СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КРИТИЧЕСКОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ЗАКАЛКИ В ТИТАНОВЫХ СПЛАВАХ Российский патент 2023 года по МПК G01N25/02 

Изобретение относится к области исследования процессов мартенситных превращений в металлах и твердофазных металлических сплавах и может быть использовано, например, в научно-исследовательских центрах или в отделах технического контроля металлургических заводов, выпускающих титан и сплавы на его основе.

Известно, что легированность матричного β-твердого раствора, формируемая при соответствующей температуре нагрева в двухфазных сплавах титана, определяет возможность протекания в них при закалке мартенситного β→α’(α”)-превращения [Ильин А.А., Колачев Б.А., Полькин И.С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства. Справочник. М.: ВИЛС-МАТИ, 2009, 520 с.]. Максимальная температура нагрева после которой при закалке не реализуется мартенситное β→α’(α”)-превращение и фиксируется метастабильный β-твердый раствор называется критической, обозначается Т_кр [Глазунов С.Г., Моисеев В.Н. Конструкционные титановые сплавы. М.: Металлургия, 1974, 257 с.] и наряду с температурой полиморфного α+β→β-превращения (Т_пп) является важной характеристикой сплава, используемой при разработке режимов его упрочняющей обработки. Важность знания Т_кр для практики связана с несколькими положениями. Отсутствие такого рода данных с одной стороны может привести к тому, что выбранная температура нагрева под закалку будет завышена (окажется выше Т_кр) вследствие чего при закалке в структуре появится α’(α”)-мартенсит присутствие которого в ряде случаев нежелательно по следующим причинам. Во-первых, мартенсит может оказаться термически нестабильным и в этом случае даже небольшой нагрев приведет к обратному α’(α”)→β-превращению, и, соответственно, нежелательному изменению формы полуфабриката (короблению). Во-вторых, мартенсит обычно менее пластичен, чем метастабильная β-фаза, а эффект упрочнения от него при старении, наоборот, меньше, чем от распада β-твердого раствора. Кроме того, согласно [Глазунов С.Г., Моисеев В.Н. Конструкционные титановые сплавы. М.: Металлургия, 1974, 257 с.] распад α’-мартенсита с повышением температуры старения протекает медленнее по сравнению с распадом β-фазы, что увеличивает продолжительность операции старения, а значит и стоимость самой операции и изделия в целом. Если же температура нагрева под закалку будет занижена (окажется намного ниже Т_кр), то это приведет к фиксации недостаточного количества метастабильного β-твердого раствора в структуре по сравнению с закалкой с Т_кр, что не даст возможности получить необходимое упрочнение при старении, которое определяется, в первую очередь, объемной долей метастабильной фазы, которая претерпевает распад.

На практике определение Т_кр достаточно трудоемкий процесс, связанный с проведением операций закалки с нескольких температур нагрева и последующими структурными исследованиями методами, позволяющими установить наличие или отсутствие в структуре сплава мартенсита в закаленном состоянии.

В настоящее время известен единственный способ определения Т_кр с помощь закалок с нескольких температур нагрева и последующими структурными исследованиями методами, позволяющими установить наличие или отсутствие в структуре сплава мартенсита в закаленном состоянии [Гадеев Д.В., Илларионов А.Г., Демаков С.Л. Формирование структуры, фазового состава и свойств в жаропрочном титановом сплаве при закалке // Металловедение и термическая обработка металлов. 2015, № 8 (722). С. 17-22]. В данном способе для титанового сплава определяют химический состав и Т_пп, затем проводят серию закалок с различных температур α+β-температурной области. Затем с помощью рентгеноструктурного фазового анализа или с помощью просвечивающей электронной микроскопии определяют фазовый состав сплава при различных температурах. Т_кр находят как среднее значение между двумя рядом лежащими температурами, при которых в структуре фиксируется и не фиксируется мартенсит. Данный способ является достаточно трудоемким из-за того, что приходится проводить дорогостоящие структурные исследования на более 10 образцах.

Разработанные в настоящее время прикладные программы расчета фазовых равновесий в сплавах типа ThermoCalc, JMatPro позволяют достаточно точно прогнозировать изменение фазового состава сплавов, включая двухфазные α+β-титановые сплавы мартенситного класса, в зависимости от температуры нагрева, исходя из их плавочного химического состава. При этом прогнозируется и химический состав фаз, образующихся при соответствующей температуре. При наличии информации о химическом составе β-твердого раствора при определенной температуре нагрева, полученной в ходе термодинамических расчетов, можно достаточно точно оценить, до какой температуры нагрева мартенситное α’(α”)→β-превращение будет подавлено, используя данные химического состава β-фазы для расчета так называемого структурного молибенового эквивалента ([Mo]_экв), который позволяет охарактеризовать стабильность β-твердого раствора в многокомпонентном сплаве к превращениям при закалке через известную такого рода зависимость в двойной системе Ti-Mo. В учебнике [Колачев Б.А., Елагин В.И, Ливанов В.А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. М.: МИСиС. 1999. 207 с.] приведена следующая формула для расчета [Mo]_экв:

[Mo]_экв=%Mo+%Ta/4+%Nb/3,3+%W/2+%V/1,4+%Cr/0,6+%Fe/0,5+%Ni/0,8. (в мас. %)

На основании обобщения большого количества литературных данных для закаленных сплавов системы Ti-Mo в справочнике [Ильин А.А., Колачев Б.А., Полькин И.С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства. Справочник. М.: ВИЛС-МАТИ, 2009, 520 с.] показано, что при содержании в β-твердом растворе сплава более 11±1мас.% Mo протекание мартенситное α’(α”)→β-превращения в сплаве подавлено. Данное содержание в β-твердом растворе (11±1мас.%) Mo в двойном сплаве Ti-Mo или [Mo]_экв в многокомпонентном сплаве можно принять как характерное для критической температуры нагрева для равновесного состояния - Т_кр0. Определение температуры Т_кр0 позволяет более точно определить диапазон нахождения Т_кр, которая в свою очередь отличается от расчетной, т.к. в реальных условиях полностью равновесные условия недостижимы. После определения Т_кр0 необходимо уточнить критическую температуру закалки для производственных условий с использованием небольшого числа пробных закалок ниже Т_кр0, что связано с более низкой устойчивостью β-фазы к распаду в реальных условиях из-за меньшего содержания β-стабилизаторов по сравнению с равновесным состоянием.

Таким образом для решения технической задачи нахождения Т_кр предложен способ определения критической температуры закалки Т_кр в титановых сплавах, включающий определение химического состава титанового сплава и температуры полиморфного превращения Т_пп, проведение нагрева и закалок в интервале температур от Т_пп до температуры Т_пп – 100…200 °С, определение с помощью структурных исследований температуры Т_кр как среднего значения между двумя рядом лежащими температурами при которых в структуре фиксируется и не фиксируется мартенсит, отличающийся тем, что перед проведением нагрева и закалок в интервале температур от Т_пп до температуры Т_пп – 100…200 °С, производят нахождение верхней границы диапазона нахождения Т_кр путем проведения термодинамического расчета изменения фазового состава сплава в диапазоне температур от 600 °С до Т_пп+(5…50) °С согласно химическому составу сплава, проверка адекватности расчета путем сравнения температур Т_пп, полученной методом пробных закалок, и Т_пп, полученной в результате термодинамического расчета, при различии менее 10 °С далее производят расчет изменения величины молибденового эквивалента от температуры нагрева, определяют температуру Т_кр0, которая соответствует величине молибденового эквивалента 11 мас. %, проводят нагревы и закалки при температурах Т_кр0 – 10 °С и Т_кр0 – 20 °С, определяют из проведенных закалок температуру Т_кр как среднее значение между двумя рядом лежащими температурами при которых в структуре фиксируется и не фиксируется мартенсит.

Порядок операций в указанном способе определения критической температуры закалки в двухфазных титановых сплавах следующий:

1. Определение химического состава сплава конкретного сплава, например, с помощью атомно-эмиссионного метода или методом рентгенофлуоресцентного спектрального анализа.

2. По полученным данным о химическом составе сплава проводится термодинамический расчет изменения фазового состава сплава в зависимости от температуры нагрева в диапазоне температур от 600-700 °С до Т_пп+(5…50) °С.

3. На основании проведенного расчета в программе строятся также соответствующие зависимости изменения содержания входящих в расчет [Mo]_экв легирующих элементов и примесей в анализируемом сплаве от температуры нагрева.

4. На основании этих зависимостей производится расчет изменения величины [Mo]_экв от температуры нагрева.

5. На полученной зависимости находится температура Т_кр0, которая соответствует [Mo]_экв=11 мас.%.

6. Проводятся структурные исследования на двух образцах, закаленных с температур: Т_кр0 – 10 °С и Т_кр0 – 20 °С.

7. За критическую температуру закалки Т_кр принимают среднее значение между двумя рядом лежащими температурами, при которых в структуре фиксируется и не фиксируется мартенсит.

Была проведена проверка адекватности результатов, получаемых по данной заявляемому способу, на промышленном двухфазном α+β-сплаве мартенситного класса ВТ14. Химических состав сплава, определенный атомно-эмиссионным методом (в соответствии с ГОСТ 19863.1-19863.16) и методом рентгенофлуоресцентного спектрального анализа, имеет следующее содержание легирующих элементов – Ti-5,62Al-3,41Mo-1,45V-0,12Fe. Т_пп сплава была определена с помощью метода пробных закалок и составила 953 °С. В качестве программы для термодинамических расчетов в данном случае использовали ThermoCalc V. с базой TCFE7. Результат расчета в диапазоне температур 700…960 °С приведен на фиг. 1. Проверка адекватности расчета показала, что расчетная температура Т_пп составляет 952 °С, что практически соответствует Т_пп=953 °С, полученной методом пробных закалок.

Зависимости изменения содержания Mo, V, Fe в β-твердом растворе сплава, которые входят в расчетную формулу для [Mo]_экв приведены на фиг. 2. На основании этих данных построена зависимость изменения [Mo]_экв от температуры нагрева, которая представлена на фиг. 3. Из этой зависимости определено, что [Mo]_экв=11 мас.% при температуре Т_кр0=820 °С.

Для проверки рассчитанной температуры Т_кр была проведена закалка в воду используемого для расчета сплава ВТ14 в диапазоне температур нагрева под закалку 800…850 °С с шагом 10 °С после выдержки при заданной температуре в течение 1 часа. Для определения фазового состава сплава после закалки использовали рентгеноструктурный фазовый анализ (прибор Bruker D8 Advance – съемку проводили Cu K_α-излучении с использованием никелевого монохроматора). Дифрактограммы после съемки приведены на фиг. 4. Согласно представленным результатам фазовый состав сплава ВТ14 после закалки приведен в таблице 1.

Таблица 1

Фазовый состав сплава ВТ14 после закалки по данным РСФА

Диапазон температур закалки, °С 800 810-850 Фазовый состав α+β α+β+α’’

На основании этих данных можно заключить, что критическая температура Т_кр в исследуемом сплаве лежит между 800 и 810 °С и составляет 805 °С. Указанный в заявке способ является еще одним способом определения Т_кр. Также при помощи данного способа значительно снижается трудоемкость определения Т_кр, т.к. дорогостоящие структурные исследования можно проводить на меньшем количестве образцов.

Изобретение относится к области исследования процессов мартенситных превращений в металлах и твердофазных металлических сплавах и может быть использовано например в научно-исследовательских центрах или в отделах технического контроля металлургических заводов, выпускающих титан и сплавы на его основе. Заявлен способ определения критической температуры закалки Т_кр в титановых сплавах, включающий определение химического состава титанового сплава и температуры полиморфного превращения Т_пп, нахождение верхней границы диапазона нахождения Т_кр путем проведения термодинамического расчета изменения фазового состава сплава в диапазоне температур от 600°С до Т_пп+(5…50)°С согласно химическому составу сплава, проверку адекватности расчета путем сравнения температур Т_пп, полученной методом пробных закалок, и Т_пп, полученной в результате термодинамического расчета, при различии менее 10°С далее производят расчет изменения величины молибденового эквивалента от температуры нагрева, определяют температуру Т_кр0, которая соответствует величине молибденового эквивалента 11 мас. %, проводят нагревы и закалки при температурах Т_кр0 - 10°С и Т_кр0 - 20°С, определяют из проведенных закалок температуру Т_кр как среднее значение между двумя рядом лежащими температурами, при которых в структуре фиксируется и не фиксируется мартенсит. Технический результат - повышение точности получаемых данных. 4 ил., 1 табл.

Способ определения критической температуры закалки Т_кр в титановых сплавах, включающий определение химического состава титанового сплава и температуры полиморфного превращения Т_пп, проведение нагрева и закалок в интервале температур от Т_пп до температуры Т_пп - 100…200°С, определение с помощью структурных исследований температуры Т_кр как среднего значения между двумя рядом лежащими температурами, при которых в структуре фиксируется и не фиксируется мартенсит, отличающийся тем, что перед проведением нагрева и закалок в интервале температур от Т_пп до температуры Т_пп - 100…200°С производят нахождение верхней границы диапазона нахождения Т_кр путем проведения термодинамического расчета изменения фазового состава сплава в диапазоне температур от 600°С до Т_пп+(5…50)°С согласно химическому составу сплава, осуществляют проверку адекватности расчета путем сравнения температур Т_пп, полученной методом пробных закалок, и Т_пп, полученной в результате термодинамического расчета, при различии менее 10°С далее производят расчет изменения величины молибденового эквивалента от температуры нагрева, определяют температуру Т_кр0, которая соответствует величине молибденового эквивалента 11 мас. %, проводят нагревы и закалки при температурах Т_кр0 - 10°С и Т_кр0 - 20°С, определяют из проведенных закалок температуру Т_кр как среднее значение между двумя рядом лежащими температурами, при которых в структуре фиксируется и не фиксируется мартенсит.