Особенности термической обработки титановых сплавов.

Титановые сплавы в основном подвергают отжигу, закалке и старению, а также химико-термиче­ской обработке.Отжиг проводят главным образом по­сле холодной деформации для снятия наклепа. Температура отжига должна быть выше температуры рекристаллиза­ции, но не может превышать границу перехода в β-состояние во избежание роста зерна. Температура рекристалли­зации титана, в зависимости от его чи­стоты и степени предшествующей де­формации, лежит в интервале темпера­тур 400-600 °С. Легирующие элементы повышают температуру рекристаллизации титана. Практически отжиг тита­новых сплавов проводят при температу­ре 670-800 °С с выдержкой от 15 мин до 3 ч. Тонколистовой прокат рекомендует­ся отжигать в вакууме для предотвра­щения насыщения газами и охрупчива­ния. Целью отжига (α+β)-сплавов по­мимо снятия наклепа является стабили­зация β-фазы, так как эвтектоидный распад вызывает охрупчивание спла­вов.

Термическая стабильность β-фазы по­вышается по мере увеличения в ней ле­гирующих элементов. Концентрация β- фазы зависит от температуры нагрева. Поскольку с понижением температуры концентрация легирующих элементов в β-фазе увеличивается, от­жиг для ее стабилизации должен быть по возможности низким (но не ниже температуры рекристаллизации). Прак­тически такой отжиг проводят при тем­пературе 750-850 °С. Более высокая тер­мическая стабильность достигается по­сле изотермического отжига. Он со­стоит в нагреве до температуры выше температуры рекристаллизации (для снятия наклепа) с последующим охла­ждением до более низкой температуры и выдержке для стабилизации β-фазы.Дальнейшее охлаждение можно прово­дить на воздухе. Обычный отжиг для фазовой перекри­сталлизации с целью измельчения структуры к титановым сплавам непри­меним из-за быстрого роста зерна в β- состоянии. С этой целью проводят ком­бинированный (двойной) отжиг по сле­дующему режиму: 1) нагрев до (α+β)-состояния (~ 950-1000°С) для ча­стичной перекристаллизации и после­дующее быстрое охлаждение с целью получения внутрифазного наклепа в ре­зультате мартенситного превращения β фазы и 2) нагрев выше температуры ре­кристаллизации для снятия этого накле­па (~ 800 °С).

Хотя при β↔αпревращении тита­новые сплавы претерпевают небольшие изменения объема и поэтому внутрифазовый наклеп мал, двойной отжиг способсгвует увеличению сопротивления ползучести.

Упрочняющая термическая обработка (закалка и старение) применима только к сплавам с (α+β)-структурой. Закалка состоит в нагреве до β-состояния и охлаждения в воде. В не­которых случаях, чтобы избежать ин­тенсивного роста зерна, который проис­ходит в β-состоянии, закалку произво­дят из (α+β)-области. При этом увели­чиваются степень легированности β- фазы и прочность сплавов при повы­шенных температурах. Характер превра­щения при закалке зависит от степени легированности сплава. В сплавах с содержанием легирующих элементов менее критической кон­центрации с_кр превраще­ние происходит по мартенситному ме­ханизму. В результате образуется мар­тенсит-фаза игольчатого строения, представляющая собой пересыщенный твердый раствор легирующих элемен­тов в Ti_α. Она обозначается α' (или α" при большей степени легиро­ванности).

Элементы, которые наиболее часто применяют для легирования титановых сплавов, имеют следующие критические концентрации с_кр: V —15; Мо-11; Мn-8; Сг-6; Fe-4%. α'-фаза обладает более высокой твердостью и про­чностью, чем стабильная α-фаза, но упрочнение в этом случае значительно меньше, чем при мартенситном превра­щении стали.

При старении из α'-фазы выделяется β-фаза различной дисперсности, вызы­вающая уменьшение твердости, или интерметаллидная фаза (например, TiCr₂), способствующая охрупчиванию сплава.

С увеличением концентрации леги­рующих элементов, особенно Fe, Mn, Сг, Мо и V, выше критической, темпера­туры начала и конца мартен-ситного превращения резко снижаются. Когда температура начала мартенсит­ного превращения становится ниже 20 °С, закалка фиксирует переохлажден­ную β-фазу, обозначаемую β'. При недо­статочной скорости охлаждения и опре­деленной концентрации легирующих элементов, близкой к критической, в структуре закаленного сплава может появиться метастабильная промежуточ­ная фаза ω. Она трудно обнаруживается металлографически, так как когерентна решетке β-твердого раствора. Кристал­лическая решетка ω-фазы-гексагональ­ная, с периодами а=0,46 нм, с=0,282 нм. Процесс образования этой фазы со­стоит в одновременном закономерном смешении атомов плоскостей на расстояния, меньшие межатомных. При этом две соседние плоскости, переме­щаясь в противоположные стороны, cближаются; третья плоскость не ме­няет своего положения. Появление этой фазы вызывает повышение твердости и хрупкости титановых сплавов.

Во время старения сплавов с β'-структурой при низких температурах (300-350 °С) также образуется ω-фаза, охрупчивающая сплавы. Поэтому старе­ние ведут при более высокой температу­ре (480-550 °С), когда из β'-твердого рас­твора выделяется тонкодисперсная ω- фаза, повышающая прочность и твер­дость.

Для повышения износостойкости ти­тановые сплавы подвергают азотирова­нию. Лучшие результаты дает азотиро­вание в среде сухого, очищенного от кислорода, азота. Оно повышает по­верхностную твердость, износостой­кость, жаропрочность и жаростойкость, тогда как азотирование в аммиаке спо­собствует охрупчиванию титановых сплавов вследствие насыщения водоро­дом. Азотируют при температуре 850-950 °С в течение 10-50 ч. При этом на поверхности образуются тонкий ни­тридный слой и обогащенный азотом α-твердый раствор. Толщина нитридного слоя равна 0,06 — 0,2 мм, HV 12 000. Глубина слоя, обогащенного азотом α-твердого раствора, равна 0,1-0,15 мм, HV 5000-8000. Для устранения хрупкого ни­тридного слоя и уменьшения хрупкости азотированного слоя рекомендуется проводить вакуумный отжиг (при тем­пературе 800-900 °С).

Для повышения жаростойкости тита­новые сплавы подвергают силицирова- нию и другим видам диффузионной металлизации.

Промышленные титановые сплавы.

Ти­тановые сплавы по сравнению с техни­ческим титаном имеют при достаточно хорошей пластичности, высокой корро­зионной стойкости и малой плотности более высокую прочность при 20-25 °С и повышенных температурах. По срав­нению с бериллием они более пла­стичны и технологичны, меньше стоят, безопасны для здоровья при обработке. По сравнению с алюминиевыми и маг­ниевыми сплавами обладают более вы­сокой удельной прочностью (см. табл., жаропрочностью и коррозионной стойкостью. Поэтому титановые сплавы получили широкое применение в авиации, ракет­ной технике, судостроении, химической и других отраслях промышленности. Их применяют для обшивки сверхзвуковых самолетов, изготовления деталей кон­струкций реактивных авиационных дви­гателей (дисков и лопаток компрессора, деталей воздухозаборника и др.), корпу­сов ракетных двигателей второй и третьей ступени, баллонов для сжатых и сжиженных газов, обшивки морских судов, подводных лодок и т. д.

По технологии изготовления тита­новые сплавы подразделяют на дефор­мируемые и литейные, по механическим свойствам -на сплавы нормальной прочности, высокопрочные, жаро­прочные, повышенной пластичности. По способности упрочняться с помощью термической обработки они делятся на упрочняемые и неупрочняемые термиче­ской обработкой, по структуре в ото­жженном состоянии — на α-, псевдо-α-, (α+β), псевдо-β- и β-сплавы.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: