Стабилизирующий отжиг

Выбор рационального легирования.

Для повышения жаропрочности и ресурса титановых сплавов применяется легирование. При этом очень важно знать при каких условиях и в каких количествах следует добавлять легирующие элементы.

Для повышения ресурса сплава ВТ8 при 450 – 500° С, когда снимается эффект упрочнения от термической обработки, было использовано дополнительное легирование его цирконием (1%).

Легирование сплава ВТ8 цирконием (1%), по данным позволяет значительно повысить его предел ползучести, причем действие добавки циркония при 500 более эффективно, чем при 450° С. С введением 1% циркония при 500° С предел ползучести сплава ВТ8 за 100 ч увеличивается на 70%, за 500 ч – на 90% и за 2000 ч на 100% (с 13· до 26· Па), а при 450° С – повышается на 7 и 27% соответственно.

Стабилизирующий отжиг широко применяется для лопаток турбин ГТД с целью снятия напряжений, возникающих на поверхности деталей при механической обработке. Этот отжиг проводят на готовых деталях при температурах, близких к эксплуатационным. Аналогичная обработка была опробована на титановых сплавах, применяемых для лопаток компрессора. Стабилизирующий отжиг проводили в воздушной атмосфере при 550° С в течении 2 ч и изучали его влияние на длительную и усталостную прочность сплавов Вт3-1, ВТ8, ВТ9, и ВТ18. Было установлено, что стабилизирующий отжиг не влияет на свойства сплава ВТ3-1.

Выносливость сплавов ВТ8 и ВТ9 после стабилизирующего отжига повышается на 7 – 15%; длительная прочность этих сплавов не изменяется. Стабилизирующий отжиг сплава ВТ18 позволяет повысить его жаропрочность на 7 – 10%, при этом выносливость не изменяется. То, что стабилизирующий отжиг не влияет на свойства сплава ВТ3-1, можно объяснить устойчивостью β-фазы вследствие применения изотермического отжига. В сплавах ВТ8 и ВТ9, подвергаемых двойному отжигу, из-за меньшей устойчивости β-фазы происходит достаривание сплавов (при стабилизирующем отжиге), что повышает прочность, а следовательно, и выносливость. Так как механическую обработку лопаток компрессоров из титановых сплавов, на финишных операциях проводят вручную, на поверхности лопаток возникают напряжения, разные по знаку и величине. Поэтому рекомендуется все лопатки подвергать стабилизирующему отжигу. Отжиг проводят при температурах 530 – 600° С. Стабилизирующий отжиг обеспечивает повышение выносливости лопаток из титановых сплавов не менее чем на 10 – 20 %.

Титановые сплавы, сплавы на основе титана. Лёгкость, высокая прочность в интервале температур от криогенных (-250 °С) до умеренно высоких (300— 600 °С) и отличная коррозионная стойкость обеспечивают Т. с. хорошие перспективы применения в качестве конструкционных материалов во многих областях, в частности в авиации и др. отраслях транспортного машиностроения.

Т. с. получают путём легирования титана следующими элементами (числа в скобках — максимальная для промышленных сплавов концентрация легирующей добавки в % по массе): Al (8), V (16), Mo (30), Mn (8), Sn (13), Zr (10), Cr (10), Cu (3), Fe (5), W (5), Ni (32), Si (0,5); реже применяется легирование Nb (2) и Та (5). Как микродобавки применяются Pd (0,2) для повышения коррозионной стойкости и В (0,01) для измельчения зерна. Легирующие добавки имеют различную растворимость в a и b-Ti и изменяют температуру a/b-превращения. Алюминий, а также кислород и азот, предпочтительнее растворяющиеся в a-Ti, повышают эту температуру по мере увеличения их концентрации, что ведёт к расширению области существования a-модификации; такие элементы называются a-стабилизаторами. Sn и Zr хорошо растворяются в обеих аллотропических модификациях титана и очень мало влияют на температуру "a/b-превращения; они относятся к так называемым нейтральным упрочнителям. Все остальные добавки к промышленным Т. с. предпочтительнее растворяются в b-Ti, являются b-стабилизаторами и снижают температуру полиморфного превращения титана. Их растворимость в aи b-модификациях титана меняется с температурой, что позволяет упрочнять сплавы, содержащие эти элементы, путём закалки и старения.

В связи с наличием полиморфизма титана и его способностью образовывать твёрдые растворы и химические соединения со многими элементами диаграммы состояния Т. с. отличаются большим разнообразием. Однако в промышленных Т. с. концентрация легирующих элементов, как правило, не выходит за пределы твёрдых растворов на основе a-Ti и b-Ti и металлидные фазы обычно не наблюдаются.

В нелегированном титане, а также в сплавах титана с a-стабилизаторами и нейтральными упрочнителями нельзя зафиксировать высокотемпературную b-модификацию путём закалки ввиду наличия мартенситного превращения, в результате которого образуется вторичная a-фаза игольчатой формы. В сплавах же с b-стабилизаторами можно, в зависимости от концентрации, зафиксировать любое количество b-фазы вплоть до 100%. На сплошную b-структуру могут закаливаться двойные сплавы, содержащие не менее 4% Fe, 7% Mn, 7% Cr, 10% Mo, 14% V, 35% Nb, 50% Ta; эти концентрации называются критическими. В закалённых сплавах докритического и критического составов (b-фаза является нестабильной и при последующей низкотемпературной обработке (старении) распадается с образованием дисперсных выделений вторичной a-фазы, что даёт эффект упрочнения. В сплавах закритического состава (например, Ti — 30% Mo) образуется стабильная b-фаза и эффекта упрочнения не наблюдается.

Общепринято деление промышленных Т. с. на 3 группы по типу структуры. К сплавам на основе a-структуры относятся сплавы с Al, Sn и Zr, а также с небольшим количеством b-стабилизаторов (0,5—2%). Ввиду незначительного количества или даже отсутствия в их структуре b-фазы они практически не упрочняются термической обработкой и поэтому относятся к категории сплавов средней прочности (s_b = 700—950 Мн/м ²; или 70—95 кгс/мм ²). Листовая штамповка этих Т. с. возможна только вгорячую. Достоинства a-сплавов — отличная свариваемость, высокий предел ползучести и отсутствие необходимости в термической обработке, а также отличные литейные свойства, что важно для фасонного литья. Малолегированные a-сплавы, а также относимый к этой группе технический титан, имеющие предел прочности менее 700 Мн/м ²(70 кгс/мм ² ), поддаются листовой штамповке вхолодную. Двухфазные a+ b-сплавы — наиболее многочисленная группа промышленных Т. с. Эти сплавы отличаются более высокой технологической пластичностью, чем a-сплавы, и вместе с тем могут быть термически обработаны до очень высокой прочности (s_b = 1500—1800 Мн/м ², или 150—180 кг/мм ²); они могут обладать высокой жаропрочностью. К недостаткам двухфазных сплавов следует отнести несколько худшую свариваемость по сравнению со сплавами предыдущей группы, так как в зоне термического влияния возможно появление хрупких участков и образование трещин, для предотвращения чего требуется специальная термическая обработка после сварки. Сплавы на основе b-структуры имеют наиболее высокую технологическую пластичность и хорошо поддаются листовой штамповке вхолодную; после старения приобретают высокую прочность; хорошо свариваются, но сварные соединения нельзя подвергать упрочняющей термической обработке из-за охрупчивания, что ограничивает применение сплавов этого типа. Др. недостатком (b-сплавов является сравнительно невысокая предельная рабочая температура — примерно 300 °С; при более высоких температурах большинство сплавов этого типа становится хрупким.

Химический состав промышленных Т. с., выпускаемых в СССР, приведён в табл. 1 (с разбивкой по типу структуры). По областям применения и виду полуфабрикатов можно приблизительно подразделить сплавы на следующие группы: свариваемые сплавы преимущественно для листов (ВТ5-1, ОТ4-0, ОТ4-1, ОТ4, ВТ20, ВТ6С, ВТ14, ВТ15); сплавы повышенной прочности для штамповок (ВТ5, ВТ6, ВТ14, ВТ16, ВТ22); жаропрочные сплавы для штамповок (ВТЗ-1, ВТ8, ВТ9, ВТ18). Сплав ВТ6С специально рекомендуется для баллонов высокого давления, все жаропрочные сплавы — для дисков, лопаток и др. деталей компрессоров газотрубных двигателей, сплав ВТ22 — для массивных нагруженных штамповок, сплав ВТ16 — для болтов. В случае необходимости (например, при изготовлении штампосварных кон Табл. 1. — Химический состав промышленных титановых сплавов СССР

Тип сплава	Марка сплава	Химический состав, % (остальное Ti)
Аl	V	Mo	Mn	Cr	Si	другие элементы
α	ВТ5 ВТ5-1	4,3—6,2 4,5—6,0	— —	— —	— —	— —	— —	— 2—3 Sn
Псевдо-α	ОТ4-0 ОТ4-1 ОТ4 ВТ20 ВТ18	0,2—1,4 1,0—2,5 3,5—5,0 6,0—7,5 7,2—8,2	— — — 0,8—1,8 —	— — — 0,5—2,0 0,2—1,0	0,2—1,3 0,7—2,0 0,8—2,0 — —	— — — — —	— — — — 0,18—0,5	— — — 1,5—2,5 Zr 0,5—1,5 Nb 10—12 Zr
α + β	ВТ6С ВТ6 ВТ8 ВТ9 ВТ3-1 ВТ14 ВТ16 ВТ22	5,0—6,5 5,5—7,0 6,0—7,3 5,8—7,0 5,5—7,0 4,5—6,3 1,6—3,0 4,0—5,7	3,5—4,5 4,2—6,0 — — — 0,9—1,9 4,0—5,0 4,0—5,5	— — 2,8—3,8 2,8—3,8 2,0—3,0 2,5—3,8 4,5—5,5 4,5—5,0	— — — — — — — —	— — — — 1,0—2,5 — — 0,5—2,0	— — 0,20—0,40 0,20—0,36 0,15—0,40 — — —	— — — 0,8—2,5 Zr 0,2—0,7 Fe — — 0,5—1,5 Fe
β	ВТ15	2,3—3,6	—	6,8—8,0	—	9,5—11,0	—	1,0 Zr

Механические свойства Т. с. в отожжённом и термически упрочнённом состоянии приведены в табл. 2. Кроме обычной термической обработки, состоящей из закалки и старения, применяются различные режимы отжига, термомеханическая обработка (например, закалка из-под штампа с последующим старением), а также изотермическая деформация (медленная штамповка в штампах, нагретых до температуры деформации). В последнем случае достигаются очень однородные и высокие механические свойства. Титан и его сплавы могут подвергаться ковке, объёмной и листовой штамповке, прокатке, прессованию, волочению; из них можно получать те же полуфабрикаты, что и из др. конструкционных металлов, с учётом повышенной склонности титана к окислению при нагреве. Рекомендуется применять защитные эмалевые покрытия, которые при обработке давлением одновременно являются технологическими смазками. Термическую обработку следует проводить в печах с нейтральной атмосферой или в вакууме. Большинство промышленных Т. с. имеют довольно узкий интервал кристаллизации и поэтому обладают удовлетворительными литейными свойствами. Для получения фасонных отливок предпочтительнее a-сплавы, которые, кроме хороших литейных свойств, позволяют заваривать дефекты. Наиболее употребительный в СССР литейный Т. с. — сплав ВТ5Л. Для деталей повышенной прочности применяются сплавы ВТ6Л, ВТ9Л, ВТ20Л и др. В качестве материала для форм используются специальные керамические и графитовые смеси а также стальные кокили.

Табл.2. — Механические свойства титановых сплавов (типичные)

Марка сплава	Вид полуфа-бриката	Размеры (диа-метр прутка или толщина листа, мм)	Режим термообра-ботки	Предел прочности, Мн/м^2 ("0,1 кгс/ мм^2)	Относи-тельное удлинение, %
ВТ5 ВТ5-1	Пруток Лист	10—60 0,8—10	Отжиг "	750—950 750—950	15—8*
ОТ4-0 ОТ4-1 ОТ4 ВТ20 ВТ18	Лист " " " Пруток	0,3—10 0,3—10 0,5—10 1,0—10 25—35	Отжиг " " " "	500—650 600—750 700—900 950—1150 950—1150	25—20 20—13 20—12 12—8
ВТ6С   ВТ6   ВТ8   ВТ9   ВТ3-1   ВТ14   ВТ16 ВТ22	Лист   Пруток   "   "   "   Лист   Пруток "	1—10   10—60   10—60   10—60   10—60   0,6—10   4—16 25—60	Отжиг Закалка и старение Отжиг Закалка и старение Отжиг     Закалка и старение Отжиг Закалка и старение Отжиг     Закалка и старение Отжиг Закалка и старение Отжиг "	850—1000 920—1120 1000—1200 750 (при 450 °C) 600 (при 500 °C) 1200 1050—1250 1000—1200 750 (при 400 °C) 650 (при 450 °C) 1200 850—1070 1100—1200 830—950 1100—1250	12—8         6—4
ВТ15	Лист	1—4	Закалка Закалка и старение	850—1000

* Первое значение для минимальной толщины, второе — для максимальной.

В стадии промышленной разработки находятся высоколегированные сплавы Ti — Ni, представляющие собой по составу практически чистое химическое соединение никелид титана. Сплавы такого типа, получившие название "нитинол", обладают способностью при определённых условиях восстанавливать свою первоначальную форму после некоторой пластической деформации ("эффект памяти"), что используется, например, в автоматическом реле противопожарных устройств и т. п.

К недостаткам Т. с. следует отнести низкие антифрикционные свойства; это требует применения покрытий и смазок трущихся поверхностей.

Дата добавления: 2014-11-18