Влияние окисления на механические свойства и состояние поверхности жаропрочного титанового сплава ВТ41

Статья посвящена исследованию влияния окисления поверхности образцов из жаропрочного титанового сплава ВТ41 при кратковременных выдержках в диапазоне температур от 300 до 900 °С в печи с воpдушной атмосферой, а также окисления образцов после вакуумного отжига на их механические свойства. Объектом исследования являлись прутки диаметром 23 мм и листы толщиной 1,0 мм в отожженном состоянии. Механические свойства при комнатной температуре определяли посредством испытаний на растяжение стандартных образцов с рабочей частью шириной 5 мм и испытаний на изгиб. Исследования поверхности образцов и изломов проводили методом растровой электронной микроскопии. Экспериментальные данные позволили сопоставить изменение цветов побежалости с характеристиками пластичности, а также с величиной охрупченного альфированного слоя. Установлено, что существенное изменение характеристик пластичности образцов при испытаниях на растяжение происходит после нагрева до температур более 500 °С (голубой цвет с металлическим блеском). Появление выраженных цветов побежалости приводит к увеличению дисперсии значений кратковременной прочности и угла изгиба. Угол изгиба листовых образцов существенно снижается с повышением температуры воздействия до 800 °С. Точное определение толщины газонасыщенного (альфированного) слоя при относительно небольших температурах воздействия методами металлографии и фрактографии существенно затруднено, поэтому с практической точки зрения о глубине альфированного слоя можно судить по цветам побежалости. Появление цветов побежалости светло-желтого оттенка с металлическим блеском не приводит к существенным изменениям механических свойств.

1. Горынин И. В., Чечюли н Б. Б. Титан в машиностроении. — М.: Машиностроение, 1990. — 400 с.

2. Солонин а О. П., Глазунов С. Г. Современные жаропрочные титановые сплавы и перспективы их применения в двигателях. — М.: Металлургия, 1974. — 448 с.

3. Geary В., Bolam V. J., Jenkins S. L., Davies D. P. High temperature titanium sheet for helicopter exhaust applications. Titanium'95: Science and technology. — UK: The institute of materials, 1996. E 1638 - 1645. ISBN 1-86125-005-3

4. Sai Srinadh K. V, Singh V Oxidation behavior of the near u-titanium alloy LMI 834 / Bull. Mater. Sci. 2004. Vol. 27. N 4. E 347 - 354. DOE 10.1007/BF02704771

5. Ночовная H. А., Яковлев А. Л., Алексеев E. Б. Влияние гадолиния на жаростойкость сплава ВТ38 / Технология легких сплавов. 2012. № 1. С. 39 - 46.

6. Гребеню к О. Н., Зеннн а М. В. Окисление интерметаллидного сплава на основе TiNbAl при температурах до 800 °С / Технология легких сплавов. 2010. № 4. С. 36 - 40.

7. Александров Д. А., Мубояджян С. А., Гаямов А. М., Горлов Д. С. Исследование жаростойкости и кинетики изменения элементного состава композиции из титанового сплава ВТ41 с жаростойкими покрытиями / Авиационные материалы и технологии. 2014. № S5. С. 61 - 66. DOL10.18577/2071-9140-2014-0-S5-61-66

8. Гребеню к О. Н., Саленков В. С. Исследование окисления титановых интерметаллидов при рабочих температурах / Технология легких сплавов. 2010. № 2. С. 29 - 33.

9. Мамонов А. М., Агарков а Е. О., Гвоздева О. Н., Слезов С. С. Структурно-фазовое состояние и остаточные напряжения в сварном соединении сплава ВТ20, полученном электронно-лучевой сваркой / Деформация и разрушение материалов. 2021. № 2. С. 32 - 36. DOI: 10.31044/1814-4632-2021-2-32-36

10. Булков А. В., Пешков В. В., Селиванов В. Ф., Михалеви ч Н. Е. Кинетика роста газонасыщенных (охрупченных) слоев на титане при вакуумном отжиге / Вестник Воронежского государственного технического университета. 2020. Т. 16. № 2. С. 142 - 149. DOI: 10.25987/VSTU.2020.16.2.019

11. Yang Y., Kitashima Т., Нага Т., et al. Effect of temperature on oxidation behaviour of Ga-containing near-a Ti alloy / Corrosion Science. 2018. Vol. 133. E 61 - 67. DOI: 10.1016/j.corsci.2018.01.018

12. Kumar S., Sankara Narayanan T. S. N., Raman S. G. S., Seshadri S. K. Thermal oxidation of Ti-6A1-4V alloy: Microstructural and electrochemical characterization / Materials Chemistry and Fhysics. 2010. Vol. 119. E 337 – 346. DOI: 10.1016/j.matchemphys.2009.09.007

13. Ouyang P., Mi G., Li P., et al. Non-Isothermal Oxidation Behavior and Mechanism of a High Temperature Near-a Titanium Alloy / Materials. 2018. N 11(2141). E 1 - 16. DOI: 10.3390/mallll2141

14. Gaddam R., Sefer В., Pederson R., Antti M-L. Study of alpha-case depth in Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo and Ti-6A1-4V 7th EEIGM International Conference on Advanced Materials Research. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2013. E 1 -8 . DOI: 10.1088/1757-899X/48/1/012002

15. Пузаков И. Ю., Корнилов а М. А., Самуилов С. Д. Газонасыщение точек сварки при брикетировании титановых сплавов электроимпульсным методом / Технология легких сплавов. 2011. № 1. С. 98 - 107.

16. Yong-Ling Wang, Xiao-Yun Song, Wen Ma, et al. Microstructure and tensile properties of Ti-62421S alloy plate with different annealing treatments. Rare metals (The Nonferrous Metals Society of China and Springer-Verlag, Berlin). 2014. E 1 - 6. Fublished online 29.08.2014. DOI: 10.1007/sl2598-014-0349-5

17. Ebach-Stahl A., Eilers C, Laska N., Braun R. Cyclic oxidation behaviour of the titanium alloys Ti-6242 and Ti-17 with Ti - Al - Cr - Y coatings at 600 and 700°C in air / Surface & Coatings Technology. 2013. N 223. E 24 - 31. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2013.02.021

18. US Pat. 2015/0192031 Al, USA. Titanium alloy having oxidation resistance and high strength at elevated temperatures / Fusheng Sun, Ernest M. Crist, Kuang-0 Yu; RTI International Metals, Inc., Niles, OH (US); Filed: 15.03.2013; Pub. date: 09.07.2015.

19. Davies P., Pederson R., Coleman M., Birosca S. The hierarchy of microstructure parameters affecting the tensile ductility in centrifugally cast and forged Ti-834 alloy during high temperature exposure in air / Acta Materialia. 2016. Vol. 117. P 51 - 67. DOT 10.1016/j.actamat.2016.07.015

20. Авхимови ч Г. Ф., Браташев В. Л., Гук Н. В. и др. Прочность и долговечность труб из сплава ВТ20 при наличии газонасыщенного слоя / Авиационные материалы. Повышение прочности и надежности конструкционных материалов. — М.: ВИАМ, 1984. С. 254 - 260.

21. Dewidar М. Improvement of hardness and wear resistance of Ti-6A1-4V alloy by thermal oxidation / Journal of Engineering Sciences, Assiut University. 2006. Vol. 34. N 6. P 1941 - 1951.

22. Ковалев А. П., Белы х Л. И. Кинетика и диффузионный механизм формирования газонасыщенного слоя при химико-термической обработке титановых сплавов / Изв. вузов. Машиностроение. 2006. № 2. С. 51 - 60.

23. Guleryuz Н., Cimenoglu Н. Surface modification of а Ti-6A1-4V alloy by thermal oxidation / Surface & Coatings Technology. 2005. N 192. P 164 - 170. DOI:10.1016/j.surfcoat.2004.05.018

24. Кельциев а И. А., Васильев С. Г., Симонов В. Н. Особенности структуры поверхностного слоя титанового сплава ВТ6 после деформирующего резания и последующей химико-термической обработки / Инженерный журнал: наука и инновации. 2018. № 2. С. 1 - 9. DOI: 10.18698/2308-6033-2018-2-1733

25. Zhecheva A., Sha W., Malinov S., Long A. Enhancing the microstructure and properties of titanium alloys through nitriding and other surface engineering methods / Surface & Coatings Technology. 2005. N. 200. P 2192 - 2207. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2004.07.115

26. Агзамов P. Д., Тагиро в А. Ф., Николаев А. А. Исследование влияния режимов низкотемпературного ионного азотирования на структуру и свойства титанового сплава ВТ6 / Вестник УГАТУ. 2017. Т. 21. № 4(78). С. И - 17.

27. Christiansen Т. L., Jellesen М. S., Somers М. A. J. Future trends in gaseous surface hardening of titanium and titanium alloys / La Metallurgia Italiana. 2018. N 9. P 13 - 22.

28. Булков А. В., Пешков В. В., Корчаги н И. В., Болдыре в Д. А. Восстановление пластичности поверхностных газонасыщенных слоев титана в условиях безокислительного отжига / Вестник Воронежского государственного технического университета. 2020. Т. 16. № 2. С. 154 - 159. DOI: 10.25987/VSTU2020.16.2.021

29. Пешков В. В., Коломенски й А. В., Пешков А. В. и др. Повышение циклической долговечности азотированного титана / Вестник Воронежского государственного технического университета. 2016. Т. 12. № 6. С. 110 - 115.

30. Давыденк о Л. В., Егорова Ю. В., Мамонов И. М., Чибисова Е. В. Статистическое сопоставление механических свойств титановых сплавов разных классов / Материалы 77-й междунар. науч.-технич. конф. ААИ «Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров». — М.: Известия Московского государственного технического университета МАМИ, 2013. С. 53 - 60.

31. Hertl С , Werner Е., Thull R., Gbureck U. Oxygen diffusion hardening of cp-titanium for biomedical applications. — IOP Publishing Ltd. Biomed. Master, 2010. N 5. P 1 - 8. DOI: 10.1088/1748-6041/5/5/054104

32. Бенар а Ж. Окисление металлов. Т. П. / пер. с франц. — М.: Металлургия, 1969. — 444 с.

33. Бенар а Ж. Окисление металлов. Теоретические основы. Т. I. / пер. с франц. — М.: Металлургия, 1967. — 499 с.

34. Vachea N., Cadoretb Y., Dodb В., Monceaua D. Modeling the oxidation kinetics of titanium alloys: Review, Method and Application to Ti-64 and Ti-6242s alloys / Corrosion Science. 2021. Vol. 178. DOI: 10/1016/j.corsci.2020.109041

35. Калиенк о M. С., Волков А. В., Желнин а А. В. Исследование газонасыщенного слоя в титановых сплавах после изотермического отжига / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2018. Т. 84. № 3. С. 32 - 35. DOI: 10.26896/1028-6861-2018-84-3-32-35

36. Жестков Б. Е., Штампов В. В. Исследование состояния материалов в гиперзвуковом потоке плазмы / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2016. № 12. С. 58 - 65.

37. Горицки й В. М., Силин а Н. Г., Шнейдеров Г. Р. Механические свойства легких стальных тонколистовых конструкций / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2020. Т. 86. № 3. С. 55 - 60. DOI: 10.26896/1028-6861-2020-86-3-55-60

38. Максимов А. В., Шевченко И. П., Ерохин а И. С. Определение составляющих ударной вязкости металла при испытании на ударный изгиб / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2018. Т. 84. № 12. С. 68 - 72. DOI: 10.26896/1028-6861-2018-84-12-68-72