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.