Титан и его сплавы

Принятая в  настоящее время классификация  титановых сплавов основана на структуре, которая формируется при отжиге по промышленным режимам. Она включает:

1. a -сплавы, структура  которых представлена a -фазой.

2. Псевдо- a -сплавы, структура которых представлена a - фазой и небольшим количеством b -фазы (не более 5%) или интерметаллидов.

3. (a +b ) -сплавы, структура  которых представлена a - и b -фазами; сплавы этого типа также могут  содержать интерметаллиды.

4. Псевдо-b -сплавы  со структурой в отожженном  состоянии, представленной a -фазой и большим количеством b -фазы; в этих сплавах закалкой или нормализацией из b -области можно легко получить однофазную b -структуру.

5. b -сплавы, структура  которых представлена термически  стабильной b -фазой. 

6. Сплавы на  основе интерметаллидов.

Общая характеристика титановых сплавов

Практически все  титановые сплавы, за редким исключением, легируют алюминием, который имеет  следующие преимущества перед остальными легирующими компонентами:

а) широко доступен и сравнительно дешев;

б) плотность  алюминия значительно меньше плотности  титана, поэтому введение алюминия повышает удельную прочность сплавов;

в) алюминий эффективно упрочняет a -, (a +b )- и b - сплавы при сохранении удовлетворительной пластичности;

г) с увеличением  содержания алюминия повышается жаропрочность сплавов;

д) алюминий повышает модули упругости;

е) с увеличением  содержания алюминия в сплавах уменьшается  их склонность к водородной хрупкости.

Однако с увеличением  содержания алюминия повышается чувствительность титановых сплавов к солевой коррозии, а также уменьшается их технологическая пластичность. Поэтому если есть опасность контакта сплавов с поваренной солью при работе в интервале температур 250--550°С или необходима высокая технологическая пластичность, содержание алюминия в титановых сплавах следует ограничивать.

Титановые a -сплавы, помимо Al, легируют нейтральными упрочнителями (Sn и Zr). Весьма ценным свойством a -сплавов  титана является их хорошая свариваемость; эти сплавы даже при значительном содержании алюминия однофазны, поэтому не возникает охрупчивания шва и околошовной зоны.

К недостаткам a -сплавов относится их сравнительно невысокая прочность, сплавы этого  класса термически не упрочняются. При  содержании более 6% (по массе) Al технологическая пластичность сплавов невелика. С увеличением содержания алюминия повышаются рабочие температуры титановых a -сплавов. Однако при этом возникает опасность их охрупчивания в результате выделения фазы a 2. Сплавы этого класса, хотя и в меньшей степени, чем титан, склонны к водородной хрупкости.

Сплав ВТ5, содержащий 5%Al отличается более высокими прочностными свойствами по сравнению с титаном, но его технологичность невелика. Применяются для деталей, работающих при температурах до 400°С.

Сплав ВТ5-1, относящийся к системе Ti--Al-- Sn более технологичный, чем BT5 и предназначен для изготовления изделий, работающих в широком интервале температур: от криогенных до 450°С.

Дисперсионно  твердеющие a -сплавы представлены английским сплавом Ti+2%Cu. В отожженном и закаленном состоянии сплав малопрочен и пластичен и имеет такую же технологичность, как и технический титан. При старении сплав упрочняется на 30--50% за счет дисперсионного твердения и приобретает sВ=750--800 МПа. Из сплава Ti+2%Cu в Англии изготовляют листы и полосы. Этот сплав сваривается, причем пластичность сварного соединения практически такая же, как у основного металла.

В псевдо-a -сплавы для повышения прочности и  жаропрочности при сохранении достаточной  технологичности и свариваемости  наряду с алюминием следует вводить b -стабилизаторы. Псевдо-a -сплавы при одинаковой с a -сплавами пластичности обладают на 10--20% более высокой прочностью, что обусловлено существенным измельчением зерна при переходе от a - к (a +b ) -структуре. При комнатной температуре псевдо-a -сплавы отличаются более высокой технологической пластичностью по сравнению с a -сплавами.

Псевдо-a -сплавы отличаются высокой термической  стабильностью, хорошей свариваемостью. Существенный недостаток псевдо-a -сплавов -- их высокая склонность к водородной хрупкости.

Эту группу представляют сплавы системы Ti--Al--Mn (ОТ4-0; ОТ4-1; ОТ4; ВТ4; ОТ4-2), обладают высокой технологической  пластичностью. Сплавы хорошо свариваются  всеми видами сварки. Недостатки этих сплавов: а) сравнительно невысокая  прочность и жаропрочность; б) большая склонность к водородной хрупкости. С повышением содержания алюминия и марганца в этой серии сплавов прочность их возрастает, а пластичность и технологичность ухудшаются.

К этой группе принадлежат  также сплавы ВТ20, ВТ18.

Сплав ВТ20 разрабатывали  как более прочный и жаропрочный  листовой сплав по сравнению с  ВТ5-1. Упрочнение сплава ВТ20 обусловлено  его легированием, помимо алюминия, цирконием и небольшими количествами молибдена и ванадия. Технологическая  пластичность сплава ВТ20 невысока из-за большого содержания алюминия. Сплав предназначен для изготовления изделий, работающих длительно при температурах до 500°С.

Сплав ВТ18 относится  к наиболее жаропрочным титановым  сплавам; он может длительно работать при температурах 550--600°С. Высокая жаропрочность сплава обусловлена большим содержанием в нем алюминия и циркония. Однако, в отличие от других псевдо-a -сплавов сплав ВТ18 плохо сваривается.

Большинство a - и псевдо-a -сплавов применяют  в отожженном состоянии.

Наиболее благоприятным сочетанием всех свойств отличаются двухфазные сплавы, состоящие из a +b - фаз. Эти сплавы характеризуются лучшей технологической пластичностью в отожженном состоянии по сравнению с a -сплавами, высокой прочностью, способностью к термическому упрочнению закалкой и старением, меньшей склонностью к водородной хрупкости по сравнению с a и псевдо-a сплавами.

В отличие от a - и псевдо-a -сплавов a +b сплавы существенно  упрочняются в результате закалки  и старения.

Механические  свойства отожженных (a +b )-сплавов существенно зависят от характера микроструктуры. Наибольшие различия наблюдаются для сплавов с зернистой и пластинчатой структурой. Для сплавов с зернистой структурой характерны высокая циклическая прочность, пластичность, технологичность.

Сплавы с пластинчатой структурой отличаются высокой вязкостью  разрушения, ударной вязкостью, жаропрочностью при пониженных характеристиках  пластичности и циклической прочности. Высокая вязкость разрушения титановых  сплавов с такой структурой обусловлена  сильным ветвлением трещин при их распространении.

Классическим  примером таких сплавов является ВТ6 (Ti-6%Al-4%V) ВТ14 - Ti - 5Al - 1V - 3Mo и ВТ16 - Ti -2,5Al -5V - 5Mo). Их применяют в отожженном и термически упрочненном состоянии. К этой же группе принадлежат ВТ22 (Ti - 5Al - 5V - 5Mo - 1Fe - 1Cr) и новый сплав ВТ23 - Ti--4,5Al--4,5V--2Mo--1Cr--0,6Fe. Это среднелегированный (a +b)-сплав мартенситного класса.

Сплав этой группы ВТ8 (Ti - 6,5Al - 3,3Mo - 0,3Si - 0,5Zr) легирован молибденом, алюминием и небольшими количествами кремния, его структура в отожженном состоянии представлена a -фазой, b -фазой (10%) и небольшим количеством дисперсных силицидов. Сплав ВТ8 обладает высокой термической стабильностью; удовлетворительной пластичностью, но плохо сваривается, недостаточно технологичен. Сплав применяют в отожженном и термически упрочненном состоянии при температурах до 450-- 500°С.

Сплав ВТ9 в отличие  от ВТ8 дополнительно легирован цирконием (1,6Zr). Введение циркония в сплавы системы Ti--Al--Mo--Si приводит к повышению прочности почти без снижения пластичности при сохранении достаточно высокой термической стабильности. Ввиду благоприятного влияния циркония и высокого содержания алюминия сплав ВТ9 более жаропрочен, чем другие титановые (a +b ) сплавы. Сплав может работать до 500--550°С.

Псевдо-b -сплавы относятся к высоколегированным титановым сплавам, в которых  суммарное .содержание легирующих элементов  доходит до 20% и более. Хотя при  закалке из b -области в этих сплавах  фиксируется только b -фаза, она термически нестабильна и при старении распадается с выделением дисперсной a -фазы.

К преимуществам  псевдо-b -сплавов относятся:

1. Высокая технологическая  пластичность в закаленном состоянии.  Это связано с тем, что b -фаза  с ОЦК. решеткой по своей  природе более пластична, чем гексагональная a -фаза.

2. Большой эффект  термического упрочнения, что связано  с большим пересыщением закаленной b -фазы. Распад пересыщенной b -фазы  при старении обеспечивает повышение  прочности сплавов в 1,5--1,7 раза.

3. Малая склонность к водородной хрупкости.

Недостатки псевдо b -сплавов:

а) невысокая  термическая стабильность, в результате чего их нельзя применять для длительной работы при температурах выше 350°С;

б) неудовлетворительная свариваемость;

в) большой разброс  механических свойств, вызванный химической неоднородностью сплавов в связи с высокой степенью их легирования и большой чувствительностью процесса старения к содержанию примесей внедрения;

г) сравнительно высокая плотность (5--5,1 г/см3).

Разработанные к настоящему времени псевдо-b -титановые сплавы можно разделить на две группы: а) легированные алюминием, b -стабилизаторами, а в некоторых случаях и нейтральными упрочнителями; б) легированные b -стабилизаторами и нейтральными упрочнителями.

Псевдо-b -сплав  ВТ15 содержит 3-4% Al; 7- 8% Mo и 10-11,5%Cr. В закаленном состоянии сплав ВТ15 отличается невысокой прочностью, большой пластичностью (s в = 880--1000 МПа; d =12-20%) и хорошо штампуется. Затем сплав термически упрочняют старением. При старении из пересыщенного b -раствора выделяются дисперсные частицы a -фазы, которые и обеспечивают упрочнение. После закалки и старения временное сопротивление разрыву составляет 1300-1500 МПа при удлинении около 6%.

Свариваемость этих сплавов затрудняет бурный рост зерна в b -области. По указанным причинам псевдо-b -сплавы первой группы применяют ограниченно.

Сплав ВТ30 (Ti - 11Mo - 5,5Zr - 4,5Sn). Сплав ВТ30 обладает высокой  технологической пластичностью  в закаленном состоянии, в котором  хорошо поддается холодной обработке  давлением. Сплав закаливают с температуры 800°С, а затем подвергают старению при 530°С. Отличительная его особенность -- большая разница в прочностных свойствах в закаленном состоянии и после старения: временное сопротивление разрыву составляет 650--750 МПа после закалки, а после старения достигает 1400--1600 МПа.

В нашей стране в полупромышленном масштабе производят b -сплав 4201 (Ti+33%Мо), отличающийся высокой  коррозионной стойкостью. В ряде областей применения он может заменять тантал, коррозионно-стойкие никелевые сплавы и даже золото и платину. Сплав отличается высокой технологической пластичностью, хорошо сваривается всеми видами сварки.

Титановые b - сплавы с термодинамически устойчивой b - фазой  можно получить лишь на основе таких  систем, в которых легирующие элементы имеют о.ц.к. решетку при комнатной температуре и образуют с b -титаном непрерывный ряд твердых растворов. К таким элементам принадлежат ванадий, молибден, ниобий и тантал. Однако стабильные b - фазы в этих сплавах образуются при таких высоких концентрациях компонентов, что титановые сплавы теряют основное их преимущество, а именно сравнительно малую плотность. Поэтому титановые сплавы со стабильной b - фазой не получили широкого промышленного применения.

 

Список литературы

1. Фрагмент справочника "Металлы и сплавы - марки и химический состав"

2. "Металловедение  и термическая обработка цветных  металлов и сплавов" Б.А.  Колачев, В.А.Ливанов,В.И.Елагин 

3. "Металлургия  цветных металлов" Н.И. Уткин

4. Металлография  титана, под ред. С. Г. Глазунова  и Б. А. Колачева, М., 1980