» » Сплавы на основе титана
07.02.2017

При описании свойств металлического титана указывалось, что этот металл представляет весьма большой интерес в качестве конструкционного материала в связи с его малым удельным весом, высокой прочностью и коррозионной устойчивостью. Свойства титана могут быть существенно улучшены сплавлением его с небольшим количеством легирующих добавок, например хромом, молибденом, алюминием, марганцем, железом и др.
Титан, как указывалось выше, имеет две аллотропические модификации: β-титан. устойчивый до 882°, обладающий гексагональной кристаллической решеткой, и β-титан, устойчивый выше 882°, кристаллизующийся в кубической объемноцентрированной кристаллической решетке.
Титан с другими элементами образует многочисленные сплавы. Типы диаграмм состояний различных сплавов зависят от большего или меньшего подобия кристаллических структур взаимодействующих элементов, соотношений величин их атомных радиусов, места расположения взаимодействующих элементов в периодической системе Д.И. Менделеева и от структуры электронных оболочек атомов.
Сплавы на основе титана
Сплавы на основе титана

Легирующие элементы — аналоги титана (например, цирконий, гафний), расположенные в той же подгруппе периодической системы, как и титан, обладающие однотипной кристаллической структурой и имеющие небольшие отличия в размерах атомных радиусов, образуют с титаном непрерывные ряды твердых растворов как в α-, так и в 3-фазах (см. диаграмму состояния системы Ti — Zr на рис. 150).
Металлы V и VI групп периодической системы ванадий, ниобий, тантал, хром, молибден, имеющие кубические решетки, подобные решетке β-титана, образуют непрерывные ряды твердых растворов с β-модификацией титана и ограниченные твердые растворы с α-модификацией (см., например, диаграмму состояния системы Ti— Mo на рис 151). Эти металлы стабилизируют β-фазу и понижают температуру ее перехода в α-фазу по мере повышения концентрации растворенного в β-фазе легирующего элемента.
Из этой группы металлов выделяется хром, который также формирует непрерывный ряд твердых растворов с β-титаном, но с α-титаном образует ограниченные твердые растворы с эвтектоидным превращением (рис. 152).
Металлы имеющие кубические решетки, но расположенные дальше от титана в периодической системе и заметно отличающиеся по строению атомов (Fe, Ni, Co, Mn), образуют ограниченные твердые растворы с обеими модификациями титана с большей растворимостью в β-титане, чем в α-титане. Эти металлы также понижают температуру перехода α⇔β, образуя диаграммы состояний с эвтектоидным превращением (см. диаграмму состояния системы Ti — Fe на рис. 153).
Кроме ограниченных твердых растворов в подобных системах образуются и интерметаллические соединения.
Четвертый тип диаграмм состояния характерен для сплавов титана с элементами, дающими ограниченные твердые растворы с обеими модификациями титана, но обладающими большей растворимостью в α-титане, чем в β-титане. К этим элементам относятся: алюминий, олово, кислород, азот, углерод. Последние три образуют с титаном твердые растворы внедрения. Указанные элементы стабилизируют α-фазу, повышая температуру перехода
Сплавы на основе титана
Сплавы на основе титана

В соответствующих диаграммах состояния имеет место перитектоидная реакция перехода β-твердых растворов в a-твердые растворы (см., например, диаграммы состояния систем Ti—С на рис. 128, системы Ti—О на рис. 154, Ti — N на рис. 155, Ti — Al на рис. 156).
Легирование титана различными элементами сильно изменяет его физико-механические свойства, повышая прочность и жаропрочность. Практически технический титан, как правило, содержит некоторое количество поглощенных в процессе производства кислорода, азота, углерода. Поэтому технический титан даже без специальных добавок других металлов является в небольшой степени легированным этими элементами. На рис. 92, 157 и 158 показаны изменения основных физико-механических свойств титана в зависимости от содержания кислорода, азота и углерода. Как видно из приведенных данных, небольшие количества этих примесей, в особенности кислорода и азота, сильно повышают прочность титана и одновременно ухудшают пластичность.
Введение легирующих металлов приводит к дополнительному упрочнению сплавов на титановой основе (рис. 159).
Наиболее употребительными легирующими металлами в производстве сплавов на титановой основе являются: алюминий, олово, марганец, хром, железо, молибден, ванадий.
Сплавы на основе титана

В течение последних лет в различных странах проводятся широкие исследования свойств многочисленных сплавов на титановой основе с различными легирующими добавками. Наряду с двойными сплавами титана изучаются и уже применяются в промышленности сплавы с добавками двух, трех и даже четырех легирующих металлов
В табл. 74 показаны составы и свойства некоторых сплавов на титановой основе из числа применяемых в промышленности и описанных в литературе.
Применяемые в промышленности сплавы на титановой основе обладают не только высокими механическими свойствами при комнатной температуре, значительно превосходящими свойства чистого титана. Они сохраняют также более высокие, чем у титана, прочность и остойчивость против ползучести и при повышенных температурах.
Сплавы на основе титана

Важно отметить, что легирующие добавки в пределах применяемых концентраций, как правило, не ухудшают высокой коррозионной устойчивости титана, а добавки хрома и алюминия повышают также и его жаростойкость.
На рис. 160 показано изменение прочности в зависимости от температуры при растяжении некоторых титановых сплавов с добавками различных легирующих металлов по сравнению с чистым титаном.
Весьма важно то, что благодаря малому удельному весу сплавов на титановой основе, они имеют высокие показатели прочности в пересчете ка единицу веса материала (высокую удельную прочность).
Сплавы на основе титана

На рис. 161 показаны сравнительные величины прочности при растяжении на единицу вeca различных сплавов на титановой основе при различных температурах по сравнению с прочностью сталей и бронз распространенных марок. Как видно из этого графика, титановые сплавы значительно превосходят по удельной прочности наиболее широко распространенные конструкционные стали и сплавы цветных металлов.
Сплавы на основе титана

Структура и свойства сплавов на титановой основе зависят не только от содержания легирующих добавок (включая сюда и содержание примесей кислорода, азота, углерода, водорода), но и от условий термической обработки сплавов. При медленном охлаждении титана с температур устойчивого состояния β-модификации до температур, при которых устойчивой является α-модификация, фазовое превращение сопровождается образованием новых центров кристаллизации и ростом вокруг них зерен α-титана при довольно высоких температурах, что приводит к формированию относительно крупнозернистой структуры.
В титановых сплавах с легирующими добавками, стабилизирующими a-фазу, и не претерпевающих эвтектоидного превращения (с добавками алюминия, олова, кислорода, азота), медленное охлаждение из области β-фазы также приводит к формированию полиэдрической структуры, состоящей из равноосных зерен α-фазы (рис. 162).
Быстрое охлаждение (закалка) из области температур устойчивого существования β-фазы, в особенности, если титан легирован относительно небольшими добавками β-стабилизатора (например, 3,5% Mn), снижающими температуру фазового превращения, приводит к формированию мелкокристаллической структуры мартенситного типа на основе α-фазы (рис. 163). Образование такой структуры объясняется тем, что превращение β-α в этих условиях происходит в области низких температур, что не дает возможности образования крупных кристаллов α-фазы.
Сплавы на основе титана

Закалка из температурной области β-фазы сплавов с повышенным содержанием β-стабилизатора (например, 5,5% Mn) приводит к фиксации 3-фазы, в результате чего образуется структура, подобная показанной на рис. 164.
При медленном охлаждении титановых сплавов с легирующими добавками, вызывающими превращение эвтектоидного типа (Ti—Cr, Ti—Fe) происходит формирование структуры состоящей из смеси кристаллов α-твердого раствора и интерметаллического соединения (TiCr2, TiFe и т. п.).
Помимо титановых сплавов, состоящих только из кристаллов или α- или ββ-фазы, возможно путем одновременного введения добавок α- и β стабилизаторов и соответствующих режимов термообработки получить сплавы со структурой, сочетающей кристаллы α- и β-фаз. Так. например, на рис. 165 показана такая структура горячекованого сплава с 4% Mn и 4% Al. Неполное превращение β-фазы с образованием смеси кристаллов обеих фаз также препятствует формированию крупных зерен и приводит к образованию мелкокристаллической структуры сплава.
Свойства сплавов на титановой основе определяются влиянием легирующих добавок и структуры сплавов. Так, образование мелкозернистой структуры сплавов типа "α—β" усиливает упрочняющее воздействие легирующих элементов и дополнительно повышает физико-механические свойства сплавов (см. рис. 161).
Оптимальные механические свойства двухфазных сплавов достигаются в результате их горячей ковки в области температур, близких к области фазового превращения с получением структуры подобно изображенной на рис. 165.
В присутствии алюминия в двухфазных сплавах повышается температура превращения α⇔β и тем самым создается более широкий температурный диапазон для их горячей обработки.
Кроме того, добавка алюминия упрочняет кристаллы α-фазы при повышенных температурах, вследствие чего сплавы подобного типа сохраняют достаточно высокие значения механических свойств вплоть до 600°, а также уменьшается скорость окисления этих сплавов при высоких температурах.
С другой стороны, при наличии в двухфазных сплавах легирующих элементов (3 стабилизаторов) растворяющихся главным образом в β-фазе, повышается прочность и жаропрочность кристаллов β-фазы.
Сплавы на основе титана

В технологии изготовления различных металлических конструкций на основе двухфазных титановых сплавов встречаются некоторые затруднения при сварке этих материалов в связи с тем, что быстрое охлаждение сварного шва с температуры выше точки превращения вызывает местное повышение хрупкости. Поэтому в последнее время привлекают внимание работы до применению однофазных сплавов, например, целиком состоящих из α-фазы. Эти сплавы, содержащие достаточное количество таких присадок, как алюминий или олово, менее чувствительны к скорости охлаждения и позволят при больших изменениях режимов термообработки достигать стабилизации одной α-фазы.
Кроме того, сплавы с добавкой алюминия выгодно отличаются от сплавов со значительными добавками железа, марганца, молибдена меньшим удельным весом и более высоким сопротивлением окислению при повышенных температурах.
Поэтому главная область применения сплавов на основе α-фазы связана с возможностью их обработки и эксплуатации при повышенных температурах.
Однако надо учитывать, что эти сплавы обладают пониженной пластичностью в условиях холодной обработки β-фаза более пластична на холоду, и поэтому ее присутствие в составе двухфазных сплавов улучшает их обрабатываемость.
Еще большей пластичностью обладают сплавы на основе только β-фазы, получаемые при введении повышенного количества добавок, стабилизирующих β-фазу. Поэтому такие сплавы особенно пригодны для прокатки в тонкие листы и ленту.
Однако производство сплавов на основе β-фазы ограничено областями применения их только при низких температурах, так как даже незначительное повышение температуры при небольших количествах β-стабилизаторов может легко вызвать фазовые превращения β—α с образованием структуры мартенситного типа и появление хрупкости.
Значительное же увеличение легирующих добавок, повышающих стабильность β-фазы, например 15% Mn, Cr и Fe или до 35% Mo для более пол ной стабилизации β-фазы, существенно увеличивает удельный вес сплавов что лишает их одного из основных преимуществ.
Кроме того, большое количество легирующих добавок уменьшает пластичность материала.
Меньшим распространением по сравнению с указанными сплавами на титановой основе пользуются пока сплавы титана с цирконием. Тем не менее они обладают интересными свойствами, поэтому в настоящее время исследуются с целью промышленного их использования. He исключена, также возможность дополнительного легирования сплавов титана с цирконием другими металлами.
Титан и цирконий обладают изоморфными кристаллическими решетками как в низкотемпературной α-модификации (гексагональная решетка), так и в высокотемпературной β-модификации (кубическая объемноцентрированная решетка) Поэтому титан с цирконием образуют непрерывный ряд твердых растворов как в области α-, так и в области β-фаз. Вследствие этого свойства сплавов титана и циркония плавно изменяются и зависимости от их состава.
Учитывая более высокую коррозионную устойчивость циркония по сравнению с титаном, интересно использование добавки циркония к титану с целью повышения коррозионной стойкости последнего. Так, сплав титана с 13,8% Zr при испытании на стойкость в 5%-ном растворе соляной кислоты при 100° показал скорость растворения (0,33 мм/год), в 70 раз меньшую по сравнению со скоростью растворения чистого компактного титана (скорость растворения в 4%-ной НСl 23,8 мм/год). Такой сплав обладает удельным весом 4,65, т. е. всего на 2,4% выше удельного веса титана. Это относительно небольшое увеличение удельного веса может себя оправдать в тех случаях, когда требуется высокая устойчивость против коррозии.
Кроме того, образование твердого раствора титан-цирконий приводит к некоторому упрочнению по сравнению с прочностью чистого титана.
Получение сплавов титана с цирконием осуществляется в тех же аппаратах и по тем же методам, что и чистых титана и циркония.