Спосіб термічної обробки литих доевтектичних титанових композитів системи ti-si-al-zr

Реферат: Спосіб термічної обробки для підвищення циклічної тріщиностійкості литих доевтектичних титанових композитів системи Ti-Si-Al-Zr на повітрі і в корозивному середовищі включає нагрів матеріалу до заданої температури, витримування при цій температурі протягом заданого часу і охолодження до кімнатної температури. Для забезпечення пластинчастої структури матриці матеріал нагрівають і витримують за температури вище → - перетворення у титановій матриці і швидко охолоджують. UA 92330 U (54) СПОСІБ ТЕРМІЧНОЇ ОБРОБКИ ЛИТИХ ДОЕВТЕКТИЧНИХ ТИТАНОВИХ КОМПОЗИТІВ СИСТЕМИ Ti-Si-Al-Zr UA 92330 U UA 92330 U 5 10 Корисна модель належить до способів термічної обробки для підвищення механічних характеристик литих доевтектичних титанових композитів системи Ti-Si-Al-Zr і може бути використана для подовження ресурсу роботи виробів, які працюють за умов впливу циклічних навантажень і корозивних середовищ. Титанові композити системи Ti-Si-Al-Zr належать до високоміцних матеріалів, у яких зміцнююча фаза типу Ti5Si3 утворюється під час кристалізації [1]. У литому стані ці матеріали мають грубозернисту структуру, яка складається з глобулярно-пластинчастої α-титанової матриці і великих колоній евтектики типу α-Ti+Ti5Si3 дендритної будови [2]. Вздовж границь αтитанових зерен знаходяться дрібнодисперсні вторинні силіциди глобулярної форми. Залежно від вмісту Si, Al і Zr міцність під розтягом σB цих матеріалів може становити близько 600 МПа, відносне видовження δ близько 2 %, в'язкість руйнування КIC близько 14…21 МПа м [1], порогове значення розмаху коефіцієнта інтенсивності напружень ΔКth близько 4…5 МПа м на повітрі і в корозивному середовищі, а циклічна в'язкість руйнування ΔКfc близько 14…16 15 20 25 30 35 40 45 50 55 МПа м на повітрі і 10…11 МПа м у корозивному середовищі [2]. Відомим є спосіб, який полягає у термоциклюванні матеріалу при температурах у діапазоні 800…1020 °C. Наприклад виріб з титанового композиту поміщають у першу піч, нагріту до температури біля 750…850 °C і витримують в ній протягом заданого часу. Потім виріб виймають і одразу ж поміщають в другу піч, нагріту до температури біля 970…1070 °C і витримують в ній протягом заданого часу. Після цього виріб виймають і знову поміщають у першу піч для проведення наступного циклу обробки. Для досягнення оптимальних властивостей матеріалу пропонується проводити не менше ніж 30 циклів. В результаті цього відбувається утворення і коалесценція додаткової зміцнюючої фази (Ті, Zr)2Si [3]. Недоліком даного способу є складність і довготривалість технологічного процесу, що призводить до підвищення собівартості виробу. Найбільш близькою за технічною суттю до запропонованого способу є термомеханічна обробка даного класу матеріалів при різних температурах деформування [4]. Вона дозволяє отримати матеріал з дрібнозернистою структурою і рівномірним розподілом зміцнюючих фаз у титановій матриці. Внаслідок цього підвищується міцність, пластичність і циклічна тріщиностійкість цих матеріалів на повітрі [2, 4]. Однак при цьому знижується корозійна циклічна тріщиностійкість порівняно з литим матеріалом [2]. Крім цього, термомеханічна обробка незастосовна для виробів складної форми. В основу корисної моделі поставлена задача створити спосіб термічної обробки литих доевтектичних титанових композитів системи Ti-Si-Al-Zr, який забезпечить підвищення їх циклічної тріщиностійкості на повітрі і в корозивному середовищі. Поставлена задача вирішується тим, що виріб із литого доевтектичного титанового композиту системи Ti-Si-Al-Zr нагрівають до температури вище αβ-перетворення у титановій матриці, витримують при цій температурі впродовж заданого часу і охолоджують до кімнатної температури в оливі. В результаті порівняно з литим і термодеформованим матеріалом після запропонованої обробки циклічна тріщиностійкість зростає на повітрі і в корозивному середовищі. На відміну від відомих способів задана обробка є дешевшою і може бути використана для виготовлення виробів будь-якої форми. Суть корисної моделі пояснюють креслення. На фіг. 1 представлено структури титанового композиту Ті - 4,0 мас. % Si-4,9 мас. % Аl-5,3 мас. % Zr у литому стані (а), після термомеханічної обробки (б), а також після запропонованої обробки (в), отримані на оптичному мікроскопі ММР-4. На фіг. 2 наведено дані про циклічну тріщиностійкість, яка характеризується залежностями швидкості росту втомної тріщини da/dN від величини розмаху коефіцієнта інтенсивності напружень ΔК, отримані на повітрі (а) і 3 % NaCl (б) для титанового композиту Ті - 4,0 мас. % Si4,9 мас. % Аl-5,3 мас. % Zr у литому стані (крива 1), після термомеханічної обробки (крива 2), а також після запропонованої обробки (крива 3). Для ілюстрації вирішення поставленої задачі наведено приклад, який базується на результатах випробувань на циклічну тріщиностійкість литого титанового композиту Ті - 4,0 мас. % Si-4,9 мас. % Аl-5,3 мас. % Zr після термомеханічної обробки куванням при температурі 1050 °C зі ступенем деформації 41 % і після термообробки за запропонованим способом, коли зразки з литого матеріалу поміщали у піч електроопору СУОЛ-0,25.1/12-М1, нагріту до температури 1000 °C; витримували 4 год. і охолоджували до кімнатної температури в оливі. Після термомеханічної обробки титанова матриця змінюється з глобулярно-пластинчастої у литому стані (фіг. 1а) на дрібнозернисту глобулярну структуру (рис. 1б), а після запропонованої обробки на пластинчасту (фіг. 1в). При цьому відбувається перерозподіл вторинних силіцидів. У 1 UA 92330 U 5 10 15 20 литому стані вони зосереджені, в основному, вздовж границь α - титанових зерен, а після запропонованої обробки рівномірно розміщені у об'ємі титанової матриці. Структура евтектичних колоній залишається незмінною. Для визначення характеристик циклічної тріщиностійкості випробовували балкові зразки з боковим вирізом. Бокові поверхні зразків полірували для прямого спостереження за ростом тріщини через оптичний мікроскоп МПБ-2 із похибкою вимірювання 0,02 мм. Виріз завширшки 0,12 мм виготовляли електроерозійним способом. Зразки циклічно навантажували за триточковою схемою на електромеханічному пристрої із заданою амплітудою навантаження з частотою 10 Гц. Випробування проводили при температурі 20 °C на повітрі і у модельному корозивному середовищі (3 %-ний водний розчин NaCl). На підставі отриманих експериментальних даних будували залежності швидкостей росту втомної тріщини da/dN (da приріст довжини тріщини на і-тому етапі випробувань, dN - кількість циклів навантаження, за які тріщина підросла на величину da). З побудованих залежностей визначали порогове значення розмаху коефіцієнта інтенсивності напружень ΔКth, при якому швидкість росту втомної тріщини -9 da/dN становила 10 м/цикл, і критичне значення розмаху коефіцієнта інтенсивності напружень -6 ΔКfc, при якому da/dN=10 м/цикл. Отримані результати показали, що порогове значення ΔКth у матеріалі після запропонованої обробки становить 7,0 МПа м на повітрі (крива 3 на фіг. 2а) і 6,6 МПа м у 3 % NaCl (крива 3 на фіг. 2б), що на 35 % і 40 % більше порівняно з відповідними значеннями для матеріалу у литому стані (криві 1) та на 55 % і 65 % більше порівняно з матеріалом після термомеханічної обробки (криві 2). Циклічна в'язкість руйнування ΔКfc менш чутлива до структурних особливостей матеріалу. Після запропонованої обробки вона становить 17,0 МПа м на повітрі 25 30 35 40 і 14,2 МПа м у 3 % NaCl, що на 22 % і 26 % більше порівняно з відповідними значеннями для литого матеріалу та на 13 % і 35 % порівняно зі значеннями для термодеформованого матеріалу. Таким чином запропонований спосіб забезпечує підвищення циклічної тріщиностійкості доевтектичних титанових композитів системи Ti-Si-Al-Zr як на повітрі, так і під впливом корозивного середовища. Цей спосіб не потребує складного технологічного оснащення і дозволяє обробляти деталі будь-якої форми. Цим самим він сприяє подовженню терміну експлуатації і зниженню собівартості виробів із доевтектичних титанових композитів системи ТіSi-Al-Zr. Джерела інформації: 1. US Patent. Titanium matrix composites / V.I. Mazur, Y.N. Taran, S.V. Kapustnikova. et al. - № 5366570, Nov. 22, 1994. 2. Високотемпературна і корозійна циклічна тріщиностійкість сплавів системи Ti-Si-Al-Zr / О.П. Осташ, А.Д. Івасишин, Б.Д. Василів, І.Ю. Окунь // Фіз.-хім. механіка матеріалів. - 2006. - № 3. - С. 45-56. 3. Термоциклювання евтектичного сплаву Ti-Si-Al-Zr / B.I. Мазур, С.В. Капустнікова, О.В. Мазур та ін. // Теорія і практика металургії. - 2006. - № 4/5. - С. 163-167. 4. Кузьменко М.М. Вплив пластичного деформування на структуру та механічні властивості сплавів системи Ті-Si // Сучасні проблеми фізичного матеріалознавства. - Київ, 2007. - Вип. 16. С. 118-121. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 45 50 1. Спосіб термічної обробки для підвищення циклічної тріщиностійкості литих доевтектичних титанових композитів системи Ti-Si-Al-Zr на повітрі і в корозивному середовищі, який включає нагрів матеріалу до заданої температури, витримування при цій температурі протягом заданого часу і охолодження до кімнатної температури, який відрізняється тим, що для забезпечення пластинчастої структури матриці матеріал нагрівають і витримують за температури вище → перетворення у титановій матриці і швидко охолоджують. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що охолодження матеріалу здійснюється в оливі. 2 UA 92330 U Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3