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.
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
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.
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.
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).
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.
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.
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.
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.