3.6 Загальна характеристика титанових сплавів

3.6.1 Деформівні сплави

1. Технічний титан (марки: ВТ1-00, ВТ1-0, ВТ1-2) в залежності від вмісту домішок ділять на 2–4 сорти . Допустимий вміст C, N, Si у всіх марках технічно чистого титану майже однаковий, але вміст Fe та O суттєво зростає із зниженням чистоти титану. Хімічний склад технічного чистого титану наведено в додатку 3.

В титані високої чистоти (йодідний титан) -фаза при кімнатній температурі не фіксується. Тому його структура представлена -фазою з чітко окреслиними (у випадку повільного охолодження) або зубчатими межами зерен при різкому охолодженні [11].

Наявність домішок в титані, навіть в невеликій кількості, призводить до того, що при поліморфному  перетворенні при повільному охолодженні утворюється -Ті, який має форму пластин, по межах котрих в вигляді дрібних частинок розташована -фаза (рис. 3.23, а), яка має інший хімічний склад, ніж матриця. Кількість цієї фази зростає при збільшенні вмісту домішок та в титані технічної чистоти (сплав ВТ1-00) становить 1%. Після деформування та відпалу при температурі -області структура титану представлена поліедричними зернами (рис.3.23, б).

2. - та псевдо--сплави (марки: ВТ5, ВТ5-1, ПТ7-М, ОТ4-0, ОТ4-1, ОТ4, ОТ4-1В, ПТ-3В, АТ3, АТ6, ВТ20, ВТ18У) [10]. -сплави легують Al та нейтральними елементами (Sn, Zr). Хімічний склад наведено в додатку 3. Порівняно з технічно чистим титаном -сплави мають підвищену міцність і жароміцність, більш термічно стабільні, мало схильні до холодноламкості, добре зварюються.

В -сплавах, котрі згідно діаграмам рівноваги відносяться до однофазних, практично завжди присутня -фаза, яка уявляє собою концентраційну неоднорідність, як і в технічному титані. Кількість цієї фази збільшується з підвищенням вмісту легувального елементу та складає 1…2%. Ця фаза розташовується або у вигляді тонких прошарків, або у вигляді окремих зкоагульованих частинок по межах -зерен (рис.3.24).

а – після повільного охолодження з -області;

б – після деформації та відпалу з -області

Рисунок 3.23 – Мікроструктура сплаву ВТ1-0, 200 [11]

Рисунок 3.24 – Мікроструктура сплаву ВТ5 з пластинчатою (а)

та поліедричною (б) -фазою, 200 [11]

-сплави термічною обробкою не зміцнюються. Основна термічна обробка: рекристалізаційний відпал для зняття нагартовки та відпал для зняття залишкових напружень.

Псевдо--сплави (ОТ4-1, ОТ4, ВТ20) ділять на дві групи: високотехнологічні нормальної міцності; високожароміцні супер -сплави (ВТ20).

В сплавах першої групи невелика кількість Al та елементів -стабілізаторів (V, Mn, Mo), тому в структурі до 5% -фази, що надає сплавам більш високу технологічну пластичність. При обробці тиском мають таку ж технологічну пластичність, що і технічно чистий титан. Добре зварюються. Термічною обробкою не зміцнюються. Використовуються у відпаленому стані. Недоліки цих сплавів: невисока міцність та схильність до водневої крихкості. Водень прсутній у вигляді гіжридів, які зменшують пластичність і в’язкість [10].

На міцність сплаву ВТ20 окрім Al впливають Si та Zr. Цирконій підвищує температуру рекристалізації, утворення тонкодисперсних силіцідів підвищує міцність. Вироби з цього сплаву, порівняно із іншими титановими сплавами, можуть тривало експлуатуватися при температурах до 500°С.

Основа жароміцних титанових сплавів другої групи – -фаза, оскільки дифузійні процеси в ГЩП гратці відбуваються повільніше, ніж в ОЦК гратці -фази.

Принципи легування жароміцних псевдо--сплавів [10]:

– основа жароміцних титанових сплавів жароміцний багатокомпонентнийі -твердий розчин легований -стабілізаторами та нейтральними компонентами (Zr, Sn);

– для забезпечення достатньої термічної стабільності вміст -стабілізаторів та нейтральних елементів повинен відповідати співвідношенню Al^стр_екв  9%;

– тугоплавкі ізоморфні -стабілізатори (Mo і V) в невеликій кількості для підвищення сил міжатомного зв’язку при робочих температурах;

– легування кремнієм для блокування дислокації та перешкоджають їх переповзанню і поперечному ковзанню;

– склад жароміцного матричного -твердого розчину повинен забезпечувати мінімальну дифузійна рухомість атомів і не призводити до коагуляції інтерметалідних фаз.

Основні легувальні елементи в жароміцних псевдо--сплавах: алюміній, олово, цирконій, кремній, молібден, ванадій.

3. ( + )-сплави (марки: ВТ6, ВТ9, ВТ8, ВТ14, ВТ25У, ВТ3-1, ВТ23, ВТ16). Хімічний склад наведено в додатку 3. Кількість -фази від 5 до 60% [10]. Мають широкий діапазон механічних властивостей. Сплави цієї групи термічно зміцнюються при гартуванні та старінні, що дозволяє отримати високоміцний стан, але при цьому знижуються характеристики пластичності. Чим більше Мо_екв, тим вищі характеристики міцності та більша здатність до термічного зміцнення. Найбільша міцність у сплавів з Мо_екв  11%. Сплави цієї групи мають високі значення міцності при температурах наближених до кімнатних, але з підвищенням температури міцність інтенсивно знижується порівняно із псевдо--сплавами. Тому сплави ( + ) менш жароміцні.

Механічні властивості ( + )-сплавів чутливі до типу та параметрів мікроструктури. Так високі значення пластичності та опору циклічним навантаженням забезпечує рівновісна дрібнозерниста структура. Високу в’язкість руйнування та підвищений опір розвитку тріщини забезпечує пластинчата структура. Оптимальні поєднання механічних властивостей забезпечує дуплексна структура. Різноманітність структур ( + )-сплавів обумовлена наступними факторами:

– наявністю двох фаз ( та ) та значним інтервалом зміни їх кількісного співвідношення;

– можливістю утворення метастабільних фаз, які є продуктами незавершеного  перетворення;

– широкий діапазон зміни розміру (від долі мікрона до декілька тисяч мікронів) та форми структурних складових і можливістю отримання різних співвідношень їх форми та розмірів.

У відповідності з формою -фази структура ( + )-сплавів може бути двох типів: пластинчастою або глобулярною (рис.3.25) [11].

Пластинчата структура характеризується, як правило, наявністю порівняно крупних початкових -зерен, оторочених по межах -фазою. Внутрішній об’єм -зерен поділений -пластинами, зібраними в пачки (-колонії). В межах однієї колонії -пластини майже паралельні та мають однакову кристалографічну орієнтацію. -пластини поділені прошарками -фази. Гратки - і -фаз в пластинчатій структурі пов’язані орієнтаційним співвідношенням: 110_0001; _  . Це співвідношення обумовлює можливість існування 12 незалежних орієнтувань -фази в одному зерні -фази.

Рисунок 3.25 – Мікроструктура сплаву ВТ3-1 пластинчатого (а)

та глобулярного (б) типу, 200 [11]

Сплави  +  використовуються як у відпаленому так і термічно зміцненому станах.

На структуру ( + )-сплавів після термічної обробки впливає початковий стан (сплави недеформовані, сплави деформовані в -області, сплави деформовані в  + -області) та режими термічної обробки (рис.3.26, 3.27).

Принципи легування ( + )-сплавів [10]:

– до складу цих сплавів повинні входити перехідні -стабілізатори в кількості, яка відповідає еквіваленту Мо_екв (коефіцієнту К_), який може забезпечити відповідний вміст -фази та здатність до термічного зміцнення;

– ( + )-сплави доцільніше легувати ізоморфними -стабілізаторами. Оскільки, по-перше, ізоморфні -стабілізатори забезпечують більш високу пластичність та технологічність при однаковій міцності з -евтектоїдоутворювачами, по-друге, в -евтектоїдних системах при порівняно невисоких температурах відбувається евтектоїдний розпад -фази з утворенням інтерметалідів і окрихчення сплавів. Тому такі сплави принципово не можуть бути жароміцними. Але треба мати на увазі, що -евтектоїдні стабілізатори забезпечують перш за все твердорозчинне зміцнення. Тому ( + )-сплави, які переважно леговані евтектоїдними -стабілізаторами, мають значно вищі характеристики міцності у відпаленому стані, ніж сплави з ізоморфними -стабілізаторами;

– оскільки розчинність -стабілізаторів в -фазі незначна, то ефект від твердорозчинного зміцнення невеликий. Тому ( + )-сплави легують алюмінієм та нейтральними елементами, які добре розчиняються в -фазі і підвищують характеристики міцності;

– вміст алюмінію в ( + )-сплавах не повинен бути занадто високий, щоб запобігти утворенню ₂-фази (Ti₃Al) та зниженню пластичності і технологічності;

– необхідно враховувати вартість легувальних елементів та їх вплив на густину.

Двофазні сплави задовільно оброблюються різанням. Після зварювання необхідно проводити відпал для підвищення пластичності зварного з’єднання. Сплави менш схильні до водневої крихкості порівняно з - та псевдо--сплавами. Це пов’язано з відсутністю гідридів в структурі внаслідок більшої розчинністю водню в -фазі.

4. Псевдо--сплави (марки: ВТ30, ВТ22, ВТ35, ВТ19, ВТ32, ВТ15) [10]. Хімічний склад наведено в додатку 3. Відносяться до високолегованих сплавів (сумарний вміст легувальних елементів до 25% та більше). Принципи легування псевдо--титанових сплавів:

– сумарний вміст -стабілізаторів, який оцінюється за допомогою молібденового еквіваленту, повинен перевищувати С_кр (11%Мо);

– сумарний вміст -стабілізаторів не повинен бути занадто високий, оскільки з підвищенням Мо_екв (К_) знижується ефект від старіння через зниження кількості -фази;

– для забезпечення максимальної міцності в термічнозміцненому стані вміст -стабілізаторів необхідно підтримувати в межах Мо_екв = 12…18%;

а – 1150°С, вода; б – 1150°С, повітря; в – 1150°С, піч; г – 1150°С, вода + 950°С,

1 год, повітря; д – 1150°С, повітря + 920°С, 1 год, піч; е – 1150°С, повітря +

+ 950°С, 1 год, піч; ж – 1150°С, піч + 960°С, 10 год, піч; з – 1150°С, піч +

+ 920°С, 50 год, піч

Рисунок 3.26 – Структура пластинчастого типу сплаву ВТ3-1

в залежності від режиму термічної обробки, 200 [11]

340 а	340 б
340 в	450 г
340 д	340 є

а – подвійний відпал, 920°С, 590°С; б – ізотермічний відпал, 870°С, 650°С;

в – гартування, 850°С; г – гартування, 950°С; д – гартування, 1000°С;

є – гартування, 850°С + старіння, 400°С

Рисунок 3.27 – Мікроструктура сплаву ВТ3-1

після різних режимів термічної обробки

(при друкуванні зменшено в 2 рази)

– легування алюмінієм, оловом та цирконієм для зміцнення -фази та збільшення ефекту від старіння;

– легування Al, Sn, Zr та -стабілізаторами в концентрації більше С_кр забезпечує найкращу пластичність та малу міцність в загартованому стані завдяки запобіганню утворення -фази при гартуванні;

–- легування -стабілізаторами які як підвищують так і знижують лінії ліквідус та солідус для зменшення дендритної ліквації всередині зерна, яка характерна для псевдо--сплавів;

– легувальні елементи, по можливості, повинні мати відносно невисоку густину та малу вартість.

Переваги псевдо--сплавів. Висока технологічність в загартованому стані, що дозволяє проводити деякі операції пластичної деформації при кімнатних температурах. Суттєвий ефект від термічного зміцнення обумовлений високою ступеню пересиченості легувальними елементами -твердого розчину (сумарна кількість легувальних елементів досягає 20%). При розпаді пересиченого -твердого розчину міцність підвищується в 1,5…1,7 разів. Крім того, сплави мають більшу прогартовуваність, високу в’язкість руйнування при значних характеристиках міцності, високій опір втомі, мало схильні до водневої крихкості.

Для псевдо--сплавів характерні понижені значення модуля пружності і в них спостерігається явище псевдопружності.

Недоліки псевдо--сплавів: невисока термічна стабільність (експлуатуються до 350°С); знижена пластичність зварних з’єднань; більший розкид механічних властивостей, який пояснюється хімічною неоднорідністю; сильно виражений негативний вплив домішок втілення на пластичність; доволі висока густина та вартість [10].

5. Термодинамічно стійкі -сплави можуть бути отримані тільки при легуванні елементами, які мають ОЦК гратку: W, Mo, V, Nb, Ta [10]. При цьому вміст цих елементів повинен бути доволі високий. Але вони дорогі і дефіцитні та мають підвищену густину. З цих причин -сплави промислового використання не знайшли [10].