Низкотемпературная сверхпластичность титанового сплава Ti-6Al-4V

Известно [1-3], что промышленные титановые листы типа ВТ6 (аналог Ti-6Al-4V) широко применяют при изготовлении различных изделий методом сверхпластической деформации. Этот сплав широко исследован при различных температурно-скоростных условиях. Он проявляет сверхпластические свойства при температурах 850 — 950 ° С и при скоростях деформации 1-10^-4 — 1^10^-2с^-1 [4]. Однако высокая температура сверхпластической деформации требует использования дорогостоящей жаропрочной оснастки и, кроме того, приводит к газонасы-щению поверхностного слоя изделия. В последние годы ОАО ВСМПО начало выпускать листы из сплава Ti-6Al-4V с улучшенными сверхпластическими свойствами [5]. Однако данных по характеристикам сверхпластичности этих листов в литературе недостаточно.

Цель работы - выявление низкотемпературной сверхпластичности титановых листов толщиной 1 и 1,5 мм из сплава Ti-6Al-4V в условиях одноосного растяжения.

Объектом исследования являлись титановые листы из сплава Ti-6Al-4V толщиной 1 и 1,5 мм с улучшенными сверхпластическими свойствами производства ОАО ВСМПО. Химический состав и механические свойства листа толщиной 1 мм приведены соответственно в табл.1, 2.

Таблица 1

Химический состав, %

	Al	V	Fe	C	O	N	H	Y	Примеси	Ti
Верх	6,09	4,27	0,25	0,005	0,146	0,003	0,0006	<0,001	0,081	Основа
Низ	6,08	4,26	0,21	0,005	0,138	0,006	0,0008	<0,001	0,081

Таблица 2

Механические свойства

Направление вырезки образца	Условный предел текучести 0,20%, МПа	Предел прочности, МПа	Относительное удлинение, %
Продольное	1044	1105	9,1
Поперечное	1064	1122	9,9

На рис. 1 представлена фотография тонкой структуры сплава Ti-6Al-4V толщиной 1 мм, сделанная в просвечивающем электронном микроскопе JEM - 2000 EX. Средний размер зерен составляет 1,1 мкм.

Рис. 1. Тонкая структура листа из сплава Ti-6Al-4V толщиной 1 мм в просвечивающем электронном

В процессе работы проводились эксперименты на растяжение. Из листового материала толщиной 1,0 и 1,5 мм изготавливались плоские образцы с продольным и поперечным направлением прокатки листового материала. Ширина рабочей части образца 5 мм, длина рабочей части 20 мм. Механические испытания на растяжение проводились на машине INSTRON 1185 при температурах 650, 700, 750 и 800 ° С и при скоростях деформирования 0,5, 5 и 50 мм/мин. Всего было испытано 48 образцов.

По результатам испытаний была определена пластичность образцов по формуле микроскопе

8 = ((lk -l0) /l0) 100 %, где l0 = 20 мм - начальная длина рабочей части образца, lk - конечная длина рабочей части образца.

Рис. 2. Сравнительный вид исходного и испытанных образцов

Истинные напряжения течения определяли по формуле о = P / F, где P - сопротивление деформации, Н, F - текущая площадь поперечного сечения образца, которую определяли из условия постоянства объема рабочей части образца.

Одной из основных характеристик сверхпластичности является коэффициент скоростной чувствительности материала m [6]. Коэффициент m определяли методом ступенчатого переключения скоростей деформирования в начале испытания каждого образца по формуле m = ln(P2/P1) / ln(V2/V1), где V1 и V2 - скорости деформирования до и после переключения; P1 и P2 - соответствующие им усилия деформирования.

Вид исходного и испытанных образцов представлены на рис. 2.

На рис. 3-6 представлены результаты механических испытаний, иллюстрирующие влияние температуры и скорости деформирования на проявление пластичности и сверхпластичности листового материала.

Рис. 3. Влияние скорости деформирования на пластичность образцов, вырезанных вдоль (прод.) и поперек (попер.) прокатки из листа толщиной 1 мм сплава Ti-6Al-4V

♦ 650 °C прод.

О 650 °C попер.

- А- 700 °C прод.

—■—750 °C прод.

□ 750 °C попер.

• 800 °C прод.

О 800 °C попер.

Рис. 4. Влияние скорости деформирования на пластичность образцов, вырезанных вдоль (прод.) и поперек (попер.) прокатки из листа толщиной 1,5 мм сплава Ti-6Al-4V

Относительное удлинение, %

Рис. 5. Влияние температуры на пластичность образцов, вырезанных вдоль (прод.) и поперек (попер.) прокатки из листа толщиной 1 мм сплава Ti-6A1-4V

♦ 50 мм/мин прод.

О 50 мм/мин попер.

▲ 5 мм/мин прод.

А5 мм/мин попер.

♦ 0,5 мм/мин прод.

0 0,5 мм/мин попер.

Температура, °C

Рис. 6. Влияние температуры на пластичность образцов, вырезанных вдоль (прод.) и поперек (попер.) прокатки из листа толщиной 1,5 мм сплава T16A14V

Как показали результаты механических испытаний (см. рис. 2 - 6), пластичность листа толщиной 1мм выше пластичности листа толщиной 1,5 мм, причем направление вырезки образцов не оказывает существенного влияния на относительное удлинение. Пластичность листа толщиной 1,5 мм увеличивается с повышением температуры и с уменьшением скорости деформирования во всем диапазоне исследованных температур и скоростей деформирования. Такой же характер изменения пластичности имеет лист толщиной 1мм при испытаниях при температурах 650 и 700 ° C. При температурах же 750 и 800 ° C пластичность достигает максимума при скорости деформирования 5 мм/мин. Дальнейшее уменьшение скорости до 0,5 мм/мин приводит к снижению пластичности. Это, по всей видимости, связано с влиянием роста зерен и газонасыщением сплава.

Рис. 7. Влияние скорости деформации и температуры на напряжение течения образцов, вырезанных вдоль (прод.) и поперек (попер.) прокатки из листа толщиной 1мм сплава Ti-6Al-4V

На рис. 7 и 8 представлены зависимости напряжения течения и коэффициента скоростной чувствительности m листового материала толщиной 1 мм от скорости деформации. Напряжение течения сплава повышается с уменьшением температуры и с увеличением скорости деформации. Видно, что влияние направления вырезки образцов на напряжение течения листа незначительное и находится в рамках разброса экспериментальных данных. Это свидетельствует об изотропно- сти напряжения течения в плоскости листа, что весьма благоприятно для сверхпластической формовки.

Скорость деформации, 1/с

Рис. 8. Влияние скорости деформации и температуры на коэффициент скоростной чувствительности m листа толщиной 1 мм

Считается, что материал проявляет сверхпластические свойства, если m > 0,3 [6]. Для температуры 650 ^О С это условие выполняется при скоростях деформации ^ < 2^10^-3 с^-1, для 700 о с - ^ < 1·10^-2 с^-1. При температурах 750 о с и 800 о с материал проявляет высокоскоростную сверхпластичность (рис. 8).

Скорость деформации, 1/с

Рис. 9. Влияние скорости деформации и температуры на напряжение течения образцов, вырезанных вдоль (прод.) и поперек (попер.) прокатки из листа толщиной 1,5 мм сплава Ti-6Al-4V

Скорость деформации, 1/с

♦ 650 °C

A 700 °C

• ■ 750 °C

О 800 °C

Рис. 10. Влияние скорости деформации и температуры на коэффициент скоростной чувствительности m листа толщиной 1,5 мм

Характер зависимостей напряжения течения и коэффициента m от скорости деформации для листа толщиной 1,5 мм аналогичен поведению материала листа толщиной 1 мм. Однако напряжение течения металла листа толщиной 1,5 мм выше, чем у листа толщиной 1 мм, а коэффициент m ниже. Влияние ориентации образцов относительно прокатки на напряжение течения и пластичность также не обнаружено. Напряжение течения образцов, вырезанных вдоль прокатки листа толщиной 1,5 мм в пределах разброса эксперимента, такое же, как и для образцов, вырезанных поперек прокатки. Лист толщиной 1,5 мм начинает проявлять сверхпластические свойства только с температуры 700 ° C при скорости деформации § < 2-10^-3 с^-1.

В результате выполненных работ установлено:

• 1.    Максимальную пластичность образцы проявили при температурах 750 и 800 ° C.

• 2.    Для листа толщиной 1 мм пластичность растет с уменьшением скорости деформации при температурах 650 и 700 ° C, а при температурах 700 и 750 ° C пластичность имеет максимум при скорости деформирования 5 мм/мин; для листа толщиной 1,5 мм пластичность растет с уменьшением скорости деформации при всех испытанных температурах.

• 3.    В пределах разброса эксперимента листы являются изотропными в плоскости листа относительно напряжения течения и пластичности в исследованном температурно-скоростном диапазоне.

• 4.    В исследованных листах выявлена низкотемпературная сверхпластичность при следующих температурно-скоростных условиях:

Для листа толщиной 1мм:

температура 650-700 ° C, скорость деформации £ < 2•10^-3 с^-1;

температура 700-750 ° C, скорость деформации £ < П10^-2 с^-1;

температура 750-800 ° C, скорость деформации 5•10^-4 с^-1< § < < 1-10^-1 с^-1.

Для листа толщиной 1,5 мм:

температура 700-750 ° C, скорость деформации ^ < 2•10^-3 с^-1;

температура 750-800 ° C, скорость деформации ^ < L10^-2 с^-1.