Благодаря высоким механическим свойствам при малой плотности, высокой коррозионной стойкости и относительно низком коэффициенте линейного расширения в ряде случаев титановые сплавы применяют для ответственных деталей точных машин и приборов. Используют как технически чистый титан, так и сплавы титана, легированные а и Р-стабилизаторами.
Наибольшее распространение получили сплавы титана с алюминием (ВТ5), алюминием и ванадием (ВТ6), алюминием и молибденом (ВТ8), а также сплавы, легированные алюминием и марганцем (ОТ4), алюминием, молибденом и хромом (ВТЗ-1). Разработан и применяется ряд перспективных сплавов - высокопластичный ВТ15 (с хромом, молибденом, алюминием) и жаропрочные ВТ18 (с алюминием, цирконием, ниобием), ВТ22 (с алюминием, ванадием, хромом). Все большее распространение получают литые титановые сплавы ВТ5Л и ТС5Л (с алюминием, оловом, ванадием, цирконием) и др.
Как известно, титан существует в двух стабильных аллотропических модификациях - высокотемпературной с объемноцентрированной кубической решеткой В и низкотемпературной гексагональной а. После различных термических обработок (отжига, закалки, отпуска) в титановых сплавах образуются метастабильные структурные состояния.
При небольшом количестве легирующих элементов (а и В стабилизаторов) при закалке происходит превращение В - а по мартенситному механизму. При небольшой растворимости легирующего элемента в а-титане эта фаза является пересыщенным твердым раствором. В сплавах с В-стабилизаторами (Mo, V, Nb и др.) при повышенном содержании легирующих элементов в результате мартенситного превращения при закалке возможно получение фазы а", также являющейся пересыщенным твердым раствором на осное а-титана. При дальнейшем повышении концентрации легирующих элементов одновременно с фазами а или а" фиксируется высокотемпературная В-фаза, неустойчивая при низких температурах.
В ряде сплавов с В-стабилизатором происходит эвтектоидный распад Р-твердого раствора с образованием равновесной ос-фазы и интерметаллического соединения.
В сплавах с переходными элементами (Сг, Mo, Nb, V и др.) эвтектоидное и аллотропическое превращения проходят очень медленно. Замедленность этих превращений обусловливает метастабильность структурного состояния титановых сплавов.
Процесс распада В-фазы предположительно происходит в следующем виде. При отпуске и изотермической обработке происходит диффузионное перераспределение легирующих элементов в микрообъемах В-фазы. Распад Р-твердого раствора начинается уже при 100-200° С, а в некоторых сплавах (Ti-V), даже при комнатной температуре.
В обедненных легирующими элементами участках происходит превращение В - w. При этом вначале идет бездиффузионное превращение в участках, обедненных легирующим элементом до концентрации, близкой к «критической», затем в участках, отличающихся от «критической» концентрации (где требуются дополнительные диффузионные перераспределения). При длительных выдержках происходит дальнейший распад B-твердого раствора с образованием метастабильной B-фазы и равновесной а-фазы. Оставшаяся B-фаза может приближаться к равновесному состоянию или превращаться в равновесную эвтектоидную составляющую (при высоких температурах для систем эвтектоидного типа). При температурах 450-540° С превращение B-твердого раствора проходит по схеме B - а + B, т. е. без образования w-фазы. Равновесная а-фаза может образовываться из w-фазы. Г. И. Носова полагает, что а-фаза образуется из w-фазы путем таких же атомных перемещений, что и при образовании из B-фазы. Образование а-фазы наблюдается только при повышенных температурах (400-450° С).
Указанные структурные превращения сопровождаются объемными изменениями.
Удельный объем а-фазы чистого титана больше, чем B-модификации. При переходе к равновесному состоянию B - а объем сплава должен увеличиваться.
Данные о знаке объемного эффекта при распаде метастабильной Р-фазы противоречивы. В большинстве работ указывается на отрицательный объемный эффект превращения B - w. Однако имеются данные, свидетельствующие о том, что уменьшение объема при изотермическом превращении B-фазы при 100° С и выше связано с субмикрорасслоением B-твердого раствора Bмет - Bобог + B0беДн на стадиях, предшествующих образованию w-фазы, поскольку элементарные ячейки Иo6eдн и w-фаз одинаковы по размерам и числу атомов. Различие заключается только в их расположении.
При отпуске распад мартенситных фаз а и а" на равновесную структуру a + B сопровождается уменьшением объема.
Значительные структурные и объемные изменения в титановых сплавах связаны с взаимодействием титана с водородом.
Диаграмма состояния системы титан-водород приведена. При охлаждении B-фаза при 320° С претерпевает эвтектоидный распад на а + у-фазы. у-фаза представляет собой гидрид титана с гранецентрированной кубической решеткой и является фазой внедрения переменного состава (от TiH до TiH2).
Растворимость водорода в а-фазе резко уменьшается при понижении температуры от 320 до 100° С, что приводит к выпадению гидридов. В интервале температур от комнатной до 300° С гидрид титана термодинамически неустойчив и может растворяться и вновь выпадать. Быстрое охлаждение сплавов с температуры выше эвтектоидного превращения может подавить выпадение гидридов, однако с течением времени пересыщенный твердый раствор распадается с выделением гидридов.
Удельный объем гидрида титана на 15-20% больше, чем у титана, поэтому образование гидрида связано с увеличением объема материала.
Растворимость водорода в чистом титане при комнатной температуре в равновесном состоянии составляет 0,00009%. В сплавах водород может растворяться в значительно больших количествах. Например, при введении 5% алюминия растворимость водорода в а-фазе в сравнении с чистым титаном увеличивается в 10 раз.
Растворимость водорода в Р-фазе почти в 10 раз больше, чем в а. Поэтому в сплавах со структурой а + Р водород концентрируется преимущественно в Р-фазе. В процессе старения происходит диффузия водорода из а-фазы в р.
При разложении гидрида объем сплава уменьшается.
Размерная стабильность титановых сплавов определяется прежде всего устойчивостью метастабильных структур в условиях эксплуатации.
Исследования И. И. Сидорина и С. Г. Донцовой, а также наши эксперименты показали, что метастабильные структуры в титановых сплавах при температурах -50ч-+100°С, соответствующих условиям эксплуатации прецизионных машин и приборов, могут претерпевать превращения с существенными изменениями удельного объема.
Без применения специальных режимов стабилизирующей термообработки в сплавах титана с а и а + B-структурой в условиях длительных испытаний при относительно невысоких температурах наблюдаются изменения размеров даже ненагруженных образцов.
Показаны объемные изменения в титановых сплавах при комнатной и повышенной температурах, заимствованные из работы. Уменьшение длины в начальной стадии испытаний авторы объясняют старением В-твердого раствора, которое активно протекает и при комнатной температуре. Субмикрорасслоение твердого раствора сопровождается уменьшением объема. Наиболее интенсивно процесс субмикрорасслоения при комнатной температуре протекает в сплаве ОТ4, в котором В-фаза менее легирована и менее устойчива, чем в других сплавах. Уменьшение длины в техническом титане ВТ1 авторы также объясняют старением В-фазы, прослойки которой вследствие наличия примесей сохраняются между зернами а при ускоренном охлаждении (на воздухе).
Последующее увеличение длины авторы связывают с выпадением гидридов при старении, а уменьшение длины после ее возрастания - с разложением гидридов при образовании со-фазы. Образованием последней также объясняют и подъем кривых на завершающей стадии испытаний. Наличие со-фазы после 2000 ч испытаний при 150° С подтверждено рентгенографически. В процессе старения при комнатной температуре сплавов ВТ1, ВТ8 и ОТ4 эффект, связанный с распадом гидрида, отсутствует, поскольку w-фаза в этих условиях не образуется.
По мнению авторов, основной причиной размерной нестабильности титановых сплавов с а-структурой (ВТ1, ВТ5 и т. п.) является гидридное превращение. Поэтому для стабилизации структуры и размеров этих сплавов они рекомендуют отжиг при температурах, близких к температурам эвтектоидного превращения в системе титан-водород (350° С) с последующим медленным охлаждением, особенно в интервале 20-150° С, когда резко уменьшается растворимость водорода. Для двухфазных сплавов, содержащих менее 2% B-стабилизатора (ОТ4, ВТ4, АТ4 и т. п.), где расслоение B-твердого раствора при комнатной температуре идет весьма интенсивно, после стандартных режимов отжига рекомендуется обработка холодом при -70° С. Для сплавов, содержащих более 2% -стабилизатора (ВТ6, ВТЗ-1, ВТ8 и т. п.), где Р-фаза более устойчива, для стабилизации рекомендуется нагрев при 50-100° С в течение 5-10 ч с последующей обработкой холодом при -70° С.
Исследование изменения размеров некоторых титановых сплавов после различных режимов термической обработки и имитации условий эксплуатации изделий подтверждает результаты работы об эффективности стабилизирующего нагрева технического титана при температуре, близкой к эвтектоидной в системе титан-водород (350° С). После стабилизирующей обработки и контрольного нагрева наблюдается уменьшение объема исследованных сплавов. В однофазном сплаве ВТ15, структура которого состоит из B-твердого раствора, уменьшение размеров происходит в наибольшей степени, достигая при 150° С 14 мкм на 100 мм за 3100 ч испытаний.
Эти результаты согласуются с представлениями об уменьшении объема титановых сплавов при старении вследствие субмикрорасслоения B-фазы.
Данные свидетельствуют также об эффективности обработки холодом титановых сплавов.
Рассмотрим сопротивление титановых сплавов микропластическим деформациям. Перечень исследованных сплавов, состав и режимы термической обработки приведены.
Были рассмотрены так называемые «отрицательные» остаточные деформации и отмечено, что они свойственны упрочненному состоянию сплавов. Отрицательные остаточные деформации особенно характерны для титановых сплавов. Как следует из представленной зависимости изменения остаточной деформации от нагрузки, отрицательные остаточные деформации наблюдаются для всех исследованных титановых сплавов, в том числе отожженного технического титана ВТ 1-0. Величина остаточной деформации возрастает с увеличением степени упрочнения легированием и термической обработкой, достигая для сплава ВТ22 0,015%. Для сплавов в термически упрочненном состоянии отрицательные деформации существенно выше, чем в отожженном.
Приведены значения пределов упругости исследованных титановых сплавов, определенные по величине напряжения, выше которого остаточная деформация начинает возрастать в положительном направлении.
Из таблицы следует, что наблюдается корреляция между пределом упругости и прочностными свойствами титановых сплавов.
Чем выше прочность сплавов, тем более высоким пределом упругости он обладает.
На рис. 125 показаны первичные кривые релаксации напряжений в исследованных титановых сплавах. По результатам испытаний определены параметры релаксационной стойкости при 100° С: для 1-го участка - величина максимального напряжения, вызывающая за 500 ч испытаний остаточную деформацию 0,005%, для 2-го участка - условный предел релаксации ог. Значения указанных параметров релаксационной стойкости приведены.
Наиболее высоким сопротивлением микропластическим деформациям характеризуется высокопрочный сплав ВТ22, относящийся к группе двухфазных сплавов. Аналогичный по прочности в закаленном и состаренном состоянии В-сплав ВТ 15 имеет вдвое меньшую релаксационную стойкость при практически одинаковом пределе упругости. Это свидетельствует о недостаточной стабильности структуры сплава. Наиболее нестабильной является структура сплава ВТ15 в закаленном состоянии, что является причиной очень низкой релаксационной стойкости.
Весьма высоким сочетанием показателей сопротивления микропластическим деформациям и механических свойств характеризуется двухфазный сплав ВТ8 в упрочненном состоянии. Применение этого сплава для изготовления высокоточных деталей машин и приборов с высокими требованиями к постоянству размеров является весьма целесообразным. Другой двухфазный сплав ВТ6 имеет более низкую размерную стабильность и механические свойства, поскольку при легировании ванадием по сравнению с молибденом твердый раствор оказывается значительно менее устойчивым.
Легированные а-сплавы ВТ18 и ВТ5 имеют более низкие характеристики сопротивления микропластическим деформациям при кратковременном и длительном нагружении по сравнению с двухфазными сплавами.
Подобно другим металлам и сплавам, титановые сплавы после термического упрочнения характеризуются значительно более высоким сопротивлением микропластическим деформациям при кратковременном и длительном нагружениях по сравнению с отожженным состоянием. Корреляция между пределом упругости и условным пределом релаксации для сплавов с нестабильной структурой отсутствует.
Характеристики размерной стабильности технического титана значительно ниже, чем у сплавов на его Основе. Следует отметить преимущество металлокерамического титана перед сплавами ВТ1-0 и ВТ1-1. Повышенная прочность и сопротивление микропластическим деформациям металлокерамического титана, по-видимому, связаны с высоким содержанием кислорода. Металлокерамический титан используют для окончательного изготовления изделий посредством спекания без последующей механической обработки.
При изготовлении высокоточных деталей из титановых сплавов следует применять межоперационный дорекристаллизационный отжиг. Предел упругости наклепанного механической обработкой резанием поверхностного слоя в титановых сплавах повышается примерно в 2 раза после отжига по оптимальным режимам. Последние составляют для сплавов ВТ1-1, ВТ6 и ВТ5 соответственно 500, 550 и 600° С. Указанный отжиг, который наряду с возрастанием предела упругости сопровождается интенсивным понижением внутренних напряжений, следует применять перед окончательной механической обработкой изделий. После окончательного изготовления высокоточные детали из титановых сплавов целесообразно подвергать термоциклической обработке при -50 и +150° С. Для деталей из технического титана с особо высокими требованиями в отношении постоянства размеров перед окончательной механической обработкой целесообразна термоциклическая обработка при -196 и +500° С, обеспечивающая значительное повышение релаксационной стойкости. | 
НОВЫЕ ОБЪЯВЛЕНИЯ
НОВОСТИ
НОВЫЕ СТАТЬИ