Вопросы для самоконтроля:

1. Что такое коррозия? Назовите ее виды.

2. Какие коррозионно-стойкие стали подвергают закалке?

3. Какие стали называют жаростойкими? Назовите их виды.

4. Что такое жаропрочность?

5. Какие стали называют жаропрочными? Назовите их марки.

6. Назовите жаропрочные сплавы на никелевой и железоникелевой основе.

ТЕМА: Титан и его сплавы. Тугоплавкие металлы и их сплавы (2 часа)

Вопросы для изучения:

1. Физико-химические свойства титана.

2. Фазовые превращения в титановых сплавах.

3. Основные виды термической обработки титановых сплавов.

4. Деформируемые и литейные титановые сплавы.

Методические указания:

1. Изучите предлагаемые вопросы по литературным источникам и лекции;

2. Составьте краткий конспект;

3. Ответьте на вопросы для самоконтроля.

ЛЕКЦИЯ

Тема: Титан и его сплавы. Тугоплавкие металлы

Титан – металл серебристо-белого цвета, относится к группе тугоплавких металлов, его температура плавления равна 1668± 4°С.

Титан имеет две аллотропические (полиморфные) модификации α и ß.

Модификация α - низкотемпературная и существует при нагреве до

882,5 °С, имеет ГПУ решетку. При температуре 882,5 °С α- модификация переходит в ß – модификацию (высокотемпературную), имеющую объемно центрированную кубическую (ОЦК) решетку.

Основными достоинствами титана являются небольшая плотность

(4,5 г/ см³), большая коррозионная стойкость и высокая механическая прочность. Титан химически активен и легко реагирует с большим количеством элементов, он обладает высокой коррозионной стойкостью. На поверхности титана легко образуется защитная стойкая плотная окисная пленка, вследствие чего в большинстве коррозионных сред титан и его сплавы имеют более высокую стойкость, чем кислотостойкие стали и алюминий.

Технический титан изготовляют марок: ВТ1-00 (99,53% Ti) и ВТ1-0 (99,48% Ti). Вредными примесями для титана являются примеси внедрения – кислород, азот, углерод, водород и примеси замещения – железо и кремний. Эти примеси снижают пластичность и свариваемость титана, повышают его твердость и прочность и ухудшают сопротивление коррозии.

При температурах выше 500 ^о С титан и его сплавы легко окисляются и поглощают водород, который вызывает охрупчивание (водородная хрупкость). Технический титан хорошо обрабатывается давлением, сваривается (в среде аргона), но плохо обрабатывается резанием. Металлургической промышленностью он изготавливается в виде листов, труб, прутков, проволоки и других полуфабрикатов.

Фазовые превращения в титановых сплавах

На формирование структуры и свойств титановых сплавов решающее влияние оказывают фазовые превращения, связанные с полиморфизмом титана.

На рис. 1 представлены схемы диаграмм состояния «титан - легирующий элемент». Легирующие элементы по характеру влияния на полиморфные превращения титана разделяются на четыре группы.

α - Стабилизаторы (Al, O, N), которые повышают температуру полиморфного превращения α в β и расширяют область твердых растворов на основе

α - титана (рис.1, а).

Практическое значение для легирования титана имеет только алюминий. Он является основным легирующим элементом во всех промышленных титановых сплавах, уменьшает их плотность и склонность к водородной хрупкости, а также повышает прочность и модуль упругости.

Изоморфные β - стабилизаторы (Mo, V, Ni, Ta и др.), которые понижают температуру α → β превращения и расширяют область твердых растворов на основе β - титана (рис.1, б).

Эвтектоидообразующие β - стабилизаторы (Cr, Mn, Cu и др.) могут образовывать с титаном интерметаллические соединения типа TiХ (рис. 17.1, в). Большинство β - стабилизаторов повышает прочность, жаропрочность и термическую стабильность титановых сплавов, несколько снижая их пластичность (рис. 2.).

Нейтральные элементы (Zr, Sn) не оказывают существенного влияния на температуру полиморфного превращения и не меняют фазового состава титановых сплавов (рис. 1, г).

В соответствии с влиянием легирующих элементов на аллотропические превращения титановые сплавы классифицируются по структуре следующим образом:

1) α-титановые сплавы, структура которых состоит из α - фазы (например, сплав ВТ5-1);

2) α+ ß – титановые сплавы, в структуре которых присутствуют обе фазы (ВТЗ-1, ВТ6);

3) ß – титановые сплавы, структура которых состоит из стабильной ß - фазы (ВТ15).

Двухфазные (α+ß)-сплавы и ß - сплавы в отличие от α- сплавов упрочняются термической обработкой.

Полиморфное β → α превращение может происходить двумя путями. При медленном охлаждении и высокой подвижности атомов оно происходит по диффузионному механизму, а при большом переохлаждении и быстром охлаждении – по бездиффузионному мартенситному механизму. При медленном охлаждении образуется структура α - твердого раствора, а при быстром – игольчатая мартенситная структура.

Для титановых сплавов применяют следующие виды термообработки: отжиг, закалка и старение, а также химико-термическая обработка (азотирование, силицирование, оксидирование и др.).

Отжиг проводится для всех титановых сплавов с целью завершения формирования структуры, выравнивания структурной неоднородности, а также механических свойств. Применяют обычный отжиг, (двойной или изотермический), неполный (для снятия внутренних напряжений).

Закалка и старение (упрочняющая термообработка) применима к титановым сплавам со (α + β ) - структурой. При закалке сплавов протекает мартенситное превращение с получением α^/ - фазы, которая представляет собой пересыщенный твердый раствор замещения легирующих элементов в α- титане с гексагональной решеткой. Закалка титановых сплавов на мартенсит приводит к небольшому упрочнению.

В процессе старения закаленных сплавов происходит фазовая перекристаллизация (измельчение зерна), что положительно сказывается на пластичности титановых сплавов.

Химико-термическая обработка проводится для повышения твердости и износостойкости, усталостной прочности, а также улучшения коррозионной стойкости, жаростойкости и жаропрочности.

ПРОМЫШЛЕННЫЕ ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ

Титановые сплавы по сравнению с техническим титаном имеют более высокую прочность, в том числе и при высоких температурах, сохраняя при этом достаточно высокую пластичность и коррозионную стойкость.

Система маркировки титановых сплавов отражает наименование организации разработчика и порядковый номер разработки сплава (например, ВТ означает «ВИАМ титан», затем следует порядковый номер сплава). Марка ОТ означает «Опытный титан». Марка ПТ означает «Прометей титан».

Иногда в марку сплава добавляют буквы «У» - улучшенный, «М» - модифицированный, «И» - специального назначения, «Л» - литейный сплав.

По технологии изготовления титановые сплавы подразделяются на деформируемые и литейные;

по уровню механических свойств — на сплавы невысокой прочности и повышенной пластичности, средней прочности, высокопрочные;

по условиям применения — на сплавы хладостойкие, жаропрочные, коррозионностойкие.

По способности упрочняться термообработкой они делятся на упрочняемые и неупрочняемые термической обработкой.

По структуре в отожженном состоянии — на α - , (α + β) - , и β – сплавы.

Деформируемые титановые сплавы

К титановым сплавам невысокой прочности и повышенной пластичности относятся сплавы с пределом прочности σ_в < 700 МПа, а именно: α - сплавы марок ВТ1- 00, ВТ1- 0 и сплавы ОТ4-0, ОТ4-1 (система Ti—Al—Mn), АТ3 (система Ti—Al c небольшими добавками Cr, Fe, Si, B). Характеристики прочности этих сплавов выше, чем чистого титана.

Эти сплавы отличаются высокой пластичностью, как в горячем, так и в холодном состоянии. Из них получают все виды полуфабрикатов: фольгу, ленту, листы, плиты, поковки, штамповки, профили, трубы и т. п.

Эти сплавы подвергаются отжигу. Для снятия внутренних напряжений применяется неполный отжиг.

Эти сплавы широко применяются как конструкционные материалы для изготовления практически всех видов полуфабрикатов, деталей и конструкций, включая сварные. Наиболее эффективно их применение в авиационно-космической технике, в химическом машиностроении, в криогенной технике, а также в узлах и конструкциях, работающих при температурах до 300-350°С.

К титановым сплавам средней прочности относятся сплавы с пределом прочности σ_в = 750 – 1000 МПа, а именно: α - сплавы марок ВТ5 и ВТ5-1 ОТ4, ВТ20; (α + β)-сплавы марок ПТ3В, а также ВТ6, ВТ14 в отожженном состоянии.

Сплавы ВТ5, ВТ5-1, ОТ4, ВТ20, ПТ3В упрочняющей термообработке не подвергаются и используются в отожженном состоянии. Сплавы ВТ6 и ВТ14 используют как в отожженном, так и в термически упрочненном состоянии.

Рассматриваемые сплавы, наряду с повышенной прочностью, сохраняют удовлетворительную пластичность в холодном состоянии и хорошую пластичность в горячем состоянии, что позволяет получать из них все виды полуфабрикатов: листы, ленту, профили, поковки, штамповки, трубы и др. Обрабатываемость резанием этих сплавов хорошая.

К высокопрочным титановым сплавам относятся сплавы с пределом прочности σ_в > 1000 МПа, а именно (α + β )-сплавы марок ВТ6, ВТ14, ВТ3-1, ВТ22. Высокая прочность в этих сплавах достигается упрочняющей термообработкой (закалка + старение). Исключение составляет высоколегированный сплав ВТ22, который даже в отожженном состоянии имеет σ_в > 1000 МПа.

Указанные сплавы наряду с высокой прочностью сохраняют хорошую (ВТ6) и удовлетворительную (ВТ14, ВТ3-1, ВТ22) технологическую пластичность в горячем состоянии, что позволяет получать из них различные полуфабрикаты: листы, прутки, плиты, поковки, штамповки, профили и др. Обрабатываемость резанием удовлетворительная. Обработку резанием сплавов можно проводить как в отожженном, так и в термически упрочненном состоянии.

Сплавы (ВТ3-1, ВТ6, ВТ6С, ВТ14, ВТ22) подвергаются термической обработке закалке и старению. Охлаждение при закалке производится в воде, а после старения — на воздухе.

Полная прокаливаемость обеспечивается для деталей из сплавов ВТ6, ВТ6С с максимальным сечением до 40–45мм, а из сплавов ВТ3-1, ВТ14, ВТ22 — до 60мм.

Нагрев при термической обработке рекомендуется производить в электрических печах с автоматической регулировкой и регистрацией температуры. Для предупреждения образования окалины нагрев готовых деталей и листов необходимо проводить в печах с защитной атмосферой.

При нагреве под закалку тонких листовых деталей для выравнивания температуры и уменьшения коробления на под печи укладывается стальная плита толщиной 30–40 мм. Для закалки деталей сложной конфигурации и тонкостенных деталей применяются фиксирующие приспособления для предупреждения коробления и поводки.

Высокопрочные титановые сплавы применяются для изготовления деталей и узлов ответственного назначения: сварные конструкции (ВТ6, ВТ14), турбины (ВТ3-1), штампосварные узлы (ВТ14), высоконагруженные детали и штампованные конструкции (ВТ22). Эти сплавы могут длительно работать при температурах до 400 °С и кратковременно до 750 ° С.

Особенность высокопрочных титановых сплавов — повышенная чувствительность к концентраторам напряжений.