2. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства титановых сплавов

Легирующие элементы по характеру влияния на полиморфные пре­вращения титана подразделяют на три группы: а-стабилизаторы, /3-

стабилизаторы и нейтральные элементы. Расширяя область твердых рас­творов на основе Т1_а (рис. 14.5, а), а-стабилизаторы (А1, О, И) повыша­ют температуру полиморфного а^/3-превращения. Практическое значе­ние для легирования титана имеет только алюминий, так как кислород и азот сильно охрупчивают титановые сплавы.

Алюминий — широко распространенный, доступный и дешевый ме­талл. Введение его в титановые сплавы уменьшает их плотность и склон­ность к водородной хрупкости, повышает модуль упругости и временное сопротивление при 20 - 25 °С (рис. 14.6) и повышенных температурах.

В левой части диаграммы состояния Т1 - А1 (рис. 14.7) образуются два твердых раствора: а-твердый раствор А1 в ^гП_а, концентрация которого изменяется от 7,5 % при 20 °С до 11,6 % при перитектоидной температуре, и /3-твердый раствор А1 в с предельной растворимостью около 30 %.

При содержании алюминия более 7,5 % в структуре сплавов наряду с а-твердым раствором появляется аг-фаза Т13А1; она имеет гексагональ­ную решетку с упорядоченным расположением атомов и сильно охрупчи- вает сплавы.

Рис. 14.5. Диаграммы состояния титан — легирующий элемент (схемы):

а - Тл - а-стабилизаторы; б - Т1 - изоморфные /3-стабилизаторы; е - Т1 - эвтектои- дообразующие /3-стабилизаторы; г - Т1 - нейтральные элементы

Д

МПа

Рис. 14.6. Влияние легирующих элемен- Рис. 14.7. Диаграмма состоя- тов на механические свойства титана ния системы Т1 — А1

обавка к сплавам системы Т1 - А1 таких /3-стабилизаторов, как V, Мо, N6, Мп, уменьшает склонность к образованию упорядоченной струк­туры (сверхструктуры). В этом случае аг-фаза образуется при большем содержании алюминия. Кроме того, в структуре появляется /3-фаза, ко­торая заметно улучшает технологическую пластичность сплавов.

Поскольку а-стабилизаторы значительно повышают температуру по­лиморфного а~/3- превращения, в силавах с устойчивой а-структурой оно происходит при высоких температурах, когда реализуется нормальный механизм полиморфного превращения. Переохладить /3-фазу до низких температур, при которых возможно мартенситное превращение, в этих сплавах не удается даже при очень больших скоростях охлаждения, по­этому сплавы с устойчивой а-структурой нельзя упрочнять стандартной термической обработкой.

Снижая температуру полиморфного превращения титана, /3-стабили­заторы расширяют область твердых растворов на основе Т^. Они обра­зуют с титаном диаграммы состояния двух типов. Некоторые из изо­морфных /3-стабилизаторов, имеющих, как и Т1 р, ОЦК решетку (Мо, V, Та, N6) неограниченно растворяются в Т1^. Схема диаграммы состояния данного типа изображена на рис. 14.5, б.

Другие /?-стабилизаторы, например, Н, Сг, Мп, Ге, №, \У, Си, обра­зуют с титаном диаграммы состояния с эвтектоидным распадом /3-фазы, в результате которого появляется смесь а + 7-фаз (рис. 14.5, в), а также промежуточная 7-фаза переменного или постоянного состава, образован­ная титаном и легирующим элементом, например фаза Лавеса ТЮгг ^в системе Т1 - Сг. Эвтектоидный распад вызывает резкое повышение хруп­кости титановых сплавов. В некоторых системах (Т1 - Си, Т1 - А§ и т.д.) превращение происходит очень быстро, и переохладить /3-фазу до 20 — 25 °С нельзя даже при высоких скоростях охлаждения. В других си­стемах (Т1 - Мп, Т1 - Сг, Т1 - Ре) эвтектоидное превращение возможно только в условиях охлаждения, близких к равновесным. В них эвтекто- идного распада практически не наблюдается, а а^/3-превращение идет так же, как в сплавах, диаграмма состояния которых представлена на рис. 14.5, б. В этих сплавах /3-фаза легко переохлаждается. В зависимо­сти от степени легированности /3-фаза или превращается при низких тем­пературах по мартенситному механизму, или фиксируется при 20 — 25 °С без превращения.

Способность /3-фазы к переохлаждению лежит в основе упрочняющей термической обработки титановых сплавов. Согласно приведенным диа­граммам состояния титановые сплавы, легированные /3-стабилизаторами, могут иметь однофазную структуру а-твердого раствора, при малой кон­центрации легирующих элементов, двухфазную (о+/3)-структуру при уве­личении их содержания и однофазную структуру (3-твердого раствора при высоком содержании /3-стабилизаторов (V, Мо, Та, N6).

Как правило, легирующие элементы, являющиеся /3-стабилизатора- ми, повышают прочность, жаропрочность и термическую стабильность титановых сплавов, несколько снижая их пластичность (см. рис. 14.6). Кроме того, они способствуют упрочнению сплавов с помощью термиче­ской обработки. Наиболее благоприятное влияние на свойства титановых сплавов оказывают Мо, V, Сг, Мп.

Нейтральные элементы 8п, 2г, И, ТЬ мало влияют на темпера­туру полиморфного превращения (рис. 14.5, г). Легирование титановых сплавов этими элементами не меняет их фазового состава. Нейтральные элементы влияют на свойства титановых сплавов благодаря изменению свойств а- и /3-фаз, в которых они растворяются. Наибольшее практи­ческое значение имеют 8п и 2г: первый повышает прочность титановых сплавов при 20 — 25 °С и высоких температурах без заметного снижения пластичности, второй увеличивает предел ползучести.