авторефераты диссертаций www.z-pdf.ru
БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
 

На правах рукописи

КОЧЕТКОВ АЛЕКСЕЙ СЕРГЕЕВИЧ

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ЛИТЕЙНЫХ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

РАЗЛИЧНЫХ СИСТЕМ ЛЕГИРОВАНИЯ В ТОНКОСТЕННЫХ

ФАСОННЫХ ОТЛИВКАХ

Специальность 05.16.01

«Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2015

Диссертационная

работа

выполнена

в

Федеральном

государственном

унитарном предприятии «Всероссийский научно-исследовательский институт

авиационных материалов» Государственном научном центре Российской

Федерации (ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ).

Научный руководитель:

Доктор технических наук, Ночовная Надежда Алексеевна

Официальные оппоненты:

Мамонов Андрей Михайлович, доктор технических наук, профессор,

ФГБОУ ВПО «МАТИ – Российский государственный технологический

университет имени К.Э. Циолковского»

Снегирева Лариса Анатольевна, кандидат технических наук, главный

технолог

деформационного

производства

легких

сплавов

ОАО «Всероссийский институт легких сплавов»

Ведущая организация:

ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого

Президента России Б.Н. Ельцина», г. Екатеринбург

Защита диссертации состоится « 09 » февраля 2016 г. в 1500 часов на

заседании Диссертационного совета Д 403.001.01 при ФГУП «ВИАМ» по

адресу: 105005, г. Москва, ул. Радио, д.17.

Тел.: (499) 261-86-77, факс: (499) 267-86-09

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке

ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ и на сайте http://viam.ru .

Отзывы на автореферат, заверенные печатью, просим высылать по адресу:

105005, г.Москва, ул.Радио, д.17, ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ.

Автореферат разослан «____»___________2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук

Шишимиров М.В.

© ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ, 2015

© Кочетков А.С., 2015

2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Титан и сплавы на его основе являются одними

из наиболее перспективных конструкционных материалов и нашли широкое

применение в авиационной, судостроительной, химической и других отраслях

промышленности. Благодаря оптимальному сочетанию эксплуатационных

характеристик (малая плотность, высокая удельная прочность, высокая

коррозионная стойкость в агрессивных средах и др.) титан стал незаменимым

материалом и во многом определяет прогресс развития машиностроения.

Поскольку стоимость титановых полуфабрикатов достаточно высока и

определяется в основном сложностью технологий изготовления и низким

коэффициентом

использования

металла,

необходимость

внедрения

в

промышленность новых перспективных технологических процессов является

особенно актуальной.

Одним из наиболее прогрессивных технологических процессов является

метод фасонного литья, который позволяет изготавливать детали сложной

формы

наиболее

экономичным

способом

по

сравнению

с

деталями,

полученными механической обработкой из деформированных заготовок. При

данном виде литья резко снижается трудоемкость изготовления и повышается

коэффициент использования металла (КИМ штамповок – 0,12; КИМ фасонных

отливок – 0,35). Важную роль для интенсивного развития титанового литья

сыграло создание сплавов с хорошими литейными и механическими

свойствами, а также технологий их переработки, что позволило получать

отливки, отвечающие требованиям, предъявляемым к конструкциям.

В настоящее время в отечественной промышленности при производстве

авиационной техники используется широкая номенклатура фасонных отливок

из

титановых

сплавов

ВТ5Л,

ВТ6Л

и

ВТ20Л.

На

данный

момент

ОАО «Балашихинский литейно-механический завод» (ОАО «БЛМЗ») является

единственным

предприятием

в

России,

обладающим

необходимым

оборудованием и технологиями для литья крупногабаритных титановых

отливок. В технологическом процессе ОАО «БЛМЗ» используются графитовые

3

формы,

недостатками

которых

является

низкая

размерная

точность,

увеличенная

толщина

стенок,

повышенный

вес,

что

делает

их

неконкурентоспособными.

Существующие технологии не обеспечивают должное качество отливок

во многом из-за нестабильности уровня механических свойств, которая

обусловлена

широкими

диапазонами

легирования,

в

первую

очередь

алюминием.

Цель работы: исследование влияния алюминия на эксплуатационные

свойства

фасонных

отливок

для

установления

содержания

алюминия,

обеспечивающего стабильный уровень свойств, и разработка технологии

получения тонкостенных отливок из литейных титановых сплавов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие

задачи:

1.

Определить диапазоны легирования литейных титановых сплавов

ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ40Л, ВТ20Л, обеспечивающие воспроизводимость значений

прочностных свойств.

2.

Определить зависимость влияния технологических параметров

выплавки слитков из титановых литейных сплавов ВТ20Л, ВТ6Л, ВТ5Л, ВТ40Л

на структурно-фазовый состав и однородность распределения легирующих

элементов по объему слитков.

3.

Разработать

технологию

изготовления

точных

тонкостенных

фасонных отливок из титановых сплавов ВТ20Л, ВТ6Л, ВТ5Л, ВТ40Л,

включающую применение ГИП.

Научная новизна работы

1. Установлена закономерность влияния содержания алюминия на

структурно-фазовый состав и уровень механических свойств отливок из

литейных титановых сплавов. Повышение содержания алюминия с 5,6 до 6,2

масс. % в литейном титановом сплаве ВТ5Л, приводит к увеличению размера

первичного

β-зерна

до

250-300

мкм

и

сопровождается

снижением

характеристик пластичности с 8 до 5 %.

4

2. Установлено, что ГИП (горячее изостатическое прессование) отливок

из литейных титановых сплавов ВТ6Л, ВТ20Л и ВТ40Л приводит к изменению

морфологии α-фазы в результате процессов рекристаллизации с образованием

глобулей размером не более 100 мкм.

3.

На

основании

теоретических

расчетов,

подтверждённых

экспериментальными данными, установлено, что для получения плотных

тонкостенных (толщина стенки до 2-х мм) отливок из литейных титановых

сплавов ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ20Л, ВТ40Л с минимальным размером пор 0,8 мм,

центробежное литье необходимо осуществлять при значении гравитационного

коэффициента равном 12.

Практическая ценность работы

1.

Разработана

технология

фасонного

литья

высокоточных

тонкостенных отливок, с толщиной стенки 1,5 мм, со стабильным уровнем

прочностных

характеристик.

Выпущена

технологическая

инструкция

ТИ 1.595-8-437-2012.

2.

Разработаны технологии выплавки слитков для фасонного литья

сплавов

ВТ20Л,

ВТ5Л,

ВТ6Л,

ВТ40Л,

обеспечивающие

отсутствие

ликвационной

неоднородности

по

основным

легирующим

элементам.

Выпущены

технологические

инструкции

ТИ

1.595-8-082-2009;

ТИ 1.595-8-083-2009; ТИ 1.595-8-084-2009; ТИ 1.595-8-085-2009.

3.

Разработаны и выпущены технические условия на слитки для

фасонного литья сплавов ВТ20Л, ВТ5Л (ТУ 1-595-8-1192-2011); ВТ6Л, ВТ40Л

(ТУ 1-595-8-1193-2011);

4.

Выпущены дополнения к паспортам: дополнение № 2 к паспорту

№174 на сплав ВТ5Л; дополнение № 8 к паспорту №575 на сплав ВТ6Л;

дополнение № 2 к паспорту №1760 на сплав ВТ40Л; дополнение № 8 к

паспорту № 768 на сплав ВТ20Л.

5

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы

докладывались и обсуждались на конференциях и семинарах:

1.

Юбилейный семинар «Технологии производства и обработки

современных титановых сплавов», ВИАМ, г. Москва, 2011 г.

2.

V

Всероссийская

научно-техническая

конференция

«Взаимодействие науки и литейно-металлургического производства», г.

Самара, 2013 г.

Объем диссертации и её структура. Диссертация изложена на 125

страницах, содержит 40 рисунков и 21 таблицу. Работа состоит из введения, 5

глав, выводов и списка литературы из 90 наименований.

6

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

В первой главе проведен анализ научно-технической литературы и

представлены основные результаты опубликованных исследований ведущих

российских и зарубежных ученых в области литейных титановых сплавов.

Выполнен анализ составов литейных титановых сплавов, технологий

выплавки слитков и производства отливок. Установлено, что возможность

получения тонкостенных отливок со стабильным уровнем эксплуатационных

свойств требует комплексного решения задачи по выбору химического состава

и усовершенствования технологий выплавки слитков, изготовления форм и

процесса получения фасонных отливок.

В настоящее время практически утеряна технология изготовления

тонкостенных фасонных отливок. На действующих заводах и участках

титанового литья возможно производство крупногабаритных отливок с

толщиной стенки от 3 до 5 мм. Потребность в обеспечении высокого выхода

годного, высокой точности и требуемого уровня механических свойств

фасонных отливок обуславливает необходимость создания новых технологий

литья,

основанных

на

применении

керамических

форм

на

основе

модифицированного водного кремнезольного связующего с минимальным

содержанием SiO2.

Сформулирована цель и конкретные задачи исследования.

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Во второй главе приведены основные материалы и методы исследований,

примененные при выполнении диссертационной работы для изучения

закономерностей формирования структуры, фазового состава, технологических

и физико-механических свойств литейных титановых сплавов.

Исследования проводили на литейных титановых сплавах различного

химического состава, марок ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ20Л, ВТ40Л. Расчетный

химический состав сплавов приведен в таблице 1.

7

Основные

компоненты, %

Примеси, %

Сплав

ВТ20Л

ВТ5Л

ВТ6Л

ВТ40Л

Al

V

Mo

Zr

Fe

C

[О]

N2

Si

W

[Н]

5,5-

6,2

4,2-

5,8

5,4-

6,3

5,5-

6,3

0,8-

0,5-

1,5-

2,5

2,0

2,5

0,30

0,12

0,15

0,30

0,18

0,15

0,30

0,12

0,16

0,05

0,05

0,05

0,05

0,15

0,20

0,12

0,1-

0,2

-

0,015

0,20

0,015

-

0,015

-

0,01

-

3,5-

5,3

0,5-

1,2

-

0,80

-

-

0,5-

0,5-

0,2-

0,12-

0,14-

1,0

1,0

0,5

0,18

0,2

Выплавку слитков литейных титановых сплавов ВТ20Л, ВТ5Л, ВТ6Л,

ВТ40Л

проводили

методом

вакуумно-дуговой

плавки

с

расходуемым

электродом на печах ВД5М и ВД7.

При проведении экспериментов в лабораторных условиях все плавки

проводились на гарнисажной печи ВДЛ-5.

Горячее изостатическое прессование литых заготовок и отливок из

литейных титановых сплавов проводили на установке «QUINTUS 250».

Спектральный рентгено-флуоресцентный анализ химического состава

проводили на спектрометре S4 EXPLORER в соответствии с ГОСТ 23902.

Исследование микроструктуры проводили методом светлого поля на

металлографическом микроскопе Versamet в соответствии с ПИ 1054

при

увеличениях ×75 – ×1200 крат.

Рентгеноконтроль отливок проводили на рентгеновских аппаратах

РУМ-7, РАП 90И-5 в соответствии с ПИ 1.2.226.

Определение прочности при изгибе керамических

образцов при

комнатной

температуре

проводили

на

разрывной

машине

МР-005

в

соответствии с ГОСТ 473.8.

Испытания

на

кратковременную

прочность

при

комнатной

температуре проводили на испытательной машине ИР 5113 в соответствии с

ГОСТ 1497.

Испытания на ударную вязкость с концентратором вида «U» (KCU)

проводили на копре ПСВО-30 в соответствии с ГОСТ 9454.

8

Таблица 1

Химический состав композиций титановых литейных сплавов

После испытаний на ударную вязкость проведен фрактографический

анализ изломов на стереомикроскопе Leica MZ 12,5 и растровом

электронном микроскопе JSM-840 LV в соответствии с ММ 1.2А-096-2000.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

ПАРАМЕТРОВ ВЫПЛАВКИ СЛИТКОВ НА СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫЙ

СОСТАВ И СТЕПЕНЬ ЛИКВАЦИИ

В третьей главе выбраны композиции литейных титановых сплавов с

уменьшенным

диапазоном

легирования

алюминием,

обеспечивающие

стабильный состав и структуру. Выбор осуществлялся на основании

ОСТ 1 90013 и анализа статистических данных по химическому составу и

свойствам отливок из сплавов ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ20Л, ВТ40Л (таблица 2).

Таблица 2

Химический состав композиций титановых литейных сплавов

Содержание элементов, %

Сплав

Al

Mo

Zr

V

Fe

1

2

3

4

5

6

7

Cmin-Cmax

4,5-5,6

Размах ΔС

1,1

Cmin-Cmax

4,5-6,2

Размах ΔС

1,7

Cmin-Cmax

5,7-6,3

Размах ΔС

0,6

Cmin-Cmax

5,3-6,8

Размах ΔС

1,5

Cmin-Cmax

5,5-6,2

Размах ΔС

0,7

Cmin-Cmax

5,5-6,8

Размах ΔС

1,1

Cmin-Cmax

5,5-6,2

Размах ΔС

0,7

Cmin-Cmax

5,5-6,5

Размах ΔС

1,0

Скорректированный

ВТ5Л

ОСТ1 90013

Скорректированный

ВТ6Л

ОСТ1 90013

Скорректированный

ВТ20Л

ОСТ1 90013

Скорректированный

ВТ40Л

ОСТ1 90013

-

-

-

≤0,3

-

-

-

≤0,3

-

-

3,5-5,3

≤0,3

-

-

3,5-5,3

≤0,3

0,5-2,0

1,5-2,5

0,8-2,5

≤0,3

0,5-2,0

1,5-2,5

0,8-2,5

≤0,3

0,6-1,0

0,5-0,8

0,5-1,0

0,3-0,5

0,6-1,0

0,5-0,8

0,5-1,0

0,3-0,5

Для оценки эффективности выбранных целевых диапазонов легирования

(ΔС) по сравнению с диапазонами, предусмотренными отраслевым стандартом

для сплавов ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ20Л, ВТ40Л, проведены приближенные оценочные

расчеты

соответствующих

разбросов

значений

предела

прочности

скорректированных составов. Для расчета прочности сплава была использована

методика, предложенная профессором Б.А. Калачевым, в основу которой

9

положен алюминиевый прочностной эквивалент. Установлено, что выбранные

диапазоны

легирования

содержания

алюминия

обеспечат

значительное

повышение стабильности предела прочности материала отливок и других

свойств, находящихся в корреляционной зависимости с пределом прочности.

Была проведена отработка режимов плавки титановых литейных сплавов

в вакуумно-дуговых печах ВД5М и ВД7. Режим плавки слитков выбирался из

расчета объема ванны жидкого металла, чтобы в расплавленном состоянии

постоянно находились пять порций шихты. Такой процесс плавки обеспечивает

получение однородного химического состава по всему слитку.

Изучение структуры слитков литейных титановых сплавов выявило, что

характерной особенностью внутризеренной структуры однофазного α-сплава

ВТ5Л, двухфазного (α+β) – сплава ВТ6Л и псевдо-α-сплавов ВТ20Л, ВТ40Л

является ее пластинчатое строение, обусловленное прохождением процессов

фазовой перекристаллизации. В связи с медленным теплоотводом, связанным с

увеличенным размером слитков, литая структура сплавов представлена

достаточно

крупными

зернами.

Наиболее

крупнозернистая

структура

характерна для однофазного α-сплава ВТ5Л. Значительно меньший размер

зерна имеют слитки среднелегированного двухфазного (α+β)-сплава ВТ6Л и

особенно высоколегированные псевдо-α-сплавов ВТ20Л и ВТ40Л. Уменьшение

размера зерна в слитках при повышении степени легирования связано с

большим концентрационным переохлаждением на фронте кристаллизации.

Для

разработки

технологии

фасонного

литья

высокоточных

тонкостенных отливок необходимо было получить полную информацию по

слиткам, чтобы в дальнейшем контролировать технологические параметры

литья. С этой целью были проведены исследования степени ликвации по

объему слитков из сплавов ВТ20Л, ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ40Л. Установлено, что для

слитков ø 125-200 мм сплавов ВТ20Л, ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ40Л в верхней, нижней и

средней

частях

слитка

ликвационная

неоднородность

по

основным

легирующим элементам не наблюдается из-за малого объема жидкой ванны и

высокой скорости кристаллизации.

10

Паспорт

Скорректированный состав

560 567

Паспорт

Скорректированный состав

ВТ5Л

ВТ56Л

ВТ20Л

ВТ40Л

в

Рисунок 1 – Литейные свойства литейных титановых сплавов

а – жидкотекучесть; б – линейная усадка; в – объемная усадка

Установлено, что наилучшими литейными свойствами обладает сплав

ВТ5Л, который имеет узкий интервал кристаллизации. Различие между

концентрациями жидкой и твердой фаз весьма мало, поэтому в процессе роста

кристаллов жидкий металл более равномерно заполняет отливку.

Анализ полученных результатов показал, что все титановые сплавы

имеют близкие значения линейной и объемной усадки. Следовательно, при

переходе с одного сплава на другой может использоваться одна и та же

литейная оснастка, что позволит снизить трудоемкость технологического

процесса.

11

2,73

Получение качественных отливок сложной формы прежде всего зависит

от технологичности сплава. В связи с этим были определены жидкотекучесть,

линейная и объемная усадка литейных титановых сплавов ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ40Л,

ВТ20Л (рис. 1).

2,75

2,8

2,3

2,1

2,9

600

400

200

0

1,05

1,03

0,98

3,5

3

2,5

2

1,5

1

0,5

0

а

б

Паспорт

Скорректированный состав

530 540

532

522 530

1,05

1

0,95

0,9

0,85

0,8

430

ВТ5Л

ВТ6Л

ВТ20Л

ВТ40Л

0,95

0,94

0,91

ВТ5Л

ВТ6Л

ВТ20Л

ВТ40Л

0,95

0,95

3,05

2,93

ГЛАВА 4. ИЗГОТОВЛЕНИЕ КЕРАМИЧЕСКИХ ФОРМ ДЛЯ

ФАСОННЫХ ТОНКОСТЕННЫХ ОТЛИВОК И ИССЛЕДОВАНИЕ ИХ

СВОЙСТВ

В

четвертой

главе

представлены

результаты

подбора

состава

керамических форм и исследованы их механические и специальные свойства.

Качество фасонных отливок из титановых сплавов зависит от наличия

инертной керамической формы. С целью повышения инертности применяют

комбинированные (многослойные) керамические формы, внутренний слой

которых обладает специальными свойствами, снижающими загрязнение

металла отливки продуктами взаимодействия. При изготовлении форм в

качестве связующего использовали водный раствор коллоидного диоксида

кремния, в качестве наполнителя керамической суспензии – термодинамически

устойчивые Al2O3, ZrO2 и их смеси.

В

процессе

уточнения

соотношения

твердой

и

жидкой

фазы

керамической суспензии установлено, что оптимальная вязкость суспензии для

формирования на модельном блоке качественного лицевого (первого) покрытия

должна составлять 70-90 сек. В этом случае соотношение жидкой и твердой

фазы керамической суспензии составляет 1:3-1:3,7.

Керамические формы и образцы получали методом послойного нанесения

керамической суспензии на восковые блоки с последующей обсыпкой

крупнозернистым порошком электрокорунда, сушкой на воздухе, вытопкой

модельной массы и прокалкой.

Так, прочность форм на основе графита, используемых в серийном

производстве,

составляет

3,1-3,5

МПа,

а

прочность

изготовленных

керамических форм – от 23 до 28 МПа. Это дает основание считать, что такие

формы можно использовать при заливке центробежным методом без опорного

наполнителя

и

тем

самым

снизить

трудоемкость

процесса

отливки

тонкостенных деталей. Установленные значения прочности керамических форм

обеспечивают прочность формы при центробежной заливке с максимальным

гравитационным коэффициентом (коэффициента утяжеления) - 12. Расчет

12

гравитационного

коэффициента,

действующего

на

жидкий

металл

в

определенной точке в период вращения, осуществлялся по формуле:

2

К 11,2

  r

,

где

К – коэффициент утяжеления;

П – число оборотов стола центробежной машины (об/мин);

r – радиус удаления формы от центра (м).

Заполняемость, как и жидкотекучесть характеризует литейные сплавы,

определяет возможность сплава воспроизводить точный отпечаток и полностью

заполнить форму при заливке ее жидким металлом. Особенно сильно влияние

заполняемости проявляется при получении отливок с тонкими стенками, где

возникает действие капиллярных сил.

При стационарной заливке титановых сплавов ярче проявляется влияние

материала формы на заполняемость пробы. Это можно объяснить тем, что

заполнение формы происходит только за счет гидростатического давления

жидкого металла, находящегося в металлоприемнике. При этом сильное

влияние на металл будет оказывать форма, особенно такие факторы, как ее

взаимодействие с расплавленным металлом, теплопроводность, величина

поверхностного натяжения и другие.

Анализ полученных значений заполняемости формы показал, что

лучшими технологическими свойствами обладает α-сплав ВТ5Л, который

имеет наиболее узкий интервал кристаллизации и содержит единственный

легирующий компонент – алюминий, который снижает вязкость жидкого

титана и повышает теплоту кристаллизации, что делает жидкий металл более

подвижным и способствует лучшему заполнению формы. Сплавы ВТ6Л,

ВТ20Л и ВТ40Л также содержат алюминий, но имеющиеся в них такие

легирующие добавки, как молибден, ванадий и цирконий расширяют интервал

кристаллизации и увеличивают вязкость жидкого металла. Для улучшения

заполняемости форм сплавами ВТ6Л, ВТ20Л и ВТ40Л необходимо задержать

начало кристаллизации, что может быть достигнуто повышением температуры

13

П

100 

литья.

По

результатам

изучения

микроструктуры

полученных

отливок

установлено, что при использовании разработанных керамических форм

глубина газонасыщенного слоя отливок составляет не более 30 мкм.

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

ФАСОННЫХ ОТЛИВОК И ИССЛЕДОВАНИЕ ИХ ФИЗИКО-

МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

В

данной

главе

проведено

исследование

влияния

горячего

изостатического прессования на структуру, фазовый состав и механические

свойства

литейных

титановых

сплавов

и

представлена

разработанная

технология

фасонного

литья

высокоточных

тонкостенных

отливок

из

титановых сплавов ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ20Л, ВТ40Л.

Для определения основных особенностей образования пор, характера их

распределения в отливках и предварительной оценки влияния горячего

изостатического

прессования

(ГИП)

на

пористость

и

микроструктуру

проводили исследования отливок в литом состоянии и после газостатирования

(рис. 2).

Установлено, что в литом состоянии пористость составляет 0,02 %.

Средний размер пор составляет 0,5 мм, однако максимальный диаметр

отдельных пор достигает 0,8 мм.

а)

б)

Рисунок 2 – Образец: а – до ГИП; б – после ГИП.

14

Для устранения внутренних дефектов в деталях сложной формы из

титановых сплавов были разработаны режимы ГИП с учетом температуры

полиморфного превращения для исследуемых сплавов:

для сплава ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ20Л: температура в камере прессования

970 °С, давление 1300-1600 атм., выдержка при заданной температуре и

давлении в течение 3 часов;

для сплава ВТ40Л - температура в камере прессования 960 °С, давление

1300-1600 атм., выдержка при заданной температуре и давлении в течение 3 часов.

Литые заготовки, подвергали рентгеновскому контролю с целью

проверки наличия внутренних дефектов после проведения ГИП. Установлено,

что дефектов, выявленных ранее на отливках, не обнаружено.

ВТ5Л

ВТ6Л

ВТ20Л

ВТ40Л

Рисунок 3 – Микроструктура титановых отливок.

Исследование микроструктуры отливок после ГИП показало, что

повышение содержания алюминия в литейном титановом сплаве ВТ5Л с 5,6 до

6,2 масс. % приводит к увеличению размера первичного β-зерна до 250-300

мкм, что сопровождается незначительным падением пластичности. Структура

сплава ВТ5Л глобулярная, с равноосным расположением зерен α фазы. Стоит

15

отметить, что толщина α-пластин в различных зернах одного и того же образца

и даже в различных блоках в пределах одного зерна неодинакова. Однако

истинная толщина α-пластин в различных блоках и зернах имеет близкие

значения, а наблюдаемое различие вызывается тем, что в плоскости шлифа

пластины отдельных блоков рассекаются по различным направлениям. Горячее

изостатическое прессование отливок из сплавов ВТ6Л, ВТ20Л, ВТ40Л

приводит к изменению морфологии α-фазы в результате прохождения

процессов рекристаллизации с образованием глобулей размером не более 100

мкм. Видно, что повышение степени легирования титановых сплавов приводит

к получению более тонкой пластинчатой структуры. Изменение скорости

фазовой перекристаллизации оказывает влияние как на толщину α-пластин, так

и на характер блочного строения (рис. 3). Анализ макроструктуры отливок

показал, что в соответствии с 10-бальной шкалой макроструктур, структура

сплава ВТ40Л соответствует к 5 баллу, а структура сплавов ВТ5Л, ВТ6Л,

ВТ20Л - 6 баллу.

По результатам проведенных исследований физико-механических и

специальных свойств титановых сплавов ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ20Л, ВТ40Л

скорректированных составов установлено, что сужение диапазона легирования

по алюминию, а также проведение ГИП с целью удаления внутренних дефектов

позволили обеспечить уровень прочностных характеристик, аналогичный

уровню серийных литейных титановых сплавов ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ20Л, ВТ40Л с

разбросом в пределах ± 40 МПа при одновременном улучшении литейных

свойств: жидкотекучести (увеличение на 7 - 45 мм), линейной усадки

(уменьшение на 4-7,7 % в зависимости от марки сплава) и объемной усадки

(уменьшение на 1,75-8% в зависимости от марки сплава), что позволит

получить тонкостенные фасонные отливки с толщиной стенки до 2 мм.

Проведены фрактографические исследования образцов из сплавов ВТ5Л,

ВТ6Л, ВТ20Л и ВТ40Л (рис. 4).

16

Рисунок 4 - Микростроение излома образцов из сплавов ВТ5Л, ВТ20Л,

ВТ6Л, ВТ40Л

Строение изломов образцов сплава ВТ20Л похоже на строение изломов

образцов сплава ВТ5Л. Однако ширина зоны страгивания на образцах из сплава

ВТ20Л немного меньше, чем на образцах из сплава ВТ5Л и достигает 30 мкм.

Площадь изломов, занятая структурноориентированными гладкими участками

разрушения по колониям пластин α – фазы, как и размеры этих участков, на

образцах сплава ВТ20Л меньше, чем на образцах сплава ВТ5Л.

Изломы образцов сплавов ВТ6Л и ВТ40Л не имеют столь развитую

поверхность разрушения, как изломы образцов сплавов ВТ5Л и ВТ20Л. Рельеф

поверхности

изломов

образцов

представлен

участками

межзеренного

разрушения и хрупкими фасетками квазисколов.

Полученные результаты фрактографических исследований образцов из

сплавов

ВТ5Л,

ВТ6Л,

ВТ20Л

и

ВТ40Л

подтверждаются

высокими

характеристиками ударной вязкости.

На основании результатов проведённых исследований и разработанных

технологий: технологии выплавки слитков для фасонного литья сплавов

17

ВТ5Л

ВТ6Л

ВТ20Л

ВТ40Л

ВТ20Л, ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ40Л, которые устанавливают режимы и порядок

выполнения

технологических

операций

и

обеспечивают

получение

однородного

материала,

разработана

технология

фасонного

литья

высокоточных тонкостенных отливок из титановых сплавов ВТ20Л, ВТ6Л,

ВТ5Л, ВТ40Л.

На рисунке 6 представлено поперечное сечение отливки, полученной по

разработанной технологии.

1,5 мм

Рисунок 6 – Поперечное сечение отливки.

Давление

центробежных

сил

определялось

гравитационным

коэффициентом, который в наших условиях составлял не менее 12: такое

центробежное

давление

обеспечило

получение

плотных

отливок

с

минимальной пористостью (размер пор до 0,8 мм).

Установлено,

что

разработанная

технология

фасонного

литья

обеспечивает получение отливок с толщиной стенки 1,5 мм с уровнем

прочностных характеристик,

аналогичным

уровню серийных

литейных

титановых сплавов ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ20Л, ВТ40Л.

По

результатам

металлографического

анализа

установлено,

что

использование керамических форм на основе ZrO2 позволяет уменьшить

величину газонасыщенного слоя на 25% по сравнению с применением

керамических форм на основе Al2O3, что уменьшает затраты на механическую

обработку и травление.

18

По результатам работы были разработаны и выпущены: технологическая

инструкция

на

фасонное

литье

высокоточных

тонкостенных

отливок

ТИ 1.595-8-437-2012; технологические инструкции на выплавку слитков для

фасонного литья сплавов ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ20Л, ВТ40Л ТИ 1.595-8-082-2009,

ТИ 1.595-8-083-2009,ТИ 1.595-8-084-2009,ТИ 1.595-8-085-2009; методический

материал ММ 1.595-8-406-2010 «Определение химического состава и степени

ликвации в слитках сплавов ВТ20Л, ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ40Л»; технические

условия на слитки для фасонного литья сплавов ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ20Л, ВТ40Л

ТУ 1-595-8-1192-2011, ТУ 1-595-8-1193-2011; дополнения к паспортам:

дополнение № 2 к паспорту №174 на сплав ВТ5Л, дополнение № 8 к паспорту

№575 на сплав ВТ6Л, дополнение № 2 к паспорту №1760 на сплав ВТ40Л,

дополнение № 8 к паспорту № 768 на сплав ВТ20Л.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1.

Установлена закономерность влияния содержания алюминия на

структурно-фазовый состав и уровень механических свойств отливок из

литейных титановых сплавов. Повышение содержания алюминия с 5,6 до 6,2

масс. % в литейном титановом сплаве ВТ5Л, приводит к увеличению размера

первичного β-зерна до 250-300 мкм и сопровождается падением характеристик

пластичности с 8 до 5 %.

2.

Выбраны композиции титановых литейных сплавов ВТ20Л, ВТ5Л,

ВТ6Л, ВТ40Л с ограниченным диапазоном легирования алюминием (сплав

ВТ5Л 4,5-5,6%, сплав ВТ6Л 5,7-6,3%, сплав ВТ40Л 5,5-6,2%, сплав ВТ20Л 5,5-

6,2%),

обеспечивающие значительное повышение стабильности предела

прочности материала отливок и выпущены дополнения к паспортам.

3.

Разработаны

технологические

схемы

выплавки

слитков

для

фасонного литья сплавов ВТ20Л, ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ40Л, обеспечивающие

отсутствие

ликвационной

неоднородности

по

основным

легирующим

элементам.

19

4.

Установлено, что малый объем жидкой ванны и высокая скорость

кристаллизации, обеспечивают отсутствие ликвационной неоднородности по

сечению слитков  125-200 мм из сплавов ВТ20Л, ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ40Л.

5.

На

основании

теоретических

расчетов,

подтверждённых

экспериментальными данными, установлено, что для получения плотных

тонкостенных отливок (толщина стенки до 2-х мм) отливок из литейных

титановых сплавов ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ20Л, ВТ40Л с минимальным размером пор

0,8 мм, центробежное литье необходимо осуществлять при значении

гравитационного коэффициента равном 12.

6.

Разработаны

режимы горячего изостатического прессования

(ГИП), обеспечивающие устранение внутренних дефектов в деталях сложной

формы из титановых сплавов ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ20Л (температура в камере

прессования

970 °С, давление 1300-1600 атм., выдержка при заданной температуре давлении

в течение 3 часов) и ВТ40Л (температура в камере прессования 960 °С,

давление 1300-1600 атм., выдержка при заданной температуре и давлении в

течение 3 часов).

7.

Установлено,

что

проведение

горячего

изостатического

прессования отливок из литейных титановых сплавов ВТ6Л, ВТ20Л и ВТ40Л

приводит к изменению морфологии α-фазы в результате прохождения

процессов рекристаллизации с образованием глобулей размером не более 100

мкм.

8.

Разработаны режимы получения фасонных тонкостенных отливок

из титановых сплавов ВТ20Л, ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ40Л методом центробежного

литья, обеспечивающие получение отливок заданного химического состава с

толщиной стенки 1,5 мм и уровнем прочностных характеристик, аналогичным

уровню серийных литейных титановых сплавов, с разбросом в пределах

± 40 МПа.

9.

В опытно-промышленное производство ФГУП «ВИАМ» внедрены

технологии выплавки слитков и фасонного литья отливок (ТИ 1.595-8-082-

20

2009; ТИ 1.595-8-083-2009; ТИ 1.595-8-084-2009; ТИ 1.595-8-085-2009; ТУ 1-

595-8-1192-2011; ТУ 1-595-8-1193-2011; ТИ 1.595-8-437-2012).

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1.

Кочетков А.С., Ночовная Н.А., Боков К.A. Особенности процесса

плавки экономнолегированного литейного титанового сплава ВТ40Л //

Металлург. 2015. №10.

2.

Ночовная Н.А.,

Алексеев Е.Б.,

Ясинский К.К.,

Кочетков А.С.

Специфика плавки и способы получения слитков интерметаллидных титановых

сплавов с повышенным содержанием ниобия // Вестник МГТУ им.

Н.Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». 2011. №S2. C. 53–59.

3.

Ночовная Н.А., Иванов В.И., Алексеев Е.Б., Кочетков А.С. Пути

оптимизации эксплуатационных свойств сплавов на основе интерметаллидов

титана // Авиационные материалы и технологии: юбилейный научно-

технический сборник. – М.: ВИАМ, 2012. С. 196–206.

4.

Кочетков А.С., Ночовная Н.А., Боков К.A. Особенности процесса

получения отливок из экономнолегированного литейного титанового сплава

ВТ40Л // Труды ВИАМ.

Другие публикации

1.

Ночовная Н.А., Боков К.А., Кочетков А.С., Якимова С.А. Проблемы

формирования мелкозернистой структуры в отливках из сплавов системы Ti-Al

(гамма-сплавов) // Сборник докладов 12-ой международной конференции «Ti-

2011», стр. 1387-1389.

2.

Ночовная

Н.А.,

Панин

П.В.,

Кочетков

А.С.

Возможность

использования горячего изостатического прессования для модификации

структуры нового интерметаллидного титанового гамма-сплава // Сб. трудов

Международной

конференции

«Ti–2015

в

СНГ».

Межгосударственная

ассоциация «Титан». 2015.

3.

Ночовная

Н.А.,

Панин

П.В.,

Кочетков

А.С.,

Боков

К.А.

Современные жаропрочные сплавы на основе гамма-алюминида титана:

перспективы разработки и применения // Металловедение и ТОМ. 2014. №7.

С. 23-27.

21

Отпечатан 1 экз.

Исп. Кочетков А.С.

Печ. Кочетков А.С.

Автореферат Кочеткова А.С.

«Структура и свойства литейных титановых сплавов различных систем

легирования в тонкостенных фасонных отливках»

Подписано в печать. 2015. Заказ

Формат бумаги 60х90/16. Печ. Л1, 75. Тираж 100 экз.

Отпечатано в типографии ФГУП «ВИАМ»

105005, г. Москва, ул. Радио, 17

22



Похожие работы:

«КУДИНОВ Александр Станиславович КОМПЛЕКТАЦИЯ ОТРАБОТАВШЕГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА РЕАКТОРОВ АМБ И ВВЭР-440 ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ИХ СОВМЕСТНОЙ РАДИОХИМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ НА ПО МАЯК Специальность: 05.17.02 – технология редких, рассеянных и радиоактивных элементов АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Санкт-Петербург 2015 2 Работа выполнена в лаборатории технологий обращения с отработавшим ядерным топливом отделения прикладной радиохимии АО...»

«Русинов Михаил Анастасович МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИСКРЕТНО-НЕПРЕРЫВНЫХ СИСТЕМ С ВЫСОКОЙ ГЕТЕРОГЕННОСТЬЮ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К СИСТЕМЕ ГЕМОПОЭЗА ЧЕЛОВЕКА Специальность 05.13.18 — Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Москва 2015 Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования Московский государственный...»

«ТАЛАНОВ Михаил Викторович РАЗРАБОТКА ЦИФРОВОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ С УЛУЧШЕННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ НА ОСНОВЕ ФИЛЬТРА КАЛМАНА Специальность 05.13.05 – Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Саранск 2015 Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Мордовский государственный...»





 
© 2015 www.z-pdf.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.