» » Принципы выбора режимов отжига титана и его сплавов
20.01.2015

Наиболее распространенный вид термической обработки титановых сплавов — отжиг всех разновидностей. Закалка и старение применяются в меньшей степени; термомеханическая обработка находится в стадии промышленного внедрения, к химикотермической обработке прибегают в редких случаях.
Отжиг первого рода, включающий рекристаллизационный, дорекристаллизационный отжиг и отжиг для уменьшения остаточных напряжений, в чистом виде применим лишь для α-сплавов и β-сплавов с термодинамически устойчивой β-фазой. В псевдо-α-, типичных α+β-и β-сплавах с термодинамически неустойчивой β-фазой на рекристаллизационные процессы могут накладываться фазовые превращения. Вклад фазовых превращении в формирование структуры и свойств сплавов наибольший при рекристаллизационном и дорекристаллизационном отжиге и наименьший при отжиге с целью снятия остаточных напряжений. Если температура отжига для уменьшения остаточных напряжений достаточно низка, то фазовые превращения могут не развиваться и не влиять на структуру и свойства псевдо-α, α+β- и β-сплавов (с термодинамически неустойчивой β-фазой). Гомогенизационный отжиг для титановых сплавов не применяют из-за его малой эффективности.
Дорекристаллизационный отжиг основан на явлениях возврата I рода (отдыха) и II рода (полигонизацни). Егo проводят с целью, если не для полного, то хотя бы частичного снятия нагартовки, внесенной в металл предшествующей пластической деформацией. В титане и малолегированных сплавах на его основе при дорекристаллизационном отжиге нагартованный металл существенно разупрочняется, что связано с довольно большой в них энергией дефектов упаковки. Вследствие этого легко развивается полигонизация, в ходе которой существенно снижается средняя плотность дислокаций.
В термически упрочняемых сплавах, в частности в β-сплавах, полигонизация развивается при тех жетемпературах, при которых распадается метастабильная β-фаза. В тех случаях, когда температура деформации и скорости охлаждения после деформации были достаточно высокими, в деформированных полуфабрикатах. фиксируется термодинамически нестабильная β-фаза. При нагреве деформированных полуфабрикатов до 500—700° С в них происходят не только процессы возврата и полигонизации, но и распад метастабильной β-фазы. Свойства отожженных титановых сплавов существенно зависят от того, что произойдет раньше — полигонизация или распад β-фазы.
В неполигонизованных титановых β-сплавах распад β-фазы при старении обычно протекает очень неоднородно по объему зерна, что приводит к низким пластическим характеристикам. После полигонизации метастабильная β-фаза распадается равномерно, что обусловливает повышенный комплекс механических свойств сплава и большую их однородность.
Принципы выбора режимов отжига титана и его сплавов

На рис. 61 приведена диаграмма рекристаллизации технического титана (99,5%). При рекристаллизации технического титана в интервале температур, соответствующих α-фазе, образуется полиэдрическая структура, характер которой не зависит от скорости охлаждения после отжига. При малых степенях деформации ε (2,5-5%) после отжига в области существования α-фазы наблюдается максимум величины зерна d3. Отжиг при температурах, соответствующих β-области, не дает ярко выраженного максимума величины зерна соответствующего критической степени деформации. Это объясняется тем что изменения структуры, связанные с небольшими степенями пластической деформации α-титана, подавляются объемными изменениями, обусловленными полиморфным превращением α⇔β.
В процессе рекристаллизации при температурах выше Ac3 образуется крупное зерно β-титана. При последующем охлаждении происходит полиморфное превращение β→α. Зерно β-титана при этом разбивается на колонии вытянутых зерен α-фазы, число которых увеличивается с повышением скорости охлаждения.
Легирующие и примесные элементы, как правило, повышают температуру рекристаллизации иодидного титана. Их можно разбить на три группы: а) сильно повышающие температуру рекристаллизации (N, С, О, Al, Be, Re, В); б) значительно повышающие температуру рекристаллизации лишь при введении их в количестве более 2-3 % (Cr, V, Fe, Mn, Sn); в) маловлияющие на температуру рекристаллизации (Nb, Co).
Все промышленные титановые сплавы имеют более высокую температуру рекристаллизации по сравнению с титаном (табл. 22).
Принципы выбора режимов отжига титана и его сплавов

Отжиг α+β-сплавов сочетает элементы отжига первого рода, основанного на рекристаллизационных процессах, и отжига второго рода, основанного на фазовой перекристаллизации. Температура отжига титановых α+β-сплавов, во-первых, должна быть настолько высокой, чтобы снять нагартовку, а во-вторых, она должна быть достаточно низкой, чтобы обеспечить такое содержание легирующих элементов в p-фазе, которое способно не только предотвратить ее распад в процессе охлаждения. но и обеспечить необходимую термическую стабильность сплава при эксплуатации готового изделия. Чем ниже температура отжига в α+β-области, тем больше концентрация β-стабилизаторов в β-фазе и тем выше ее термическая стабильность. Однако количество β-фазы при этом уменьшается.
Разделение видов отжига на рекристаллизационный, дорекристаллизационный, отжиг для уменьшения остаточных напряжений, отжиг, включающий фазовую перекристаллизацию, — это классификация видов отжига по процессам, протекающим в металле при нагреве. Отжиг α+β-сплавов чаще классифицируют по технологии, а именно различают простой, изотермический и двойной отжиг.
Эта классификация предпочтительнее предыдущей, потому что заранее неизвестно состояние горячедеформированного металла. Как было показано выше, в зависимости от температурно-скоростных условий деформации деформированные полуфабрикаты могут иметь нерекристаллизованную, частично или полностью рекристаллизованную структуру. По степени разупрочнения нагартованного металла отжиг делят на полный и неполный.
Самый простой режим отжига α+β-сплавов заключается в их нагреве при наинизших температурах, достаточных для довольно полного разупрочнения, с последующим охлаждением на воздухе или по заданному режиму. Температура простого отжига листов и изделий из них ниже температуры отжига штамповок, поковок, прутков из того же сплава (см. табл. 22). Это различие связано с тем, что поковки, штамповки, прутки обычно обрабатывают резанием, при котором снимается поверхностный альфированный слой, а листы и изделия из них этой обработке не подвергают и для удаления с них альфированного СЛОЯ приходится проводить дополнительные и довольно трудоемкие операции. При отжиге листовых полуфабрикатов и изделии из них в печах с защитной атмосферой или в вакууме температуру можно повысить до значений, рекомендованных для массивных полуфабрикатов, что обеспечит более полное разупрочнение сплавов и повышение их пластичности. Простой отжиг α+β-сплавов, как правило, является дорекристаллизационным. так как проводится при температурах ниже начала рекристаллизации (табл. 22).
Принципы выбора режимов отжига титана и его сплавов

Охлаждение на воздухе после простого отжига приемлемо не для всех сплавов. Механические свойства титановых α+β-сплавов с большим содержанием β-стабилизаторов и β-сплавов существенно зависят от скорости охлаждения после отжига. На рис. 64 показано изменение механических свойств прутка сплава ВТ16 в зависимости от температуры отжига при трех скоростях охлаждения. Наиболее полное разупрочнение сплава ВТ16 достигается после отжига при температурах 750—800° С с охлаждением с печью. Высокое сочетание прочностных и пластических свойств характерно также для сплава ВТ16 в закаленном состоянии. Однако в закаленном сплаве BTI6 метастабильные фазы механически нестабильны и распадаются под действием напряжений при комнатной температуре.
Для α+β-сплавов, помимо простого, применяют изотермический отжиг (табл. 23).
Принципы выбора режимов отжига титана и его сплавов

Этот отжиг состоит из нагрева сплава при сравнительно высоких температурах, достаточных для полигонизации или рекристаллизации, охлаждения до температур, обеспечивающих высокую стабильность β-фазы (эти температуры обычно ниже температуры рекристаллизации), и выдержки при этой температуре с последующим охлаждением на воздухе. Для перехода от первой ступени ко второй полуфабрикаты и изделия или охлаждают с печью до температуры второй ступени, или переносят в другую печь. Изотермический отжиг обеспечивает более высокую пластичность, термическую стабильность и длительную прочность, чем простой отжиг. Поэтому изотермический отжиг широко применяют для жаропрочных сплавов, таких как ВТЗ-1, ВТ8, ВТ9.
Двойной ступенчатый отжиг отличается от изотермического тем, что после отжига на первой ступени сплав охлаждают до комнатной температуры на воздухе, а затем снова нагревают до температуры второй ступени она ниже, чем на первой ступени (табл. 23).
При двойном отжиге в деформированных сплавах при температуре первой ступени происходят те же процессы, что и на первой ступени изотермического отжига, т. е. полигонизация и рекристаллизация. В результате рекристаллизационных процессов снимается нагартовка и повышается однородность структуры и свойств сплава. При охлаждении на воздухе частично протекает превращение β→α, но β-фаза не приобретает равновесного состава и при последующем нагреве при температуре второй ступени в β-фазе происходят процессы распада. В итоге в отличие от простого и изотермического отжига, приводящих к разупрочнению сплавов, двойной отжиг, наоборот, вызывает повышение прочностных характеристик при некотором снижении пластичности.
Для сплава ВТ22 разработан сложный режим термической обработки, позволяющий обрабатывать все виды полуфабрикатов независимо от их сечения и технологии производства. Эта обработка включает нагрев при 830— 850° С в течение 1—3 ч, охлаждение с печью до 750°С, 1—2-ч выдержку при этой температуре, охлаждение на воздухе (в воде), затем нагрев при 480—630° С в течение 2—4 ч, охлаждение на воздухе. Первую ступень термической обработки проводят при температурах несколько ниже точки Aс3 с целью устранения нагартовки. При медленном охлаждении до 750° С с последующей выдержкой при этой температуре β-фаза обогащается β-стабилизаторами в такой степени, что при охлаждении на воздухе она не испытывает превращений. Затем следует высокотемпературное старение (перестаривание) при 480—630° С. Температуру последней ступени выбирают в зависимости от уровня прочности, содержащегося в требованиях к данному полуфабрикату. Таким образом, указанная обработка включает элементы изотермического отжига, закалку и старение.
Продолжительность простого отжига и первой ступени изотермического и двойного отжига определяет сечением детали или полуфабриката и равна:
Принципы выбора режимов отжига титана и его сплавов

При сечениях более 50 мм рекомендуют увеличивать выдержку до 2 ч.
Для уменьшения остаточных напряжении, образующихся в результате механически обработки деталей, в ряде случаев применяют неполный отжиг при температурах ниже температуры начала рекристаллизации продолжительностью 0,5—2 ч с последующим охлаждением на воздухе Для снятия напряжении, возникших при сварке, продолжительность неполного отжига должна составлять 2-12 ч.
Ниже приведены температуры неполного отжига титана и его сплавов, С.
Принципы выбора режимов отжига титана и его сплавов

Крупнозернистую структуру титана и его сплавов в принципе можно исправить термообработкой, подобной той, какую применяют для стали, а именно двойной фазовой перекристаллизацией. Зерно при такой термообработке измельчается вследствие внутрифазного наклепа при фазовых превращениях и последующей рекристаллизации при повторном нагреве. К сожалению, при практическом внедрении фазовой перекристаллизации для измельчения зерна титана и его сплавов встречаются трудности, обусловленные в основном двумя причинами:
а) при нагреве до β-области (что необходимо для полной фазовой перекристаллизации) настолько укрупняется исходное зерно, что последующая термообработка часто не может уменьшить его даже до исходных размеров;
б) объемный эффект при α⇔β-превращении невелик, что не дает достаточно сильного внутрифазного наклепа.
По фазовому составу сплавов при температуре выдержки отжиг можно разделить на α-, α+β- и β-отжиг. На рис. 65 приведена схема политермического разреза системы титан-алюминий - β-стабилизатор. Простой отжиг α-сплавов, а также отжиг для уменьшения остаточных напряжении проводят при температурах соответствующих α-фазе; это α-отжиг. Эти же виды отжига, α+β- и β-сплавов соответствуют α+β-отжигу. Изотермический и двойной упрочняющий отжиг α+β-сплавов проводят при температурах, соответствующих α+В области. Верхняя ступень изотермического и двойного упрочняющего отжига смещена к более высоким температурам по сравнению с простым отжигом и соответствует условиям, в которых развивается рекристаллизация. Низкотемпературная ступень этих видов отжига примерно совпадает с температурным интервалом отжига для уменьшения остаточных напряжений.
Температурные интервалы всех видов отжига снижаются с увеличением содержания β-стабилизаторов при неизменном содержании алюминия.
Принципы выбора режимов отжига титана и его сплавов

Следует, однако, иметь в виду, что на температуры отжига влияет содержание не только β-стабилизаторов, но и алюминия. При увеличении содержания алюминия температуры всех видов отжига приходится повышать, поскольку алюминий повышает температуры начала интенсивного развития возврата и начала рекристаллизации. Так, в частности, прутки псевдо-α-сплава ОТ4, содержащего 1,5% Mn и 3,5% Al, отжигают при 740—760° С, а сплава ОТ4-2, содержащего 1,5% Mn и 6% Al, — при 840—860°С.
Применение β-отжига вместо α+β позволяет на 15 20% повысить вязкость разрушения титановых сплавов при одновременном существенном повышении предела текучести (после отжига по режимам, указанным в табл. 24).
Принципы выбора режимов отжига титана и его сплавов

Вместе с тем следует иметь в виду, что отжиг при температурах, соответствующих β-области, существенно снижает поперечное сужение и удлинение (см. рис. 64) Степень снижения поперечного сужения и удлинения при β-отжиге для разных сплавов различна. У некоторых сплавов (ВТЗ-1, ВТ8) эти характеристики при β-отжиге уменьшаются до столь низких значений, что этот вид термической обработки для них вряд ли можно рекомендовать. Сплавы типа ВТ5-1 и ВТ6 менее чувствительны к перегреву и после β-отжига имеют вполне приемлемые значения поперечного сужения и относительного удлинения. Наиболее существенные возражения против применения β-отжига для ответственных конструкций связаны с происходящим в результате этого вида термической обработки снижением циклической прочности, а также усилением склонности к водородной хрупкости.
В связи с обсуждаемой проблемой особый интерес представляют работы М. Я. Бруна, Н. З. Перцовского и Г. В. Шахановой, в которых показано, что вредное влияние β-отжига на характеристики пластичности можно ослабить, регулируя с помощью термической обработки параметры микроструктуры титановых сплавов (размер β-зерна, α-колонии, толщину α-пластин). При оптимальных размерах α-колоний (25-30 мкм) и толщинах α-пластин (2,5-3,5 мкм) поперечное сужение сплавов ВТЗ-1 и ВТ9 приближается к уровню пластичности этих сплавов при мелкозернистой равноосной структуре и составляет 30—40%. К сожалению, в настоящее время неясно соответствуют ли размеры α-колоний и α-пластин, обеспечивающие наибольшее поперечное сужение и удлинение,оптимальным их размерам в отношении вязкости разрушения.
Принципы выбора режимов отжига титана и его сплавов

Вязкость разрушения существенно возрастает и с ростом температуры отжига в α+β-области (рис. 66) при сохранении высоких значений циклической прочности, относительного удлинения и поперечного сужения. С повышением температуры отжига вырастает количество превращенной β-фазы пластинчатого строения и вместе с тем увеличивается вязкость разрушения.
Отливки из литейных сплавов BT1Л и ВТ5Л обычно термической обработке не подвергают. При литье в этих однофазных α-сплавах не возникает высоких остаточных напряжении, так что отжиг не требуется. Отливки на литейных α+β-сплавов отжигают для уменьшения остаточных напряжений и стабилизации структуры. Отжиг литейных сплавов проводят по тем же режимам, которые рекомендованы для деформируемых титановых сплавов.