» » Общие сведения о титановых сплавах
15.01.2016

Титановые сплавы, благодаря их высокой удельной прочности, сопротивлению усталости, вязкости разрушения и коррозионной стойкости, широко применяются в авиационно-космической технике, судостроении, транспорте и других областях машиностроения.
Высокопрочные титановые сплавы по абсолютной прочности уступают высокопрочным сталям, однако вследствие меньшей плотности обладают удельной прочностью более высокой, чем у наиболее прочных сталей.
В области температур до 500—600 °С по удельной прочности жаропрочные титановые сплавы превышают алюминиевые и бериллиевые сплавы, а также жаропрочные стали и никелевые сплавы.
Наличие у титана полиморфного α(ГПУ) ⇔ β(ОЦК)-превращения обусловило создание промышленных жаропрочных сплавов трех основных групп: α-, β-, (α+β)-сплавов. Различный характер влияния легирующих элементов и примесей на температуру α ⇔ β -превращения определяет их разделение на α- и β-стабилизаторы.
Аl, Се, Lа, С, О, N повышают температуру полиморфного превращения, расширяют область существования α-фазы и относятся к α-стабилизаторам.
Среди β-стабилизаторов выделяют изоморфные (имеющие ОЦК-решетку, образующие неограниченные твердые β-растворы) и эвтектоидообразующие стабилизаторы (элементы, которые приводят к эвтектоидному превращению в сплаве) (рис. 13.1).
Общие сведения о титановых сплавах

Мо, V, Nb, Та — изоморфные β-стабилизаторы, они понижают температуру полиморфного превращения и расширяют область существования β-фазы. Эвтектоидообразующими β-стабилизаторами являются Сr, Мn, Fе, Со, Ni, Сu, Н.
Обычно β-стабилизаторы повышают прочность, жаропрочность и термическую стабильность, несколько понижая пластичность титановых сплавов.
Легирующие элементы Sn, Zr, Hf, Р3М, не оказывающие существенного влияния на температуру α⇔β-преврашения и способствующие повышению характеристик прочности, жаропрочности, относят к нейтральным упрочнителям.
В зависимости от содержания β-стабилизаторов титановые сплавы могут иметь однофазную структуру α-твердого раствора, двухфазную (α+β)-структуру и однофазную структуру β-твердого раствора (при высоком содержании таких β-стабилизаторов, как Мо, V, Nb, Та).
На устойчивости β-фазы к переохлаждению основана упрочняющая термообработка титановых сплавов. В зависимости от степени легирования β-фаза при охлаждении до комнатной температуры может испытывать мартенситное превращение или фиксироваться без преврашения в результате повышения устойчивости при высоком содержании β-стабилизаторов.
Сплавы с α-структурой, представляющие однофазный твердый раствор (ВТ5, ВТ5-1), не упрочняются термообработкой. Повышение температуры полиморфного превращения в этих сплавах сопровождается при закалке из β-области подавлением мартенситного превращения высокотемпературной β-фазы в низкотемпературную α-фазу, поскольку при высоких температурах реализуется нормальный диффузионный механизм β→α-превращения. Сплавы этого типа характеризуются средней прочностью при комнатной температуре, высокой жаропрочностью, термической стабильностью в области рабочих температур до 450—500 °С и отличной свариваемостью.
Псевдо-α-сплавы, содержащие небольшие добавки β-стабилизаторов, могут закаливаться из β-области и верхней части (α+β)-области. Легирование элементами AI, Zr, Si, Mo, Nb, V (BT20, BT18, ВТ18У) обеспечивает высокие жаропрочные свойства этих сплавов при рабочих температурах до 550—580 ’С.
Для двухфазных (α+β)-титановых сплавов применяется упрочняющая термообработко, состоящая из закалки и последующего старения.
При содержании легирующих элементов ниже критической концентрации скр, превращение протекает по мартенситному механизму с образованием игольчатых мартенситных α'- или α"-фаз, представляющих пересыщенные твердые растворы замещения с гексагональной плотноупакованной и ромбической структурой соответственно. Для α"-мартенсита характерна большая степень легированности.
Мартенситная α'-фаза имеет более высокую твердость, чем равновесная α-фаза, но упрочнение при ее образовании гораздо ниже, чем при мартенситном превращении в сталях. Старение приводит к выделению из α'-фазы частиц равновесной β- или интерметаллидной фазы и обычно не сопровождается заметным повышением твердости. Распад α"-фазы дает значительное упрочнение. Сплавы этого типа ВТ6, ВТ14, BTI6, ВТ25, ВТЗ-1 относят к мартенситным сплавам. Прочность этих сплавов после закалки и старения достигает 1150—1250 МПа.
При увеличении концентрации β-стабилизаторов выше критической температура мартенситного превращения снижается до комнатной температуры, так что при закалке фиксируется переохлажденная β'-фаза. В этом случае получают сплавы переходного класса, например ВТ22. Высокое содержание β-фазы обеспечивает сплавам переходного класса самую высокую прочность среди (α+β)-сплавов. Низкотемпературное старение, а также недостаточно высокая скорость охлаждения при закалке могут приводить к образованию метастабильной промежуточной w-фазы, охрупчивающей титановые сплавы. В связи с этим упрочняющий режим старения соответствует более высокой температуре (480—550 °С), когда выделяется высокодисперсиая α-фаза.
Однофазные β-сплавы с устойчивой β-структурой не имеют промышленного применения, поскольку содержание легирующих элементов Mo, V, Nb, Та в этом случае должно быть достаточно высоким, что приводит к снижению удельной прочности и повышению их стоимости.
Псевдо-β-сплав ВТ15 в равновесном состоянии имеет структуру β-фазы с небольшим содержанием α-фазы. В результате закалки формируется метастабильная β'-фаза, в которой при старении выделяются высокодисперсные частицы α-фазы, что обеспечивает высокую прочность (до 1500 МПа) при относительном удлинении - 6 %.
С целью повышения конструкционной прочности α- и псевдо-α-сплавов применяют термоводородную обработку. "Временное" легирование водородом, осуществляемое при термоводородной обработке титановых сплавов, обеспечивает перевод сплава в более легированный β-стабилизаторами класс, что в сочетании с термообработкой позволяет преобразовывать крупнопластинчатую структуру фасонных отливок, сварных швов в мелкозернистую с существенным возрастанием характеристик прочности и усталости.
В табл. 13.1 приведен химический состав и механические свойства некоторых промышленных сплавов титана.
Общие сведения о титановых сплавах

При получении из слитков крупногабаритных заготовок титановых сплавов (слябов) для прокатки плит традиционная технологическая схема не обеспечивает необходимого уровня свойств. Это связано с тем, что с увеличением объема слитка формируется грубая макро- и микроструктура, сильнее проявляются ликвация и другие дефекты структуры. В то же время увеличение массы слитков жаропрочных титановых сплавов диктуется как потребностью в крупногабаритных полуфабрикатах, так и необходимостью повышения производительности, поскольку в авиации, например, применение титановых сплавов доходит до 35 % от обшей массы летательных аппаратов.
Высокая стоимость изготовления и механической обработки труднообрабатываемых титановых сплавов, превосходящая в 5—10 раз стоимость обработки алюминиевых сплавов, и стоимость проката, превосходящая в 5—7 раз стоимость алюминиевого проката, возрастающая стоимость материалов препятствуют более широкому применению титановых сплавов.
Главные сдерживающие факторы — высокая стоимость самого металла, технологического передела, в частности механической обработки, и при этом низкий коэффициент использования металла, составляющий в среднем 0,2.
В связи с этим перспективны процессы получения изделий с минимальными допусками (нетто-деталей) с целью сокращения материалоемкости, объема механической обработки и повышения коэффициента использования материалов (КИМ) в производстве изделий из титановых сплавов.
Это достигается усложнением операции формообразования, с тем чтобы при получении готового изделия путем механической обработки удалялось минимальное количество материала.
Методами получения нетто-деталей, привлекшими внимание в последние годы при изготовлении крупных деталей, являются фасонное литье, изотермическая штамповка, в том числе в условиях сверхпластичности, усовершенствованная диффузионная сварка и порошковая металлургия.