Обоснование и разработка водородной технологии производства деформированных полуфабрикатов из титановых сплавов

Технический прогресс в такой державе мирового уровня, как Россия, невозможен без перманентной технологической модернизации на всех уровнях экономики и промышленности. Технологическая революция второй половины 20 века выявила ряд приоритетных направлений инновационного развития, ставших основными как для-СССР, так и для его полноправной преемницы — Российской федерации в 21 веке. Одним из этих направлений обоснованно является разработка конструкционных и жаропрочных материалов и технологий их обработки. Сплавы на основе титана занимают достойное место в ряду таких материалов благодаря высокому комплексу механических свойств и > эксплуатационных характеристик, отличной коррозионной стойкости и высокой удельной прочности [1−6]. Это предопределяет высокий интерес к ним не только авиа-, ракето-, судостроительных отраслей промышленности, но и медицины и автомобилестроения, химического машиностроения.

Однако, несмотря на огромные потенциальные возможности титановых сплавов, их применение в изделиях новой техники недостаточно широко. Это обусловлено высокой стоимостью традиционных технологий производства полуфабрикатов и изделий [7, 8], а также необходимостью использования сложного энергоёмкого оборудования. Поэтому разработка и внедрение инновационных технологий обработки титановых сплавов, несомненно, является актуальной задачей текущей модернизации промышленности.

На рубеже 20 и 21 веков значительный прогресс был достигнут в области водородных технологий титановых сплавов (ВТТС). Большой объём теоретических и прикладных исследований по отдельным направлениям ВТТС, выполненных как за рубежом (U. Zwicker, W.R. Kerr, F. Н. Frees, О. Senkov и др.), так и российскими учёными (Колачёв Б.А., Ильин A.A., Носов В. К., Полькин И. С., Попов A.A. и др.) и обобщенный в материалах международных конференций по титану и монографиях [9−15] обоснованно подтверждает инновационный статус ВТТС.

В основе ВТТС лежит уникальность водорода как легирующего элемента заключающаяся в том, что, благодаря высокой сорбционной способности, диффузионной подвижности, сильному влиянию на фазовые превращения и структурообразование, он позволяет осуществлять обратимое легирование без изменения агрегатного состояния' материала. Благодаря этому наряду с традиционными технологическими факторами воздействия! (температура, давление, степень и скорость деформации) появляется дополнительный и весьма эффективный фактор, позволяющий оперативно изменяя химический состав сплава управлять его фазовым составом и структурой: Практическое использование этого фактора позволяет создавать как принципиально новые технологии, например термоводородная обработка (ТВО) [14, 16], так и модернизировать известные: водородное пластифицирование при горячей, теплой и холодной деформации [13, 17, 18], механоводородная обработка'' [19,• 20], диффузионная сварка [21], компактирование порошков и гранул [22−24], переработка стружки титановых сплавов без переплава [25, 26], формирование титановых отливок в атмосфере водорода при литье в водородосодержащие формы [27, 28] и другие.

В отношении металлов, не обладающих полиморфизмом (Nb, Pd), Гольцовым В. А. было' обнаружено явление водородофазового наклепа, обусловленного гидридным превращением, индуцированным-водородом. Это дало основания сформулировать новую парадигму материаловедения-[29−31], согласно которой водород рекомендуется рассматривать как полезный легирующий элемент, контролируемое и обратимое введение которого в металл позволяет создавать структуру и повышенный комплекс физико-механических свойств, недостижимые традиционными видами термической обработки.

Наиболее глубокие и тщательные исследования1 проблем, связанных с ВТТС, и их решений в последние 20 лет в России были выполнены специалистами МАТИ — членами научной школы академика РАН Ильина A.A. в содружестве с отраслевыми институтами авиационной промышленности (ВИЛС, ВИАМ, НИАТ, НИИД, НИИСУ). В работах Ильина A.A., Коллерова МЯО., Мамонова А. М.,.

Скворцовой C.B. были разработаны основные аспекты базовой составляющей ВТТС — термоводородной обработки (ТВО). Такой акцент вполне оправдан. ТВО, с одной стороны, является универсальным способом создания оптимального структурного состояния титановых сплавов, а с другой — технология ТВО включает в себя минимальный набор дополнительных операций (легирование водородом заготовок и вакуумную дегазацию изделий с целью достижения безопасного содержания водорода), без освоения которых на промышленном уровне реализация ВТТС вообще невозможна. Успехи, достигнутые в* этом направлении, систематизированы в монографии «Водородная технология титановых сплавов» [15], в которую вошли и результаты научных исследований автора данной диссертации.

Значительный вклад в разработку научно-практических основ реализации ВТТС в процессах обработки металлов^ давлением внесли работы, выполненные под руководством проф. Носова В. К. m базирующиеся накомплексном анализе взаимосвязи между водородным"легированием и металлофизическими процессами, протекающими в деформируемом металле. Они позволили обосновать технологические режимы использования водородного пластифицирования в процессах получения деформированных полуфабрикатов из титановых сплавов.

Преодолению закономерного страха специалистов по обработке и применению титановых сплавов перед водородной-хрупкостью посвящены работы Б. А. Колачёва с коллегами [32−35]. Очевидно, что без научного обоснования предельно допустимого и безопасного содержания водорода, а так же способов борьбы с водородной хрупкостью в элементах конструкций широкое применение титановых сплавов в изделиях авиационной и космической отраслей было невозможным. Исторически примечательным является тот факт, что исследования водородной хрупкости титановых сплавов, проведённые в 60−80-х годах прошлого века, решали проблемы традиционных технологий обработки, а ВТТС совершала первые шаги на пути своего развития. Однако результаты этих исследований заложили прочный фундамент в основание ВТТС, сформировавшейся как научное направление в технологиях титановых сплавов лишь на рубеже 20 и 21 веков. Это объективно свидетельствует о том, что разработка и внедрение ВТТС стали неизбежным этапом на пути инновационного развития отечественных металлургической и машиностроительной отраслей промышленности.

К настоящему времени результаты теоретических и прикладных исследований в области ВТТС, а также опыт практического применения операций легирования водородом и вакуумной дегазации позволили реализовать в промышленных условиях базовую составляющую ВТТС — термоводородную обработку (ТВО). Успехи, достигнутые ЗАО «Имплант МТ» в направлении использования ТВО для производства медицинских имплантатов, при данном технологическом уровне" производства вполне могут быть тиражированы по промышленным предприятиям отрасли.,.

Следующим качественным скачком в направлении развития ВТТС должно стать промышленное освоение водородной технологии производства деформированных полуфабрикатов из титановых сплавов с заданным уровнем свойств. Несмотря на большое количество научных публикаций по этой проблеме, многие вопросы, связанные с определением общих закономерностей влияния водорода на технологические свойства титановых сплавов и с поиском оптимальных температурно-концентрационных режимов деформации, обеспечивающих формирование требуемой структуры и свойств, остаются открытыми. Актуальность решения этих проблем очевидна и объективно обусловлена тем, что процесс разработки новых сплавов на основе титана в рамках известных классов далеко незавершён.

Цель работы состояла в разработке научных принципов водородных технологий производства и обосновании параметров обработки деформированных полуфабрикатов из титановых сплавов разных классов, обеспечивающих заданный комплекс свойств, на основе установления закономерностей влияния фазового состава и структуры, формирующихся водородным легированием, на технологические и механические свойства.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. На основании результатов исследований модельных титановых сплавов установить общие для каждого класса закономерности, связывающие фазовый состав и свойства, определяющие технологичность в операциях обработки металлов давлением.

2. Разработать научно обоснованную реологическую модель деформационного поведения водородсодержащих титановых сплавов разных, классов в характерных фазовых областях.

3. Провести оценку эффективности ВТТС на примере исследования деформационных свойств промышленных и опытных титановых сплавов разных классов, легированных водородом, и на её базе обосновать критерии выбора оптимальных параметров реализации ВТТС для производства деформированных полуфабрикатов.

4. Разработать технологические схемы реализации ВТТС в рамках промышленного производства деформированных полуфабрикатов из титановых сплавов.

5. Обосновать технические параметры вакуумно-водородных систем, обеспечивающих выполнение операций легирования водородом и дегазации.

6. Исследовать влияние ВТТС на механические свойства полуфабрикатов и изделий из промышленных и опытных титановых сплавов.

7. На основании установленных закономерностей разработать комплексные водородные технологии получения деформированных полуфабрикатовиз титановых сплавов, обеспечивающие получение необходимого комплекса технологических и эксплуатационных свойств.

Научная новизна состоит в следующем:

1″. На основании результатов комплексных исследований водородсодержащих титановых сплавов Т1 (ВТ 1−00), Ть6А1 и Т1−6А1−4У (ВТ6), последовательно отличающихся друг от друга системами легирования, определены базовые закономерности влияния водородного легирования на деформационное поведение титановых сплавов разных классов. Установлена тесная взаимосвязь между качественным и количественным фазовым составом водородсодержащих титановых сплавов и динамикой изменения сопротивления деформации в широком температурном интервале.

2. Установлено, что легирование водородом технического титана ВТ1−00 ослабляет влияние динамического деформационного старения, характерного для нелегированных металлов. Атомы водорода, обладающие высокой. диффузионной подвижностью в кристаллической решётке титана, образуют атмосферы вокруг новых дислокаций, блокируяформирование вокруг них атмосфер существенно менее подвижных примесных атомов кислородауглерода и азота. Результатом действия-этого механизма является снижение сопротивления деформации а-титана с увеличением1 концентрации водорода^ широком температурном диапазоне 200 -г-800°С. Эффект проявляется в пределах а-области на установившейся стадии пластического течения при температурах ниже 500 °C, что полностью соответствует условиям конденсации водорода на дефектах кристаллического строения.

3. Исследовано влияние химического состава Р-твёрдого раствора титана на-интенсивность его растворного упрочнения водородом. На основании анализа экспериментальных данных установлено, что по сравнению со степенной экспоненциальная зависимость более адекватно отражает растворное упрочнение водородом. Р-титана с достоверностью аппроксимации не хуже Я2=0,9978⁰, 9987. Показано, что увеличение степени легированности р-твёрдого раствора как атак и р-стабилизаторами однозначно сопровождается ростом интенсивности растворного упрочнения водородом.

4. На основании ^ совместного анализа зависимостей фазового состава, степени легированности фаз и сопротивления деформации от содержания водорода установлены фундаментальные закономерности деформационного поведения водородсодержащих титановых сплавов, в двухфазной (а+Р)-области. В этих условиях влияние водорода существенно выше, чем в однофазных аи р-областях. Установлено, что в (а+Р)-области основными факторами влияния являются, соотношение прочностей совместно деформирующихся аи Р~фаз и их объёмное соотношение, при этом появление в составе сплава Р-фазы и увеличение её объёмной доли до предела, определяемого классом сплава, во всех случаях усиливает деформационное разупрочнение.

5. На основе анализа количественного фазового состава и напряжений течения 'водородсодержащих сплавов в температурном диапазоне (а+р)-области предложено структурно компенсированное правило смесей, в виде.

Ч (а+Р) = (Па'Ча + Пр-Яр)-(1-Сй-Па-Пр), где со — коэффициент, обратно пропорциональный параметру Зинера — Холомона Ъ = ё-ехр (СУЯТ). Показано, что температурные зависимости коэффициента со для а-сплавов ВТ 1−00 и Ть6А1 в интервале 500-^-900°С подчиняются единой закономерности, что подтверждает работоспособность структурно компенсированного правила смесей. Предложенный вид правила смесей адекватно отражает напряжения течения исследованных водородсодержащих сплавов в (а+Р)-области с погрешностью, не превышающей ±(7−5-8)% для технического титана ВТ1−00 и Ть6А1 и ±12% для сплава ВТ6.

6. Разработана реологическая модель деформационного поведения водородсодержащих титановых сплавов в зависимости от качественного и количественного фазового состава при температурах выше 600 °C, включающая в себя:

• в а-области: разупрочнение нелегированного титана за счёт ослабления динамического деформационного старения и> растворное упрочнение водородом а-твёрдого раствора Ть6А1;

• в (а+р)-области: экстремальную зависимость сопротивления деформации от концентрации водорода и объёмного соотношения фаз, выражаемую структурно компенсированным правилом смесей, с минимумом, положение которого зависит от системы легирования сплава.

• в [3-области: упрочнение Р-твёрдого раствора водородом, выражаемое экспоненциальной зависимостью, интенсивность которого прямо пропорциональна содержанию водорода и степени легированности сплава и обратно пропорциональна температуре деформации.

7. Для условий холодной деформации высокопрочных титановых сплавов переходного класса установлено, что в закалённом состоянии основным механизмом влияния водорода является повышение устойчивости р-фазы к мартенситному превращению в процессе деформации с увеличением содержания водорода. Переход от мартенситного механизма к скольжению в однофазной р-структуре способствует снижению усилий деформирования и повышению пластичности. Сопротивление деформации и пластичность отожжённых сплавов являются результатом конкуренции противоположных факторов: формирование мелкодисперсной структуры при охлаждении, вызывающее упрочнение и снижение пластичностиснижение степени легированности р-фазы из-за роста её объёмной доли, обеспечивающее снижение сопротивления деформации и рост пластичности. Первый преобладает при содержании водорода менее 0,15% (здесь и далее масс.), второй при легировании сплавов 0,3%Н'и более.

8. Установлено, что характер влияния водорода на сопротивление деформации при температурах ниже 500 600°С определяется принадлежностью сплава к псевдо-а или (а+Р)-классу, содержанием Р-стабилизаторов, объёмной долей р-фазы и степенью её легированности. При наличии противоположных по влиянию на сопротивление деформации процессов: увеличения объёмной доли Р-фазы (более прочной при этих температурах) при легировании водородом и снижения степени легированности Р-фазы, на примере сплавов двух классов показано, что для псевдо-а сплава ВТ20 определяющую роль играет первый процесс, что приводит к увеличению прочности наводороженного сплава. Для (а+Р)-сплава ВТ25У наибольшее влияние имеет снижение степени легированности Р-фазы, поэтому при температурах ниже 500 -ь 600 °C наблюдается снижение сопротивления деформации наводороженного сплава.

9. Для условий горячей деформации установлено, что степень. легированности сплава (3 — стабилизаторами существенным образом определяет эффект от легирования водородом в области низких скоростей деформации (около 10″ 4 с" 1), близких к скоростям ползучести. Упрочнение при легировании водородом сплава ВТ25У наблюдается, уже при температурах двухфазной (а+Р) — области водородсодержащего сплава, тогда как для' сплава' ВТ20 с меньшим содержанием рстабилизаторов аналогичное явление имеет место лишь в ^— области:

10. Установлено, что для титановых сплавов с интерметаллидным упрочнением Т13А1 в двухфазных (а+Р) — и (а2+Р)-областях характеризменения сопротивления деформации с ростом содержания водорода зависит от интенсивности увеличения объёмной: доли Р-фазы. При концентрации водорода (Сц) менее 0,3% рост объёмной доли Р-фазы опережает её растворное упрочнение водородом, поэтому сопротивление деформации быстро снижается: При Сц>0,3% напротив, из-за снижения интенсивности увеличения объёмной доли Р-фазы преобладает её растворное упрочнение водородом, и снижение напряжений течения с ростом Сн замедляется.

Практическая значимость работы:

1. Определены оптимальные температурно-концентрационные параметры использования водородного пластифицирования (ВП) в* технологиях производства деформированных полуфабрикатов из сплавов разных классов. Установлены области наиболее эффективного применения ВП:

• В технологических процессах холодной ОМД водородное пластифицирование целесообразно для повышения пластичности и снижения сопротивления деформации высокопрочных титановых сплавов переходного класса типа ВТ22, ВТ22И, 'П-10−2-3. Модификация фазового* состава сплавов путём водородного легирования в этих условиях обеспечивает улучшение таких специфических показателей технологичности для листовой штамповки, как коэффициенты вытяжки и отбортовки, минимальный радиус гибки. Показано повышение эффективности использования ВП при производстве листовых полуфабрикатов и изделий, полученных из них листовой штамповкой.

• В процессах, основанных на тёплой деформации и характеризующихся неполным протеканием, динамической рекристаллизации, использование ВП оправдано в целях повышения технологической пластичности труднодеформируемых жаропрочных псевдо-а и. (а+р)-сплавов типа ВТ20 и ВТ25У. Повышение объёмной доли пластичной р-фазы с одновременным снижением степени! её легированности. и облегчением протекания динамической рекристаллизации позволяет значительно" повысить предельную степень деформации без промежуточных отжигови увеличить производительность, например, тёплой листовой прокатки.

• В технологических процессах горячей* деформациипромышленных жаропрочных титановых сплавов и высокожаропрочных сплавов с интерметаллидным упрочнением применение ВП обеспечивает уменьшение объёмной доли труднодеформируемых аи оь-фаз и смещение объёмного фазового соотношения в пользу высокопластичной! Р-фазы. В совокупности с увеличением полноты протекания динамической полигонизации и рекристаллизации это позволяет, например, снизить температуру традиционной изотермической штамповки на 100 -к 120 °C и применять в качестве материала штампов более технологичные, деформируемые или порошковые сплавы на никелевойоснове взамен труднообрабатываемых литейных. Водородное пластифицирование высокожаропрочных титановых сплавов с интерметаллидным упрочнением и сплавов на. основе а2-фазы переводит их по технологичности в разряд промышленных. жаропрочных деформируемых титановых сплавов:

2. Определено место водородной технологии в технологической схеме изготовления деформированных изделий из титановых сплавов. Предложены 4 варианта использования! ВТТС, отличающиеся широтой охвата операций общей технологической схемы: короткий, средний, длинный и сквозной циклы. Проведён анализ возможностей реализации этих вариантов в современных условиях технической и технологической оснащённости производства.

3. На основании анализа характеристик и конструкции существующих вакуумных печей сформулированы требования к проектированию промышленных вакуумно-водородных установок (ВВУ), предназначенных для легирования водородом заготовок из титановых сплавов. На базе сформулированных требований разработана конструкция ВВУ средней мощности и изготовлен рабочий экземпляр установки, обеспечивающий производительность 6800 кг титановых заготовок в год. Впервые определена себестоимость наводороживающего отжига в промышленных условиях, не превышающая 350 руб./кг.

4. Разработаны и опробованы в лабораторных и опытно-промышленных условиях водородные технологии холодной листовой прокатки и холодной листовой штамповки изделий из высокопрочных титановых сплавов ВТ22 и ВТ22И, тёплой листовой прокатки жаропрочных титановых сплавов ВТ20 и ВТ25У, горячей прокатки фольги из сплава на основе интерметаллида Т1зА1, выдавливания фасонных заготовок из сплавов ВТ20 и ВТ25У, изотермической штамповки заготовок лопаток и дисков компрессора ГТД из сплава ВТ20. Предложенные водородные технологии обеспечивают повышение производительности, выхода годного, дают возможность изготовления новых видов деформированных полуфабрикатов из титановых сплавов, позволяют снизить затраты на изготовление инструмента и оснастки, формируют заданный уровень технологических и эксплуатационных свойств.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. На основании результатов систематических экспериментальных и теоретических исследований трёх сплавов на основе титана, последовательно отличающихся друг от друга набором и характером легирующих элементов: Т1 (ВТ1−00), П-6А1 и 'П-6А1−4У (ВТ6), установлены базовые закономерности влияния водородного легирования на деформационное поведение титановых сплавов в типичных фазовых областях: а-, (а+Р) — и Р-области. Установлена взаимосвязь между изменением качественного и количественного фазового состава, происходящим при легировании водородом, и сопротивлением деформации модельных сплавов.

2. Разработана реологическая модель деформационного поведения водородсодержащих титановых сплавов в типичных фазовых областях при температурах выше 600 °C, включающая в себя:

• в а-области: разупрочнение нелегированного титана за счёт ослабления эффекта динамического деформационного старения вследствие конденсации водорода на дефектах кристаллического строения. Атомы водорода, обладающие высокой диффузионной подвижностью в решётке титана, занимают свободные междоузлия рядом с новыми дислокациями, блокируя образование вокруг них. малоподвижных атмосфер из примесных атомов кислорода, углерода и азота. Максимальное разупрочнение наблюдается на установившейся стадии пластического течения в интервале температур 300 ч-500°С при предельном содержании водорода в рамках фазовой области. Легирование а-титана алюминием, сопровождающееся сильным искажением кристаллической решётки, «выключает» этот эффект и, сопровождается лишь растворным упрочнением водородом:

• в (а+р)-области: экстремальную зависимость сопротивления деформации от концентрации водорода, объёмного соотношения фаз и соотношения прочности фаз, отражаемую структурно компенсированным правилом смесей:

Я (а+Р) = (Па'Ча + Пр-Яр>(1-С0'Па-Пр), где ю — коэффициент, обратно пропорциональный параметру ЗинераХоломона Z = е-ехр (С)/КТ). В этой фазовой области легирование титана аи (3-стабилизаторами принципиально определяет зависимость объёмной доли р-фазы (пр) от концентрации водорода (Сн) в одинаковых температурных условиях, поэтому положение минимума сопротивления деформации зависит от системы легирования-сплава. • в р-области: упрочнение р-твёрдого раствора водородом, выражаемое экспоненциальной зависимостью, интенсивность которого прямо пропорциональна содержанию водорода и степени легированности сплава-и обратно пропорциональна температуре деформации: б • ехр (р-Сн) где з и р — константы, зависящие от материала и условий деформации. Установлено, что в условиях холодной пластической деформации водородное пластифицирование наиболее эффективно повышает технологичность высокопрочных титановых сплавов типа ВТ22, ВТ22И, Ть 10−2-3. На основании результатов комплексных исследований влияния температурно-концентрационных режимовводородного легирования на фазовый состав4 и структуру показано, что для сплавов в закалённом состоянии водород повышает стабильность Р-фазы к мартенситному превращению в процессе деформации. При этом переход к скольжению в однофазной. Р-структуре способствует снижению усилий деформирования и повышению пластичности при нормальной температуре. Сопротивление деформации и пластичность сплавов в отожжённом состоянии являются результатом конкуренции противоположных процессов: формирование мелкодисперсной структуры при охлаждении со скоростью, промежуточной* по отношению к У°кр1 и У0Кр2, вызывающее упрочнение и снижение пластичностиснижение степени легированности р-фазы из-за роста её объёмной доли, обеспечивающее снижение сопротивления деформации и рост пластичности. Первый процесс преобладает при содержании водорода менее 0,15%, второй при легировании сплавов 0,3%Н и более.

Сопоставление высокопрочных титановых сплавов ВТ22, ВТ22И, 11−10−2-3 по химическому составу позволяет определить базовые закономерности влияния' водорода на деформационное поведение в. рамках данного класса сплавов: Установлено, что содержание алюминия более 3% в сплавах переходного класса приводит к снижению эффективности водородного пластифицирования в условиях холодной деформации: Основной причиной этого является растворное упрочение Р-фазы алюминием: При одинаковом суммарномколичестве р-стабилизаторов' эффективность водородного^ пластифицирования зависит от их качественного состава: Заменаванадия ' па молибден: благодаря." меньшему размерному несоответствию атомов Мо^ и^Тл, обеспечивает более интенсивное снижение сопротивления деформации и рост пластичности.

Исследовано влияние: водородана сопротивление деформации, ш пластичность жаропрочных титановых сплавов двух классов: псевдо-а ВТ20 и а+р ВТ25У в условиях тёплой" деформации. На основании": комплексного — анализа фазовых превращений идеформационного поведенияподе действием, водородного легирования установлено, что характер влияния водорода на: сопротивление деформации: при температурах ниже 500ч. 600 °C.существенным: образом зависит от принадлежности сплава к псевдо-а или (а+Р)-класеу, содержания Р-стабилизаторов, объёмной: доли р-фазы в сплаве и степени её легированности. При протекании двух противоположных по влиянию на сопротивление деформации процессов, увеличения объёмнойдоли. Р-фазы при легировании водородом и снижения степени легированности Р-фазы, на примересплавов двух классов показано, что для псевдо-а сплава ВТ20 определяющую роль играе т первый процесс, что приводит к увеличению прочности наводороженного сплава. Для (а+Р)-снлава ВТ25У наиболее заметное влияние оказывает снижение степени легированности р-фазыпоэтому при? температурах ниже 500 ч- 600 °C имеет место снижение сопротивления деформации водородсодержащего сплава. Установленочто увеличение объёмной доли Р-фазы, достигаемое водородным легированием сплавов ВТ20 и ВТ25У, способствует облегчению протекания динамических разупрочняющих процессов при температурах деформации 350 ч-650°С и, в частности, бездиффузионного процесса динамического возврата, выступающего в качестве основного механизма релаксации напряжений в этом температурном интервале. Это, в совокупности с более высокой пластичностью р-фазы по сравнению с а-фазой, обеспечивает 5 ч- 6 — кратное увеличение пластичности сплавов при температурах тёплой деформации. На основании результатов проведённых исследований оптимизированы температурно-концентрационные режимы использования эффекта водородного пластифицирования в условиях тёплой деформации сплавов ВТ20 и ВТ25У. Наибольшее повышение технологичности достигается при концентрациях водорода 0,3 ч- 0,6 и 0,3 ч- 0,5% соответственно' и нижней границе температурного интервала деформирующей операции не менее 450 ч- 500 °C.

7. Проведены систематические исследования эффекта водородного пластифицирования в условиях горячей деформации промышленных жаропрочных титановых сплавов двух классов: псевдо — а — ВТ20 и (а+р) -ВТ25У в широком интервале скоростей деформации. Подтверждены фундаментальные механизмы благоприятного влияния водорода на повышение технологичности, заключающийся в увеличении объёмной доли менее прочной р — фазы, снижении степени её легированности р — стабилизаторами и уменьшении объёмной, доли более жаропрочной, а — фазы. Показано, что для (а+Р) — сплава с повышенным содержанием р — стабилизаторов и относительно высокой объёмной долей р: — фазы (ВТ25У) максимальная эффективность водородного пластифицирования обеспечивается при меньшем содержании водорода, чем для псевдо — а сплава ВТ20. Легирование водородом снижает интенсивность динамических разупрочняющих процессов при температурах выше 800 °C. Основной причиной является уменьшение объёмной доли динамически рекристаллизующейся, а — фазы.

8. На примере сплавов ВТ20 и ВТ25У показано, что деформирование со скоростями, близкими к скорости ползучести (10″ 4 с" 1), в условиях горячей деформации сопровождается увеличением размеров частиц первичной, а — фазы. С увеличением температуры деформации и соответствующей активизацией диффузионных процессов этот эффект усиливается. Установлена тесная взаимосвязь между укрупнением первичного a-зерна и монотонным деформационным упрочнением или установившимся течением, измельчением зерна и спадом усилий на кривых течения. Эта связь. свидетельствует о том, что основной ролью процесса динамической рекристаллизации является достижение и поддержание в течение деформации динамически стабильного для данных термомеханических условий размера зерна.

9. На основании совместного анализа влияния водорода на фазовый состав и результатов высокотемпературных испытанийоптимизированы температурноi концентрационные режимы реализации эффектаводородного t пластифицирования в условиях горячей изотермической деформации сплавов ВТ20 и ВТ25У: содержание водорода 0,25 и 0,15% и температуры 820 ч- 825 и 850 °C соответственно. Наиболее приемлемым, интервалом скоростей деформации в изотермических условиях является 10″ 3 ч- 10″ 2 с" 1.

10. Установлены1 закономерности влияния водорода на фазовый состав и структуру титановых сплавов с интерметаллидным упрочнением (СТ4) и на. основе а2 -фазы (7115). Определена взаимосвязь между фазовым составом, структурой сплавов и динамикой разупрочняющих процессов, происходящих в процессе деформации. В отличие от промышленных жаропрочных сплавов легирование водородом в условиях горячей деформации сплава СТ4 не снижает, а для сплава 7115 повышает интенсивность деформационного разупрочнения в двухфазной (а2+Р) — области.

11. Экспериментально определено, что в двухфазной (а+р)-области сплава СТ4 и (а2+р)-области сплава 7115 характер изменения сопротивления деформации с ростом содержания водорода зависит от интенсивности увеличения объёмной доли р-фазы. При. содержании водорода менее 0,3% рост объёмной доли Р-фазы опережает её растворное упрочнение водородом, поэтому сопротивление деформации быстро снижается. При Сн>0,3% напротив, из-за снижения интенсивности увеличения объёмной доли р-фазы преобладает её растворное упрочнение водородом, и снижение напряжений течения с ростом Сц замедляется.

12. Определены оптимальные температурно-концентрационные диапазоны применения эффекта водородного пластифицирования для «высокоалюминиевых сплавов СТ4 и 7115. Для реализации водородных технологий ОМД сплава с интерметаллидным упрочнением а2-фазой СТ4 в условиях горячей деформации оптимальным является содержание водорода 0,3 ч- 0,4% в интервале температур 920 -г- 850 °C. Обеспечение достаточной пластичности труднодеформируемого сплава 7115 на основе интерметаллида Т13А1 в условиях горячей неизотермической деформации достигается при легировании его 0,3 — 0,6%Н. Горячую ОМД-сплава 7115 в изотермических условиях целесообразно проводить в температурном, интервале 900 — 950 °C при концентрации водорода около 0,45%. Соблюдение этих условий позволяет получать деформированные полуфабрикаты из указанных сплавов по режимам, соответствующим промышленным жаропрочным титановым сплавам, типа ВТ20, ВТ18У, ВТ25У без заметного увеличения-усилий деформирования.

13. На основании всестороннего анализа условий проявления эффекта ВП в условиях холодной, тёплой и горячей деформации определено место ВТТС в технологическою схеме изготовления изделий из ' титановых сплавов. Предложены 4 варианта использования ВТТС, отличающиеся широтой охвата операций общей4 технологической схемы: короткий, средний, длинный и сквозной циклы. Проведён анализ возможностей реализации этих вариантов в современных условиях технической и технологической оснащённости производства. По результатам компьютерного моделирования установлено, что эффективность ВП, выражающаяся в снижении сопротивления деформации сплава при данной температуре и определённая по данным лабораторных испытаний, практически не изменяется при переходе к промышленным процессам ОМД с ярко выраженными схемами трёхосного сжатия.

14. На основании анализа конструкции и характеристик существующих вакуумных печей сформулированы требования к проектированию промышленных ВВУ, предназначенных для легирования водородом заготовок из титановых сплавов. С учётом этих требований детально разработана конструкция ВВУ средней мощности и изготовлен рабочий экземпляр установки, обеспечивающий производительность ТВО 6800 кг титановых заготовок в год. Впервые определена себестоимость ТВО в промышленных условиях, не превышающая 350 руб./кг.

15. Результаты проведённых комплексных исследований использованы для разработки водородных технологий получения деформированных полуфабрикатов и изделий из ряда титановых сплавов, обеспечивающих проведение формообразующих операций по интенсифицированным режимам и при температурах на 100 120°С ниже серийных технологических процессов. Исследование механических свойств и эксплуатационных характеристик опытных изделий показывает возможность повышения кратковременных механических свойств в условиях нормальной и рабочей температур при сохранении уровня усталостной прочности.