Научные труды (Вестник МАТИ), 2012, №19 (91)


Министерство образования и науки РФ


Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«МАТИ - Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского» (МАТИ)





80-летиюМАТИ посвящается






НАУЧНЫЕ ТРУДЫ

/ВестникМАТИ/






Издание основано в 1940 году


Выпуск 19 (91)










Москва 2012

УДК 621; 669; 681.5; 66; 621.37/39; 681.2; 005; 504; 51; 53; 531/534; 54; 378

Научные труды (Вестник МАТИ). Вып. 19 (91). - М.: МАТИ, 2012. - 376 с. ил.

ISSN 2305-7866

      В данном выпуске рецензируемого научно-технического сборника «Научные труды (Вестник МАТИ)» представлены результаты фундаментальных и прикладных исследований, выполненных учеными и специалистами МАТИ и других организаций (в том числе в соавторстве) в широком спектре научных направлений, включая научноисследовательские работы по грантам и научно-техническим программам.
      Материалы, опубликованные в сборнике, включаются в базу данных Российского индекса научного цитирования (РИНЦ).
      Сборник рассчитан на работников научных и производственных предприятий, преподавателей вузов и аспирантов. Может использоваться при переподготовке кадров промышленных предприятий.


Главный редактор: и.о. ректора, проф. А.В. Рождественский

Заместитель главного редактора: проф. М.Е. Ставровский

Редакционная коллегия:

проф. Агамиров Л.В., засл. проф. МАТИ Бибиков Е.Л., чл.-корр. РАН, проф. Васильев В.В., проф. Галкин В.И., проф. Гегель Л.А., проф. Голов Р.С., проф. Дмитренко В.П., акад. РАН, проф. Ильин А.А., проф. Попов В.Г., проф. Суминов И.В., проф. Сухов С.В., проф. Уваров В.Н., нач. ОНГИ Чивикина Г.И., проф. Юрин В.Н.

Ответственный секретарь редколлегии:

Свиридов Б.Ф.

Научные редакторы:

проф. Беклемишев Н.Н., проф. Бойцов А.Г., проф. Болотин И.С., проф. Бухаров С.В., проф. Васильев В.А., проф. Путятина Л.М., проф. Черняев А.В., проф. Чумадин А.С., проф. Шилов В.В.

Тел. (495) 915-37-76, факс (495) 915-09-35, э/почта onti@tech-atlas.net Адрес: 121552 Москва, Оршанская ул., 3, МАТИ

Подписной индекс в каталоге агентства «Роспечать» - 25221

ISSN 2305-7866

© ФГБОУ ВПО «МАТИ - Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского», 2012

ПРЕДИСЛОВИЕ


          Настоящий выпуск сборника «Научные труды (Вестник МАТИ)» открывает новый этап нашего издания, основанного в 1940 году. Для того, чтобы это стало возможным, в 2012 году редакцией сборника при активной поддержке ректората:
          •  скорректировано название для более полной идентификации сборника как издания МАТИ,
          •  в Международном центре ISSN в Париже получен международный номер нашего издания ISSN 2305-7866,
          •  заключен договор с Научной электронной библиотекой (НЭБ) о включении «Научных трудов (Вестника МАТИ)» в базу данных Российского индекса научного цитирования (РИНЦ) и размещении аннотаций статей на сайте НЭБ,
          •  достигнута договоренность с Центром информации и связей с общественностью (МАТИ) о размещении на сайте МАТИ аннотаций статей сборника сразу по выходу его из печати, а через год - полных текстов этих статей (http://www2.mati.ru/science/swm.html),
          •  заключен договор с Агентством «Роспечать» о подписке на сборник со 2го полугодия 2013 года (индекс в каталоге агентства «Роспечать» -25221).
          Редакция надеется, что вышеизложенное будет способствовать росту авторитета нашего издания, расширению круга его авторов и читателей, а, следовательно, - укреплению авторитета нашего университета.
          В данном выпуске сборника «Научные труды (Вестник МАТИ)» традиционно представлены результаты фундаментальных и прикладных исследований, выполненных учеными МАТИ, также научно-исследовательских и производственных организаций (в том числе в соавторстве) в широком спектре научных направлений, включая научно-исследовательские работы по грантам и ряду научно- технических программ.
          Сборник «Научные труды (Вестник МАТИ)» № 19 (91) содержит 12 тематических разделов, соответствующих многопрофильному характеру нашего университета.

Научные труды МАТИ им. К.Э. Циолковского, 2012 г. Вып. 19 (91)

3

                МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ





        УДК 669.017.3

ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ ПРИ ТЕРМОВОДОРОДНОЙ ОБРАБОТКЕ В ТИТАНОВЫХ СПЛАВАХ С ПОВЫШЕННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ АЛЮМИНИЯ¹

к.т.н. О.Н. Гвоздева, В.А. Пожога, А.А. Петров



           В работе исследовано влияние термоводородной обработки на формирование фазового состава и структуры титанового сплава с повышенным содержанием алюминия. Показано, что при определённых температурно-концентрационных условиях возможно создание (а₂ + Р) - структуры несвойственной сплаву в равновесных условиях.

           The influence of thermohydrogenous treatment on the formation of phase composition and structure in titanium alloys with heightened content of aluminum was investigated in this work. It was shown that the formation of (a₂ + p)-structure unusual for the alloy in equilibrium conditions was possible in particular temperature-concentration conditions.


         Ключевые слова: титановые сплавы, наводораживающий отжиг, вакуумный отжиг, структура, фазовый состав.
         Keywords: titanium alloys, hydrogen saturating annealing, vacuum annealing, structure, phase composition.

         Введение

         Развивающаяся современная авиационная промышленность требует от материалов повышения ресурса работы, уровня рабочих температур и комплекса механических и эксплуатационных свойств. Поэтому перспективным является использование титановых сплавов с повышенным содержанием алюминия, которые могут обеспечить надёжную длительную работу при температурах до 650 °C. Однако, концентрация алюминия в сплаве превышает предельную растворимость в а-фазе и в процессе длительной эксплуатации при повышенных температурах будет происходить выделение дисперсной когерентной аг-фазы на основе интерметаллида Т!зА1. Формирование такой структуры приводит к охрупчиванию материала и может стать причиной разрушения деталей в процессе эксплуатации. Как показали проведённые ранее исследования, решить проблему термической стабильности структуры сплавов с интерметаллидным упрочнением позволяет термоводородная обработка (ТВО), основанная на явлении обратимого легирования водородом. [1, 2].

         Результаты экспериментов и их обсуждение

         Для исследований был разработан опытный сплав Ti-8AI-2Mo-2Zr-0,2Si, который по составу близок к сплаву ВТ9, но с повышенным содержанием алюминия.
         На первом этапе работы для опытного сплава методом пробных закалок была определена температура начала полиморфного 0->а- превращения (Асз), которая составила 1040 °C. Установлено, что при введение в сплав 0,2 % водорода

           1                                                     с
             Основные экспериментальные результаты получены на оборудовании ресурсного центра коллективного пользования «Авиационно-космические материалы и технологии» МАТИ.

                 Научные труды (Вестник МАТИ), 2012 г. Вып. 19 (91)
4

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

    температура 0/(а+0)-перехода понижается на 100 °C, и составляет 940 °C, а при концентрации водорода 1,0 % температура Асзн составляет 870 °C.









Рис. 1. Зависимости параметров решеток фаз от концентрации водорода после наводороживания при температуре:
а) 900 °C, б) 850 °C, в) 700 °C









        Проведённые исследования показали, что после наводороживающего отжига при температуре 900 °C до концентрации водорода 0,2 % в структуре наряду с а"-мартенситом и 0-фазой сохраняется первичная a-фаза. (рис. 1а). Увеличение концентрации водорода до 0,4 % приводит к полному исчезновению а- фазы и уменьшению количества а"-мартенсита вследствие стабилизации 0-фазы. При содержании водорода выше 0,6 % структура сплава представлена практически одной пере
Научные труды (Вестник МАТИ), 2012 г. Вып. 19 (91)

5

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

   сыщенной водородом и легирующими элементами метастабильной 0-фазой.
         Наводороживание при 850 °C в интервале концентраций 0,2 - 0,6 % приводит к формированию четырёхфазной (а(аг)+а"+0)-структуры. По мере увеличения содержания водорода количество мартенсита и a-фазы в структуре уменьшается, при этом наблюдается уменьшение периода «а» кристаллической решётки a-фазы, что свидетельствует о её обогащении алюминием (рис. 16). Одновременно на дифрак-тограммах появляются сверхструктурных рефлексов аг-фазы.
         При снижении температуры наводороживающего отжига до 700 °C и 650 °C и по мере увеличения концентрации водорода происходит следующая смена структур (а+0)   (а(аг)+Р)  (а(аг)+0+(а+8)), где 8- это фаза на основе гидрида титана
   TiH₂ (рис. 1в).
         Являясь 0-стабилизатором, водород с повышением температуры наводороживающего отжига и количества вводимого водорода увеличивает в структуре количество p-фазы, что в свою очередь приводит к уменьшению количество р- стабилизатора в p-фазе (табл. 1). С уменьшением содержания водорода в сплаве до 0,2% уменьшается и количество p-фазы, поэтому содержание легирующих элементов возрастает (табл. 1). Проведённые исследования также показали, что чем выше температура наводороживающего отжига, то есть чем меньше в структуре содержится a-фазы, тем выше в ней содержание алюминия (табл. 1). Таким образом установлено, что в процессе наводороживающего отжига происходит обогащение первичной a-фазы алюминием, что приводит к потере ею термодинамической устойчивости и протеканию а—>а₂- превращения.
Таблица 1

Влияние температуры наводороживающего отжига и концентрации вводимого водорода на содержание основных легирующих элементов в а- и 0- фазах в титановом сплаве Ti-8,3AI-2,1Mo-2,2Zr-0,2Si

 % н   Температура       а- фаза             0- фаза         
      обработки, °C  AI    Si   Zr   Mo   Al   Si   Zr  Mo  
0,008     950°       8,8  0,04 2,1  1,1  7,01 0,26 3,3  9,3 
          850°      12,20 0,09 1,76 1,52 6,48 0,25 2,4  2,96
 0,2      800°      11,7  0,06 1,97 1,66 6,54 0,27 2,54 3,68
          750°      10,6  0,06 1,86 1,48 6,72 0,26 2,58 4,12
          700°      9,87  0,05 1,96 1,24 6,84 0,25 2,70 4,66
          850°      13,75 0,06 1,8  1,15 5,97 0,24 2,2  2,8 
 0,6      800°      13,24 0,06 1,86 1,18 5,95 0,25 2,38 3,2 
          750°      12,5  0,05 1,99 1,17 6,23 0,25 2,46 3,9 
          700°      11,5  0,05 1,95 1,13 6,60 0,26 2,5  4,52

         На основании проведённых исследований для опытного сплава Ti-8AI-2Mo-2Zr-0,2Si была построена диаграмма, показывающая изменение фазового состава сплава в зависимости от температуры и концентрации водорода и определено, что с точки зрения создания в сплаве гетерофазной структуры, содержащей а₂-фазу, наиболее предпочтительным является наводороживающий отжиг в интервале температур 700 °C - 850 °C до концентрации водорода 0,6 % масс. (рис. 2).
         Заключительной операцией ТВО является вакуумный отжиг с целью удаления водорода до безопасной концентрации, но в процессе дегазации происходит преобразование структуры сплава вследствие развития 0->а- превращения.

Научные труды (Вестник МАТИ), 2012 г. Вып. 19 (91)

6

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Рис. 2. Диаграмма «фазовый состав - концентрация водорода - температура наводороживающего отжига» для опытного сплава Ti-8,3AI-2,1Mo-2,2Zr-0,2Si после охлаждения до нормальной температуры со скоростью выше первой критической

         Для каждого режима наводороживающего отжига было выбрано несколько температур вакуумного отжига. Причём максимальная температура вакуумного отжига была на 50 °C ниже температуры наводороживающего отжига. Например, если наводороживающий отжиг проводили при температуре 750°С, то вакуумный отжиг - при температурах 650 °C и 700 °C. Вакуумный отжиг должен обеспечивать удаление водорода до безопасной концентрации за относительно короткое время [3]. Поэтому исходя из представленных условий, были выбраны следующие температуры: 650 °C, 700°С, 750 °C и 800 °C. Выдержка при этих температурах составила 12, 9, 6 и 5 часов, соответственно. После всех режимов вакуумного отжига остаточная концентрация водорода в образцах не превышала 0,004 %.
         Проведённые исследования показали, что ТВО, включающая наводорожива-ние в интервале температур 700 °C - 800 °C и последующий вакуумный отжиг позволяет сохранить в структуре первичные частицы а’(аг) - фазы с упорядоченными микрообъёмами, о чём свидетельствует данные электронно-микроскопических исследований (рис. 3). На рис. За показано светлопольное изображение первичной частицы a-фазы и её темнопольное изображение в сверхструктурном рефлексе представлено на рисунке 36. Полученные данные свидетельствуют о том, что про
Научные труды (Вестник МАТИ), 2012 г. Вып. 19 (91)

7

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

   цессы упорядочения протекают в микрообъёмах «первичной» a-фазы с образованием частиц аг-фазы на основе интерметаллида Т!зА1 размером 100 - 300 нм.

Рис. 3. Результаты электронно-микроскопических исследований фолы на просвет, вырезанных из сплава Ti-8,3AI-2,1Mo-2,2Zr-0,2Si после ТВО, включающей наводороживающий отжиг при 700 °C до 0,6 %Н и вакуумный отжиг при 650 °C:
а) светлопольное изображение; б) темнопольное изображение в сверхструктурном рефлексе (231)а₂-фазы

Рис. 3. Участки дифракгограмм и структура образцов сплава Ti-8AI-2Mo-2Zr-0,2Si после ТВО по режимам: а) Н.О. при 700°С, Сн=0,6%Н и В.О. при 650°С; б) Н.О. при 800°С, Сн=0,6%Н и В.О. при 750°С; в) Н.О. при 850°С, Сн=0,6%Н и В.О. при 800°С

      В процессе дегазации происходит обеднение p-фазы водородом и развивается р->а-превращение. Причём превращение протекает в условиях ограниченной диффузии основных легирующих элементов. Поэтому выделяющаяся из обедненной алюминием p-фазы вторичная a-фаза содержит значительно меньше алюминия, чем первичная a-фаза о чем свидетельствует четкое раздвоение дифракционных максимумов a-фазы на дифрактограммах (рис. 4а, б). После вакуумного отжига структура сплава представлена первичными частицами a-фазы, вторичной адег-фазой, обеднённой алюминием и небольшим количеством р-фазы.
      Установлено, что в образцах, наводороженных при 850 °C с последующим вакуумным отжигом при 800 °C, формируется равновесная (ар+рр)-структуры (рис.

Научные труды (Вестник МАТИ), 2012 г. Вып. 19 (91)

8

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

4в). Это свидетельствует о том, что при данной температуре вакуумного отжига активизируются процессы диффузии основных легирующих элементов в процессе изотермической выдержки, необходимой для удаления водорода до безопасных концентраций. Понижение температуры вакуумного отжига до 750 °C, приводит к замедлению процесса диффузии основных легирующих элементов. В результате образующаяся a-фаза имеет неоднородный химический состав, о чём свидетельствует ассимметрия её дифракционных максимумов со стороны больших бреггов-ских углов.
      Таким образом, проведённые исследования показали, что для опытного титанового сплава Ti-8AI-2Mo-2Zr-0,2Si температура вакуумного отжига не должна превышать 750 °C, чтобы в процессе дегазации не происходило выравнивание химического состава а- фазы.

      Выводы

      1.      Установлено, что, изменяя температуру наводороживающего отжига и/или содержания водорода в сплаве Ti-8AI-1Mo-2Zr-0,2Si, можно в широком диапазоне изменять его фазовый состав и структуру после охлаждения со скоростью выше первой критической до нормальной температуры.
      2.      Для опытного титанового сплава Ti-8AI-2Mo-2Zr-0,2Si построена диаграмма «фазовый состав - концентрация водорода - температура наводороживающего отжига», показывающая изменение фазового состава сплава при нормальной температуре в зависимости от температуры наводороживающего отжига и содержания водорода после охлаждения до нормальной температуры со скоростью больше первой критической.
      3.      Показана возможность образования в сплаве Ti-8AI-2Mo-2Zr-0,2Si, дополнительно легированном водородом, упорядоченной аг-фазы на основе интерме-таллида Т!зА1. Определена температурно-концентрационная область её существования.
      4.      Установлен механизм образования аг-фазы при наводороживающем отжиге в (а+р)-области. Показано, что развитие а—>|3- превращения под действием водорода сопровождается перераспределением легирующих элементов между 0- и а-фазами, и обогащения последней алюминием до состава, близкого к стехиометрическому Т!зА1, что создаёт термодинамические условия для протекания в частицах первичной a-фазы процессов упорядочения и образования аг-фазы.
      5.      Показано, что ТВО, включающая наводороживающий отжиг при температурах не выше 800 °C до концентрации 0,6 % водорода и последующий вакуумный отжиг при температурах ниже 750 °C, позволяет создать гетерофазную структуру, несвойственную сплаву Ti-8AI-2Mo-2Zr-0,2Si в равновесном состоянии и содержащую помимо p-фазы некогерентные частицы аг-фазы и дисперсную вторичную адег-фазу, обедненную алюминием.

      Литература

1. Титановые сплавы в конструкциях и производстве авиадвигателей и авиационнокосмической техники. / Б.А. Колачев, Ю.С. Елисеев, А.Г. Братухин, В.Д. Талалаев. Под ред. А.Г. Братухина. - М.: Изд-во МАИ, 2001. - 412 с.
2. Ильин А.А., Скворцова С.В., Мамонов А.М., Коллеров М.Ю. Влияние водорода на фазовые и структурные превращения в титановых сплавах разных классов. // Физика и химия металлических материалов, 2006, т. 42, № 3. - С. 33-39.
3. Водородная технология титановых сплавов / А.А. Ильин, Б.А. Колачев, В.К. Не


научные труды (Вестник МАТИ), 2012 г. Вып. 19 (91)

9

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

сов, А.М. Мамонов. Под общ. ред. чл.-корр. РАН А.А. Ильина. - М.: МИСиС, 2002. - 392 с.

      Сведения об авторах

      Гвоздева Ольга Николаевна - к.т.н., старший преподаватель МАТИ
      Gvozdeva Olga Nikolaevna - candidate of sciences, senior lecturer, MATI, e-mail: gon7133@mail.ru
      Пожога Василий Александрович - аспирант МАТИ,
      Pozhoga Vasily Aleksandrovich - postgraduate student, MATI
e-mail: zeramful@gmail.com
      Петров Артем Алексеевич - студент МАТИ,
      Petrov Artem Alekseevitch - student, MATI,
e-mail: artcommandor@gmail.com




        УДК 669.295.5.017: 621.73.043

    ОЦЕНКА ВКЛАДОВ МЕХАНИЗМОВ УПРОЧНЕНИЯ СПЛАВА Ti-6AI

Н.А. Грачев, к.т.н., доц. Ю.Ю. Щугорев, Е.И. Ермаков


      Рассмотрены вклады различных механизмов упрочнения в общее упрочнение сплава Ti-6AI после прокатки и различных режимов вакуумного отжига.

      The contributions of various mechanisms of strengthening in the overall strengthening of the alloy Ti-6AI-rolled and different modes of vacuum annealing.


      Ключевые слова: механизмы упрочнения; соотношение Холла-Петча; титановый сплав TI-6AI; обратимое легирование водородом.
      Keywords: hardening mechanism, the ratio of the Hall-Petch relationship, titanium alloy TI-6AI; reversible hydrogen doping.

      Введение

В ранее проведенных нами исследованиях [1] было изучено влияние водорода на фазовый состав, микроструктуру и механические свойства, листовых заготовок сплава TI-6AI полученных с использованием обратимого легированием водородом. Было установлено, что с повышением начальной концентрации водорода снижается средний размер а - зерна после теплой прокатки и вакуумного
отжига при температурах 600 - 800 °C, что связано с влиянием дисперсной аг -фазы на повышение плотности центров зарождения рекристаллизации и на закрепление ею границ зерен, препятствующей росту зерна. Показано, что зависимость предела текучести от средней величины а - зерна подчиняется соотношению Холла - Петча (рис. 1).
      Целью настоящей работы являлось оценить вклад твердорастворного, зернограничного и дисперсионного упрочнений в общее упрочнение сплава Ti-6AL

      Подробности экспериментов

      В качестве объекта исследований был выбран кованный пруток сплава TI-6AI с рекристаллизованной структурой со средней величиной а - зерна 28мкм. Лис

Научные труды (Вестник МАТИ), 2012 г. Вып. 19 (91)

10