» » Получение компактных полуфабрикатов и изделий из титановых сплавов
15.01.2016

С появлением высокопрочных титановых сплавов предъявляемые к ним требования по содержанию включений стали более жесткими, чем были раньше для более пластичных сплавов.
Сопротивление усталости компактированных заготовок из порошков титановых сплавов в значительной степени определяется наличием дефектов, которые представляют очаги возникновения трещин.
Источники усталостных трещин можно разделить на три группы. включения металлические и неметаллические, пористость и особенности микроструктуры, такие, например, как наличие зернограничной α-фазы.
В условиях реального производства посторонние частицы, особенно местного происхождения, не могут быть полностью исключены. Поэтому первым шагом к широкому применению изделий из быстрозакаленных порошков сплавов титана является выяснение влияния загрязнений на механические свойства этих изделий. При определении обоснованного максимального уровня загрязнений в виде включений определенных размеров, формы и природы необходимо обеспечить заданный техническими условиями уровень механических свойств.
В настоящее время в авиационно-космической технике широко применяются титановые сплавы, получаемые по традиционной технологии, технические условия для которых гарантируют допустимое содержание различных включений.
Применение процесса ГИП быстрозакаленных порошков титановых сплавов перспективно для изготовления крупных и более сложных деталей с уменьшенными припусками.
Достижение размеров компакта, отличающихся от окончательных размеров изделия на 0,6 мм, позволяет получить окончательную конфигурацию изделия химическим фрезерованием взамен дорогостоящей механической обработки.
Загрязнение гранул возможно на всех стадиях процесса, начиная от получения заготовок для гранулирования и кончая операцией компактирования.
Инородные включения обычно являются очагами возникновения усталостных трещин в готовых изделиях и причиной преждевременного разрушения. Положение усугубляется тем, что из-за малых размеров таких включений их почти невозможно обнаружить методами неразрушающего контроля.
В порошках, полученных методом центробежного распылении вращающейся заготовки, могут быть три типа включений:
— случайные металлические частицы обычно представляют собой остатки от предшествующих плавок других металлов;
— посторонние неметаллические включения попадают из окружающей среды и представляют собой песок, частицы бетона, чешуйки краски, ржавчину, мелкую железную пыль, волокна и другие материалы. Их попадание возможно и во время просеивания, магнитной сепарации, дробления и упаковки;
— включения вольфрама при обычном ВЭП являются результатом эрозии вольфрамового катода. Размер частиц вольфрама обычно того же порядка, что и частиц титанового порошка. Химический анализ некоторых партий порошка показал повышенное (до 400 ppm) содержание вольфрама. В результате совершенствования метода удалось снизить содержание вольфрама до 10—20 ppm.
Заготовки, полученные методом ГИП, в значительной степени сохраняют литую структуру. Это связано с тем, что при всестороннем изостатическом сжатии пластическую деформацию претерпевает только наружный слой микрогранул, в результате чего происходит их превращение в пространственные многогранники и образование монолита идет путем диффузионной сварки соседних граней. Поскольку насыпная масса сферических порошков составляет примерно 65 %, а около 35 % приходится на пустоты между сферами, то объем перемещенного при пластической деформации металла составляет примерно 35 %, и сердцевина микрогранул сохраняет литую структуру.
Тем не менее механические свойства компактированных из сферических гранул изделий всегда выше свойств обычного фасонного литья, так как, во-первых, микроструктура этих изделий гораздо дисперснее из-за высокой скорости кристаллизации, а во-вторых, благоприятное влияние горячего всестороннего сжатия проявляется и на литой внутренней части микрогранул. Поэтому полоса разброса значений предела прочности в верхней части перекрывает полосу этих значений для поковок, а в нижней части приближается к соответствующей полосе для фасонного литья. Это же соотношение наблюдается и в случае испытаний на выносливость.
Первичная обработка гранул состоит из следующих основных операций:
— очистки от пыли и посторонних мелких частиц (пневмосепараторы, электростатическая обработка);
— отделения крупных и неправильной формы частиц, разделения по фракциям (вибросито, классификаторы центробежного действия);
— дегазации порошка (вакуумная статическая и динамическая дегазация, электродинамическая дегазация);
— капсулирования под вакуумом.
К первичной обработке порошка относятся такие операции, как деформирование (нагартовка) и механическое измельчение в установках типа аттриторов и стержневых мельниц, путем прокатки на гладких валках.
Процесс нагартовки (рис. 13.5) обычно заключается в деформации частиц порошка при холодной прокатке с целью измельчения литой структуры гранул и создания в них внутренних напряжений, что облегчает процесс горячего компактирования и повышает механические свойства металла после компактирования, приближая их к уровню свойств кованого слитка.
Получение компактных полуфабрикатов и изделий из титановых сплавов

Кроме того, размалываются пустотелые частицы, измельчаются хрупкие керамические включения, что облегчает их удаление методом электростатической сепарации.
При последующем ГИП в двухфазной области происходит рекристаллизация, в результате которой образуется дисперсная равноосная микроструктура.
Пневматическая сортировка (рис. 13.6) 2 основана на различии в весе частиц, так что тяжелые (в основном металлические) и легкие (преимущественно неметаллические) частицы могут быть разделены.
Получение компактных полуфабрикатов и изделий из титановых сплавов

Процесс электростатической сепарации (рис. 13.7) заключается в разделении частиц по их способности удерживать электростатический заряд. Это позволяет отделять керамические, металлические частицы и т. п.
Получение компактных полуфабрикатов и изделий из титановых сплавов

С помощью электродинамической дегазации (рис. 13.8) удаляются захваченные газы, в основном аргон, благодаря ионизации и ускорению ионизированных частиц газа в магнитном поле с последующей откачкой вакуумным насосом.
Получение компактных полуфабрикатов и изделий из титановых сплавов

Кроме аргона, титановые порошки могут адсорбировать и другие газы, в частности пары воды, водород, гелий, в зависимости от условий и среды, в которых происходит первичная обработка порошка.
В промышленных условиях дегазация обеспечивает лишь снижение уровня загрязнений до экономически оправданного предела.
Эффективная дегазация сферических титановых порошков должна производиться при повышенной температуре. Однако свободно насыпанный порошок является превосходным изолятором тепла: отдельные частицы соприкасаются в немногих точках и передача тепла путем теплопроводности затруднена, Кроме того, существует градиент по глубине вакуума между наружными и внутренними слоями порошка, что увеличивает время дегазации.
Поэтому применяют дегазацию в тонком, движущемся слое порошка. С учетом этих обстоятельств разработана полунепрерывная двухстадийная схема вакуумной дегазации сферических порошков.
Дегазационная установка может быть герметически присоединена к установке, служащей для заполнения и герметизации капсул.
Способы горячего компактирования условно разбивают на две группы в зависимости от степени развития стадий процесса компактирования: образования и схватывания контактных поверхностей в результате пластической деформации гранул и активации поверхностей контакта; объемного взаимодействия гранул, сопровождающегося дальнейшим развитием схватывания контактных поверхностей, образования в зоне контакта общих зерен или новых фаз, устранения пористости.
К первой группе относятся методы, характеризующиеся либо малой длительностью процесса, либо низкой температурой (< 0,5Тпл). Эго способы сварки с высокоинтенсивным (сварка взрывом) и среднеинтенсивным (прокатка порошка) силовым воздействием. Процесс сварки частиц порошка в этой группе заканчивается схватыванием контактных поверхностей.
Способы компактирования второй группы осуществляются в условиях высокой температуры и большой длительности процесса, что позволяет классифицировать их как способы сварки с низкоинтенсивным силовым воздействием типа диффузионной сварки. В этом случае процесс заканчивается образованием в зоне контакта зерен или фаз.
Процессы компактирования гранул: горячее изостатическое прессование, компактиравание с помощью промежуточных сред, прямое компактиравание на гидравлических прессах в контейнере с глухой матрицей, экструзию — можно рассматривать как разновидности диффузионной сварки.
Наиболее перспективным методом повышения выхода годного, снижения стоимости, потенциального повышения свойств титановых деталей является технология получения нетто-деталей путем горячего изостатического прессования.
Компактирование методом ТИП быстрозакаленных порошков титановых сплавов применяют в связи с тем, что детали авиакосмической техники обычно должны обладать повышенным сопротивлением усталости, что обеспечивается только при 100 %-ной плотности, В настоящее время этим требованиям лучше всего удовлетворяют заготовки, повергнутые ГИП.
Достигаемые высокие механические свойства, изотропность свойств, потенциальные возможности получения высокого КИМ и снижения объема механической обработки определяют ГИП быстрозакаленных порошков как весьма привлекательный метод производства ряда деталей.
Для горячего изостатического прессования характерны достаточно большая продолжительность (порядка 4 ч), высокие интенсивность силового воздействия и температура процесса. Следует отметить, что при ГИП много времени занимают подготовительные и заключительные операции, а именно подъем температуры и давления, процесс охлаждения до температуры, при которой можно открывать газостат, не опасаясь вывести из строя молибденовые нагреватели. Полезное время цикла, т.е. выдержка при заданных температуре и давлении, составляет лишь 20—25 % от продолжительности всего цикла.
Для устранения этого недостатка в конструкциях газостатов применяется принудительное охлаждение садки путем установки внутреннего теплообменника, в котором охлаждается циркулирующий рабочий газ. Это позволяет значительно (примерно в шесть раз) сократить время охлаждения загрузки без ущерба для нагревателей и качества получаемых изделий.
Горячее изостатическое прессование гранул осуществляется при напряжениях, превышающих предел текучести сплава при заданной температуре, что приводит к активизации поверхностей контакта между гранулами и их схватыванию.
Вследствие достаточно длительного воздействия температуры и давления процесс подобен диффузионной сварке, осуществляемой в условиях ползучести (постоянные напряжения и температура). Прочность зон контактов по окончании процесса равна прочности основного материала в том случае, когда структура этой зоны не отличается от структуры основного материала.
Компактирование ГИП порошков осуществляют либо по методу герметично запаянных металлических капсул, либо с применением керамических форм обычно в двухфазной области при температурах - 850—950 °С и давлении от 100 до 150 МПа.
Ввиду высокого сродства титана к кислороду и другим атмосферным газам компактирование порошков титановых сплавов проводят в вакууме или в нейтральной атмосфере.
Керамические формы изготовляют по методу выплавляемых восковых моделей. Однако в отличие от прецизионного литья, где усадка жидкого металла при затвердевании составляет ~ 7 %, оболочковая форма для ГИП должна обеспечивать усадку на 35 % в процессе компактирования порошка. Это значит, что при температуре и давлении, применяемых в процессе ГИП с использованием порошка огнеупорного материала для передачи давления, оболочковая форма сжимается, и все поверхности беспрепятственно перемешаются.
Главным техническим требованием, предъявляемым к процессу с керамическими формами, является разработка комбинации покрытий формы, которые были бы химически нейтральны по отношению к титану и обеспечивали четкое воспроизведение формы в процессе компактирования порошка.
Применение керамических форм при ГИП порошков титановых сплавов позволило повысить КИМ от 28 до 81 %, снизить стоимость на 25—40 % и сократить сроки поставки деталей авиационной техники на 50 %.
При выборе температуры компактирования принимают во внимание следующие критерии:
— повышение пластичности гранул, снижение давления, обеспечивающего деформацию гранул с образованием физического контакта между ними, активацию и схватывание контактных поверхностей;
— растворение тонкой оксидной пленки (< 30 нм) на поверхности гранул, которая может быть устранена также предварительным вакуумным отжигом;
— увеличение скорости самодиффузии, обеспечивающей снижение пористости и надежную диффузионную сварку гранул.
Температура компактирования титановых сплавов должна превышать 850 °С и может находиться либо в (α+β)-области, либо в высокотемпературной β-области. В первом случае формируется преимущественно глобулярный тип структуры (рис. 13.9, о), а во втором — структура пластинчатого типа (рис. 13.9, б). Структура глобулярного типа жаропрочных титановых сплавов характеризуется более высоким сопротивлением зарождению трещин, а пластинчатая структура имеет более высокое сопротивление развитию трещин.
Получение компактных полуфабрикатов и изделий из титановых сплавов

Путем отжига глобулярной структуры при температурах, близких к температуре полиморфного превращения Тпл сплава, можно получить глобулярно-пластинчатую структуру, обладающую свойствами структур обоих типов.
Компактирование гранул титанового сплава ВТ3-1 при давлении 40—50 МПа и температуре 850 °С позволяет получить полуфабрикат с остаточной пористостью - 0,3 %, а при температуре 900 °С — с остаточной пористостью - 0,15 %. Увеличение давления до 130 МПа обеспечивает получение металла практически без пор.
В случаях, когда в структуре компактных полуфабрикатов из жаропрочных титановых сплавов после ГИП выявляются наследственные границы гранул, разрушение косит межгранульный характер.
Более высокую прочность и пластичность при растяжении имеет материал с (α+β)-структурой после ГИП и отжига.
Материал с крупным первичным β-зерном, получаемый компактированием при температуре β-области имеет пониженную пластичность. Разрушение, вызванное наличием включений в порошке, может привести к существенному снижению пластичности после образования шейки, но мало влияет или совсем не влияет ка прочность или равномерное удлинение.
После проведения ГИП в (α+β)-oбласти и отжига можно получить такие же или более высокие механические свойства на растяжение, как и в случае кованого материала.
Механические свойства сплава Ti—6Аl—6V—2Sn, полученного методом металлургии гранул после ГИП и вакуумного отжига при 705 °С, 10 ч: предел прочности 1030 МПа, предел текучести 980 МПа, удлинение 18 %, поперечное сужение 35 %.
Преимущества мелкозернистой структуры и однородности свойств, достигаемые с помощью металлургии быстрозакаленных порошков, будут особенно четко проявляться в сплавах, термически обработанных до высокой прочности, когда вязкость и пластичность ограничены.
Переход к деталям массой от 9 до 23 кг открывает перспективу существенного повышения КИМ (- 80—90%), снижения стоимости на 50 % и на столько же сокращения сроков поставки.
В настоящее время рассматривается возможность разработки технологии ГИП при пониженных давлениях - 14 МПа вместо обычно применяемых давлений 100—150 МПа с целью устранения взрывоопасности при горячем изостатическом компактировании и при последующем вскрытии не полностью герметичных капсул.
Поскольку предел ползучести компактируемого порошка должен быть ниже рабочего давления, т.е. порядка 10—15 МПа, то требуется повышение температуры ГИП. При этом могут возникнуть трудности с подбором материала для капсул, достаточно инертного к компактируемому материалу. Кроме того, высокая температура газостатирования нежелательна, поскольку при ней огрубляется структура готового изделия.
Компактирование быстрозакаленных гранул с помощью промежуточных сред на гидравлических прессах отличается от горячего изостатического прессования значительно более высокой интенсивностью силового воздействия при меньшей его продолжительности при заданной температуре (процесс все время идете понижением температуры). Схема приложения нагрузки та же, что и при горячем изостатическом прессовании, т. е. всестороннее сжатие. Данный метод можно отнести к первой группе способов горячего компактирования. Процесс, как правило, заканчивается схватыванием контактных поверхностей.
Компактирование гранул на гидравлических прессах методом экструзии отличается схемой приложения нагрузки, при которой в очаге уплотнения развивается интенсивная сдвиговая деформация, и коротким временем прессования (несколько секунд).
Горячее вакуумное прессование обеспечивает компактирование порошка в нагретых штампах под вакуумом на обычном гидравлическом прессе.
После достижения вакуума штампы и порошок нагреваются до температуры 925—955 °С с помощью индуктора. Компактирующее давление - 70 М Па создается с помощью гидравлического пресса и поддерживается до окончания процесса компактирования.
Применение жестких штампов обеспечивает строгие допуски по размерам и возможность ограничиться травлением для окончательной обработки изделия.
Для повышения свойств компактных изделий из быстрозакаленных гранул титановых сплавов применяется горячая деформация. Изотермическая штамповка, которая является перспективным методом горячей деформации высокопрочных титановых сплавов, позволяет существенно повысить коэффициент использования металла.
Горячая деформация компактной заготовки (α+β)-титанового сплава ВТ9 повышает на 110—150 МПа кратковременную прочность при 20 и 500 °С, поперечное сужение возрастает с 24 до 40 % при деформации в (α+β)-области. Долговечность при 500 °С и напряжении 600 МПа возрастает в два раза с - 100 ч в исходных заготовках до 200 ч и более после термомеханической обработки. Влияние степени горячей деформации существенно проявляется уже при значениях - 20 %, и дальнейшее ее увеличение приводит к незначительному приросту прочности, но более существенному — до ~ 47 % — приросту пластичности (поперечного сужения).
Повышение механических свойств после горячей деформации в (α+β)-области является результатом формирования более однородной структуры полуфабриката, полученного горячим изостатическим прессованием и имеющего вследствие малой и неоднородной деформации в процессе ГИП практически недеформированную литую структуру в зонах, соответствующих центральным областям исходных гранул.
В настоящее время установлено, что метод металлургии гранул в равной степени применим к титановым сплавам различных классов: отечественным ВТЗ-1, ВТ6, ВТ22 и др., зарубежным Ti—6Аl—4V, Ti—6Аl—6V—2Sn, Ti—6Аl—2Sn—4Zn—2Мо, Тi—6Аl—2Sn—4Zn-6Мо и Ti—10V—2Fе—3Аl.
Компакты из быстрозакаленных гранул серийных титановых сплавов, полученные горячим газостатическим прессованием, имеют однородную мелкозернистую макроструктуру и высокие механические свойства при растяжении вплоть до 600 °С. Длительная жаропрочность при температурах, не превышающих 450 °С, гранулируемых и деформированных титановых сплавов практически одинакова. В то же время при более высоких температурах длительная жаропрочность гранулируемых сплавов ниже, чем деформированных. Кроме того, при этих температурах они обнаруживают чувствительность к надрезу.
Многоцикловая выносливость компактов из гранул, как правило, ниже, чем материала, полученного деформацией слитка.
При различных видах усталостных испытаний (мало- и многоцикловых) изломы деформированных и гранулируемых материалов одинаковы и состоят из трех основных зон: очага, зоны распространения трещин и зоны долома. Своеобразное поведение компактов в данном случае состоит в том, что очагом преждевременного разрушения здесь являются дефекты в виде инородных включений, расположенных на границах стыков гранул, а также пачки грубых α-пластин, образующихся при длительных выдержках и медленном охлаждении в процессе ГИП.
Наличие дефектов размерами, не превышающими определенной критической величины - 50 мкм, не вызывает снижения выносливости, Вид и форма дефекта влияют на его критический размер, Хотя полностью удалить загрязнения из порошка не удается, величину и количество посторонних частиц можно контролировать, тем самым уменьшая их влияние на усталостные характеристики.
Развитие порошковой металлургии титановых сплавов, и в частности ее современного направления — порошковой металлургии быстрозакаленных гранул, создает основу для получения новых жаропрочных и конструкционных титановых сплавов с повышенным комплексом свойств, а также для разработки дисперсно- и дисперсионно-упрочненных сплавов, композиционных материалов на основе титана.
Установлено, что высокие скорости кристаллизации (10в4—10в6 К/с) могут привести благодаря измельчению микроструктуры к повышению механических свойств традиционных сплавов типа Ті—6Аl—4V. Кроме того, эта технология позволяет создавать сплавы на основе системы Ті—Р3М, что невозможно при традиционной металлургии слитков.
Методом ГИП гранул титановых сплавов получены крупные авиационные детали, такие, как кронштейн, лонжерон, шпангоут мотогондолы, ротор компрессора двигателя для ракет, опоры турбины двигателя, центробежное колесо газотурбинного двигателя и т.д.