Титан и его сплавы

Титан существует в двух аллотропических модификациях. Ниже 882 ^ºС существует α-титан, обладающий ГПУ кристаллической решеткой. При более высоких температурах вплоть до температуры плавления (1665 ^ºС) Ti существует в модификации β с ОЦК решеткой. Титан может быть отнесен как к тугоплавким металлам (температура плавления выше, чем у Fe), так и к легким (плотность Ti ~ 4500 кг/м³). По химической стойкости он не уступает коррозионно-стойким (нержавеющим) сталям, а в ряде случаев превосходит их.

Титановые сплавы наиболее широко применяют в авиации и ракетной технике для изготовления деталей, работающих при температурах 250…550 ^ºС, когда легкие алюминиевые сплавы уже не могут работать, а стали и никелевые сплавы уступают им по удельной прочности.

Для повышения прочности титановые сплавы легируют марганцем, железом, алюминием, молибденом, хромом, ванадием, оловом и другими элементами. Элементы, расширяющие область существования α-Ti и повышающие температуру α → β перехода, называют α-стабилизаторами. Важнейшим элементом этой группы является Al. Элементы, расширяющие область существования β-модификации титана и снижающие температуру полиморфного превращения, называют β-стабилизаторами. Важнейшими из них являются Mo, V, Cr, Mn, Fe, Ni и др. Способность β-фазы к переохлаждению лежит в основе термической обработки титановых сплавов. Элементы, практически не влияющие на температуру полиморфного превращения, называют нейтральными. Наибольшее практическое значение из них имеют Sn и Zr.

По структуре в отожженном состоянии титановые сплавы подразделяют на пять групп: α-сплавы (ВТ1-0, ВТ5 и др.); псевдо α-сплавы (ОТ4, ВТ4, ВТ18 и др.); α+β-сплавы (ВТ6, ВТ3-1, ВТ22 и др.); псевдо β-сплавы (ВТ15, ТС6 и др.); β-сплавы (4201и др.).

Альфа-сплавы характеризуются однофазной структурой. Они не упрочняются термической обработкой. Повышение их прочности достигается холодной пластической деформацией.

Псевдо α-сплавы могут закаливаться с образованием титанового мартенсита, представляющего собой твердый раствор легирующих элементов в α-титане. Мартенсит в псевдо α-сплавах имеет слабую степень пересыщения. Упрочнение сплава при этом незначительно.

Упрочняющая термическая обработка для α+β-сплавов состоит из закалки и старения. Закалка зеключается в нагреве до температур, несколько ниже полного превращения α+β → β (в β-состоянии происходит интенсивный рост зерна), выдержке и последующем быстром охлаждении. В зависимости от содержания β-стабилизаторов в закаленном сплаве возможно образование мартенситгых фаз α^′ и α^˝, а также метастабильной фазы β^′. При высоком содержании β-стабилизаторов и при малых и средних скоростях охлаждения может образоваться фаза ω, сильно охрупчивающая сплав. Появление этой фазы стремятся не допускать. При искусственном старении происходит распад закалочных структур (α^′ , α^˝, β^′ ). Конечные продукты ─ дисперсные α и β-фазы, близкие к равновесному состоянию, образование которых вызывает дисперсионное упрочнение (твердение) сплава.

При закалке псевдо β-сплавов фиксируется метастабильная β^′-фаза. При старении из β^′ выделяется тонкодисперсная α-фаза, повышающая прочность и твердость сплава.

Бета-сплавы при всех температурах имеют структуру β-фазы. Термической обработкой не упрочняются.

Магний и его сплавы

В ряду технических легких металлов (Al, Be, Mg, Ti) наиболее легким является магний. Его плотность ─ около 1740 кг/м³, температура плавления 651^ºС. Он обладает ГПУ кристаллической решеткой. Mg ─ активный металл, энергично взаимодействующий с кислородом воздуха. Тонкая пленка оксида MgO при температуре ниже 450 ^ºС предохраняет поверхность от дальнейшего оксидирования, однако, при более высоких температурах защитные свойства оксида нарушаются, и при 623 ^ºС магний сгорает ослепительно белым пламенем. Магний обладает весьма низким, особенно в литом состоянии, комплексом механических свойств (σ_в=100…120 МПа; σ_0,2=20…30 МПа; δ=6…8 %; НВ=300 МПа; Е=45 ГПа). Прочностные свойства в значительной мере зависят от зернистости и дефектности литой структуры. Низкая пластичность Mg объясняется тем, что в металлах с гексагональной кристаллической решеткой при температуре, близкой к комнатной, скольжение происходит только по базисным плоскостям и лишь при нагреве появляются дополнительные плоскости скольжения и двойникования.

Для упрочнения магниевых сплавов широко используется эффект дисперсионного твердения с выделением дисперсных фаз типа Mg₄Al₃, MgZn₂ и др., протекающего при искусственном старении закаленных сплавов. Диффузионные процессы в магниевых сплавах протекают чрезвычайно медленно, поэтому операции термообработки имеют большую продолжительность (время выдержки при температуре закалки доходит до 24 ч.). Охлаждение при закалке ведут в горячей воде или на воздухе.

Основные виды термической обработки имеют определенные условные обозначения. Отжиг обозначают Т2, закалку ─ Т4, закалку и старение для получения максимальной твердости ─ Т6, закалку и стабилизирующий отпуск ─ Т7 и т.д. Например, МА11Т4 означает деформируемый магниевый сплав МА11, подвергнутый закалке.

По технологии изготовления магниевые сплавы подразделяют на литейные и деформируемые (литейные маркируют буквами МЛ, деформируемые ─ МА). По применению сплавы классифицируют на конструкционные (большинство сплавов) и сплавы со специальными свойствами (например, МА17 применяют для изготовления звукопроводов ультразвуковых линий задержки). По плотности сплавы подразделяют на легкие и сверхлегкие. К легким относятся сплавы, легированные литием (МА18, МА21), остальные ─ легкие. Сплавы, легированные значительным количеством иттрия (ИМВ5, ИМВ7) отличает высокая прочность и пластичность при температурах выше 250^ºС.