Титан и его сплавы

Титан и его сплавы

Титан и сплавы на его основе по совокупности свойств являются одним из важнейших современных конструкционных материалов. Прочность титана и его сплавов (450—1400 МПа) близка

к прочности сталей. По удельной прочности титановые сплавы (за исключением бериллия) превосходят другие металлы. Это определяет широкое применение титана в авиации и ракетостроении.

Титан обладает высокой коррозионной стойкостью в морской воде и разбавленных кислотах, что связано с образованием защитной оксидной пленки на его поверхности. Недостатком титана является сто низкий модуль упругости, что затрудняет создание легких и одновременно жестких конструкций. Титан активно взаимодействует с атмосферными газами, склонен к водородной хрупкости. Азот, кислород, углерод и водород, растворяясь в титане, упрочняют его, снижают его пластичность, сопротивление коррозии и свариваемость. Титан с большим трудом обрабатывается резанием.

Титан и сплавы на его основе хорошо свариваются контактной и дуговой сварками в защитной атмосфере. Титановые сплавы работают при температурах 300—500°С и по удельной прочности превосходят многие сплавы. При температурах ниже 300°С они уступают алюминиевым сплавам, а выше 600°С — сплавам на основе железа и никеля.

При температуре 882°С титан испытывает полиморфное превращение. Ниже 882°С существует a-модификация титана с гексагональной плотноупакованной кристаллической решеткой. Выше 882°С существует р-титан с объемно-центрированной решеткой. Наиболее чистым является йодидный титан, содержащий примесей не более 0,1%. Его механические характеристики: а| <= 250-300 МПа, б = 50-70%, у = 80%.

При легировании титана образуются а- или p-твердые растворы или химические соединения. Среди легирующих элементов в зависимости от их влияния на температуру полиморфного превращения различают а-стабилизаторы (элементы, расширяющие область существования a-фазы и повышающие температуру превращения, — Al, Ga, Ge, La, О, С, N) и p-стабилизаторы (элементы, сужающие a-область и снижающие температуру полиморфного превращения, — V, Nb, Mo, W, Сг, Мп, Та, Zr, Fe, Со, Si и др.) (рис. 9.8). Кроме того, как а-стабилизаторы, так и p-стабилизаторы можно разделить на две группы: элементы с большой (в пределе — неограниченной) и ограниченной растворимостью в титане. Последние могут образовывать с титаном химические соединения типа TirMe^. В результате легирования титана алюминием в его структуре наряду с а-твердым раствором присутствует интсрмсталлид Ti3Al. Некоторые p-стабилизаторы при взаимодействии с титаном образуют интсрмсталлид TivMcz/; при этом p-фаза, содержащая такие элементы, как Сг и др., в процессе охлаждения испытывает эвтектоидное превращение р —» а + TivMe;/. В связи с низкой скоростью эвтекто- идного превращения после обычных скоростей охлаждения структура сплавов состоит из а- и р-фаз.

Рис. 9.8. Основные виды диаграмм состояния титановых сплавов

Легирующие элементы по-разному влияют на эксплуатационные свойства титана. Fc, Mn, Al, Cr, Sn, V, Si повышают его прочность, но при этом снижают характеристики пластичности (8, у) и вязкости (KCU); Al, Zr, Мо увеличивают жаропрочность, a Mo, Zr, Nb, Та, Pd — коррозионную стойкость.

Классификация титановых сплавов. Промышленные титановые сплавы содержат в структуре а- и р-твсрдые растворы легирующих элементов в титане. Легирующие элементы влияют на устойчивость структуры. В зависимости от стабильности структуры после отжига различают три основные группы титановых сплавов: а-силавы, (а + р)-силавы и р-сплавы.

По технологии производства титановые сплавы классифицируют на литейные, деформируемые, порошковые; по физико-химическим, в том числе механическим свойствам — на высокопрочные, обычной прочности, высокопластичные, жаропрочные, коррозионностойкие.

Термическая обработка титановых сплавов. Титан и его сплавы подвергают термической обработке — отжигу, закалке и последующему искусственному старению или отпуску, редко — химикотермической и термомеханической обработке.

Рекристаллизационному отжигу подвергают сплавы в состоянии наклепа при 650—850°С.

Изотермический отжиг применяют для титановых (а + расплавов. Он состоит в нагреве до 780—980°С (первая ступень), последующем охлаждении в печи до 530—680°С, выдержке при этой температуре (вторая ступень) и охлаждении на воздухе. Такой отжиг обеспечивает сочетание достаточно высокой прочности и жаропрочности и хорошей пластичности.

Двойной ступенчатый отжиг отличается от изотермического тем, что переход от первой ступени ко второй осуществляется охлаждением сплава на воздухе с последующим повторным нагревом до температуры второй ступени. В результате такой обработки сплав упрочняется и немного снижается пластичность за счет частичного протекания процессов закатки и старения.

Каждый электрик должен знать:  Хлопковый выключатель своими руками схема, видео, фото

Неполный отжиг при 450—650°С применяют для уменьшения остаточных напряжений, образующихся в титановых сплавах в процессе механической обработки, правки, сварки.

Закатка с последующим искусственным старением или отпуском применяется для (а + Р)-сплавов и псевдо-р-сплавов и позволяет существенно повысить их механические свойства. Пссвдо-р- сплавы в состоянии после отжига содержат в структуре помимо a-фазы большое количество р-фазы.

При содержании в таких двухфазных сплавах в-стабилизаторов меньше С< (рис. 9.9) закалка их из температурной области существования p-фазы приводит к образованию а — и а»-фаз в интервале температур начала Ми и конца Мк мартенситного превращения, представляющих собой пересыщенные твердые растворы замещения легирующих элементов в а-титане с гексагональной и ромбической решетками соответственно.

Полиморфное превращение р —* а при медленном охлаждении и высокой подвижности атомов происходит по диффузионному механизму, а при большом переохлаждении и быстром охлаждении — по бездиффузионному мартенситному механизму. Фазы а и ос» имеют игольчатую мартенситную структуру и отличаются степенью Пересы щеп пости легирующими элементами. Мартенситная фаза а» имеет большую степень легированности, чем фаза а’. Схема (см. рис. 9.9) позволяет проанализировать фазовый состав и структурные превращения, протекающие при отжиге и закалке титановых сплавов с возрастанием содержания легирующих элементов р-ста- билизаторов. Точка Са предельная концентрация р-стабилизато- ра в a-твердом растворе, Ср — минимальная концентрация в титане

Рис. 9.9. Структура титановых сплавов в зависимости от скорости охлаждения из P-области и концентрации Р-стабилизитаров:

t„„ — температура полиморфного превращения (882,5°С); закалка — быстрое охлаждение в воде; отжиг — медленное охлаждение (с печью или на воздухе)

p-стабилизатора, обеспечивающая существование устойчивого во всем интервале температур p-твердого раствора. Температурам начала (Мн) и окончания (Мк) мартенситного превращения соответствуют критические концентрации Ск и С на оси абсцисс.

В концентрационном интервале С, — Ск при закалке сплавов из P-области образуется а»-фаза и сохраняется некоторое количество p-фазы (остаточной), внутри которой формируется ш-фаза мартенситного типа, когерентно связанная с матричной p-фазой. В сплавах, содержащих p-стабилизаторов больше Ск, мартенситное превращение p-фазы не протекает и при закалке фиксируется неустойчивая, метастабильная p-фаза (|Знеуст). Этой концентрации соответствует критическая температура tK. В сплавах, содержащих p-стабилизатор в пределах концентраций Ск — С2, при закалке из P-области образуются две фазы (рнеуст + 3 ? а, протекающее по сдвиговому механизму.

Закалку (а + Р)-сплавов, как правило, проводят из (а + Р)-обла- сти (720—930°С) во избежание сильного роста зерна при нагреве. Тогда в процессе охлаждения a-фаза не изменяется, а p-фаза испытывает превращения, которые характерны для сплава аналогичного ей состава, закаленного из p-области. Предполагаемый состав продуктов распада p-фазы можно определить по структурной схеме (см. рис. 9.9) с учетом того, что концентрация легирующего элемента в а- и p-фазах при нагреве сплава до разных температур в (а + Р)-области определяется соответственно точками а и Ь, лежащими на пересечении изотерм с кривыми (?ппСа) и A3. Анализ показывает, что при нагреве (а + р)-сплава до температур, лежащих в интервале t2tKy и последующей закалки наряду с а-фазой фиксируется неустойчивая p-фаза (p„evn) с выделением оо-фазы, а при нагреве сплава выше температуры ?к и его закалке p-фаза претерпевает (полностью или частично) мартенситное превращение, так как концентрация в ней p-стабилизаторов будет меньше Ск. Таким образом, структура сплава в зависимости от его химического состава после закалки из (а + р)-области с температур, превышающих tK, может быть представлена следующими вариантами: 1) а + а’; 2) а + а»; 3) а + а» + Р + со. Образование мартенситной фазы а’ и фазы со вызывает появление хрупкости и снижение пластичности. Особенно это отрицательно сказывается на качестве сварных швов из-за появления трещин и пониженной пластичности в зоне сварного шва.

Каждый электрик должен знать:  Ток короткого замыкания, от чего зависит величина тока КЗ

Старение при 450—550°С и выше вызывает распад а’-, а»-, рнеуст— и co-фаз. Упрочнение обусловлено прежде всего выделением мелкодисперсной a-фазы, возникающей в результате распада

Выделение дисперсного интерметаллида (TivZv) при старении легированных эвтектоидообразующими элементами титановых сплавов (см. рис. 9.8) вызывает их охрупчивание. Наибольшее упрочнение достигается в (а + р)-сплавах с высоким содержанием р-стабилизаторов.

Титановые сплавы подвергают химико-термической обработке, например азотированию, силицировашно. Азотирование повышает поверхностную твердость, износостойкость и жаропрочность титановых сплавов. В результате силицирования повышается их жаростойкость.

Деформируемые титановые сплавы. Химический состав, структура и механические свойства некоторых деформируемых сплавов приведены в табл. 9.9. Основным легирующим элементом

Усредненный химический состав (%) и механические свойства деформируемых титановых сплавов

в большинстве титановых сплавов является алюминий, повышающий прочность, жесткость, жаропрочность и жаростойкость и снижающий их плотность.

Титановые а-сплавы (ВТ5, ВТ5-1) с a-структурой термической обработкой нс упрочняются. Повышение их прочности достигается в результате легирования твердого раствора и пластической деформации. Сплав ВТ5 системы Ti—А1 имеет более высокие характеристики механических свойств по сравнению с титаном, вместе с тем его технологичность невелика. Сплав деформируется в горячем состоянии и поставляется в виде прутков, поковок, труб. Сплав ВТ5-1 системы Ti—Al—Sn помимо алюминия содержит олово, положительно влияющее на технологические свойства сплавов титана с алюминием, замедляющее их окисление и повышающее жаропрочность. Из сплава ВТ5-1 обработкой давлением получают листы, плиты, поковки, штамповки, профили, трубы, проволоку. Сплавы хорошо свариваются без охрупчивания шва и около шовной зоны. Детали из сплавов ВТ5 и ВТ5-1 работают в широком интервале температур — от криогенных до 450 (ВТ5) и 500°С (ВТ5-1).

Псевдо-а-сплавы ОТ4 и ВТ20 кроме a-фазы содержат в структуре p-фазу в количестве 1—5%. Сплав ОТ4 системы Ti—Al—Mn хорошо деформируется в горячем и холодном состояниях. Детали из этого сплава, изготовленные с применением сварки, штамповки и гибки, способны работать при температурах до 350°С. Повышенное содержание алюминия в сплаве ВТ20 и наличие циркония, который, растворяясь в a-фазе, способствует увеличению растворимости p-стабилизаторов молибдена и ванадия в a-фазе, придают сплаву высокие показатели прочности. Обработку давлением сплава ВТ20 ведут при температурах 800—900°С. Сплав ВТ20 обеспечивает надежную работу деталей при температурах до 500°С. Недостатком псевдо-а-сплавов является склонность к водородной хрупкости.

Для титановых (а + р)-сплавов характерна смешанная структура, состоящая из а- и p-твердых растворов. Сплавы упрочняются

термической обработкой, заключающейся в закалке и последующем старении. В состояниях как после отжига, так и закалки сплавы пластичны, хороню деформируются, а в состаренном состоянии обладают высокой прочностью при 20°С и повышенных температурах. Сплав ВТ6 отличается оптимальным сочетанием технологических и механических свойств. Из него изготавливают листы, профили, трубы, прутки, поковки и штамповки. Сплав хорошо сваривается точечной, стыковой, аргоно-дуговой, электроннолучевой сварками с применением защитной атмосферы. Из-за отсутствия в сплаве эвтектоидообразующих элементов сплав ВТ6 имеет высокую термическую стабильность и применяется для работы при температурах 400—450°С.

Сплав ВТ14 в отожженном состоянии имеет двухфазную структуру, содержащую до 10% p-фазы, а после закалки с температуры выше Л3 сто структура состоит из ct’-фазы. Сплав удовлетворительно сваривается всеми видами сварки. Он способен длительное время работать при 400°С и кратковременно — при 500°С.

Сплав ВТ8 относится к жаропрочным (а + р)-сплавам и способен длительное время работать при 450—500°С под нагрузкой. Сплав хорошо деформируется в горячем состоянии, но плохо сваривается.

Титановые псевдо-р-сплавы характеризуются высоким содержанием p-стабилизаторов и вызванным этим отсутствием мартенситного превращения. В процессе закалки в сплавах подавляется диффузионный распад p-фазы, но он частично реализуется при последующем старении, вызывая упрочнение сплава. Сплавы характеризуются высокой пластичностью в закаленном состоянии и высокой прочностью — в состаренном; они удовлетворительно свариваются аргоно-дуговой сваркой. Среди современных отечественных псевдо-р-сплавов, содержащих p-стабилизирующие элементы в количестве, эквивалентном 15—18% Mo (ВТ19, ВТ32 и ВТ35), одним из наиболее перспективных является ВТ35, относящийся к системе Ti—Al—V—Cr—Sn—Zr— Mo.

При легировании сплава ВТ35 алюминием (3%) повышается технологичность процесса литья слитков, облегчается подавление превращения р —^ со, возрастает эффект старения благодаря растворному упрочнению (обусловленному выделением при старении a-фазы), уменьшается плотность сплава. Замена основной массы молибдена ванадием (15%) исключает возможность образования co-фазы. Олово, присутствующее в сплаве, повышает его технологичность в процессе холодной пластической деформации, а также способствует увеличению эффекта старения за счет упрочнения a-фазы. Введение в сплав 1% циркония (по аналогии со сплавом ВТ19) приводит к более однородному распаду метастабильных фаз в сварном соединении, обычно имеющем большую неоднородность исходной структуры.

Каждый электрик должен знать:  Электроприборы бьют током - что делать

В отожженном и закаленном состояниях сплав ВТ35 обладает сравнительно небольшой прочностью при высокой технологичности и пластичности. Так, например, после аргоно-вакуумного охлаждения с температуры 800°С со скоростью 8 °С/мин сплав имеет ав= 760 МПа и 5= 16%, а после старения (при 520°С) — ав = 1180 МПа и 8 = 5%. В закаленном состоянии сплав может подвергаться холодной пластической деформации с большими степенями вытяжки. Изменяя режимы термической обработки (закалки и старения) сплава ВТ35, можно получать механические свойства в широком диапазоне значений (ав= 1100-5-1400 МПа, 8 = 4^-18%). При этом гарантированные свойства для листового полуфабриката из сплава ВТ35 после отжига ав = 800-^900 МПа и 8 = 15%, а после закалки со старением но промышленным режимам сгв= 1200-И400 МПа и 8 = 6%.

Сплав ВТ35, первоначально создаваемый для производства листов, может использоваться для получения плит, прутков, труб и поковок. Из него можно изготавливать ответственные детали самолетостроения, продолжительно работающие в интервале температур 260—300°С. Одним из наиболее сильно р-стабилизированных отечественных псевдо-р-сплавов является ВТ32 системы Ti—А1— V—Mo—Cr—Fe. p-фаза в этом сплаве нс распадается даже при охлаждении в выключенной печи. Его стандартные механические параметры близки к таковым для сплава ВТ35.

В нашей стране разработаны лишь два р-сплава (4201 и 42020), содержащие 29—35% молибдена и отличающиеся высокой коррозионной стойкостью, технологической пластичностью и хорошей свариваемостью. Они могут служить в качестве заменителей ряда коррозионностойких материалов (тантала, коррозионностойких никелевых сплавов и др.).

Литейные титановые сплавы. По сравнению с деформированными сплавами, литейные сплавы имеют меньшую прочность, пластичность и выносливость, но более дешевы. Сложность литья титановых сплавов обусловлена активным взаимодействием титана с газами и формовочными материалами. Литейные сплавы ВТ5Л, ВТ14Л и ВТ35Л по составу в основном совпадают с аналогичными деформируемыми сплавами (в то же время сплав ВТ14Л дополнительно содержит железо и хром).

Высокими технологическими свойствами обладает сплав ВТ5Л: он пластичен, не склонен к образованию трещин при литье, хорошо сваривается. Фасонные отливки из сплава ВТ5Л работают при температурах до 400°С. Недостатком сплава является его невысокая прочность (800 МПа). Двухфазный литейный сплав ВТ14Л подвергают отжигу при 850°С вместо упрочняющей термической обработки, резко снижающей пластичность отливок. Сплав ВТ14Л по литейным свойствам уступает ВТ5Л, но превосходит его по прочности (ав= 950 МГ1а).

Важным преимуществом литейного псевдо-р-сплава ВТ35Л является достаточно высокий предел выносливости, близкий по значению к таковым для деформируемых сплавов. В то же время большинство литейных сплавов отличается относительно низким (приблизительно в два раза меньшим) сопротивлением усталости по сравнению с деформированными полуфабрикатами, обладающими оптимальной микроструктурой. Качество литого металла и тем самым уровень его механических свойств можно существенно повысить горячей изостатической обработкой.

Порошковые сплавы титана. Применение методов порошковой металлургии для производства титановых сплавов позволяет при тех же эксплуатационных свойствах, что и у литого или деформируемого материала, добиться снижения до 50% стоимости и времени изготовления изделий. Титановый порошковый сплав ВТ6, полученный горячим изостатическим прессованием (ГИП), обладает теми же механическими свойствами, что и деформируемый сплав после отжига (ов = 970 МПа, 8 = 16%). Закаленному и состаренному деформируемому сплаву ВТ6 порошковый сплав уступает в прочности, но превосходит его в пластичности.

Применение сплавов титана. Из сплавов титана изготавливают обшивку самолетов, морских судов, подводных лодок; корпуса ракет и двигателей; диски и лопатки стационарных турбин и компрессоров авиационных двигателей; гребные винты; баллоны для сжиженных газов; емкости для агрессивных химических сред; изделия медицинской техники и др.

Добавить комментарий