Класифікація та характеристика конструкційних і ливарних сплавів на основі титану

Розроблено і виготовлено у промислових масштабах значну кількість конструкційних деформованих титанових сплавів різного призначення, які, як зазначено вище, за структурою поділяють на такі групи: а-сплави, псевдо-а-сплави (сплави на основі а-фази з невели­кою (2...7 %) кількістю в-фази у рівноважному стані), (а+в)-сплави, псевдо-в-сплави (сплави на основі в-структури з невеликою кількістю а-фази) і в-сплави. У табл. 11.2 наведено склад і властивості найбільш розповсюджених титанових сплавів.

При кристалізації будь-яких титанових сплавів утворюється в-розчин на основі титану, причому структура, як правило, крупнозерниста (у зливках розмір в-зерен у поперечнику може складати кілька сантиметрів). Подальше охолодження у твердому стані призводить до поліморфного перетворення твердого розчину β—>α, що відбувається в інтервалі температур зі зміною складу фаз. У більшості промислових сплавів це перетворення не відбувається до кінця, у них при кімнатній температурі залишається b-фаза.

Границі вихідних b-зерен добре спостерігаються, особливо коли на них утворюється а-оторочка (див. рис. 11.9). Всередині b-зерен утворюється а-фаза у вигляді пачок (колоній) паралельних пластин.

Формування такої структури типу відманштеттової підпорядко­вується принципу структурної відповідності Данкова-Конобеєвського:

кристалографічні площини і напрямки щільного пакування у β- ι a-фазах є взаємно паралельними. Між а-пластинами знаходяться b-прошарки, що належать вихідному b-зерну. Чим більшим є вміст b-стабілізаторів у сплаві, тим тонші а-пластини і менший розмір а-колоній. Аналогічно на структуру при її формуванні впливає збільшення швидкості охолодження. Дрібні а-колонії всередині великих b-зерен роблять структуру схожою на "корзинове плетиво".

а-сплави титану набули найбільшого поширення, оскільки технологічні і мають задовільну пластичність при обробці тиском. З цих сплавів виготовляють листи, смуги, плити, поковки, штамповані заготівки, пресовані профілі, труби, дріт. Вони добре зварюються, мають високу корозійну стійкість в атмосферних умовах і у багатьох агресивних середовищах. Найменшу міцність має нелегований технічний (ВТ 1-00, ВТ1-0) титан. Однак він має найвищі пластичність і корозійну стійкість. Технічний титан застосовується у конструкціях, що працюють довгостроково при температурах до 200...250 °С.

Таблиця 11.2. Хімічний склад і механічні властивості вітчизняних промислових титанових сплавів

Тип сплаву	Марка сплаву	Вміст легуючих елементів, %	σ МПа	δ,%
а-сплави	ВТ 1-00	—	300...450
	ВТ 1-0	—	400...450
	ПТ-7М	2,25 ΑΙ; 2,5 Zn
	ВТ5	5A1	750...900
	ВТ5-1	5A1; 2, 5 Sn	750... 900
		0,2Pd	400... 450
Псевдо-а-	ОТ4-0	0,8Α1;0,8Μη	500... 650
сплави	ОТ4-1	1,5A1; 1Mn	600... 750
	ОТ4	3,5Al; l,5Mn	700... 900
	ОТ4-2	6Al; 1,5Mn	700... 1050
	ВТ4	5Al; l,5Mn	1000... 1200
	ПТЗВ	4 ΑΙ, 2V	630... 880
	АТ2	2 Zr, 1 Mo	850... 1000
(α+β)-	АТЗ АТ4 АТ6 ТС5 ВТ20 ВТЗ-1	3 ΑΙ; 1, 5 (Fe, Cr, Si) 4 ΑΙ; 1, 5 (Fe, Cr, Si, В) 6 ΑΙ; l,5 (Fe,Cr,Si) 5 ΑΙ, 2 Zr, 3 Sn, 2 V 6 ΑΙ, 2 Zr, 1 V 6Al;2,5Mo,2Cr,0,3Si;0,5Fe 5 ΑΙ, 4 V	600... 750 750... 900 850... 1050 950... 1100 950... 1150 > 1200*	20 12 10 8 8 6
сплави	ВТ6С	6 Α1; 4,5 V	850... 1000
	ВТ6	6,5 Α1; 3, 3 Mo; 0,35 Si	>1100"
	ВТ8	6,5 Αl; 1 Zr; 3,3 Mo; 0,3 Si	1050...1250
	ВТ9	4,5 Αl; 3 Mo, 1 V	1050...1250
	ВТ14	2,5 Αl; 5 Mo, 5 V	> 1200*
	ВТ16	6 Αl, 1 Mo, 11 Zr, 1 Nb	1100...1250'
	ВТ18	5 Al, 5 Mo, 5 V, 1 Fe, 1 Cr	1100...1250'
	ВТ22	11 Mo, 6 Sn, 4 Zr	1400...1550'
	ВТ23	3 Аl, 7Мо, 11Сг	> 1400*
Псевдо-β-	ВТ30	2.5Al, 8,5 Mo, 8,5V,	1200'
сплави	ВТ15	1,1Cr;1,2Fe	1350...1500*
	ВТ32	3 Al, 5Mo, 6V, 11Cr	1200*
	ТС6	33Мо	1450...1500*
β-сплав			800...850

Примітка. Після зміцнювальної термічної обробки - гартування та старіння.

Рис. 11.9. Мікроструктура фасонного виливка зі сплаву ВТ6Л

Типові однофазні сплави зі структурою а-фази (ВТ5 і ВТ5-1) мають невисоку технологічну пластичність, але відзначаються гарною жароміцністю і використовуються в конструкціях, що працюють довгостроково при 400 °С.

Псевдо-а-сплави, що містять, як вказувалося, крім а-стабілизаторів невелику кількість b-стабілізуючих елементів, добре штампуються, гнуться, обробляються різанням, задовільно зварю­ються. З цієї групи сплавів у промисловості широко використовуються сплави загального призначення марок ОТ4-0, ОТ4-1, ОТ4. Вміст марганцю в них приблизно однаковий, проте алюмінію - різний, завдяки чому рівень міцності змінюється в широких межах і значно зростає жароміцність. Ці сплави призначаються для виробів, що працюють довгостроково при температурах 350...500 °С та коротко­часно - при 700...800 °С. Слід зазначити, що найбільш міцний і жароміцний сплав ОТ4-2 є найменш пластичним. Аналогічний вплив алюмінію на міцність і жароміцність спостерігається у сплавах марок АТЗ, АТ4 і АТ6. Підвищують жароміцність титанових сплавів введенням, поряд із алюмінієм, нейтральних зміцнювачів - олова і цирконію (сплави ВТ20, ТС5 і ВТ5-1). Псевдо-а-сплави відносять до сплавів середньої міцності. Вони термічно стабільні і малочутливі до зміцнювальної термічної обробки. На цю групу сплавів припадає максимальний обсяг виробництва напівфабрикатів, що застосовуються у машинобудуванні.

Двофазні (а+b)-сплави марок ВТ3-1, ВТ14, ВТ16, ВТ22 і ВТ23 після відпалу - (рис. 11.10) мають задовільні технологічні властивості. Тому у відпаленому стані з них, як правило, виготовляють конструкції, що потім можна піддавати зміцнювальній термічній обробці -гартуванню і старінню. Як видно з табл. 11.2, границя міцності двофазних сплавів після такої термічної обробки може досягати 1400 МПа і більше. Двофазні термічне зміцнювані сплави застосо­вують для виготовлення навантажених конструкцій, що працюють при температурах до 400 °С. Сплави ВТ 15 і ТС6 є ще більш легованими і у

Рис. 11.10. Мікроструктури сплаву ВТ3 після деформації в (а+b)-області (а) та в a-області (б) та ізотермічного відпалу рівноважному стані належать до псевдо-b-сплавів.

Після гартування з b-області вони майже цілком зберігають b-структуру і мають чудову пластичність. Однак переваги цих сплавів, як конструкційного матеріалу, виявляються після гартування і старіння.

Широкому застосуванню високоміцних (α+β) - і псевдо-b-сплавів у зварних конструкціях перешкоджає недостатня пластичність зварних з'єднань у термічно зміцненому стані.

Крім розглянутих вище, значний інтерес становлять титанові сплави зі спеціальними властивостями: для роботи при кріогенних температурах, в особливо агресивних середовищах тощо. Тепер для виготовлення деталей і конструкцій, що працюють при кріогенних температурах, рекомендуються титанові сплави марок ВТ1-0, АТ2, ОТ4, ВТ5-1, ВТ6С і ВТ14. Перші чотири марки можна використовувати при температурах до мінус 253 °С, а дві останні - при температурах не нижче мінус 193 °С.

Слід зазначити, що висока пластичність і надійність роботи титанових сплавів при низьких температурах можуть бути гарантовані тільки за умови вмісту домішок, що не перевищують, %: 0,1 O2;

0,3 N2; 0,04 С і 0,008 Η2.

Хоча титан є корозієстійким металом, однак у деяких середовищах, наприклад, у безкисневих кислотах, його стійкість недостатня. Її можна підвищити шляхом легування великою кількістю молібдену (близько ЗО %), а також невеликими домішками паладію або платини. Такі сплави починають застосовувати в спеціальних галузях хімічної промисловості.

Сплав 4201 має стабільну b-структуру; його рекомендують для апаратури, що зазнає при підвищених температурах впливу агресивних середовищ, які містять сірчану, соляну, мурашину кислоти.

Сплав 4201 має гарну технологічну пластичність і зварюється усіма видами зварювання.

Ливарні титанові сплави почали застосовувати для виробництва фасонних виливків значно пізніше, ніж для виробництва деформованих напівфабрикатів. Обумовлено це було необхідністю використовувати спеціалізоване ливарне устаткування, що дозволяє заливати форми у вакуумі. Крім того, хімічна активність розплавленого титану і висока температура лиття зумовили певні високі вимоги до матеріалу ливарних форм. Найкращою вогнетривкою основою формувальних сумішей для титанового лиття виявився графіт.

Для фасонного лиття використовують титанові сплави тих же сполук, що і для виробництва деформованих напівфабрикатів. В кінці марки ливарного сплаву додають літеру Л (наприклад, ВТ5Л, ВТ20Л). Відмінність ливарного сплаву від деформованого полягає у тому, що у першому допускають більший вміст домішок.

Промислові титанові сплави не містять евтектик. Разом із тим, їхній інтервал кристалізації не перевищує 50...70 °С, що зумовлює цілком задовільні ливарні властивості.

Міцність фасонних виливків знаходиться практично на тому ж рівні, що і деформованих напівфабрикатів, а показники пластичності, ударна в'язкість і утомні характеристики - істотно нижчі. Наприклад, у прутків зі сплавів ВТ5 δ>10 % і KCU>50 Дж/см², а виливок зі сплаву ВТ5Л δ>6 % і KCU> ЗО Дж/см². Це зумовлено тим, що при литті формується структура із великим b-зерном і пластинчастою a-фазою, яку термічна обробка не виправляє. Технічно чистий титан ВТ1Л і сплав ВТ5Л, що мають добрі корозійну стійкість і зварюваність, широко використовують для виливків деталей хімічного машино­будування, зокрема корпусів і робочих коліс насосів для перекачування агресивних рідин, патрубків, арматури тощо. Виливки з титанових сплавів дуже щільні і при гідравлічних випробуваннях брак практично відсутній.

Структура сплаву ВТ5Л представлена в основному пластинчастою а-фазою всередині вихідного b-зерна. Сплав не схильний до утворення гарячих тріщин, добре зварюється.

Сплави ВТ20Л, ВТ6Л і ВТ9Л використовують в авіаційній промисловості, зокрема, замість штамповок. Сплави ВТ20Л і ВТ9Л застосовують як жароміцні для роботи при температурах до 500 °С. Ресурс роботи навантажених литих деталей з титанових сплавів підвищують за допомогою високотемпературної газостатичної обробки.

Рис. 11.1. Кований і відпалений титан з рівновісними зернами а-фази

Рис. 11.2. Технічно чистий титан, загартований з b-поля: голчаста

Дата добавления: 2014-01-03