8

8. Титан и его сплавы

Титан – металл серебристо-белого цвета. Т_пл.16655 С; 4,5 гсм³. Титан немагнитен, является парамагнитным металлом. Титан обладает полиморфизмом (Ti_Ti_ (882C)). Низкотемпературная модификация Ti_ имеет ГПУ решетку, а высокотемпературная – ОЦК решетку. По коррозионной стойкости в пресной и морской воде титан превосходит нержавеющие стали. Высокая коррозионная стойкость титана обусловлена образованием на поверхности изделий плотной защитной оксидной пленки – рутила TiO₂.

Титан активно взаимодействует с водородом, а при достаточно высоких температурах с другими газами, такими, как O, N, C, образуя твердые растворы внедрения, твердые и хрупкие химические соединения – оксиды, нитриды, карбиды, которые резко снижают коррозионную стойкость, ударную вязкость и способность к пластической деформации и сварке. Титановые сплавы обладают повышенной вязкостью и низкой теплопроводностью, что ухудшает их обрабатываемость резанием.

С целью улучшения комплекса физико-механических и химических свойств титан легируется различными химическими элементами.

По влиянию на температуру полиморфного превращения Ti все легирующие элементы можно разделить на 3 группы:

1. -стабилизаторы, повышающие температуру полиморфного превращения и расширяющие область существования -фазы (Al, O, N, C).

2. Нейтральные упрочнители, не влияющие на температуру полиморфного превращения (Sn, Zr). Олово, повышает _в и жаропрочность без значительного снижения пластичности, а цирконий, увеличивает предел ползучести сплавов.

3. -стабилизаторы, понижающие температуру полиморфного превращения (Mo, V, Mn, Fe, Cr).

В зависимости от содержания тех или иных легирующих элементов титановые сплавы имеют различную структуру при комнатной температуре. По структуре титановые сплавы классифицируют на группы:

1. -сплавы;

2. -сплавы;

3. -сплавы;

4. сплавы на основе интерметаллидов.

-фаза более жаропрочна, чем -фаза, -стабилизатор – алюминий значительно повышает прочностные характеристики Ti_ и уменьшает пластичность.

Сплавы с -структурой отличаются от -сплавов предельно насыщенной концентрацией, более высокой прочностью. Поэтому прочность двухфазных () сплавов аддитивно возрастает при переходе от  к () сплавам и максимальные значения прочности отличаются в сплавах (50 % 50 % ).

Меняя количественное соотношение  и  фаз, получают конструкционные материалы с большим диапазоном прочностных и пластических характеристик.

8.1. Термическая обработка титановых сплавов

Титановые сплавы в зависимости от их состава и назначения можно подвергать всем основным видам термической обработки, а также химико-термической обработке.

Рекристаллизационный отжиг применяют для титана и сплавов с -структурой для снятия напряжений, созданных предшествующей деформацией. Температура рекристаллизационного отжига должна быть выше температуры рекристаллизации, но ниже температуры аллотропического превращения , так как в -области происходит очень быстрый рост зерна. Обычно это температуры 520–850 С в зависимости от химического состава сплава и вида полуфабриката.

Отжиг с фазовой перекристаллизацией применяют для (+)-сплавов с целью снижения твердости, повышения пластичности, измельчения зерна, устранения структурной неоднородности. Применяют простой, изотермический и двойной отжиг, температура нагрева 750–950 С (в зависимости от состава сплава).

Простой отжиг предусматривает нагрев (+)-сплавов до температуры отжига, выдержку и медленное охлаждение. Образующаяся при нагреве -фаза (иногда с остаточной -фазой) при медленном охлаждении распадается и выделяет -фазу, в результате чего образуется двухфазная структура (+), близкая к равновесной.

Изотермический отжиг позволяет получить более термически стабильные свойства титановых сплавов. Изотермический отжиг можно разбить на четыре этапа:

1. Нагрев до температуры выше температуры рекристаллизации (обычно 800–950 С), для снятия наклепа (I ступень);

2. Охлаждение до 500–650 С в зависимости от состава сплава;

3. Выдержка при данных температурах для стабилизации -фазы (II ступень);

4. Охлаждение на воздухе.

Изотермическим отжигом достигается высокая прочность и жаропрочность в сочетании с хорошей пластичностью сплава.

Двойной отжиг отличается от изотермического тем, что после выдержки на высокотемпературной ступени (800–950 С) сплав охлаждают до комнатной температуры и затем повторно нагревают до температуры II ступени. В процессе охлаждения от I ступени до комнатной температуры в сплаве фиксируется неустойчивая -фаза, распадающаяся на II ступени отжига. Фактически II ступень при двойном отжиге является старением: образующиеся мелкодисперсные продукты распада упрочняют сплав. Двойной отжиг способствует увеличению сопротивления ползучести.

3акалка применяется только для двухфазных сплавов. В зависимости от химического состава, в первую очередь от суммарного содержания легирующих -стабилизаторов, в титановых сплавах при закалке может происходить мартенситное превращение или фиксироваться высокотемпературное состояние -фазы при комнатной температуре, т. е. образовываться нестабильная _нест-фаза. Мартенситное превращение в титановых сплавах происходит сдвиговым, бездиффузионным путем в интервале температур и характеризуется температурой начала (М_н) и температурой конца (M_к) превращения.

Схема превращений, происходящих при закалке титановых сплавов в зависимости от содержания -стабилизатора, показана на рис.8.1. На этой схеме сплошные линии соответствуют температурам начала и конца полиморфного превращения , а штриховые – температурному интервалу мартенситного превращения M_н–M_к.

Рис.8.1. Схема превращений, происходящих при закалке титановых сплавов в зависимости от содержания -стабилизатора.

При закалке сплавов, содержащих -стабилизатора меньше С_ образуется игольчатая фаза мартенситного типа, называемая .

В интервале концентраций -стабилизатора С_–С₁ процесс закалки протекает так же, как и при концентрациях, меньших С₁ с той лишь разницей, что вместо -фазы образуется -фаза.

Фаза  представляет собой подобно  фазе твердый раствор легирующих элементов в -титане, но по сравнению с -фазой более насыщена, так как образуется в сплавах с большей концентрацией легирующих элементов; -фаза имеет ромбическую решетку.

При концентрациях -стабилизатора от С₁ до C_к -фаза только частично превращается в -фазу и образуется структура +. Сохранившаяся -фаза называется нестабильной (_нест).

Внутри _нест образуется -фаза, которая когерентна с решеткой -фазы, имеет искаженную гексагональную кристаллическую решетку, повышает твердость и резко охрупчивает сплавы. При закалке сплавов с концентрацией -стабилизатора от C_к до С₃ мартенситное превращение не происходит, и сплавы имеют структуру _нест+.

При концентрациях -стабилизатора от С₃ до С_ при закалке фиксируется  нестабильная фаза, которая представляет собой твердый раствор легирующих элементов в -титане.

В процессе нагрева закаленных титановых сплавов происходит старение и образовавшиеся при закалке метастабильные фазы , ,  и _нест распадаются с образованием более стабильных дисперсных структур.

При температурах старения 500 С и выше в (+): сплавах в зависимости от структуры, полученной после закалки, могут происходить следующие превращения: ()+; +_нест+; _нест ++; _нест+.

В результате распада неравновесных фаз с выделением дисперсных частиц титановые сплавы упрочняются. Наибольший эффект упрочнения получается при распаде _нест-фазы.

Титановые сплавы подвергают также химико-термической обработке. Для повышения износостойкости трущихся поверхностей применяют азотирование. Получаемый aзoтированный слой имеет глубину 0,1–0,15 мм и твердость НV 700–1000. Для снижения хрупкости азотированного слоя и повышения его сцепления со сплавом изделия подвергают вакуумному отжигу при 800–900 С.