» » Вакуумный отжиг титана и его сплавов
20.01.2015

В настоящее время металлургическая промышленность поставляет полуфабрикаты титана и его сплавов с которых довольно малыми содержаниями водорода, при которых не развивается водородная хрупкость. Однако пока еще не разработана технология получения готовых изделии из титана и его сплавов, которая обеспечивала бы сохранение в них такого же низкого содержания водорода, как в исходном металле. Единственным рациональным в настоящее время способом борьбы с наводороживанием металла при технологических операциях является удаление водорода из готовых деталей и элементов конструкций их вакуумным отжигом.
Вакуумный отжиг титана и его сплавов

Технология вакуумного отжига должна обеспечивать решение следующих задач.
1) снижение содержания водорода до безопасного уровня и, как следствие, устранение склонности металла к водородной хрупкости всех видов;
2) снятие нежелательных остаточных напряжении;
3) максимально возможное сохранение циклической прочности;
4) нанесение защитных пленок, предотвращающих наводороживание в эксплуатации Как уже отмечалось, водород удаляется из металла при вакуумном отжиге лишь в том случае, если парциальное давление водорода в атмосфере печи меньше равновесного его давления, соответствующего содержанию водорода в металле.
В табл. 29 приведены для ряда промышленных титановых сплавов приближенные значения входящих в уравнение Борелиуса (14) параметров Q и ψ, по которым
можно рассчитать равновесные давления водорода при разных температурах. Равновесные давления водорода над титановыми сплавами возрастают с повышением температуры, что иллюстрируется на рис. 81 на примере сплавов ОТ4 и ВТ20. Чем выше температура вакуумного отжига предельные (равновесные) концентрации водорода в металле, которых можно достичь при вакуумном отжиге. Однако предельно достижимые концентрации водорода ограничены возможностями существующих промышленных вакуумных систем.
Вакуумный отжиг титана и его сплавов

Давление в вакуумной печи порядка 1,33*10в-2 Па, обеспечиваемое существующими промышленными диффузионными насосами при использовании их без охлаждаемых жидким азотом ловушек, теоретически достаточно для снижения водорода в титановых сплавах до 0,001-0,003%. Предел по содержанию водорода, теоретически ограниченный возможностями современных вакуумных систем, также указан на рис. 81.
Температура вакуумного отжига титановых сплавов должна быть слишком высокой, поскольку начиная с некоторых температур происходит интенсивное испарение летучих легирующих элементов из поверхностно слоя, металла, вакуумное растравливание поверхности, необратимые и недопустимые изменения свойств. На рис. 82 показано изменение содержания легирующих элементов в поверхностном слое образцов сплава ВТ6 после отжига в лабораторной вакуумной печи при давлении 1,33*10в-2 Па в течение 1 ч. Пунктирными линиями показано содержание элементов в сплавах по техническим условиям, верхняя сплошная линия указывает на содержание легирующих элементов до вакуумного отжига, а нижняя после него. В процессе отжига при температурах, превышающих некоторую критическую, начинается интенсивное испарение легирующих элементов из поверхностного слоя титановых полуфабрикатов.
Вакуумный отжиг титана и его сплавов

Для исследованных плавок содержание легирующих элементов в поверхностном слое становится ниже нормы после отжига при температурах выше 850° С для сплавов ВТ6, ВТ5, ВТ15, ВТЗ-1, ВТ8 и выше 750° С — для сплавов ВТ22 и ОТ4.
Вакуумное растравливание поверхности металла начинается при температурах выше 700—800° С, но возникающие на вакуумированной поверхности титановых сплавов из-за вакуумного растравливания микронеровности достигают опасных размеров лишь после отжига выше температуры α+β/β-перехода (выше точки Ас3).
Нижняя предельная температура вакуумного отжига определяется прежде всего затормаживающим действием естественной окисной пленки. Окисная пленка на поверхности титановых сплавов при нагреве в достаточно высоком вакууме начинает растворяться при температурах выше 550° С. Поэтому нижний предел интервала температур вакуумного отжига с этих позиций должен превышать 550° С (см. рис 81).
Вакуумный отжиг приводит также к снятию нежелательных остаточных напряжений. В процессе вакуумного отжига сварных соединений из сплавов типа ОТ при температуре 550 С снимается около 85% остаточных напряжений, а при 660° С они снимаются почти полностью. Для достаточно полного снятия нежелательных напряжений нижний температурный остаточных вакуумного отжига должен составлять 550-600° крайней мере, для сплавов типа ОТ4). К сожалению, при вакуумном отжиге снимаются не только нежелательные остаточные напряжения, но и полезные сжимающие пряжения в поверхностном слое, созданные предшествующими технологическими операциями.
Чтобы исключить развитие в титане и его сплавах водородной хрупкости всех видов, необходимо в результате вакуумного отжига снизить среднее содержание водорода в металле до максимально допустимых значении концентраций Cд (табл. 30).
Вакуумный отжиг титана и его сплавов

Значения Cд принимают в 2—3 раза меньше тех концентраций, выше которых резко снижаются разрушающие напряжения при испытаниях на замедленное разрушение. Из этих соображений и следует выбирать значение конечной концентрации водорода Cк для расчета режимов вакуумного отжига.
Уменьшение содержания водорода приводит также к снижению склонности титановых сплавов к коррозионному растрескиванию и повышению вязкости разрушения. Вместе с тем в результате вакуумного отжига несколько снижаются характеристики циклической прочности. Так. например, предел выносливости σ-1 на базе 10в6 циклов для сплава ОТ4 после вакуумного отжига при давлении 1,33*10в-2 Па и температуре 660° С в течение 2 ч составляет 390 МПа, а для этого же материала, прошедшего механическую обработку (точение) после вакуумного отжига, он составляет для той же базы испытании 460 МПа, т. е. предел выносливости снизился после вакуумного отжига на 15%. Снижение характеристик выносливости связано с тем, что при вакуумном отжиге развивается релаксация полезных сжимающих поверхностных напряжении, имеющихся в исходном полуфабрикате или изделии.
Таким образом, вопрос о целесообразности вакуумного отжига для каждого сплава сводится к оценке, что же опаснее для него в данном конкретном применении — ухудшение циклической прочности или замедленное разрушение. Хотя выносливость титановых сплавов после вакуумного отжига хуже, чем в состоянии с упрочненной поверхностью, но катастрофического ее снижения не происходит, а в области высоких уровней циклических напряжении (0,7—0,8 σв) выносливость практически одинакова. Уменьшение величины действующей циклической нагрузки всего на 10—15% достаточно для восстановления предела выносливости на той же базе испытаний. Можно не только полностью устранить вредное влияние вакуумного отжига на выносливость, но и существенно повысить ее, применяя после отжига упрочняющую обработку поверхности.
Разрушающие напряжения при замедленном разрушении в случае содержания водорода больше критических концентраций могут быть в несколько раз меньше разрушающих напряжений в вакуумированной детали. Если реальные содержания водорода в детали достигают критически концентраций или даже превышают их, то целесообразность вакуумного отжига не вызывает сомнении. В этих условиях вредные последствия от развития замедленного разрушения значительно опаснее некоторого снижения выносливости в результате вакуумного отжига.