ИССЛЕДОВАНИЕ СТАБИЛЬНОСТИ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОЛИМОРФНОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ СЛИТКОВ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Егорова Ю.Б.¹, Давыденко Л.В.², Мамонов И.М.³

¹Профессор, доктор технических наук, ²Доцент, кандидат технических наук, ³Доцент, кандидат технических наук, ^1,3 Ступинский филиал ФГБОУ ВО «Московский авиационный институт (национально-исследовательский университет),² ФГБОУ ВО «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)»

ИССЛЕДОВАНИЕ СТАБИЛЬНОСТИ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОЛИМОРФНОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ СЛИТКОВ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Аннотация

Статистически исследовано влияние химического состава (содержания легирующих элементов, примесей, структурных эквивалентов по алюминию и молибдену) на температуру полиморфного превращения (ТПП) промышленных слитков титановых сплавов. Установлено, что для стабилизации разброса ТПП в пределах партии однотипных слитков, изготовленных из одного сплава, необходимо, чтобы величина суммарных колебаний химического состава, эквивалентного алюминию  и молибдену, была на уровне не более 2,5 %.

Ключевые слова: титан и его сплавы, химический состав, температура полиморфного превращения

Egorova Yu.B.¹, Davydenko L.B.², Mamоnov I.M.³

¹Professor, PhD in Engineering, ² Associate professor, PhD in Engineering, ³ Associate professor, PhD in Engineering, ^1,3 Stupino branch  of Moscow aviation institute (national and research university), ² Moscow state machine-building university (MAMI)

RESEARCH OF STABILITY OF TEMPERATURE OF POLYMORPHIC TRANSFORMATION OF INDUSTRIAL INGOTS OF TITANIUM ALLOYS

Abstract

Influence of a chemical composition (the maintenance of the alloying elements, impurity, structural equivalents on aluminum and molybdenum) on the temperature of polymorphic transformation (TPT) of industrial ingots of titanium alloys is statistically investigated. It is established that within party of the same ingots made of one alloy it is necessary for stabilization of dispersion of TPT that the size of total fluctuations of a chemical composition equivalent to aluminum and molybdenum was at the level of no more than 2,5%.

Keywords: titanium and his alloys, chemical composition, temperature of polymorphic transformation

Температура α+β/β-перехода или температура полиморфного превращения (ТПП) является важной физической и технологической характеристикой титановых сплавов. Вместе с тем из-за колебаний химического состава ТПП может различаться для разных плавок одного сплава на 30-60⁰С.

Цель настоящей работы состояла в статистическом исследовании температуры полиморфного превращения промышленных слитков титановых сплавов в зависимости от химического состава. Объектами исследования послужили более 3000 промышленных слитков титановых сплавов разных классов, изготовленных в 1970-85 и 2000-2014 годах. Слитки были выплавлены методом двойного (2ВДП) и тройного вакуумного дугового переплава (3ВДП), а также гарнисажным + тройным вакуумным дуговым переплавом (ГВДП). Часть слитков была дополнительно легирована кислородом.

Статистическую обработку проводили с помощью ППП «Stadia» [1].  Контроль качества слитков был проведен в соответствии с рекомендациями ГОСТ 50779.10-2000, ГОСТ 50779.11-2000, ГОСТ 50779.21-2004, ГОСТ 50779.42-99, ГОСТ 50779.44-2001 и требованиями руководства сертификационного центра «Материал» Р СЦМ-04 «Оценка качества авиационных материалов/полуфабрикатов при сертификации их производства». Также была осуществлена корреляционная оценка доли вариации ТПП, обусловленная колебаниями химического состава.

В 2000-2014 гг. сузился разброс содержания алюминия и других легирующих компонентов, а также повысилась однородность слитков по сравнению с 1970-ми гг., при этом практически для всех исследованных сплавов среднее содержание алюминия,  диапазон значений и «трех-сигмовый» интервал сдвинулись к верхнему пределу поля допуска на ~0,3-0,5 % масс. Это может в ряде случаев привести к браку по верхнему пределу [2,3]. Практически для всех слитков, не легированных кислородом, и в 1970-х, и в настоящее время наблюдаются значительные колебания содержания примесей (коэффициент вариации V=15-50 %), что значительно превышает требования Руководства Р СЦМ-04-2010 (≤15%). Вместе с тем можно отметить, что в 2000-2014 гг. процесс производства слитков в целом является стабильным по разбросу легирующих элементов (индексы воспроизводимости С_р>1,33), но наблюдается нестабильность содержания алюминия, кислорода и некоторых основных компонентов по положению среднего. Так как индексы С_рk лежат в интервале 0,67-1,33, процесс можно считать в целом и стабильным, и управляемым, но он требует дополнительного анализа и корректировки среднего содержания.

Для частных партий сплавов была статистически проанализирована зависимость ТПП от года выпуска. С 1970 по 2014 гг. трехсигмовый интервал сдвинулся в сторону меньших значений, а среднее значение снизилось на 20-30⁰С (табл. 1) несмотря на то, что в слитках наблюдается рост содержания алюминия.

Таблица 1 - Содержание примесей и температура полиморфного превращения слитков титановых сплавов ВТ6 и ВТ3-1, выплавленных с 1970 по 2014 г.г.

Примечания: * - микролегирование кислородом, слитки 2ВДП; ** - микролегирование кислородом, слитки 3ВДП; *** S - стандартное отклонение.

Это, скорее всего, связано с повышением чистоты титановой губки. Так, среднее содержание кислорода и азота уменьшилось почти в 2,0 - 2,2 раза: с 0,12-13 до 0,05-0,06 % м. и 0,02 до 0,01 % м. соответственно, а содержание углерода снизилось в 1,5-2,0 раза (табл. 1). Это привело к уменьшению суммарного содержания примесей, выраженного через эквивалент по алюминию , с ~2,0 до ~1,0%.   Дополнительное легирование кислородом слитков, изготовленных в 2000-х годах, привело к повышению средней температуры полиморфного превращения до уровня 1970-1980 годов (табл. 1).

На основе корреляционного анализа зависимости ТПП от химического состава слитков было установлено, что коэффициент множественной корреляции R существенно зависит от однородности химического состава в объеме частной партии (табл. 2).

В том случае, когда суммарные колебания легирующих элементов и примесей, выраженные через эквиваленты по алюминию и молибдену  и , менее 6S~2,4-2,5%, а стандартное отклонение S менее ~0,4%, коэффициент множественной корреляции R принимает значения, меньшие 0,5,  и является статистически незначимым. В этом случае изменение химического состава в таких довольно узких пределах не влияет на ТПП слитков, а колебания ТПП могут быть обусловлены другими факторами, в частности, конкретными методиками измерения ТПП (например, проведения термической обработки и металлографического анализа), неоднородностью химического состава слитков и образцов, человеческим фактором и т.п.

Таблица 2 - Результаты корреляционного анализа зависимости ТПП от  эквивалентов по алюминию и молибдену  и 

Примечание: * - жирным выделены значимые коэффициенты множественной корреляции, ** - микролегированы кислородом, слитки ВДП; *** - часть слитков микролегирована кислородом; **** - слитки легированы кислородом и основными компонентами по минимуму и максимуму диапазона легирования [3]; ***** - объединены все слитки сплава.

Если разница между максимальными и минимальными значениями  и  достигает 6S=4-5 % и более, а стандартное отклонение превышает 0,7 %, то коэффициент корреляции принимает значения R>0,7, а доля вариации ТПП, обусловленная влиянием химического состава, выраженного через эквиваленты по алюминию и молибдену, составляет более 50%. При  S≈0,4÷0,7% коэффициент множественной корреляции лежит в интервале «нестабильности» и может принимать значения R≈0,3÷0,7, которые со статистической точки зрения могут быть как значимыми, так и незначимыми. Поэтому для стабилизации разброса ТПП в пределах партии однотипных слитков, изготовленных из одного сплава, необходимо, чтобы величина суммарных колебаний химического состава, эквивалентного алюминию  и молибдену, была на уровне 6S£2,5 %.

Литература

1. Кулаичев А.П. Методы и средства анализа данных в среде Windows. Stadia0. М: Информатика и компьютеры, 1996. – С. 257.
2. Егорова Ю.Б., Полькин И.С. ,  Давыденко Л.В. Статистическая оценка свойств титановых сплавов // Технология легких сплавов. – 2015. - №1. – С. 27-36.
3. Егорова Ю.Б., Полькин И.С., Давыденко Л.В.  Возможности повышения качества поковок дисков сплава ВТ6 путем корректировки химического состава // Технология легких сплавов. – 2015. - № 3. - С. 65-71.

References

1. Kulaichev A.P. Metodi i sredstva analiza dannih v srede Windows. Stadia0. М: Informatika I kompjuteri, 1996. – Pp. 257.
2. Egorova Yu.B., Polkin I.S., Davydenko L.V. Statisticheskaya ocenka svoystv titanovih splavov // Tehnologiya legkih splavov. . – 2015. - №1. – P. 27-36.
3. Egorova Yu.B., Polkin I.S., Davydenko L.V. Vozmoghnosti povisheniya kachestva pokovok diskov splava VT6 putem korrektirovki himicheskogo sostava // Tehnologiya legkih splavov. . – 2015. - №3. – P. 65-71.