7.1. Сплавы титана и их свариваемость

Титан имеет 2 аллотропической модификации:

• Высокотемпературные – –титан (ОЦК);

• Низкотемпературные – –титан (ГПУ).

Температура полиморфного превращения титана Т_{ПОЛИМ. ПРЕВР.} = 882,5 ⁰С.

Плотность –титана = 4,506 – 4,56 г/см³.

Плотность –титана = 4,471 г/см³.

В ходе сварки полиморфное превращение  (в отличие от стали) сопровождается уменьшением объема (~0,13%) и не даёт достаточно сильного внутрифазного наклёпа.

а) б) в)

Р ис. 29. Схема влияния легирующих элементов на температуру полиморфного превращения титана.

Легирующие элементы по влиянию на полиморфное превращение титана (температуру превращения, растворимость, стабилизацию той или иной фазы) могут быть разделены на следующие группы:

1.  – стабилизаторы;

2.  – стабилизаторы;

3. нейтральные упрочнители (мало влияют на температуру полиморфного превращения).

Альфа – стабилизаторы повышают температуру → превращения (рис. 29.а.). Они значительно растворяются в альфа фазе и незначительно в бета фазе. Алюминий стабилизирующий альфу фазу является основным легирующим элементом для титана, как углерод для железа, благодаря своей дешевизне, малой плотности и эффективности альфа и бета фаз упрочнение. Алюминий повышает жаропрочность титановых сплавов. Однако, если содержание алюминия больше либо равно 7,5% (это предел его растворимости в титане) алюминий вступает в химическую реакцию с образованием интерметаллида Ti₃AL, соединение становится очень хрупким.

Бета – стабилизаторы делится на две основные группы:

1. Изоморфные (неограниченно растворяющиеся в бета фазе) V, Nb, Ta, Mo, W (рис. 29.б.);

2. Эвтектоидообразующие обладающие большей, но ограниченной растворимостью в бета фазе, чем в альфа фазе (рис. 29.в.) Mn; Fe; Cr; Co; Ni; Cu; Si; (Au, Ag). Эти элементы повышают температуру эвтектоидного превращения и жаропрочности.

По интенсивности стабилизаторы  – фазы можно распределить в следующем порядке: Fe, Mn, Cr, Mo, V, Nb, Ta. Если их соединение в сплаве больше некоторой критической, то бета фаза может быть зафиксирована даже при комнатной температуре.

В зависимости от содержания альфа стабилизаторов (А), бета–изоморфных (В_И) и эвтектоидных (В_Э) стабилизаторов и нейтральных упрочнителей (N).

Все типы титановых сплавов сводятся к следующим:

Ti–A; Ti–A–N; Ti–A–Bэ; Ti–A–Bn; Ti–A–Bэ–Bn; Ti–A–Bэ–N; Ti–A–Bэ–Bn–N.

В зависимости от структуры титановых сплавов подразделяются на следующие классы:

1.  – сплавы

структура чисто  – фаза

ВТ–1–0; ВТ–5 (5% Al); ВТ–5–1 (5% Al, 2,5% Sn).

2.  +  – сплавы

структура и альфа, и бета фазы

ВТ6 (6% Al; 4,5% V), ВТ14 (4,5% Al; 3% Mo; 1% V), ВТ16 (2,5% Al; 5% Mo; 5% V) _В=120–130 кГс/мм², ВТ22 (5% Al; 5% Mo; 5% V; 1% Fe; 1% Cr) _В = 155 кГс/мм²,  = 8%.

3.  – сплавы

структура представлена механическим стабилизатором бета фазой

4201 (33% Mo).

4. Псевдо  – сплавы

структура состоит из  – фазы и  – фазы которая  5%.

Это переходный класс:

ОТ 4–0 (0,8% Al, 0,8% Mn); OТ 4 (3,5% Al, 1,5% Mn); BT4 (5% Al, 1,5% Mn); BT20 (6% Al, 2% Zr, 1% Mo, 1% V) _В = 105 кГс/мм²,  = 8%; AT2 (2% Zr, 1% Mo); TC5 (5% Al, 2% Zr, 3% Sn, 2% V).

5. Псевдо  – сплавы

структура метастабильная  – фаза плюс небольшое добавление  – фазы  5%.

ВТ15 (3% Al, 7% Mo, 1% Cr); ТС6 (3% Al, 5% Mn, 6% V, 11% Cr).

Альфа сплавы могут быть термически неупрочненными и упрочненными, по причине дисперсного твердения.

Альфа и бета сплавы могут быть твердеющими или мягкими после закалки.

По гарантированной прочности титановые сплавы подразделяют:

1. малопрочные высокопластичные _В > 70 кГс/мм ²;

2. среднепрочные _В = 75–100 кГс/мм ²;

3. в ысокопрочные _В > 100 кГс/мм ².

а) б) в)

Рис. 30. Влияние длительности пребывания сплавов титана в околошовной зоне

1. Чисто  – фаза с малым количеством  – фаз

Псевдо  – сплавы,  – сплавы с малым содержанием  – фазы. При сварке возникает метастабильный промежуток низкотемпературная модификация титана (кристаллические решетки аналогичные  – фазе, но с другими параметрами). Она наиболее сильно охрупчивает, снижает пластичность, упрочняет металл шва.

ВТ5; ОТ4; АТ

2.  +  фазы при малом и среднем количестве  – фазы.

Основным критерием выбора технологии сварки, исходя из оптимальных механических свойств, является оптимальный интервал скоростей охлаждения, в котором степень снижения уровня пластичности свойств околошовной зоны оказывается наименьшей.