Виды отжига для титановых сплавов

Рекристаллизационный отжиг (650-850 °С) применяется для разупрочнения холоднодеформированных сплавов. С целью снятия возникающих при механической обработке остаточных напряжений применяют неполный отжиг при 500-680 °С. Тонколистовой прокат рекомендуется отжигать в вакууме для предотвращения насыщения газами и охрупчивания.

Высокую пластичность и термическую стабильность a+ b-сплавов обеспечивает изотермический отжиг (нагрев до 780-980 °С с последующим охлаждением в печи до 530-680 °С, выдержка при этой температуре и охлаждение на воздухе).

Обычный отжиг для фазовой перекристаллизации с целью измельчения структуры к титановым сплавам не применим из-за быстрого роста зерна в b-состоянии. С этой целью проводят комбинированный (двойной) отжиг по следующему режиму: 1) нагрев до (a+b)-состояния (~950-1000 °С) для частичной перекристаллизации и последующее быстрое охлаждение с целью получения внутрифазового наклепа в результате мартенситного превращения b-фазы и 2) нагрев выше температуры рекристаллизации для снятия этого наклепа (~800 °С).

5.3.2. Упрочняющая термическая обработка титановых сплавов

Для a+ b -сплавов и псевдо- b -сплавов применяется упрочняющая термическая обработка. Закалка состоит в нагреве до b-состояния и охлаждения в воде. Температуры нагрева под закалку, как правило, составляют не более 720-930 °С во избежание сильного роста зерна при нагреве.

5.3.2.1 Фазовые превращения в титановых сплавах при закалке

На рис.5.3. показан характер структур титановых сплавов в отожженном и закаленном состояниях.

Рис.5.3. Структура титановых сплавов в отожженном и закаленном состоянии: 1 – переходный класс; - 2 –мартенситный класс

Фазовые превращения b«a в титановых сплавах при закалке (быстром охлаждении) происходят по сдвиговому механизму, типичному для мартенситного превращения. Пунктирные линии Мn и Мк соответствуют температурам начала и конца превращения β-фазы по мартенситному типу. Видно, что температуры Мn и Мк зависят от концентрации β-стабилизаторов в титановых сплавах. По мере увеличения концентрации β-стабилизаторов происходит снижение температуры начала мартенситного превращения. (Концентрации С'кр и С"кр названы первой и второй критической концентрацией соответственно). Таким образом, структура титановых сплавов в процессе закалки зависит от скорости охлаждения из β-области и от концентрации концентрации β-стабилизаторовв сплаве (рис. 5.3.2, а, б).

Рис. 5.3.2. Структуры, которые получаются при закалке из β-области сплава титана: а) – с β-изоморфными стабилизаторами; б)– с β-эвтектоидными стабилизаторами

Как видно из рис.5.3.2, а, б, в зависимости от состава сплава после закалки могут образоваться весьма разные фазы:

1) при С<С'к_Р — мартенсит α' (α");

2) при С'кр>С>С''к_Р — мартенсит α' (α") + переохлажденный β (ω)-твердый раствор;

3) при С''кр >С> С'"кр — переохлажденный β(ω)-твердый раствор;

4) когда С>С'"кр—β-твердый раствор.

После закалки п ри С концентрации β-стабилизаторов в сплаве, когда С <С'кр, структура представляет собой пересыщенный твердый раствор замещения легирующих элементов в α -титане с гексагональной решеткой - игольчатая мартенситная структура, обозначаемая α' (рис. 5.3.2, а) или при большей степени легированности - пересыщенный твердый раствор замещения легирующих элементов в α -титане сромбической решеткой,- игольчатая мартенситная структура, обозначаемая α" (рис. 5.3.2,б).

При концентрациях Сβ-стабилизаторов в сплаве, когда С'кр<С<С"кр,наряду с образованием α " часть β-фазы сохраняется при комнатной температуре не превращенной. Внутри этой остаточной β-фазы формируется ω -фаза мартенситного типа, когерентно снизанная с матричнойb -фазой и имеющая искаженную гексагональную решетку. β-фаза, полученная в этих сплавах при длительном нагружении распадается. Поэтому ее называют механически нестабильной, обычно обозначаемой β(ω).

При С"кр < С < С'"кр, когда температура мартенситного превращения становится ниже комнатной, — вся β-фаза сохраняется при комнатной температуре не превращенной (β(ω)).

В сплавах с высоким содержанием b -стабилизаторов (псевдо- b -сплавы), когда С>С'"кр, мартенситное превращение не протекает и при закалке фиксируется β- твердый раствор, в котором ω -фаза мартенситного типа не фиксируется. β-фаза в этих сплавах является механически стабильной, но термодинамически нестабильной: из нее при нагреве (старении) выделяются дисперсные частицы α-фазы. Поэтому ее называют, неустойчивй b –фазой и обозначают - b _неуст.

Превращения при закалке в титановых сплавах в принципе похожи на соответствующие превращения в стали. При медленном охлаждении образуется полиэдрическая структура a-твердого раствора, а при быстром – игольчатая мартенситная структура, обозначаемая a¢ или при большей степени легированности - a². Кристаллическая структура a, a¢ и a² практически одинакова (г.п.у.), однако решетка пересыщенных твердых растворов a¢ и a²более искажена при высокой скорости охлаждения. Так как a¢-мартенсит в титановых сплавах мало отличается по прочности от равновесной a-фазы, столь существенного упрочнения, как в сталях, в титановых сплавах не происходит.

В результате фазовой перекристаллизации происходит измельчение зерна, что положительно сказывается на их пластических свойствах.