Марочник сталей. ВТ22

Химический состав в % сплава ВТ22
Fe	0,5 - 1,5
C	до 0,1
Si	до 0,15
Cr	0,5 - 2
Mo	4 - 5,5
V	4 - 5,5
N	до 0,05
Ti	78,485 - 86,6
Al	4,4 - 5,9
Zr	до 0,3
O	до 0,2
H	до 0,015

Особенности термообработки сплава ВТ22: высокопрочный титановый сплав критического состава - ВТ22. На примере этого сплава рассмотрим основные предпосылки термической обработки сплавов этой группы.

Сплав ВТ22 создан на основе системы Ti-А1-Mo-V с добавками Fe и Сr. Имеются модификации сплава с добавками других элементов. Температура мартенситного превращения его близка к комнатной, температура полиморфного превращения находится в интервале 820-870° С. Отжиг для сплава ВТ22 проводят из двухфазной области (750-800°С), что является упрочняющей термической обработкой. После медленного охлаждения с температуры отжига сплав имеет сравнительно равновесную a + в - структуру с примерно одинаковым количеством а- и ß - фаз (максимальная гетерогенность).

По данным В. Н. Моисеева, оптимальным режимом отжига сплава ВТ22 является: Т_отж = 700-800° С, охлаждение с печью со скоростью 2-4° С/мин до 400° С, далее на воздухе. Влияние температуры отжига и скорости охлаждения с различных температур на механические свойства сплава представлено на рисунке справа.

При исследовании термической обработки сплава ВТ22 И. С. Полькин и О. В. Каспарова предложили более технологичный режим отжига-двойной отжиг: первый отжиг при температуре 750-850° С, охлаждение на воздухе, второй (фактически старение для дисперсионного твердения) - при 600-800° С в течение 3 ч с последующим охлаждением на воздухе. Полученные результаты представлены на рисунке ниже.

Повышение температуры первого отжига сопровождается ростом в-зерна, а повышение температуры второго отжига - уменьшением дисперсности вторичных выделений а-фазы. Структура сплава ВТ22 после двойного отжига по режиму 750° С 1 ч, охлаждение на воздухе с последующей второй ступенью аналогична структуре этого сплава после отжига при 750° С в течение 1 ч с последующим охлаждением в печи.

Сравнение механических свойств сплава ВТ22 после различных режимов отжига (таблица ниже) показало возможность применения более технологичного двойного режима отжига.

Сплав ВТ22 может эффективно упрочняться путем термической обработки, состоящей из закалки и последующего старения. При изучении влияния режимов термической обработки на структуру и механические свойства сплава ВТ22 установлено, что с повышением температуры с 600 до 800° С прочность его понижается, а пластичность повышается. При охлаждении сплава ВТ22 в воде и на воздухе с температур более 800° С понижаются характеристики прочности и пластичности (рисунок слева). После охлаждения из а + в-области в воде и на воздухе структура сплава ВТ22 представляет смесь а- и в - фаз. С повышением температуры нагрева в двухфазной области наблюдается рост в - зерна, количество в - фазы увеличивается, а а-фазы уменьшается. В итоге с повышением температуры нагрева в а + в - области прочность понижается, а кривые пластичности проходят через максимум.

После закалки в воде из в - области фиксируется мета-стабильная в - фаза, после охлаждения на воздухе наблюдается выделение а-фазы по границам и телу в - зерна.

При охлаждении с разных температур с печью сплав имеет двухфазную а + в - структуру корзиночного типа.

Электронно-микроскопические исследования структур образцов, закаленных с 900 до 1000°С на воздухе, обнаружили по границам и внутри зерен в - фазы грубые выделения а-фазы, а поверхность некоторых зерен имеет вид, характерный для ω - фазы. Рентгеноструктурный анализ подтвердил наличие ω - фазы. О. В. Каспарова предположила образование ω - фазы в сплаве ВТ22 в случае промедления при закалке из в  - области, а также при закалке массивных изделий.

На основании полученных результатов сделано заключение о высокой чувствительности сплава ВТ22 как к режиму охлаждения, так и к изменению химического состава. Отмечено влияние повышенного содержания алюминия на подавление образования ω - фазы.

Оптимальным режимом закалки следует считать закалку из области температур 700-800 С в воду (см таблицу ниже).

Закалка из в-области приводит к пониженной пластичности сплава ВТ22 и его чрезмерному охрупчиванию после старения в широком диапазоне температур.

На рис. слева ниже представлены зависимости механических свойств от режимов закалки и старения.

Было опробовано ступенчатое старение (рис. справа выше). Образцы после закалки с 750° С в воде и старения при температуре 450° С 5 ч переносили в печь с температурой 560, 600° С. Это привело к значительному понижению прочности и повышению пластичности. Сводные данные о применяемых режимах термической обработки для некоторых а +в-сплавов титана приведены в табл. ниже.

Особенности сварки титана ВТ22: представителем титановых а+в-сплавов критического состава является высоколегированный сплав ВТ22. По составу этот сплав близок к критическому и весьма чувствителен к термическому циклу сварки. Литой металл шва и околошовная зона сварных соединений его отличаются пониженной пластичностью. После отжига фазовый состав сплава представляет смесь а- и в-фаз приблизительно в равном количестве. Известно, что сплавы с наиболее гетерогенной структурой обладают максимальной прочностью в отожженном состоянии.

Использование методов сварки без применения присадочных материалов (ЭЛС, погруженной и сжатой дугой) для сплава ВТ22 не позволяет получать сварные соединения с необходимыми свойствами. Поэтому для сварки сплава ВТ22 применяют в основном методы с использованием присадочных материалов - аргонодуговую сварку плавящимся электродом, неплавящимся электродом с присадкой, электрошлаковую сварку. Ведутся работы по электронно-лучевой сварке с присадочным металлом.

Наиболее опасной зоной сварного соединения, определяющей работоспособность всей конструкции из сплава ВТ22, является околошовная зона. Именно в ней происходят наиболее резкие изменения структуры и свойств основного металла, которые и оказываются решающими при оценке его свариваемости.

Для сплавов критического состава характерна резкая зависимость фазового состава и, как следствие, механических свойств от скорости охлаждения с температуры выше конца а + в→в-превращения.

По методике ИМЕТ-1 была исследована зависимость механических свойств и структуры околошовной зоны сплава ВТ22 от скорости охлаждения в интервале 900-700°С. Температура нагрева образцов 1300°С. Скорости охлаждения изменяли путем обдува образцов аргоном. Работу проводили на образцах размером Зх7х100 мм. Результаты испытаний получены в виде зависимости механических свойств σ_в, а_н, δ, а и HRC от ω_охл (рис. 32). Анализ этих данных позволяет сделать следующие выводы. Характеристики прочности незначительно изменяются в зависимости от ω_oxл в исследованном интервале (1-600°С/с). Показатели пластичности металла околошовной зоны очень чувствительны к значениям ω_охл.

При скоростях 1 - 15°С/с металл околошовной зоны имеет низкие показатели пластичности: а_н~ 1 кгс•м/см², а=0°, σв=8%. Исследование термических циклов при сварке металла толщиной 15- 20 мм в обычных условиях показало, что в интервале 900-600°С ω_охл= 1 - 15°С/с. Таким образом, реальные скорости охлаждения соответствуют интервалу низкой пластичности металла околошовной зоны.

Проверка свойств сварных соединений, выполненных плавящимся электродом и неплавящимся электродом с присадочным металлом, подтвердила резкое понижение пластичности металла околошовной зоны в сравнении с пластичностью металла до сварки (рис. 33).

Рентгеноструктурным анализом на установке ДРОН-1 обнаружено, что в околошовной зоне сплава ВТ22 независимо от значения в_охл в интервале 10-600°С/с фиксируется в основном метастабильная структура в с параметром а_в=3,24-3,25. Лишь после охлаждения со скоростью в_охл= 1°С/с электромеханическим методом удалось изолировать небольшое количество а-фазы, образовавшейся вследствие частичного в→а-распада.

Однако при металлографических исследованиях с помощью оптического микроскопа МИМ-8 при косом освещении обнаружено различие в в-структуре, полученной при различных скоростях охлаждения. Поверхность зерен в-фазы, образующейся при ω_охл = 1-15°С/с, неровная, с «рябью». Видимо, при таких режимах охлаждения с высокой температуры в структуре происходит подготовительный процесс к перестройке решетки. Возможно также образование небольшого количества дисперсных метастабильных промежуточных фаз, которые не выявляются рентгеноструктурным анализом, но в то же время оказывают отрицательное влияние на пластичность сплава.

в-структура, фиксируемая при больших значениях ω_охл (150- 600°С/с), отличается характерной для в-фазы высокой пластичностью. Однако использовать такое состояние практически невозможно, так как в-структура, фиксируемая в сплаве ВТ22, является метастабильной не только термически, но и механически.

Упрочняющая термическая обработка титана ВТ22 после сварки: имеются экспериментальные данные по применению упрочняющей термической обработки для сварных конструкций из сплава ВТ22. Применение упрочняющей термической обработки сварных соединений ограничено из-за недостаточно хорошего сочетания прочности и пластичности околошовной зоны после закалки и старения. Перегретый металл плохо воспринимает упрочняющую термическую обработку. При незначительном повышении предела прочности существенно понижается его пластичность. С целью некоторого повышения прочности рекомендуется сварные конструкции подвергать «мягкой» упрочняющей термической обработке, повышающей предел прочности основного металла не более, чем на 15-20%. В зависимости от требований, предъявляемых к конструкции, проводится закалка с 700-750° С в воду с последующим старением по режиму перестаривания (540-560° С в течение 8- 14 ч). При этом независимо от последовательности операций сварки и термической обработки (сварка-закалка-старение; закалка-сварка-старение; закалка-старение-сварка) сварное соединение имеет следующие свойства: σ_в= 107-115 кгс/мм² (разрушение по металлу шва), для металла шва a_н=3-4 кгс•м/см², для металла околошовной зоны (2 мм от линии сплавления) а_н в 1 кгс•м/см².

Сварное соединение сплава ВТ22 после упрочняющей термической обработки характеризуется низкой работоспособностью, особенно при циклической нагрузке, поэтому для сварных конструкций, работающих при длительном ресурсе в случае применения упрочняющей термической обработки, рекомендуется сварное соединение подвергать локальному полному отжигу с местным конструктивным усилением.

Изыскание методов повышения свойств сварных соединений до уровня основного металла после упрочняющей термической обработки - актуальная проблема в области сварки высокопрочных а + в-сплавов титана. Это сложная задача, решение которой требует детального и глубокого изучения особенностей поведения металла с различной структурой и фазовым составом в процессе термической обработки и в условиях эксплуатации. Исследований в этом направлении недостаточно. Намечены в основном два пути совершенствования сплавов с целью улучшения их свариваемости: создание комплексно-легированных материалов, что должно уменьшить химическую неоднородность сварных соединений, и разработка высоколегированных сплавов, обладающих высокой прочностью после отжига.