной заготовке: состояние а) - d = 0,2 мкм, состояние б) - d = 0,4 мкм.

Механические свойства на растяжение при комнатной температуре исследуемого сплава ВТ6 приведены в таблице 1. Механические испытания показывают, что наноструктурирование обеспечивает сплаву ВТ6 уникальное сочетание повышенных прочности и пластичности без необходимости дополнительной термической обработки.

Таблица 1 – Механические свойства при 20^оС исследованного сплава ВТ6

Состояние сплава	Механические свойства
	sв, МПа	s02, МПа	d, %
Состояние 1	1320	1250	7,5
Состояние 2	1244	1140	8,6
Состояние 3	1120	1010	10,0

Рассмотрим данные испытаний механических свойств образцов из сплава ВТ6, полученных соединением осадкой в состоянии СП при разных температурах. Эти результаты представлены в таблице 2. Сопоставительный анализ данных, приведенных в таблицах 1 и 2 позволяет выявить снижение прочностных свойств в образцах сплава ВТ6 при формировании зоны твердофазного соединения.

Таблица 2 – Механические свойства на растяжение при 20^оС соединенных при различных температурах образцов титанового сплава ВТ6

Исходное состояние сплава	Температура соединения, ^оС	Механические свойства
		sв, МПа	s02, МПа	d, %
Состояние 1	600	1149/1174*	1082/1096*	7,3
Состояние 1	650	1124/1122*	1061	7,3
Состояние 2	700	1090/1097*	1076	16
Состояние 2	750	1028/1024*	1019	18,3
Состояние 2	800	1006/1016*	999	21
Состояние 3	900	974/982*	948/959*	16,5

* - В знаменателе свойства образцов-свидетелей сплава ВТ6 без твердофазного соединения, подвергнутых деформационно-термическому воздействию, соответствующему условиям сварки давлением проводимого в состоянии сверхпластичности

Формирование твердофазного соединения влияет на механические свойства сварных образцов сплава ВТ6. Прежде всего это влияние отражается на характеристиках прочности, которые имеют тенденцию к снижению. Для понимания этих изменений необходимо, прежде всего, определиться, какие факторы являются ответственными за них. Известно [5], что качество сварного соединения, полученного в твердом состоянии, во многом зависит от наличия или отсутствия микропор в зоне соединения. В этой связи используемая нами методика соединения образцов сплава ВТ6 в состоянии сверхпластичности, как показали результаты металлографических исследований с использованием сканирующего электронного микроскопа, позволяет получать соединения, в которых микропоры практически не выявляются. Другим существенным фактором, понижающим характеристики прочности металла, является интенсивный рост зерен [6]. При этом также общеизвестно явление ускоренного роста зерен в титановых сплавах, подвергнутых сверхпластической деформации [1], в сравнении с простым отжигом при соответствующей температуре проявления сверхпластичности.

Исходя из представленных экспериментальных результатов можно предположить, что основной причиной снижения прочности образцов (табл. 2), соединенных в состоянии как традиционной [1], так и низкотемпературной сверхпластичности [7], может служить рост зерен в обрабатываемом сплаве. Явление роста зерен актуально при разработке деформационно-термических процессов обработки наноструктурированных титановых сплавов [8], обладающих уникальным сочетанием физико-механических и технологических свойств [3]. Основная проблема, возникающая при обработке этих перспективных материалов, в частности при сварке давлением в состоянии сверхпластичности, связана с нестабильностью исходного структурного состояния. Это обстоятельство накладывает существенные ограничения на температурно-временные параметры процесса обработки, которые должны минимизировать рост зерен и деградацию нанокристаллического состояния.

Литература:

1. Кайбышев О.А. Cверхпластичность промышленных сплавов. М.: Металлургия, 1984, 264 с.

2. Лутфуллин Р.Я. Сверхпластическая деформация – основа для разработки структурно – структурно-контролируемых технологических процессов соединения материалов в твердом состоянии. Труды Международной научной конференции «Современное состояние теории и практики сверхпластичности материалов», Уфа, 2000, с. 67-74.

3. Кайбышев О.А., Салищев Г.А., Галеев Р.М. и др. Способ обработки титановых сплавов. Патент Российской Федерации №2134308.

4. Салтыков С.А. Стереометрическая металлография. М.: Металлургия, 1976, 271 с.

5. Гельман А.С. Основы сварки давлением. М.: Машиностроение, 1970, 312 с.

6. Физическое металловедение. Вып.3 / Под ред. Р. Кана. М.: Мир, 1968, 484 с.

7. Валиев Р.З., Кайбышев О.А., Кузнецов Р.И. и др. Низкотемпературная сверхпластичность металлических материалов. Доклады АН СССР, 1988, т.301, №4, с. 864-866.

8. Лутфуллин Р.Я., Мухаметрахимов М.Х. Влияние исходной структуры на механические свойства соединенных в сверхпластическом состоянии образцов титанового сплава ВТ6. Металловедение и термическая обработка металлов, 2006, №2, с. 11-13.