Микроструктура и свойства титановых сплавов



В этой статье представлено описание микроструктуры и свойства титановых сплавов.

Ключевые слова: титановый сплав, элемент, критический состав, температура, химический состав

Введение

Титановые сплавы находят широкое применение в промышленности. Важнейшими преимуществами титановых сплавов перед другими конструкционными материалами являются их высокая удельная прочность и жаростойкость в сочетании с высокой коррозионной стойкостью. Титан и его сплавы хорошо свариваются, парамагнитны и обладают другими свойствами, имеющими решающее значение в различных отраслях техники как авиастроение, ракетостроение, химическое, пищевое и транспортное машиностроение [1, 2].

Описание механических свойств титановых сплавов

Титановые сплавы относятся к монофазным сплавам. Известны две аллотропические модификации титана. Низкотемпературная ГПУ альфа-модификация существует до 882,5 ℃, выше этой температуры бета-титан имеет ОЦК решетку. Механические свойства титановых сплавов чувствительны к типу и параметрам микроструктуры [3, 4]. Для обеспечения необходимых свойств в промышленности используется легирование титана различными элементами. Основным легирующим элементом является алюминий Al, он присутствует во всех титановых сплавах. Другие важные элементы: ванадий V и молибден Mo.

В зависимости от влияния на полиморфизм легирующие элементы деля на три группы:

1) альфа-стабилизаторы — элементы (из металлов Al, Ga, Jn; и неметаллов C. N, O стабилизируют альфа-фазу, повышая температуру полиморфного превращения титана. Из стабилизаторов альфа-фазы Al является единственным элементом, который увеличивая прочность сплава, не снижает значительно его пластичность. Его значение ограничено пределом в 7–8 % в следствие образования хрупкой фазы. Другие стабилизаторы: O, N, C даже в небольших количествах резко повышают прочность и снижают пластичность. Титановые сплавы с альфа-структурой имеют высокую термическую стабильность, хорошую свариваемость, высокое сопротивление окислению, но чувствительны к водородному охрупчиванию и не поддаются упрочнению термической обработкой.

2) бета-стабилизаторы — элементы, понижающие температуру полиморфного превращения и увеличивающие область бета-модификации. Они разделяются на 3 подгруппы:

а) элементы, ограниченно растворяемые как в альфа, так и в бета-фазах. При превышении предела растворимости образуют с титаном интерметаллидные соединения. При охлаждении из бета-области твердый раствор бета распадается на альфа-твердый раствор и интерметаллид по эвтектоидной реакции. К ним относятся Cr, Mn, Fe, Ni, Co, Si, Cu.

б) элементы изоморфные бета-модификации титана образуют с ним ряд твердых растворов с ограниченным растворением в альфа-модификации. Это такие элементы, как Ta, Nb, V, Mo. При их достаточно высоких концентрациях бета-фаза сохранится до комнатных температур. Они называются изоморфными бета-стабилизаторами.

Элементы, стабилизирующие равновесную бета-фазу при комнатной температуре, но не образующие непрерывных бета-твердых растворов из-за отсутствия изоморфности в кристаллическом строении бета-фазы титана и легирующего элемента. Это элементы Re, Ru, Rh, Os, Ir, которые называются изоморфными квазибета-стабилизаторами.

в) нейтральные упрочнители — элементы, мало влияющие на температуру полиморфного превращения титана. К ним относятся элементы: Sn, Zr, Ge, Hf, Th.

На рис. 1 показана классификация легирующих элементов и их влияния на механические свойства характеристики титановых сплавов.

Рис. 1. Схема влияния легирующих элементов и примесей на температуру аллотропического превращения титана

Так, элементы Mn и Zr дают наибольшее увеличение прочностных характеристик с увеличением их процентного соотношения в титановом сплаве. Однако это приводит к резкому снижению пластичности материала. В этом отношении элементы: алюминий Al и ванадий V дают более сбалансированную структуру (альфа плюс бета) увеличивающую прочность и незначительно снижающую пластичность.

Промышленные титановые сплавы со структурой (альфа + бета), легированные бета-стабилизаторами, можно классифицировать по степени приближения сплава к сплавам критического состава на основании условного коэффициента бета-стабилизации сплава K _b . Классификация промышленных титановых сплавов представлена в таблице 1.

Таблица 1

№ п/п	Наименование титанового сплава
1.	— сплавы	0
2.	Псевдо — сплавы	<0,25
3.	сплавы мартенситного типа
4.	сплавы переходного типа
5.	Псевдо — сплавы
6.	— сплавы

Он показывает отношение бета-стабилизации сплава в двойном сплаве критического состава C _kp (наименее легированном сплаве, закаленном из бета-области на 100 % бета-структуры). Тогда К _б =С/С _кр , где С — концентрация бета-стабилизатора. Для сплавов докритического состава K _b <1, критического состава K _b =1, закритического K _b >1.

Механические свойства титанового сплава ВТ6 представлены в таблице 2.

Таблица 2

№ п/п	Наименование структуры	, МПа	, Мпа
1.	Глобулярная	92,8	82,7	16,5	38,2
2.	Пластинчатая

Материал, методика проведения исследований.

В качестве исследований трещиностойкости титановых сплавов были выбраны два титановых сплава: псевдо-альфа титановый сплав ПТ3В и (альфа + бета) титановый сплав ВТ6. Химический состав исследуемых титановых сплавов представлен в таблице 3.

Таблица 3

№ п/п		Al	V	Fe	Zr	Si	O	C	N	H
1.	ПТ-3В	3,5–5	1,2–2,5	<0,25	<0,3	<0,12	<0,15	<0,1	<0,04	<0,06
2.	ВТ6	5,3–6,8	3,5–5,3	0,3	0,3	0,1	0,2	0,1	0,05	0,015

Химический состав сплава ВТ6 определяется ГОСТ 19807–91.

Основные компоненты: Ti = (86,96–90 %), Al = (5,3–6,8 %), V = (3,5–5,3 %).

Температура полиморфного превращения T _nn = 980–1010 ℃.

Микроструктура сплава ВТ6 представлена на рис. 2, а типичные структуры титановых сплавов на рис. 3. В исходном состоянии ВТ6 имеет глобулярную (мелкозернистую) структуру. Для получения пластинчатой структуры была проведена термическая обработка: температура закалки 1000 градусов в течение 30 минут, закалка в воде, температура старения 500 градусов — 4 часа, охлаждение воздухом.

Рис. 2. Характерная микроструктура плит из титанового сплава ПТ-3В

Рис. 3. Типичные структуры титановых сплавов: a) пластинчатая (β -превращенная); б) смешанная (дуплексная); в) «корзиночного плетения»; г) равноосная (глобулярная)

Псевдо альфа-сплав ПТ3В — Ti (3,5÷5 %), Al — (1,5÷2,5 %), V — ( < 0,25) в исходном состоянии представляет -твердый раствор с небольшим количеством β-фазы (2–8 %), обладает достоинствами  и +β сплавов.

Псевдо--сплавы хорошо свариваются сваркой всех видов и не требуют термообработки для стабилизации структуры. Они не чувствительны к упрочняющей термической обработке. Наличие в структуре β-фазы дает сплаву удовлетворительную технологическую пластичность в горячем и холодном состоянии, близкую к +β сплавам.

Для термической стабильности псевдо -сплава содержание алюминия ограничивают (7–7,5 %). При комнатной температуре небольшое количество β-фазы в псевдо--сплавах оказывает положительное влияние на пластичность, благодаря пластичности β-фазы, имеющей кубическую решетку.

Изготовление листов из сплава ПТ3В для судостроения определяются техническими условиями ТУ 1–5-005–72. Для получения пластинчатой структуры был проведен полный отжиг при температуре 890℃ выдержка 30 минут, посадка в печь при 750℃, охлаждение с печью.

Литература:

1. Герасимова С. Изучение микроструктуры и свойств титановых сплавов //Методические указания по выполнению лабораторной работы по курсу «Специальные главы материаловедения», Калуга. — 2018 г.
2. Адаскин А. М., Материаловедение в машиностроении в 2 ч. Часть 1- 2-е изд., испр. и доп.- М.: Юрайт –2017 г.
3. Богодухов, С. И. Курс материаловедения в вопросах и ответах: Учебные пособия / С. И. Богодухов, А. В. Синюхин, Е. С. Козик. — Электрон. дан. — М.: Машиностроение, 2014 г.
4. Сапунов, С. В. Материаловедение: Учебные пособия — Электрон. дан. — СПб.: Лань, 2015 г.