Сплавы на основе титана

Сплавы на основе титана получили значительно большее применение, чем технический титан. Легирование титана Fe, Al, Mn, Cr, Sn, V, Si повышает его прочность (s_B, s_0,2), и одновременно снижает пластичность (d, y) и вязкость (KCU). Жаропрочность повышают Al, Zr, Mo, а коррозионную стойкость в растворах кислот - Mo, Zr, Nb, Ta и Pd. Титановые сплавы имеют высокую удельную прочность s_B/g. Как и в железных сплавах, легирующие элементы оказывают большое влияние на полиморфные превращения титана. Такие элементы, как Al, N,O, повышают температуру полиморфного превращения a«b и расширяют область a - фазы; их называются a -стабилизаторам. Такие элементы, как Mo, V, Mn, Fe, Cr понижают температуру полиморфного превращения a«b и расширяют область b - фазы; их называют b - стабилизаторами. (рис. 70).
Некоторые b - стабилизаторы (Cr, Mn, Fe и др.) образуют с титаном интерметаллические соединения Тi_XM_Y. Такие b - стабилизаторы называют эвтектоидообразующие.
В соответствии со структурой различают:
a- сплавы, имеющую структуру (рис.71а) - твердый раствор легирующих элементов в a- титане; основной легирующий элемент в этих сплавах - алюминий, кроме того, они могут содержать нейтральные элементы (Sn, Zr) и небольшое количество b - стабилизаторов (Mo, Mn, Fe, Cr); a+b сплавы (рис. 71б), состоящие из a- и b- стабилизаторов (Mn, Fe, Cr).
Термическая обработка титановых сплавов. Титановые сплавы в зависимости от их состава и назначения можно подвергать отжигу, закалке, старению и химико-термической обработке. Чаще титановые сплавы подвергаются отжигу.
Отжиг a - сплавов при 800-850⁰С и сплавов a+b - при 750-800⁰С. Применяется изотермический отжиг - нагрев до 870 - 980⁰С сплава и далее выдержка при 530 - 660⁰С. С повышение количества b- стабилизаторов температура отжига снижается. Температура отжига a+b не должна превышать температуры превращения a+b ® b (температуры Ас₃) так как в b- области происходит сильный рост зерна, что сильно снижает пластичность. Вязкость разрушения К_1с возрастает при повышении температуры в области a+b при сохранении высокой пластичности.
Для обеспечения высокой конструктивной прочности следует применять
отжиг при температуре на 20-30⁰С ниже температуры a+b ® b превращения.
В последние годы все шире применяют вакуумный отжиг, который позволяет уменьшить содержание водорода в титановых сплавах, что приводит к существенному повышению вязкости разрушения, уменьшению. Склонности к замедленному разрушению и коррозии растрескиванию.
Для снятия внутренних напряжений, возникающих при механической обработке a- и a+b применяют неполный отжиг при 550-650⁰С. С увеличение b- стабилизаторов временное сопротивление и предел текучести отожженных сплавов возрастает. При содержании 50% a- на 50% b - фаз они достигают наибольшего значения. Далее они могут быть упрочнены закалкой и с последующим старением (отпуском).
При охлаждении со скоростью выше критической (закалка) сплавов, нагретых до области b - фазы, протекает мартенситное превращение в интервале температур М_н-М_к (рис. 72). Мартенситная a¢ - фаза представляет собой перенасыщенный твердый раствор замещения легирующих элементов в a - титане с гексагональной решеткой.
При высокой концентрации легирующего элемента возникает мартенситная a² - фаза с ромбической решеткой и w - фаза с гексагональной структурой, появление которых уменьшает твердость и прочность закаленных сплавов и увеличивает их пластичность. Появление a²- фазы вызывает уменьшение твердости и прочности закаленных сплавов и увеличение их пластичности (рис. 73а). Мартенситная a²- фаза при легировании титана эвтектоидообразующими b - стабилизаторами (Cr, Mn, Fe, Si и др.) не образуется (рис. 73б).
При высоком содержании b - стабилизаторов после закалки структура состоит из b+w или b фазы. w - фаза охрупчивает сплав. Во избежании сильного роста зерна закалку проводят от температур, соответствующих области a+b, чаще от 850-950⁰С
При последующем старении закаленных сплавов происходит распад мартенситных a¢, a² - фаз, а так же метастабильной b - фазы, что немного повышает прочность. Наибольшее упрочнение после закалки и старения получают сплавы с высоким содержанием b- стабилизаторов. Упрочняющую термическую обработку для крупных деталей из титановых сплавов применяют редко. Это объясняется малой прокаливаемостью титановых сплавов, низким значением вязкости разрушения (К_1с) и короблением деталей.
Титановые сплавы имеют низкое сопротивление износу и при использовании в узлах трения подвергаются ХТО (химико-термической обработке). Для повышения износостойкости титан азотируют при 850-950⁰С в течение 30 - 60 ч в атмосфере азота. толщина диффузионного слоя в сплавах титана после азотирования при 950⁰С в течении 30 ч. 0,05-0,15 мм 750-900HV
Промышленные сплавы титана. Сплавы титана применяют там, где главную роль играет небольшая плотность, высокая удельная прочность, теплостойкость и хорошая сопротивляемость коррозии.
Таблица 48

Химический состав (по легирующим элементам) и типичные
механические свойства некоторых титановых сплавов титана* в отожженном состоянии

Сплав	Содержание элементов (остальное титан), %	Механические свойства	Вид полуфабриката
Al	V	Mo	Другие элементы	sB, МПа	d,%, не менее	KCU, МДж/м^2не менее не менее	s-1, МПа, не менее
a - сплавы
ВТ5		-	-	-	750-950		0,5	-	Отливки, профили, поковки
ВТ5-1		-	-	2,5 Sn	800- 1000		0,4		Листы, профили, трубы
ОТ4*		-	-	1,5Mn			0,4		Листы, полосы, ленты
a+b - фаза
ВТ6		4,5	-		950-1170	8,0	0,4		Поковки, листы. трубы
ВТ14	5,5	1,3	3,0		900-1050		0,5		Поковки, штамповые заготовки
ВТ8	6,5	-	3,5	0,3 Si	1050-1250		0,3		Тоже
* Псевдосплав a; в его структуре a - фаза + (1- 5) % b фазы

Титановые сплавы применяются в авиации, ракетной технике, в химическом машиностроении во многих других отраслях народного хозяйства.
Деформируемый сплав ВТ5 хорошо обрабатывается давлением в горячем состоянии и сваривается; обладает высокой сопротивляемостью коррозии, не склонна к водородной хрупкости, Дополнительное легирование сплава оловом улучшает технологические и механические свойства сплава.
Сплавы типа ОТ4 хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состояниях, свариваются всеми видами сварки, но склонны к водородной хрупкости.
Наилучшие сочетания достигаются в (a+b) сплавах. Сплав ВТ6 обладает хорошими механическими и технологическими свойствами и упрочняется термической обработкой (закалкой от 900-950⁰С и старением при 450-500⁰С) после закалки s_B = 1000-1050 МПа, а после старения в течении 2-8 часов s_B = 1200-1300 МПа. Отжиг проводится при 750- 800⁰С. Для сварных конструкций применяется сплав ВТ14С, содержащий меньше алюминия (5,5 %)
Сплав ВТ14 рекомендуется применять для изготовления тяжело нагруженных деталей, а так же деталей, длительное время работающих при 400⁰С или кратко временно при 500⁰С. Сплав упрочняется закалкой от 850-880⁰С в воде с последующим старением при 480-500⁰С 12-16 ч. Полный отжиг проводят при 750-800⁰С, а не полный - при 600-650⁰С.
Сплав ВТ8 применяют после изотермического отжига, в результате которого он приобретает высокое сопротивление ползучести и длительную прочность, поэтому он применяется как жаропрочный (до 450-500⁰С). Сплав хорошо сваривается и используется главным образом в виде поковок и штамповых заготовок. Для фасонного литья применяются сплавы ВТ5Л. ВТ6Л, ВТ14Л, которые обладают достаточно хорошими литейными и механическими свойствами.

18. Титан и сплавы на его основе
Вопросы для самопроверки

1. Каковы характерные физические и механические свойства титана и где он применяется?

2. Какие легирующие элементы расширяют область a - фазы и какие – область b - фазы?

3. В чем отличие a - сплавов от (a+b) – сплавов? Какие сплавы более часто применяют?

4. Можно ли a - сплавов упрочнить термической обработкой? Какую термическую обработку проходят a - сплавов?

5. Какие примеси наиболее опасны для титана и почему?

6. Чем отличается мартенсит a¢ от мартенсита a² в титановых сплавах?

7. Можно ли использовать для упрочнения титановых сплавов w фазу?

8. Как влияют легирующие элементы точки на М_н и М_к в титановых сплавах?

9. Почему не рекомендуется нагревать для отжига и закалки сплавы до области b - фазы?

10. Какую упрочняющую термическую обработку проходят (a + b) – титановые сплавы?

11. Опишите характерные свойства титановых сплавов и область их применения.

19. Алюминий и сплавы на его основе

Дата добавления: 2014-01-07