Влияние легирующих элементов на структуру и свойства титановых сплавов.

Титан и сплавы на его основе

Свойства титана.

Титан-металл серого цвета. Он имеет две полиморфные модифи­кации. Низкотемпературная модификация Ti_α существующая до 882 °С, характеризует­ся гексагональной плотноупакованной ре­шеткой с периодами а= 0,296 нм, с = 0,472 нм. Высокотемпературная модификация Ti_β имеет решетку объемно-центрированного ку­ба с периодом а —0,332 нм (при 900 °С).Полиморфное превращение (882 °С) при медленном охлаждении происходит по нор­мальному механизму с образованием поли­эдрической структуры, а при бы­стром охлаждении-по мартенситному меха­низму с образованием игольчатой структуры.

Промышленный способ производства ти­тана состоит в обогащении и хлорировании титановой руды с последующим ее восстано­влением из четыреххлористого титана ме­таллическим магнием. Полученную при этом титановую губку (ГОСТ 17746-79) марки­руют по твердости специально, выплав­ленных из нее образцов (ТГ-100, ТГ-110 и т. д.). Для получения монолитного титана губка размалывается в порошок, прессуется и спекается или переплавляется в дуговых печах в вакууме или атмосфере инертных газов.

Для уменьшения количества примесей и более равномерного их распределения по сечению слитка рекомендуется его двух-трех- разовая переплавка. Характерную для тита­новых слитков крупнозернистую структуру измельчают путем модифицирования цирко­нием или бором. Полученный в результате переплава технический титан (ГОСТ 19807-74) маркируют в зависимости от со­держания примесей ВТ 1—00 (Σ примесей < < 0,398 %), ВТ 1-0 (Σ примесей <0,55%).

Чистейший иодидный титан получают ме­тодом термической диссоциации из четырех- иодидного титана, а также методом зонной плавки. Отличительными особенностями титана являются хорошие механические свойства, малая плотность, высокая удельная проч­ность и коррозионная стойкость.

Низкий модуль упругости титана, почти в 2 раза меньший, чем у железа и никеля, за­трудняет изготовление жестких конструкций. Механические свойства титана характери­зуются хорошим сочетанием прочности и пластичности.Высокая пластичность иодидного титана по сравнению с другими металлами, имею­щими гексагональную кристаллическую ре­шетку (Zn, Cd, Mg), объясняется большим количеством систем скольжения и двойнико­вания благодаря малому соотношению с/а= 1,587.

Механические свойства титана сильно за­висят от наличия примесей, особенно водорода, кислорода, азота и угле­рода, которые образуют с титаном твердые растворы внедрения и промежуточные фазы: гидриды, оксиды, нитриды и карбиды. Не­большое количество кислорода, азота и угле­рода повышает твердость, временное сопро­тивление и предел текучести, однако при этом значительно уменьшается пластичность, снижается коррозионная стой­кость, ухудшаются свариваемость, способ­ность к пайке и штампуемость. Поэтому со­держание этих примесей в титане ограничено сотыми, а иногда тысячными долями про­цента. Аналогичным образом, но в мень­шей степени, оказывают влияние на свойстватитана железо и кремний. Очень вредная примесь в титане - водород. Присутствуя в весьма незначительном количестве, водо­род выделяется в виде тонких хрупких пла­стин гидридной фазы на границах зерен, что значительно охрупчивает титан. Водородная хрупкость наиболее опасна в сварных кон­струкциях из-за наличия в них внутренних напряжений. Допустимое содержание водо­рода в техническом титане находится в пре­делах 0,008-0,012%. При повышении температуры до 250 °С предел прочности снижается почти в 2 раза.

Титан обладает склонностью к ползучести даже при температуре 20-25 °С. Предел по­лзучести титана составляет ~ 60% от пре­дела текучести. Примеси кислорода, азота, а также пластическая деформация повышают сопротивление ползучести.

Титан обладает высокой прочностью и удельной прочностью не только при тем­пературе 20-25°С, но и в условиях глубокого холода. При температуре жидкого гелия вре­менное сопротивление титана равно 1250 МПа. При этом, если содержание водо­рода мало (< 0,002 %), титан сохраняет высокую пластичность (относительное удлинение 15-20%).

Пластическая деформация значительно по­вышает прочность титана. При степени деформации 60-70% прочность уве­личивается почти в 2 раза. Для снятия накле­па проводят рекристаллизационный отжиг при температуре 650-750 °С. При повышении температуры титан актив­но поглощает газы: начиная с 50-70°С-во­дород, свыше 400-500 °С-кислород и с 600-700 °С - азот, окись углерода и угле­кислый газ. Высокая химическая активность расплавленного титана требует применения при плавке и дуговой сварке вакуума или ат­мосферы инертных газов. Вместе с тем бла­годаря способности к газопоглощению при повышении температуры титан нашел при­менение в радио- и электронной промышлен­ности в качестве геттерного материала. Гет­теры предназначены для повышения вакуума электронных ламп.

Технический титан хорошо обрабатывает­ся давлением. Из него изготовляют все виды прессованного и катаного полуфабриката: листы, трубы, проволоку, поковки. Титан хо­рошо сваривается аргонодуговой и точечной сваркой. Сварной шов обладает хорошим со­четанием прочности и пластичности. Проч­ность шва составляет 90% прочности основ­ного металла.

Титан плохо обрабатывается резанием, на­липает на инструмент, в результате чего тот быстро изнашивается. Для обработки титана требуются инструменты из быстрорежущей стали и твердых сплавов, малые скорости ре­зания при большой подаче и глубине реза­ния, интенсивное охлаждение. К недостатку титана относятся также низкие антифрик­ционные свойства.

Влияние легирующих элементов на структуру и свойства титановых сплавов.

Легирующие элементы по характеру влияния на полиморфные превращениятитана подразделяют на три группы: α- стабилизаторы, β-стабилизаторы и ней­тральные элементы.

Практическое значение для легирования титана имеет только алюминий, так как кислород и азот сильно охрупчивают титановые спла­вы.

Алюминий — широко распространен­ный, доступный и дешевый металл. Вве­дение его в титановые сплавы уменьшает их плотность и склонность к водородной хрупкости, повышает модуль упругости, прочность при 20-25 °С (рис. 13.5) и вы­соких температурах.

По диаграмме состояния титана с алюминием образуют два твердых раствора: α-твердый рас­твор алюминия в Ti_α, концентрация ко­торого изменяется от 7,5% при 20 °С до 11,6% при перитектоидной температуре, и β-твердый раствор алюминия в Ti_β с предельной растворимостью 30%. При содержании алюминия более 7.5% в структуре сплавов наряду с α-твердым раствором появляется фаза α₂ (Ti₃Al); она имеет гексагональную решетку с упорядоченным расположением ато­мов и сильно охрупчивает сплавы.

Добавка к сплавам титана с алюми­нием таких β-стабилизаторов, как V, Мо, Nb, Мп, уменьшает склонность к образованию упорядоченной струк­туры (сверхструктуры). В этом случае α₂ -фаза образуется при большем содер­жании алюминия. Кроме того, в струк­туре появляется β-фаза, которая замет­но улучшает технологическую пластич­ность сплавов.

Поскольку α-стабилизаторы значи­тельно повышают температуру поли­морфного превращения титана, α↔βпревращение в сплавах с устойчивой α-структурой происходит при высоких температурах, когда реализуется нор­мальный механизм полиморфного пре­вращения. Переохладить β-фазу до низ­ких температур, при которых возможно мартенситное превращение, в этих спла­вах не удается даже при очень больших скоростях охлаждения, поэтому сплавы с устойчивой α-структурой нельзя упрочнять термической обработкой.

Снижая температуру полиморфного превращения титана, β-стабилизаторы расширяют область твердых растворов на основе Ti_β. Они образуют с титаном диаграммы состояния двух типов. Неко­торые из изоморфных β-стабилизаторов, имеющих, как и Ti_β, кристалличе­скую решетку объемно-центрированного куба, Мо, V, Та, Nb неограниченно растворяются в Ti_β. Другие β-стабилизаторы, на­пример, Cr, Мn, Fe, Ni, W, Сu, образу­ют с титаном диаграммы состояния с эвтектоидным распадом β-фазы, в результа­те которого появляется смесь α- и γ-фаз; γ-промежуточная фаза переменного или постоянного состава, образованная титаном и легирующим элементом, например фаза Лавеса TiCr₂ в системе Ti-Cr. Эвтектоидный распад вызывает резкое повышение хрупкости титановых сплавов. В некоторых систе­мах (Ti-Cu, Ti-Ag и др.) превращение происходит очень быстро, и переохла­дить β-фазу до температуры 20-25 °С нельзя даже при высоких скоростях ох­лаждения. В других системах (Ti-Mn, Ti-Сг, Ti-Fe) эвтектоидное превраще­ние происходит только в условиях ох­лаждения, близких к равновесным. В них эвтектоидного распада практиче­ски не наблюдается, а α↔β превращение идет так же, как в сплавах с диа­граммами состояния первого типа. В этих сплавах β-фаза легко переохлаждается. В зависимости от степени легированностиβ-фаза или пре­вращается при низких температурах по мартенситному механизму, или фикси­руется при температуре 20-25 °С без превращения. Способность β-фазы к переохлаждению лежит в основе упрочняющей термической обработки титановых сплавов. Согласно приве­денным диаграммам состояния тита­новые сплавы, легированные β-стабилизаторами, могут иметь однофазную структуру α-твердого раствора малой концентрации, двухфазную (α +β)-структуру при большем содержании легирующих элементов и однофаз­ную структуру β-твердого раствора в случае легирования сплавов большим количеством таких изоморфных β-ста­билизаторов, как V, Мо, Та, Nb.

Большинство легирующих элементов, являющихся β-стабилизаторами, повы­шают прочность, жаропрочность и тер­мическую стабильность титановых сплавов, несколько снижая их пластич­ность. Кроме того, они способствуют упрочнению сплавов с по­мощью термической обработки. Наибо­лее благоприятное влияние на свойства титановых сплавов оказывают Мо, V, Сг, Mn.

Нейтральные элементы Sn, Zr, Hf, Th мало влияют на температуру поли­морфного превращения. Легирование титановых сплавов ней­тральными элементами не меняет их фазового состава. Нейтральные эле­менты влияют на свойства титановых сплавов благодаря изменению свойств α- и β-фаз, в которых они растворяются. Наибольшее практическое значение имеют олово и цирконий. Олово повы­шает прочность титановых сплавов при 20-25 °С и высоких температурах без за­метного снижения пластичности, цир­коний увеличивает предел ползу­чести.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: