УПРАВЛЕНИЕ ФАЗОВЫМ СОСТАВОМ, СТРУКТУРОЙ И КОМПЛЕКСОМ СВОЙСТВ ВЫСОКОМОДУЛЬНОГО ТИТАНОВОГО СПЛАВА МЕТОДАМИ ТЕРМОВОДОРОДНОЙ ОБРАБОТКИ

Рассмотрены возможность и эффективность применения термоводородной обработки (ТВО) высокомодульного титанового сплава Ti–8,7Al–1,5Zr–2,0Mo с содержанием алюминия, превышающим предельную растворимость в α-титане. Получены экспериментальные данные о влиянии водорода на фазовый состав и структуру сплава. Проанализированы закономерности фазовых превращений в водородсодержащем сплаве при различных термических воздействиях. Построена фазовая диаграмма системы сплав–водород в интервале концентраций водорода от исходной до 1,0 мас.% и температур от 20 до 1100 °С. Показано, что при концентрации введенного водорода 0,6 % и более закалкой из β-области фиксируется однофазная β-структура. Насыщение водородом до 0,8–1,0 % приводит к реализации сдвигового гидридного β → δ-превращения при закалке с температур ниже 750 °С, а при медленном охлаждении – к частичному эвтектоидному превращению β-фазы. Установлено, что водород расширяет область стабильности β-фазы, снижая температуру β / α + β-перехода на 210 °С (при 1,0 % H), и повышает температуру устойчивости α2-фазы на 50 °С. Разработаны и опробованы на образцах сплава технологические схемы и режимы ТВО, формирующие два типа структур – субмикрокристаллическую и бимодальную. Проанализированы механизмы образования этих структур в процессе ТВО. Определены механические свойства образцов сплава. Установлено, что ТВО приводит к увеличению прочности и твердости по сравнению с исходным состоянием. Термоводородная обработка, формирующая микрокристаллическую структуру, обуславливает снижение характеристик пластичности при максимальной твердости.

титановый сплав, водород, термоводородная обработка, фазовый состав, структура, механические свойства, объемный эффект

1. Полькин И.С., Колачев Б.А., Ильин А.А. Алюминиды титана и сплавы на их основе // Технол. легких сплавов. 1997. No. 3. С. 32—39.

2. Ночовная Н.А., Иванов В.И. Интерметаллиды на основе титана. Анализ состояния вопроса // Титан. 2007. No. 1. С. 44—48.

3. Lutjering G., Proske G., Terlinde G. Inf luence of microstracture, texture and environment on tensile properties of super alpha 2 // Titanium-95. Science and Technology: Proc. 8th World conf. on titanium (Birmingham, UK, 22—26 Oct. 1995). Institute of Materials, 1996. Vol. l. P. 332—339.

4. Egry I., Brooks R., Holland-Mozitz D., Novakovic R., Matsushita T., Ricci E., Seetharaman S., Wunderlich R. Temperophysical propertis of titanium aluminides // Ti-2007. Science and Technology: Proc. 11th World conf. on titanium (Kyoto, Japan, 3—7 June 2007). The Japan Institute of Metals, 2007. Vol. 1. P. 671—674.

5. Roth-Fagaraseanu D., Appel F. TiAl — new opportunity in the aerospace industry // Ti-2003. Science and Technology: Proc. 10th World conf. on titanium (Hamburg, Germany, 13—18 July 2003). Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2003. Vol. 5. P. 2899—2907.

6. Hervier Z., Belaygue P., Alexis J., Petit J.-A., Uginet J.-F. Titanium alloys for high temperature applications // Ti-2007. Science and Technology: Proc. 11th World conf. on titanium (Kyoto, Japan, 3—7 June 2007). The Japan Institute of Metals, 2007. Vol. 2. P. 1349—1353.

7. Heritier P. Titanium for high strength aerospace forgings // Ti-2007. Science and Technology: Proc. 11th World conf. on titanium (Kyoto, Japan, 3—7 June 2007). The Japan Institute of Metals, 2007. Vol. 2. P. 1313—1317.

8. Wang Bin, Jia Tiancong, Zou Dunxue. A study on longterm stability of Ti3Al-Nb-V-Mo alloy // Mater. Sci. Eng. A. 1992. Vol. 153. No. 1-2. P. 422—426.

9. Froes F.H., Suryanarayana C., Eliezer D. Production, characteristics and commercialization of titanium aluminides // ISIJ Intern. 1991. Vol. 31. No. 10. P. 1235—1247.

10. Ильин А.А., Колачев Б.А., Носов В.К., Мамонов А.М. Водородная технология титановых сплавов. М.: МИСиС, 2002.

11. Senkov O.N., Jonas J.J. Solute softening of alpha titanium — hydrogen alloys // Advances in the science and technology of titanium alloy processing: Proc. Int. symp. (Anaheim, California, 5—8 Febr. 1996). TMS, 1996. P. 10 9 —116 .

12. Ilyin A.A., Polkin I.S., Mamonov A.M., Nosov V.K. Thermohydrogen treatment — base of hydrogen treatment of titanium alloys // Titanium-95. Science and Technology: Proc. 8th World conf. on titanium (Birmingham, UK, 22—26 Oct. 1995) Institute of Materials, 1996. P. 2462— 2469.

13. Ilyin A.A., Mamonov A.M., Kusakina Y.N. Thermohydrogen treatment of shape casted titanium alloys // Advances in the science and technology of titanium processing: Proc. Int. symp. (Anaheim, California, 10—12 Oct. 1997). TMS, 1997. P. 639—646.

14. Apgar L.S., Yolton C.I., Sagib M. Microstructure and property modification of vCast alpha-2 titanium alloys by thermochemical processing with hydrogen // Titanium-92. Science and Technology: Proc. 7th World titanium conf. (San-Diego, California. 29 June—2 July 1992). Warrendale, Pa.: Minerals, Metals and Materials Society, 1993. Vol. 2. P. 1331—1335.

15. Niinomi M. Titanium alloys for biomedical, dental and healthcare applications // Ti-2007. Science and Technology: Proc. 11th World conf. on titanium (Kyoto, Japan, 3—7 June 2007). The Japan Institute of Metals, 2007. Vol. 2. P. 1417—1425.

16. Tahara M., Kim H.Y., Inamura T., Hosoda H., Miyazaki S. Effect of addition on mechanical properties of Ti— 20Nb—4Zr—2Ta (at%) biomedical superelastic alloy // Ti-2007. Science and Technology: Proc. 11th World conf. on titanium (Kyoto, Japan, 3—7 June 2007). The Japan Institute of Metals, 2007. Vol. 2. P. 1453—1454.

17. Jelliti Sami, Richrd Caroline, Retraint Delphine, Demangel Clemence, Landoulsi Jessem. Surface modification of low-modulus Ti35NbXZr alloys with nanotube arrays // Ti-2011: Proc. 12th World conf. on titanium (Beijing, China, 19—24 June 2011). The Japan Institute of Metals, 2011. Vol. 3. P. 2042—2046.

18. Dongyan Ding, Hegang Liu, Congqin Ning, Zhaohui Li. Development of biomedical Ti—Cr alloys with changeable young’s modulus via deformation-induced transformation // Ti-2011: Proc. 12th World conf. on titanium (Beijing, China, 19—24 June 2011). The Japan Institute of Metals, 2011. Vol. 3. P. 2046—2050.

19. Mi Gong, Minjie Lai, Bin Tang, Hongchao Kou, Jinshan Li, Lian Zhou Young’s modulus of Ti—Cr—Sn—Zr alloys with meta-stable beta phase // Ti-2011: Proc. 12th World conf. on titanium (Beijing, China, 19—24 June 2011). The Japan Institute of Metals, 2011. Vol. 3. P. 2180— 2184.

20. Коллингз Е.В. Физическое металловедение титановых сплавов / Пер. с англ. М.: Металлургия, 1988.

21. Мамонов А.М., Скворцова С.В., Спектор В.С. Принципы построения комплексных технологических процессов производства имплантатов из титановых сплавов, включающих вакуумные ионно-плазменные нанотехнологии // Титан. 2012. No. 3. С. 45—50.

22. Itoh Y., Itoh A., Azuma H., Hioki T. Improving the tribological properties of Ti—6Al—4V alloy by nitrogen-ion implantation // Surf. Coat. Technol. 1999. Vol. 111. P. 172—176.

23. Белов С.П., Ильин А.А., Мамонов А.М., Александрова А.В. Теоретический анализ процессов упорядочения в сплаве на основе Ti3Al. Влияние водорода на устойчивость интерметаллида Ti3Al // Металлы (РАН). 1994. No. 2. С. 76—80.

24. Колачев Б.А., Елагин В.И., Ливанов В.А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. М.: МИСИС, 2005.

25. Ильин А.А. Механизм и кинетика фазовых и структурных превращений в титановых сплавах. М.: Наука, 1994.

26. Мамонов А.М., Кусакина Ю.Н., Ильин А.А. Закономерности формирования фазового состава и структуры в жаропрочном титановом сплаве с интерметаллидным упрочнением при легировании водородом // Металлы (РАН). 1999. No. 3. С. 84—87.

27. Мамонов А.М., Скворцова С.В., Агаркова Е.О., Умарова О.З. Физико-химические и технологические основы формирования термостабильных структур бимодального типа в жаропрочных титановых сплавах и сплавах на основе алюминида титана при обратим