Взаимодействие титана и его сплавов с водородом

Термоводородная обработка титановых сплавов

МАТИ им. К.Э. Циолковского совместно с отраслевыми институтами авиационной промышленности (ВИАМ, ВИЛС, НИАТ, НИИД) была разработана водородная технология титановых сплавов [30]. Эта технология основана на обратимости взаимодействия металлов с водород и тех благоприятных в технологическом отношении эффектах, которые вызывают обратимое легирование титановых сплавов водородом. Обратимость взаимодействия состоит в том, что металлы сравнительно легко поглощают водород в наводороживающей среде и столь же легко отдают его в вакууме. Легирование водородом приводит к следующим эффектам, которые можно использовать для совершенствования технологических процессов: понижения напряжений течения металла, повышению предельных степеней деформации до появления первой трещины, легкому преобразованию неблагоприятных микроструктур в более благоприятные, улучшению условий механической обработки, усилению адгезии.

Водородная технология состоит в наводороживании металла, технологических операциях с использованием благоприятных эффектов, обусловленных водородом, и вакуумном отжиге для снижения содержания водорода до концентраций, исключающих развитие водородной хрупкости в деталях и конструкциях в процессе их эксплуатации.

Водородная технология титановых сплавов включают в себя [30]:
а) водородное пластифицирование; б) термоводородную обработку; в) механоводородную обработку; г) компактводородные процессы; д) водородную технологию фасонного литья.

Водород представляет собой уникальный элемент периодической системы, который достаточно легко и в больших количествах поглощается материалами на основе гидридообразующих элементов и так же легко удаляется из твердого раствора при термической обработке в вакууме [30, 32]. При этом не происходит изменения агрегатного состояния материала. Это позволяет использовать его в качестве временного легирующего элемента в металлических материалах на определенной стадии производства полуфабрикатов и изделий [32, 30].

В работе [15] на основе экспериментальных данных, с учетом предыдущих исследований описаны особенности взаимодействия титана и его сплавов с водородом. Водород образует твердые растворы внедрения в a- и b - фазах титана и сплавов на его основе, причем наиболее вероятным местом расположения квазииона водорода в ГП - решетке a-фазы являются тетраэдрические междоузлия (поры) [33]. При этом его эффективный заряд близок к единице при нормальной температуре (Т_н=297К) и уменьшается при ее увеличении. Изменения в электронном строении a-фазы, вызванные ионизацией атома водорода, приводят к уменьшению соотношения осей с/а ГП - решетки и ее термодинамической нестабильности [34]. Это и является причиной низкой растворимости водорода (гидридов) в a-фазе.

Растворенный в b-фазе водород также находится в тетраэдрических порах ОЦК - решетки в виде квазииона протона с эффективным зарядом близким к единице. Однако величина эффективного заряда квазииона водорода в b-фазе уменьшается с повышением температуры в меньшей степени, чем в a-фазе [35]. Изменение, вызываемое ионизацией атомов водорода в электронном строении b-фазы, приводит к увеличению ее термодинамической стабильности и, по-видимому, является основной причиной высокой растворимости водорода в b-фазе [34]. Однако начиная примерно с концентрации х_н = 1,0 ат.% (0,02 масс.%) квазиионы водорода в ОЦК - решетке начинают взаимно отталкиваться. Это приводит к уменьшению прочности межатомной связи, увеличению размеров элементарной ячейки b-фазы и в конечном итоге к ее дестабилизации по отношению к гидриду. В связи с этим водород хотя и растворяется в b-фазе титана и сплава на его основе в достаточно больших количествах, может приводить к ее эвтектоидному распаду при низких температурах или выделению гидридов при высоких [15].

В основе термоводородной обработки лежит возможность управления механизмом и кинетикой существующих или индуцированных водородом новых фазовых и структурных превращений путем рационального выбора температурно-концентрационных условий воздействия на материал. Для успешной разработки технологических схем и режимов ТВО необходим анализ фазовых равновесий в системе сплав-водород.

Изучению диаграммы состояния титан - водород посвящено много работ [15, 32]. Водород расширяет область b-фазы, сужает область a-фазы и образует гидрид ТiН_х (рис.6) [32]. При непосредственном образовании из титана и молекулярного водорода гидрид имеет структуру d-фазы, представленную ГЦК-решеткой, период которой возрастает от 0,440нм при составе ТiН_1,5 до 0,4454нм при составе ТiH_1,99. При температурах ниже 42°С d-гидрид испытывает фазовый переход второго рода d ® e с температурным искажением его структуры [32]. Он образуется также при распаде пересыщенных относительно водорода b-твердых растворов. Вместе с тем при распаде пересыщенных относительно водорода a-твердых растворов образуется другой гидрид - метастабильный гидрид g с тетрагонально искаженной ГЦК решеткой с соотношением осей с/а = 1,09-1,12 [32]. При температурах 335-300⁰С происходит эвтектоидный распад b-фазы на a- и g-фазы. g-фаза представляет собой твердый раствор на основе гидрида титана ТiH₂. Растворимость водорода в a-фазе при нормальной температуре невелика (0,002-0,005 % по данным различных авторов). При эвтектоидной температуре она возрастает до 0,15-0,18% (по массе).

Рис. 6. Диаграмма состояния титан-водород [32]

Для установления фазовых равновесий в многокомпонентных системах требуется диффузионное перераспределение между фазами не только атомов водорода, но и атомов металлических компонентов. Последние имеют диффузионную подвижность на несколько порядков ниже, чем атомы водорода. Поэтому построенные экспериментально диаграммы характеризуют лишь условно-равновесное состояние, достигаемое при определенных кинетических параметрах воздействия на систему [31]. В связи с этим такие диаграммы принято называть температурно-концентрационными [15].

Общие закономерности температурно-концентрационных диаграмм водородосодержащих титановых сплавов разных классов сводятся к следующим:

а) водород приводит к снижению температуры (a+b)/b-перехода сплавов всех классов.

б) в a+b-титановых сплавах эвтектоидное превращение протекает не полностью и при подавляется и вовсе.

Кроме информации о температурно-концентрационных границах фазовых областей необходимо знать химический состав находящихся в равновесии a- и
b-фаз. В работах [31] методом микрорентгеноспектрального анализа было определено содержание основных легирующих элементов в a- и b-фазах.

Установлено, что водород проявляя b-стабилизирующее действие и увеличивая количество b-фазы может изменять степень ее легирования основными компонентами. Увеличение содержания водорода в сплаве, а соответственно и в b-фазе, приводит к уменьшению концентрации b-стабилизатора и увеличению концентрации a-стабилизатора. В предельном случае, когда водород при данной температуре полностью стабилизирует b-фазу, содержание основных компонентов отвечает их исходной концентрации в сплаве. Концентрация основных легирующих элементов в a-фазе практически не изменяется при дополнительном легировании водородом.

Изменение степени легирования a- и b-фаз под действием водорода приводит к интенсивному увеличению атомного объема W b-фазы при незначительном увеличенииW_a.

Одним из следствий изменения соотношения компонентов между a- и b-фазами является изменение прочности фаз. В частности, уменьшение концентрации b-стабилизаторов снижает эффективность растворного упрочнения b-фазы, а обогащение a-фазы алюминием, наоборот, увеличивает ее прочность. Кроме того, из-за более высокой растворимости водород концентрируется преимущественно в b-фазе, и это может приводить к снижению напряжения, обусловленного трением решетки и барьерами Пайерлса - Наббаро при движении дислокаций [31].

Дата добавления: 2015-08-31