Титан и его сплавы
СПЛАВЫ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ
Глава 8
Титан - металл серебристо-белого цвета. Он относится к легким металлам. Его плотность 4,5 г/см3, что почти в 2 раза меньше, чем у железа и сталей. Титан в чистом виде пластичен и мягок как медь (sв = 220 МПа, d = 55%, j = 80%). Технически чистый титан трудно деформируется в связи с понижением пластичности под действием самых малых количеств примесных атомов. Титан, как и железо, является полиморфным металлом. Он имеет две аллотропические формы кристаллического строения: a-Ti – низкотемпературный – до 882,5 ºС и b-Ti выше 882,5 ºС – до tº плавления 1668 ºС. a-Ti – имеет гексагональную плотноупакованную решетку, b-Ti – объемно-центрированную.
Чистый титан имеет высокую химическую активность и сравнительно низкую прочность, поэтому на практике наиболее часто применяют не чистый титан, а сплавы на его основе, обладающие высокими прочностными свойствами.
Легирующие элементы и примеси в титановых сплавах по характеру влияния на полиморфные превращения, можно разбить на 2 группы (рисунок 8.1).
|
| 
|
| Рисунок 8.1. Диаграммы фазового равновесия в системах с титаном: а - Ti-Mo; б - Ti-Al; в - Ti-Cr |
К первой группе относятся элементы, понижающие температуру аллотропического превращения, расширяя область b-фазы, иногда даже до комнатной температуры и ниже. Такие элементы называются b-стабилизаторами (Mo, Fe, Cr, Mn, V, H и др.). Типичной системой является Ti-Mo (рисунок 8.1, а).
Ко второй группе отнесены компоненты, которые повышают температуру аллотропического превращения, сужают область b-состояния и расширяют область a-фазы. Эти элементы называются a-стабилизаторами (Al, B, O, N, C). Кислород, азот, углерод в небольших количествах можно рассматривать как легирующие элементы, упрочняющие титан. Большие количества этих элементов, а водород в любом количестве, сильно охрупчивают титановые сплавы, и должны рассматриваться как вредные примеси.
Многие легирующие элементы, ограниченно растворимые в титане, приводят к появлению эвтектоидных превращений, и поэтому диаграммы состояний со стороны титана похожи на диаграмму Fe-C (рисунок 8.1, в, Ti-Cr, Ti-Mn). Закалка титановых сплавов сообщает им метастабильные структуры мартенситного типа, высокую твердость, прочность. Применение отпуска после закалки позволяет регулировать и достигать благоприятного сочетания прочности и пластичности сплавов.
Таким образом, на титановых сплавах удается получать характеристики прочности, аналогичные сталям при гораздо меньшем по сравнению со сталью удельном весе. Высокая температура плавления позволяет получать высокие значения прочности при температуре до 500 ºС.
В связи с отмеченными достоинствами титановые сплавы находят все большее применение в авиации, ракетостроении и т.д.
Титан и титановые сплавы производятся в соответствии с ГОСТ 19807-91. - Титан и титановые сплавы. Марки, а также по ГОСТ 1900-В-78. - Сплавы титановые. Марки и ГОСТ 2278-76. - Листы из титана и титановых сплавов. Технические условия.
В зависимости от типа структуры, образующейся при охлаждении на воздухе, титановые сплавы подразделяют на 4 основные группы: a-сплавы, псевдо-a-сплавы, (a+b)-сплавы и b-сплавы (таблица 8.1). Одним из основных легирующих элементов титановых сплавов является алюминий. Сплавы, легированные алюминием, имеют в отожженном состоянии структуру однофазного a-твердого раствора (рисунок 8.1,б).
Таблица 8.1 - Химический состав, тип структуры и свойства основных титановых сплавов
| Марка сплава | Содержание элементов, % | Тип структуры | σв, МПа | δ, % | |||
| Al | V | Mo | прочие | ||||
| ВТ5 | 4,3-6,2 | - | - | - | a-сплавы | 700-950 | 10-15 |
| ВТ5-1 | 4-6 | - | - | 2-3 Sn | 750-950 | 10-15 | |
| ОТ4-1 | 1-2,5 | - | - | 0,7-2 Mn | псевдо-a-сплавы | 600-750 | 20-40 |
| ОТ4 | 3,5-5 | - | - | 0,8-2 Mn | 700-900 | 12-20 | |
| ВТ20 | 5,5-7 | 0,8-2,3 | 0,5-1,8 | 1,4-2,5 Zr | 950-1150 | ||
| ВТ3-1* | 5,5-7 | - | 2-3 | 0,8-2,3% Cr 0,2-0,7% Fe | (a+b)-сплавы | 1200-1400 | 8-10 |
| ВТ6* | 5,3-6,8 | 3,5-5,3 | - | - | 1100-1150 | 14-16 | |
| ВТ14* | 3,5-6,3 | 0,8-1,9 | 2,5-3,8 | - | 1150-1400 | 6-10 | |
| ВТ16* | 1,6-3,8 | 4-5 | 4,5-5,5 | - | 1250-1450 | 4-6 | |
| ВТ22 | 4,8-5,2 | 4,5-5,5 | 4,5-5,5 | 0,8-1,2 Cr 0,8-1,2 Fe | 1100-1250 | ||
| ВТ32 | 1 Cr, 1 Fe | b-сплавы | 800-950 | 6-15 |
Примечание: Свойства отмеченных сплавов приведены после закалки и старения; остальные сплавы - после отжига.
Одним из представителей a-сплавов является ВТ-5, содержащий 4,3-6,2 % алюминия. В сплавах этого типа протекает полная фазовая перекристаллизация при нагреве и охлаждении при переходе через критическую точку. Поэтому быстрое охлаждение из b-состояния до комнатной температуры приводит к подавлению диффузионной перестройки решетки ОЦК в ГПУ. Этот процесс при быстром охлаждении осуществляется бездиффузионно, по мартенситному механизму с образованием мартенситной a’-фазы, имеющей также решетку ГПУ, однако несколько искаженную в связи с возникновением при перестройке решетки значительного уровня внутренних напряжений. a’-фаза в чистых по примесям сплавах титана с алюминием, оловом, азотом, кислородом по своему внешнему виду не похожа на мартенсит, а имеет вид «зубчатых» зерен.
При добавлении в сплавы титана b-стабилизирующих элементов a’-фаза приобретает в структуре игольчатое мартенситное строение. Обычно сплавы, легированные только алюминием, закалке на мартенсит не подвергают, поскольку они приобретают очень высокую хрупкость, а само легирование алюминием без применения закалки достаточно упрочняет эти сплавы, даже в отожженном состоянии.
Широко распространенным является сплав ВТ3-1 (5,5-7% Al, 2-3% Мо, 0,8-2,3% Cr). Дополнительное (по сравнению со сплавом ВТ5) легирование сплава хромом (рисунок 8.1, в) приводит к появлению на диаграмме состояния эвтектоидного превращения аналогично системе Fe-C, что становится основой создания (a + b) сплавов. Медленное охлаждение со скоростью 15 ºС в час (отжиг) приводит к двухфазному состоянию a + TiCr2. Быстрое охлаждение приводит к получению мартенситной структуры.
В сплавах, легированных небольшими количествами b-стабилизаторов после закалки могут наблюдаться три вида метастабильных фазовых составляющих: a’-фаза, w-фаза и метастабильная b-фаза. w-фаза – это промежуточная мартенситная фаза, ее кристаллическая решетка гексагонального типа с отношением осей с/а = 0,61.
w-фаза является переходной фазой при превращении метастабильного твердого раствора в a-фазу. w-фаза может образовываться как при закалке, так и в результате отпуска переохлажденной b-фазы. В первом случае образование w-фазы протекает чисто бездиффузионным путем, во втором случае бездиффузионному превращению b в w-фазу предшествует диффузионное перераспределение легирующих элементов в фазе b. Бездиффузионное превращение b в w-фазу протекает путем коллективного перемещения атомов, на расстояния, не превышающие межатомные с сохранением ближайших соседей в исходной и образующейся кристаллических решетка. Особенностью мартенситного превращения b→w является отсутствие макросдвигов, которые могли бы привести к образованию микрорельефа на поверхности образца.
w-фаза имеет высокую твердость и очень низкую пластичность. Особенностью механических свойств сплавов с выделившейся w-фазой является также очень высокая хрупкость, поэтому на практике всеми возможными средствами стремятся избегать образования структуры, содержащей метастабильную w-фазу.
Метастабильная bмет.-фаза является переохлажденной до комнатной температуры b-фазой, имеющей кристаллическую решетку объемно-центрированного куба, не отличающуюся от решетки стабильной b-фазы. По сравнению с другими метастабильными фазами она отличается наименьшей твердостью и высокой пластичностью. В связи с термодинамической и механической неустойчивостью фазы bмет., она может претерпевать диффузионное или бездиффузионное превращение при последующем нагреве или деформировании, с образованием фаз a и w-фаз, причем распад идет таким образом, что на первых стадиях отпуска при низких температурах реализуется превращение bмет ® (w + b), а при дальнейшем развитии процессов распада происходит образование смесей (w + a + b) и затем (a + b). Температура отпуска, до которой наблюдается охрупчивание, связанное с выделением w-фазы, равна 450-480 ºС. Поэтому видами термообработки, приводящими к получению благоприятного сочетания прочности и пластичности сплавов с небольшим количеством легирующих элементов b-стабилизаторов, например, сплава ВТ 3-1 являются:
1) отжиг при 750 ºС с охлаждением на воздухе; при этом получаются следующие механические свойства:
sв = 950-1150 МПа, d = 10-16%, j = 25-40%, КСU = 30-60 Дж/см2;
2) закалка с 800 ºС в воде с отпуском при 500 ºС, т.е. выше интервала температур, приводящих к образованию w-фазы; при этом получают sв до 1200-1400 МПа.
При большом содержании (более 5%) b стабилизаторов Mo, Nb, W, V, Ta в структуре закаленных сплавов, кроме метастабильных фаз a’, w и bмет., появляется еще одна - a’’- фаза, представляющая собой пересыщенный твердый раствор легирующих элементов в a-Ti, аналогично a’-фазе, и являющейся типичной мартенситной фазой. a”-фаза имеет ромбическую кристаллическую решетку. Аналогично a’-фазе, a”-фаза, имеет игольчатое строение.
Небольшое легирование сплавов, как было показано, приводит к получению после закалки мартенситной структуры a’-фазы с гексагональной искаженной решеткой. Увеличение легирования титановых сплавов приводит к более сильному пересыщению твердого раствора, в результате чего напряжения, вызванные пересыщением приводят к искажению гексагональной кристаллической решетки до ромбической. Твердость a”-фазы значительно меньше твердости a’-фазы.
Более легированные титановые сплавы, содержащие 15-25% b стабилизаторов (например, ВТ15, ВТ32) легированные Cr, V, Мо, Al, после закалки имеют структуру только метастабильной b-фазы, которая претерпевает описанные превращения как при пластическом деформировании, так и при отпуске, однако интенсивность развития очень низка и требует большой длительности отпуска.
Увеличение содержания легирующих элементов - b-стабилизаторов выше 30-35% приводит к получению сплавов, имеющих после закалки и отжига структуры стабильной b-фазы, не претерпевающей превращений ни при пластической деформации, ни при отпуске. Такие сплавы упрочняющей термической обработке не подвергаются.
Титановые сплавы находят применение, в основном, как конструкционные высокопрочные материалы, имеющие малый удельный вес. Однако применение их для жестких конструкций, у которых упругая деформация должна быть как можно меньше, несколько ограничено в связи с малой величиной модуля упругости (почти в 2 раза меньше, чем у железа). Это говорит о малой величине сил межатомной связи в кристалле. По этой же причине сплавы титана быстро разупрочняются с ростом температуры. Они пригодны для работы при температуре только до 500 ºС, тогда как сплавы на основе Fe, Co, Ni могут работать до температур = 700-1000 ºС, хотя их температуры плавления даже ниже, чем у титана. Таким образом, видно, что применение титановых сплавов, как жаропрочных, ограничено. Большое значение титан и его сплавы имеют, как коррозионностойкие материалы.