2020-09-24
315
Сплавы с a-структурой (ВТ1, ВТ5) характеризуются невысокой прочностью при комнатной температуре. Поскольку a-стабилизаторы значительно повышают температуру полиморфного превращения, в сплавах с устойчивой a-структурой полиморфное a«b-превращение происходит при высоких температурах, когда реализуется нормальный механизм полиморфного превращения. Переохладить b-фазу до низких температур, при которых возможно мартенситное превращение, в этих сплавах не удается даже при очень больших скоростях. Поэтому сплавы с устойчивой a-структурой нельзя упрочнять термической обработкой.
Их упрочнение достигается легированием твердого раствора небольшим количеством олова, циркония и марганца и пластической деформацией. Добавка олова вызывает увеличение ударной вязкости повышает жаропрочность технологические свойства. К a-сплавам относятся нелегированный титан (ВТ 1-00 и ВТ 1-0) и сплавы ВТ5 (~5 А1), ВТ5-1 (~5 % А1; 2,5 % Sn), 4201 (-0,2 % Pd). Достоинствами этих сплавов являются высокая термическая стабильность (однофазная структура), малая чувствительность к надрезу (механические свойства этих сплавов практически не зависят от структуры), жаропрочность до -450 °С (за счет повышенного содержания А1). Изделия из сплава
ВТ5-1могут длительное время работать при температурах до 500 ºC и кратковременно (в течение нескольких минут) при температурах 900 ºC. Некоторые a-сплавы (ВТ5-1 с пониженным содержанием примесей) могут работать при криогенных температурах (с понижением температуры прочность и пластичность увеличивается). Высокая технологическая пластичность этих сплавов объясняется малым содержанием алюминия. Все они отличаются высокой коррозионной стойкостью.
Недостатками a-сплавов являются склонность к водородной хрупкости, (особенно при динамической нагрузке), невысокая прочность при 20 °С (ов=350-800 МПа) и низкая технологическая пластичность а достоинством – хорошая свариваемость и высокие механические свойства при криогенных температурах. Обычная их термообработка - отжиг в a-области. Свойства сплавов ВТ5 и ВТ5-1 зависят от скорости охлаждения, при медленном охлаждении вероятно образование упорядоченной a-фазы.Выделение упорядоченной a-фазы приводит к охрупчиванию, уменьшению термической стабильности и пластичности, поэтому рекомендуют ускоренное охлаждение (на воздухе), что способствует повышению ударной вязкости примерно на 50 %.
Псевдо-a-сплавы (ОТ4,ОТ4-1) сохраняя достоинства a-сплавов, благодаря присутствию небольших количеств b-фазы (наряду с a-фазой в структуре присутствует ß -фаза в количестве 1-5 %)имеют более высокую технологическую пластичность и хорошо обрабатываются давлением, хорошо свариваются,однако склонны к водородной хрупкости. Добавки марганца повышают теплопроводность и свариваемость.
К псевдо - a -сплавам относятся сплавы групп ОТ (Тi-А1-Мп), содержащие от 1 до 6 % А1 и 1,5 % Мп, и АТ (Тi-А1-Fе-Сг-Si), содержащие до 5 % А1 и примерно по 0,5 % каждого из остальных элементов. Это сплавы невысокой прочности (ов~500-1100 МПа при 20°С), особенно малолегированные. Если в сплаве содержание А1 не более 2-3 %, то это очень технологичные сплавы, если 5-6 % А1 - жаропрочные сплавы (например, сплавы марок ВТ20 и ВТ18 могут работать до 500 и 600-650 °С, соответственно). По сравнению с a - сплавами псевдо - а -сплавы на 10-20 % прочнее, а пластичность их на уровне a -сплавов, что обусловлено небольшим количеством ß –стабилизаторов.
Недостатками псевдо - a -сплавов является большая чувствительность к водородной хрупкости (растворимость водорода в ß -фазе выше), а также невозможность использования упрочняющей термической обработки. Основная термообработка этих сплавов - дорекристаллизационный и рекристаллизацинный отжиг.
Двухфазные (a+b) -сплавы (ВТ6, ВТ14,ВТ22) характеризуются наилучшим сочетанием механических и технологических свойств. В отличие от а -сплавов двухфазные a+ ß -сплавы существенно упрочняются при термообработке, которая, подобно термической обработке стали, состоит из закалки и отпуска (старения), но их свариваемость хуже однофазных сплавов. Увеличение количества b-фазы в этих сплавах до 50% обеспечивает им самую высокую прочность этой группы сплавов как в отожженном, так и в закаленном состояниях.
Двухфазные титановые сплавы условно подразделяют на высокопрочные и жаропрочные сплавы. Подход к выбору легирующих элементов зависит в значительной степени от назначения сплавов.
В высокопрочных сплавах для обеспечения большого количества ß -фазы количество ß -стабилизаторов должно быть > 2 %. В качестве основных легирующих элементов применяют V, Мо и W. Типичный представитель этой группы сплавов сплав - ВТ6, содержащий 6 % А1 и 4 % V. Сплав ВТ6 применяется для деталей машин и элементов конструкций, работающих при температуре 450 - 500ºC. Этот сплав характеризуется оптимальным сочетанием технологических и механических свойств. Уменьшение содержания легирующих элементов в сплаве (модификация ВТ6-С - 4,5 % А1 и 3,5 % V) позволяет использовать его в сварных конструкциях. Сплав ВТ14 (4 % А1, 3 % Мо и 1 % V) обладает высокой технологичностью в закаленном состоянии (хорошо деформируется) и высокой прочностью - в состаренном. Он удовлетворительно сваривается всеми видами сварки. Сплав ВТ 14 способен длительно работать при 400 °С и кратковременно - при 300 °С.
Повышение жаропрочности титановых сплавов достигается усложнением состава а -твердого раствора. В качестве легирующих элементов в этих сплавах используют элементы в большом количестве растворимые в a-твердом растворе, поэтому жаропрочные титановые сплавы содержат максимальное количество А1, нейтральные упрочнители и 1,5-2 % ß -стабилизаторов. Максимальное содержание А1 (5-6,5 % в среднем) в жаропрочных титановых сплавах объясняется тем, что этот элемент, являющийся a-стабилизатором, повышает температуру полиморфного превращения, а также увеличивает растворимость ß- стабилизаторов в a-Ti.
К жаропрочным титановым сплавам относятся, например, ВТЗ-1, (содержащий 6 % А1, 2,5 % Мо, 1,5 % Сг, 0,5 % Fе и 0,3 % Si), ВТ8 и ВТ9.
Высокопрочные сплавы обычно подвергают упрочняющей термичеcкой обработке. После закалки и старения в структуре этих сплавов содержится дисперсионная смесь равновесных ß и a - фаз (ß - твердый раствор легирующих элементов в ß -Тi). В отожженном состоянии их структура состоит из
a-фазы и 5-25% ß-фазы. Жаропрочные сплавы для повышения термической стабильности отжигают. Структура жаропрочных титановых сплавов в отожженном состоянии состоит из a-фазы и 25-50 % ß -фазы.
Двухфазные (a+ ß)-титановые сплавы, обладая хорошими механическими свойствами, имеют пониженную термическую стабильность (сохраняют достаточную прочность лишь до 430 °С) и пластичность сварного шва хуже, чем у a- сплавов, что объясняется присутствием ß -фазы. После сварки детали нужно подвергать термообработке для восстановления пластичности. При криогенных температурах эти сплавы обладают низкой пластичностью.
Сплав ВТ6 - один из наиболее применяемых титановых сплавов (конструкции ходового двигателя). ВТ14 используют для изготовления различных полуфабрикатов (листы, поковки, штамповки); ВТ16 - крепежный сплав (болты, шпильки, гайки), применяемый как заменитель высококачественной стали 30ХГСА (для большинства военных самолетов).
Псевдо - ß -титановые сплавы характеризуются высоким содержанием ß -стабилизаторов и отсутствием мартенситного превращения. В процессе закалки в сплавах подавляется диффузионный распад ß -фазы, частично реализуемый при последующем старении и вызывающий упрочнение сплава. Сплавы характеризуются высокой пластичностью в закаленном состоянии и высокой прочностью в состаренном. Они удовлетворительно свариваются аргонодуговой сваркой. Широкое распространение из этой группы сплавов получил сплав ВТ 15, содержащий 3 % А1, 8 % Мо и
11 % Сг и имеющий в закаленном состоянии невысокую прочность (ов =900 МПа) и большую пластичность (5=20 %). После старения при 450 °С его прочность возрастает до 1500 МПа, а пластичность снижается (5=6 %). Из сплава изготавливают прутки, поковки, полосы, ленты. Сплав рекомендуется для длительной работы при температуре до 350 °С.
Однофазные b-сплавы отличаются высокой коррозионной стойкостью. Сплав 4201 может заменить тантал, сплавы на никелевой осове типа хастеллой, а также благородные металлы – платину и золото. ß -сплавы могут быть использованы для кратковременной работы при высоких температурах (до 1000-1200 °С). Структура ß -сплавов - твердый раствор легирующих элементов в ß –Ti. Эти сплавы содержат большое количество ß -стабилизаторов (Мо, Nb, V, Сr, Fе), имеющих высокую стоимость элементов V, Mo, Nb, понижающих удельную прочность сплавов из-за их высокой плотности, что и сдерживает их широкое промышленное применение.
