8. Титан и его сплавы
Титан – металл серебристо-белого цвета. Тпл.16655 С; 4,5 гсм3. Титан немагнитен, является парамагнитным металлом. Титан обладает полиморфизмом (TiTi (882C)). 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:
-стабилизаторы, повышающие температуру полиморфного превращения и расширяющие область существования -фазы (Al, O, N, C).
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.
-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:
-сплавы;
-сплавы;
-сплавы;
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:
Нагрев до температуры выше температуры рекристаллизации (обычно 800–950 С), для снятия наклепа (I ступень);
Охлаждение до 500–650 С в зависимости от состава сплава;
Выдержка при данных температурах для стабилизации -фазы (II ступень);
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 (Мн) и температурой конца (Mк) 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 Mн–Mк.
|
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 Cк -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 Cк 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.