Термическая обработка титановых сплавов
Титан
Конструкционные сплавы на основе титана
ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ
Глава 2
Контрольные вопросы к главе 1
1. Каковы общие требования, предъявляемые к конструкционным материалам? Что такое конструкционная прочность?
2. Как подразделяются углеродистые конструкционные стали по качеству и областям применения? Какие виды термообработок применяют к качественным углеродистым сталям?
3. Какие свойства наиболее важны для изготовления и эксплуатации изделий из низколегированных конструкционных сталей? Перечислите основные области их применения в машиностроении.
4. Какие стали считаются высокопрочными? Какие способы достижения высокой прочности в сталях используются в современном металловедении?
5. Перечислите основные виды коррозии, наблюдаемой в сталях и сплавах. Укажите группы коррозионностойких сталей, используемых в промышленности.
6. Какие стали и сплавы называются жаропрочными, укажите требования, предъявляемые к ним по механическим и коррозионным свойствам. Какие способы упрочнения применяют для повышения жаропрочности сталей и сплавов?
7. Как классифицируют инструментальные стали и сплавы, и какие требования к ним предъявляют?
8. Какие основные классы сталей и сплавов используют в электротехнической промышленности?
9. Перечислите основные свойства сплавов с эффектом «памяти формы».
В последние годы в качестве конструкционных материалов начали применять и титановые сплавы. Причем темпы роста объема их производства наиболее высокие из всех известных конструкционных материалов. Это объясняется редким сочетанием высокой удельной прочности, коррозионной стойкости и значительной прочности при повышенных температурах.
Титан - переходный металл. Его температура плавления 1668°С, плотность при 20 °С составляет 4,5 г/см3, модуль упругости Е =11,2.105 МПа. При 882 °С низкотемпературная гексагональная модификация (a - фаза) переходит в высокотемпературную b - модификацию с ОЦК решеткой. Очень чистый титан, полученный иодидным способом, обладает высокой пластичностью, но вследствие его химической активности он легко взаимодействует с кислородом,
азотом и углеродом. И, хотя прочность его сильно возрастает, пластичность существенно снижается (табл. 14).
Несмотря на высокую температуру плавления, чистый титан обладает повышенной склонностью к ползучести. Она проявляется уже при комнатной температуре, при напряжениях составляющих только 60 % от предела текучести. Технический титан не склонен к хладноломкости. У технического титана необычно изменяется пластичность: с повышением температуры от комнатной до 200 °С она увеличивается в 1,5…2 раза, а при дальнейшем повышении температуры - снижается, достигая минимума при 400…500 °С, а затем снова резко возрастает. При температуре полиморфного превращения титан обладает сверхпластичностью.
Таблица 14
Механические свойства различных марок титана
Марка титана | Сумма примесей, % | s0,2, МПа | sВ, МПа | d, % | y, % | |
Fe+Al+Si | C+N+O+H | |||||
Иодидный ВТ1-00 ВТ1-0 | 0,08 0,20 0,28 | 0,019 0,23 0,33 | 140-160 - 380-400 | 250-300 300-450 400-550 | 50-70 15-20 | 60-70 - |
Интенсивность взаимодействия титана с кислородом и водородом растет с температурой, поэтому в условиях эксплуатации при повышенных температурах его следует защищать от насыщения указанными элементами. Вместе с тем эту способность титана используют для поглощения газов в электронике. Титан сильно адсорбирует водород, но до 500 °С наводороживание происходит лишь в атмосфере, богатой водородом, а в воздушной среде проникновение водорода через защитную оксидную пленку невелико. Несмотря на свою высокую химическую активность, титан во многих агрессивных средах обладает высокой коррозийной стойкостью, что объясняется образованием защитной оксидной пленки на его поверхности. В средах, не разрушающих оксидную пленку, а особенно способствующих ее образованию, титан устойчив (в разбавленной серной кислоте, уксусной, молочной, во влажной хлорной атмосфере, царской водке, разбавленной и концентрированной азотной кислоте и др.). Преимущество титана перед другими материалами заключается еще и в том, что точечная и межзеренная коррозия наблюдаются в нем редко.
2.1.2. Сплавы на основе титана
Титан взаимодействует с большим числом элементов периодической системы. И. И. Корнилов подразделяет все сплавы титана на четыре группы (рис. 23). К первой группе относятся сплавы, сохраняющие однофазность во всей области изменения концентраций, как с a -, так и с b - модификациями титана (сплавы с цирконием и гафнием). Ко второй группе принадлежат сплавы с элементами, неограниченно растворяющимися лишь в a - титане, но имеющими ограниченную растворимость в b - титане (V, Nb, Та, Мо, W).
Третью группу сплавов образуют элементы, с которыми титан претерпевает эвтектоидный распад b - фазы (Si, Мn, Fе, Сu, Ni и др.). Четвертую группу формируют элементы, которые, растворяясь в титане, образуют a - фазу по перитектоидной реакции (С, Al, O, N).
По влиянию элементов на устойчивость a - и b - фаз их разделяют на элементы-стабилизаторы a - фазы, например, алюминий и элементы b - стабилизаторы, подразделяющиеся на b - эвтектоидные стабилизаторы (Сr, Мn, Fе, Сu, Ni, Рb, Ве, Со) и просто b - стабилизаторы, сохраняющие b - твердый раствор до комнатной температуры (V, Мо, Nb, Та, W).
К легирующим элементам, мало влияющим на устойчивость и a -, и b - фаз, относят Sn, Zr и Ge. Соответствующие диаграммы состояния этих систем представлены на рис. 23.
Отметим, что в системах с эвтектоидным превращением b - фаза распадается на a - и g - фазы, причем, как правило, g - фаза является интерметаллидом.
Титан и его сплавы применяют обычно после термической обработки (отжига, закалки, старения). Отжиг применяют для технического титана и a - титановых сплавов для снятия нагартовки (наклепа) после деформации.
Рис. 23. Классификационная схема диаграмм состояния сплавов титана
Его проводят выше температуры рекристаллизации (для сильно деформированного чистого иодидного титана при 400 °С). Примеси обычно повышают температуру рекристаллизации, поэтому технический титан и сплавы отжигают при температурах порядка 550 °С, но температура должна находиться в интервале между AC3 и A3, чтобы избежать чрезмерного роста зерна в b - области. При отжиге сплавов со структурой a + b рекристаллизационный отжиг сочетается с фазовой перекристаллизацией, поэтому температуру нужно выбирать не очень высокую, чтобы меньше был объем b - фазы, претерпевающей распад. Для снятия напряжений, образовавшихся в результате механической обработки изделий, иногда применяют неполный отжиг (ниже температуры рекристаллизации).
Для упрочнения сплавов со структурой a + b их закаливают и подвергают старению. При старении образуются фазы a" и w с гексагональной мартенситной структурой. Появление w - фазы хотя и повышает прочность, но вызывает хрупкость. Поэтому старение проводят при 500…600 °С, когда w - фаза практически отсутствует. При указанных режимах старения упрочнение происходит за счет образования мелкодисперсной w" - фазы.
Прочность титановых сплавов увеличивается и в результате повышения температуры закалки, но при этом снижается пластичность. Оптимальное сочетание прочности и пластичности наблюдается при температурах закалки близких к АС2. Для двухфазных титановых сплавов целесообразна ТМО. В результате ТМО их прочность повышается на 15…20 %, причем при одновременном увеличении поперечного сужения. Для однофазных титановых сплавов также применяют ТМО. В этом случае прочность практически не повышается, но получается более однородная структура по сечению и длине изделий и лучшая воспроизводимость свойств.
Для упрочнения титановых сплавов проводят также и азотирование, значительно повышающее прочность поверхностных слоев. Для устранения хрупкости азотированного слоя и улучшения его сцепления с основным материалом, применяют отжиг при 800…900 °С в инертной атмосфере или вакууме.
Заметного повышения износостойкости и коррозионной стойкости достигают и оксидированием, т. е. нагревом до 725…850 °С на воздухе в течение 5…1 ч, с последующим вакуумным отжигом при 750…850 °С.