Исследование влияния альфирования на структуру и свойства сплава ВТ6

Полный текст

Введение

Известны достоинства титана: малая плотность (4,5 г/см³), высокая удельная прочность, коррозионная стойкость, технологичность при обработке давлением и свариваемость, хладостойкость, высокая стойкость против солнечной радиации, немагнитность и другие ценные физико-механические характеристики.

Сплавы титана используют в ракетно-космической технике, судостроении, транспортном машиностроении. Создание высокопрочных титановых сплавов привело к появлению сверхзвуковых самолетов. Считают, что титановые сплавы перспективны для использования в пищевой промышленности. Их применяют в холодильной и криогенной технике, медицине, строительстве (Япония).

Структура и свойства титановых сплавов приведены в работах [1–9]. Сплавы имеют низкую износостойкость. Для повышения антифрикционных свойств детали из титановых сплавов подвергают альфированию (оксидированию), т. е. поверхность титановых сплавов насыщают кислородом при повышенных температурах. Окисление приводит к образованию на поверхности окисной пленки и слоя твердого раствора кислорода в титане (альфированный слой). Технологии альфирования даны в [10–16]. Происходит химико-термическая обработка. Альфирование выполняют, в частности, в мелкозернистом графите [12], вакууме [13].

Цель данной работы – выяснить влияние двух технологий альфирования на структуру и свойства сплава ВТ6.

 

Материалы и методика исследования

Для исследования выбран титановый деформируемый сплав ВТ6. Его легируют алюминием (от 5,3 до 6,8 % масс.) и ванадием (от 3,5 до 5,3 % масс.) [17]. Структура и свойства сплава ВТ6 описаны в источниках [1–9].

Химико-термическую обработку провели для гильзы из сплава ВТ6. Альфирование (оксидирование) проводили по двум технологиям:

1) в мелкозернистом графите при температуре 800±10 °С с выдержкой в течение 8 ч [12];

2) электропечи при температуре 760–780 °С в вакууме 10^–1–10^–3 мм рт. ст. в течение 1,5–2 ч [13].

Металлографические исследования образцов, нарезанных из гильзы, проведены на установке оптико-компьютерной металлографии, которая включает микроскоп типа Carl Zeiss Axio Observer A1m с применением цифровой камеры, переходных устройств преобразования оптического сигнала, компьютер. Исследования структуры выполнили при увеличениях ×200, ×500, ×1000.

Для количественного анализа полученных изображений использовали программное обеспечение SIAMS700.

Электронно-микроскопические исследования выполнены с использованием растрового электронного микроскопа (РЭМ) EVO 50 с энергодисперсионным микроанализатором INCA Energу 350.

Рентгенофазовый анализ проведен с помощью рентгеновского дифрактометра Shimadzu XRD7000, Япония (излучение CuKa, монохроматор), в следующем режиме: диапазон от 5 до 70° по шкале 2θ, шагом 0,03°, скорость сканирования 1,5 °/мин. Исследовали порошки, полученные с двух видов покрытий.

Микротвердость образцов измеряли на микротвердомере DM8 по ГОСТ 9450–76 [18]. Измерение проведено при нагрузке 100 гс (980,665 мН) от края образца к центру. Расстояние между центрами двух соседних отпечатков – 70 мкм, расстояние между двумя соседними рядами отпечатков – 70 мкм. Между рядами отпечатков также присутствует смещение от края к центру образца на 10 мкм. Оценивали микротвердость альфированных покрытий, полученных по двум технологиям. На каждом образце делали 60 измерений. Вычислены средние арифметические полученных значений микротвердости.

Испытание на стойкость образцов к износу проводили на специальном приспособлении. Через щель продевали ленты из шлифовальной бумаги зернистости P120 (величина абразивного зерна 100–125 мкм), на которую укладывали образец. Далее образец прижимали грузом весом 1 кгс и протягивали ленту. Отрезок ленты, истирающий поверхность, имеет длину 1 м, ширину 1 см. После протягивания образец очищали от абразивной пыли и взвешивали на весах ВЛТЭ-150 с точностью до 0,001 г, после чего повторяли испытание. В итоге путь износа каждого образца составил 10 м.

 

Результаты исследований и их обсуждение

Металлографический анализ. Сплав ВТ6 относят к системе титан – алюминий (6 %) – ванадий (4 %). Это деформируемый двухфазный α+β сплав, где α – твердый раствор алюминия (и ванадия) в α-Ti c ГПУ решеткой; β – твердый раствор алюминия (и ванадия) в β-Ti c ОЦК решеткой. Титан – полиморфный металл. Легирование сплава ВТ6 алюминием упрочняет и стабилизирует α-фазу, повышает температуру Ас₃, снижает удельный вес сплава. Ванадий является b-стабилизатором. Он снижает температуру α+β→ β-перехода, которая для сплава ВТ6 равна 960–1000 °С [1; 4]. В работе [9] приведена диаграмма состояния системы титан-алюминий. В богатой титаном области образуются два интерметаллида Тi₃Аl (α₂-фаза) и ТiА1 (γ-фаза). Фаза α₂ (Тi₃А1) имеет ГПУ кристаллическую структуру, близкую к решетке α-фазы, но отличается от нее упорядоченным расположением атомов титана и алюминия. Фаза γ (TiAl) обладает упорядоченной тетрагонально искаженной гранецентрированной структурой, аналогичной сверхструктуре СuАu, в которой слои, упакованные атомами титана, чередуются со слоями, занятыми атомами алюминия.

В богатой титаном области происходят два перитектических превращения: (ж + β) → α (при 1475 ºС) и (ж + α) → γ (при 1447 ºС). При более низкой температуре (1118 ºС) наблюдается эвтектоидный распад α-фазы по схеме α → α₂ + γ. Растворимость алюминия в α-Ti уменьшается с понижением температуры и составляет 10, 9 и 7 % (по массе) при температурах 900, 800 и 600 °С соответственно.

Кислород является α-стабилизатором, т. е. расширяет область α-фазы. Диаграмма состояния системы титан-кислород приведена на рис. 1.

Кислород значительно растворяется в α-Ti и резко повышает температуру полиморфного превращения титана [19]. При 1720 °С протекает перитектическая реакция Ж + (α-Ti) → (β-Ti). Максимальная растворимость кислорода в (b-Ti) составляет 8 % (ат.) при 1720±25 °С. Температура плавления (α-Ti) достигает максимума, равного 1885±25 °С при содержании примерно 24 % (ат.) кислорода. При дальнейшем увеличении содержания кислорода температура плавления сплавов несколько снижается. При температурах ниже 600 °С существуют два оксида Ti₃O и Ti₂O с гексагональной кристаллической решеткой. При этих температурах в сплавах с более высоким содержанием титана возможно образование субоксида Ti₆O.

В системе титан – кислород возможно наличие следующих промежуточных фаз: Ti₃O, Ti₂O, Ti₃O₂, gTiO, αTiO, αTi₂O₃, αTi₃O₅, βTi₃O₅, TiO₂ (TiO₂ – рутил; TiO₂ – анатаз; TiO₂ – броокит) [19].

 

Рис. 1. Диаграмма состояния системы титан-кислород [19; 20]

Fig. 1. Diagram of the state of the titanium-oxygen system [19; 20]

 

Исследованные микроструктуры и результаты их обработки приведены на рис. 2–12.

 

 

 

Рис. 2. Микроструктуры сплава ВТ6 после альфирования в графите: а–г – поверхностный слой; д, е – центр образца; а – ×200; б – ×500; в, г – ×1000; д – ×500; е – ×1000 

Fig. 2. Microstructures of BT6 alloy after alfalfing in graphite: а–г – is the surface layer; д, е – is the center of the sample; а – ×200; б – ×500; в, г – ×1000; д – ×500; е – ×1000

 

Рис. 3. Микроструктуры сплава ВТ6 после альфирования в вакууме: а, б – поверхностный слой; в, г – центр образца; а, в – ×500; б, г – ×1000

Fig. 3. Microstructures of BT6 alloy after carbonation in vacuum: а, б – surface layer; в, г – the center of the sample; а, в – ×500; б, г – ×1000

 

Исследование показало, что в центре образца присутствуют две фазы глобулярного (равноосные зерна) типа α+β: α – светлая; β – темная (см. рис. 2, 3).

Выполнена статистическая обработка микроструктур после альфирования в графите (рис. 4, 7), а также после альфирования в вакууме (рис. 10) в программе SIAMS 700. Результаты представлены на гистограммах (рис. 5, 6, 8, 9, 11, 12).

 

Рис. 4. Микроструктура сплава ВТ6 после альфирования в графите. ×200

Fig.. 4. Microstructure of BT6 alloy after alfalfing in graphite. ×200

 

Рис. 5. Толщина тёмного слоя покрытия после альфирования в графите

Fig. 5. Thickness of the dark coating layer after alfalfing in graphite

 

Рис. 6. Толщина светлого слоя после альфирования в графите

Fig. 6. Thickness of the light layer after alfalfing in graphite

 

После альфирования в графите выявлено несколько диффузионных слоев (рис. 4), которые отличаются по цвету. На поверхности образца наблюдается тонкий темный слой (окисная пленка) толщиной 17,0 мкм (средн.). Затем виден светлый альфированный слой толщиной 93,6 мкм (среднее значение). Общая толщина покрытия, рассчитанная путём сложения средних значений толщины темного и светлого слоёв, составляет 110,6 мкм (рис. 5, 6).

Также измеряли толщину слоя в образце после альфирования в графите по микроструктуре, показанной на рис. 7.

 

Рис. 7. Микроструктура сплава ВТ6 после альфирования в графите. ×200

Fig. 7. Microstructure of BT6 alloy after alfalfing in graphite. ×200

 

Рис. 8. Толщина покрытия после альфирования в графите (тёмный и светлый слои)

Fig. 8. Coating thickness after alphoning in graphite (dark and light layers)

 

Средняя толщина покрытия (тёмного и светлого слоёв вместе) на рис. 7 составляет 96,5 мкм (рис. 8).

Определяли размер зерна в диффузионном слое, полученном после альфирования в графите (рис. 9). Среднее значение размера зерна 17,2 мкм.

 

Рис. 9. Размер зерна в диффузионном слое (альфирование в графите)

Fig. 9. Grain size in the diffusion layer (alfalfing in graphite)

 

Альфирование в вакууме (рис. 10) способствовало образованию светлого альфированного слоя толщиной 56,2 мкм (рис. 11). На поверхности слой окислов не выявлен.

Средний размер зерна в диффузионной зоне согласно рис. 12 составил 6 мкм (вакуум).

 

Рис. 10. Микроструктура сплава ВТ6 после альфирования в вакууме. ×500

Fig. 10. Microstructure of BT6 alloy after alfalfing in vacuum. ×500

 

Рис. 11. Толщина слоя покрытия, полученного после альфирования в вакууме

Fig. 11. Thickness of the coating layer obtained after alfalfing in vacuum

 

Рис. 12. Размер зерна в покрытии, полученном после альфирования в вакууме

Fig. 12. Grain size in the coating obtained after alfalfing in vacuum

 

Согласно литературным данным [12], толщина покрытия изделия должна составлять ≥ 40 мкм. Предлагаемые технологии позволили получить слой (минимальные значения) ≥ 72 мкм (графит) и ≥ 49 мкм (вакуум), что обеспечивает выполнение требования к детали.

Структура деформированных титановых сплавов в значительной степени определяется температурно-скоростными условиями деформации [5].

В структуре возможно наличие двойников. Фаза α имеет ГП кристаллическую решетку. В титане с ГП решеткой направление двойникования <1011>. Плоскость двойникования {1012} [1; 2].

В альфированном слое (α-фаза, ГП решетка) в отдельных светлых зернах наблюдаются параллельные линии (пластины). Это может быть связано с полиморфным превращением титана при нагреве: β (ОЦК) →α (ГП). Согласно принципу структурного и размерного соответствия П.Д. Данкова и С. Т. Конобеевского, форма и ориентировка зародышей новой фазы при кристаллизации в анизотропной среде должны способствовать минимуму поверхностной энергии, а минимум получается при наибольшем сходстве в расположении атомов на соприкасающихся гранях старой и новой фаз. В титане при полиморфном превращении β (ОЦК) →α (ГП) взаимно параллельные плоскости: {001}_b параллельна {110}_α. Взаимно параллельные направления: <110>_b параллельно <111>_α. Лившиц Б. Г. в работе [21] поясняет, что в металлах «почти всегда при образовании новой фазы α внутри старой b между фазами наблюдается большее или меньшее структурное соответствие, то есть имеются плоскости и направления, сходные по расположению атомов. В случае достаточного соответствия форма кристаллов образующейся фазы зависит от анизотропии упругих свойств обеих фаз. Если модули упругости фазы α для всех направлений меньше, чем модули упругости фазы β, то фаза α при охлаждении выделится в виде пластин». Эту пластинчатую форму фазы α можно наблюдать на рис. 10.

 

Электронно-микроскопическое исследование. Изображения, полученные в ходе исследования на РЭМ, представлены на рис. 13–19. Ниже каждого изображения приведены данные о химическом составе выделенных областей (спектров).

 

Рис. 13. Микроструктура и химический состав в спектрах (ат. %)сплава ВТ6 (графит, центр образца)

Fig. 13. Microstructure and chemical composition in spectra (at. %)of BT6 alloy (graphite, sample center)

 

Обнаружены зерна твердого раствора (спектр 2, рис. 13): 12,07 % алюминия; 87,93 % титана. Видны интерметаллиды: 88,69 % титана; 11,31 % ванадия (спектр 1); 8,69 % алюминия; 80,76 % титана; 10,55 % ванадия (спектр 5); 86,19 % титана; 13,81 % (ат.) ванадия (спектр 7).

В структуре на рис. 14 видны зерна α-фазы (спектр 2: 78,68 % титана; 14,60 % алюминия). Выделения по границам зерен (спектр 1) – фаза, содержащая 12,32 % алюминия; 71,03 % титана; 10,58 % ванадия. Имеется фаза с кислородом (спектр 4): 77,26 % кислорода; 3,95 % алюминия; 12,64 % титана. Спектры 5, 6, 7 – фазы по границам зерен α – твердого раствора. Содержат 11, 02–12,17 % алюминия; 68,73–70, 66 % титана; 9,82–12,06 % ванадия. Спектр 8-фаза, содержащая 15,50 % алюминия и 78,80 % титана. Спектр 9 – твердый раствор на основе титана (90,23 % титана).

 

Рис. 14. Микроструктура и химический состав в спектрах (ат. %) альфированного слоя сплава ВТ6 (графит)

Fig. 14. Microstructure and chemical composition in the spectra (at. %)of the alphad layer of the alloy BT6 (graphite)

 

Рис. 15. Микроструктура и химический состав в спектрах (ат. %) альфированного слоя сплава ВТ6 (вакуум)

Fig. 15. Microstructure and chemical composition in the spectra (at. %)of the alphad layer of the BT6 alloy (vacuum)

 

В слое кислород не обнаружен (рис. 15). Выявлена область твердого раствора: 7,17 % алюминия; 91,11 % титана; 1,73 % ванадия (спектр 5). По границам видны интерметаллиды: 4,51 % алюминия; 84,25 % титана; 11,24 % ванадия (спектр 1); 4,81 % алюминия; 82,18 % титана; 13,02 % ванадия (спектр 6); 5,39 % алюминия; 81,64 % титана; 12,98 % (ат.) ванадия (спектр 7).

Ученые многих стран проявили интерес к изучению тройной диаграммы титан – алюминий – ванадий, так как сплавы этой системы важны для использования в различных областях современной промышленности. Так, в 2014 г. опубликована работа китайских учёных [21], в которой исследована тройная система Al–Ti–V. Выполнен анализ 42-х литературных источников. Приведены сведения о двойных системах Al–Ti, Ti–V, Al–V. Выполнено термодинамическое моделирование. Построены изотермические разрезы при 800, 900, 1000, 1100, 1200 °С. Получено хорошее соответствие между экспериментальными и расчетными данными. Уточнены фазы тройной системы. Авторы считают [21], что работа позволит разрабатывать новые сплавы на основе системы Al-Ti-V.

 

Рентгенофазовый анализ. Изучали порошки двух образцов после оксидирования по двум технологиям. Обнаружены оксиды TiO₂, Ti₃O, Ti₆O₁₁ и нитрид титана TiN (рис. 16). В образце, альфированном в графите, в поверхностном слое выявлены фазы TiO₂, Ti₃O, TiN. В образце, альфированном в вакууме – TiO₂ и Ti₆O₁₁.

Также выполнен рентгенофазовый анализ в центре образца. Выявлены фазы Al₃Ti₁₇ ((Al,V)₃Ti₁₇) – 94,8 %; Ti_0.7V_0.3 – 5,2 % (рис. 17).

 

Рис. 16. Рентгенофазовый анализ сплава ВТ6 после альфирования в среде графита (1) и вакууме (2)

Fig. 16. X-ray phase analysis of BT6 alloy after alphoningin graphite medium (1) and in vacuum (2)

 

Рис. 17. Рентгенофазовый анализ сплава ВТ6 (центр)

Fig. 17. X-ray phase analysis of BT6 alloy (center)

 

Исследование микротвердости. Установлено, что химико-термическая обработка способствует существенному повышению микротвердости в диффузионном слое (рис. 18).

Альфирование в графите позволило получить микротвердость HV724 на расстоянии 10 мкм от поверхности. Затем значения микротвердости уменьшаются и при расстоянии 100 мкм микротвердость составляет HV315.

Альфирование в вакууме позволило получить микротвердость HV580 на расстоянии 10 мкм от поверхности. Затем значения микротвердости уменьшаются и при расстоянии 100 мкм микротвердость составляет HV320.

 

Рис. 18. Микротвердость альфированного сплава ВТ6

Fig. 18. Microhardness of the alphad alloy BT6

 

Исследование износостойкости. Результаты испытаний представлены на рис. 19.

Исследования позволили выяснить, что альфирование по двум технологиям обеспечивает износостойкость изделия, однако лучший результат получен после альфирования в вакууме.

 

Рис. 19. Потеря массы образца (Δm) сплава ВТ6 при длине пути абразивного износа (L) 1–10 м после альфирования в графите и вакууме

Fig. 19. Loss of sample mass (Δm) of BT6 alloy at abrasive wear path length (L) of 1–10 mafter alfalfing in graphite and in vacuum

 

Заключение

1. Выяснен фазовый состав и структура сплава ВТ6 после альфирования:

– в диффузионном слое после альфирования в графите обнаружены фазы TiO₂; Ti₃O; TiN, после альфирования в вакууме – TiO₂; Ti₆O₁₁;

– в альфированном слое после обработки в графите выявлены зерна α – твердого раствора, интерметаллиды Ti-Al-V, Ti-V и Ti-Al; после обработки в вакууме содержится больше титана, также выявлены участки со 100 % (ат.) титана, видна область твердого раствора (α) и интерметаллиды Ti-Al-V, Ti-V и Ti-Al.

Толщина оксидированного слоя составляет в среднем 103,6 мкм (графит), а в вакууме – 66,8 мкм. Средний размер зерна в слое составляет 17,2 мкм (графит); 6,0 мкм (вакуум).

2. Установлено, что химико-термическая обработка (альфирование) способствует существенному повышению микротвердости в диффузионном слое.

Альфирование в графите позволило получить на поверхности HV724 (10 мкм). Затем значения микротвердости уменьшаются и при расстоянии 100 мкм микротвердость составляет HV315.

Альфирование в вакууме позволило получить на поверхности HV580 (10 мкм). Затем значения микротвердости уменьшаются и при расстоянии 100 мкм микротвердость составляет HV320.

3. Исследования позволили выяснить, что альфирование в графите и вакууме обеспечивает износостойкость изделия, однако лучший результат получен после альфирования в вакууме.
4. Альфирование по двум технологиям способствует получению диффузионных слоёв толщиной более 40 мкм (по требованию конструкторской документации), приводит к повышению микротвердости и износостойкости. Однако можно рекомендовать альфирование сплава ВТ6 проводить в вакууме, так как данную технологию осуществляют в течение 2 ч вместо 8 ч (в графите).

Об авторах

Александр Владимирович Лекарев

АО «Красноярский машиностроительный завод»

Автор, ответственный за переписку.
Email: racerlec@mail.ru

главный металлург

Россия, Красноярск

Лев Игоревич Юрчук

Институт химии и химической технологии СО РАН

Email: yurchuk.lev@yandex.ru

инженер

Россия, Красноярск

Галина Александровна Меркулова

Сибирский федеральный университет, Институт цветных металлов и материаловедения

Email: gam1602@mail.ru

кандидат технических наук, доцент, кафедра металловедения и термической обработки металлов имени В. С. Биронта

Россия, Красноярск

Список литературы

Дополнительные файлы