Лабораторная работа №3 титан и сплавы на его основе

Титан – металл серого цвета. Температура плавления титана 16685 ⁰С. Титан существует в двух аллотропических модификациях. Ниже 882 °С существует -титан, обладающий ГПУ кристаллической решеткой. При более высоких температурах, вплоть до температуры плавления, титан существует в высокотемпературной -модификации с ОЦК решеткой. Титан может быть отнесен как к тугоплавким металлам (температура плавления выше, чем у Fe), так и к легким (плотность Ti – 4,505 г/см³). По химической стойкости он не уступает коррозионно-стойким (нержавеющим) сталям, а в ряде случаев превосходит их.

Титан обладает низкой теплопроводностью, которая в 13 раз меньше теплопроводности алюминия и в 4 раза – железа. Модули упругости титана невелики и это существенный его недостаток, так как в некоторых случаях для получения достаточно жестких конструкций приходится применять большие сечения изделий по сравнению с теми, которые следуют из условий прочности.

Основой производства технического титана и сплавов на его основе служит титановая губка – пористая серая масса с насыпной плотностью 1,5 – 2,0 г/см³, имеющая очень высокую вязкость. Различное содержание примесей в титановой губке предопределяет разную чистоту технического титана, который по этому признаку разделяют на два сорта: ВТ1-00 (самый чистый титан) и ВТ1-0 (более загрязненный).

Азот, углерод, кислород и водород увеличивают твердость и прочность титана, но понижают пластичность, ухудшают свариваемость и снижают сопротивление коррозии. Особенно вреден водород, охрупчивающий титан; его содержание в сплавах не должно превышать 0,015%.

Титановые сплавы наиболее широко применяют в авиации и ракетной технике для изготовления деталей, работающих при температурах 250 - 550 ⁰С, 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. Все легирующие элементы по влиянию на полиморфизм титана делятся на три группы.

1. -стабилизаторы – элементы, повышающие температуру полиморфного превращения титана (рис. 17,а). Из металлов к числу -стабилизаторов относятся алюминий, галлий и индий, из неметаллов – углерод, азот, кислород, бор. Углерод, азот, кислород в качестве легирующих элементов не применяются, так как образуют соединения, охрупчивающие сплавы. Практическое значение имеет алюминий и бор.

2. -стабилизаторы – элементы, понижающие температуру полиморфного превращения титана (рис. 17,б, в, г). Эти элементы, в свою очередь, можно разбить на три подгруппы:

а) эвтектоидообразующие -стабилизаторы (рис. 17,б): кремний, хром, марганец, железо, медь, никель, кобальт;

б) изоморфные -стабилизаторы (рис. 17,в): ванадий, молибден, ниобий, тантал, вольфрам;

в) квазиизоморфные -стабилизаторы (рис. 17,г): рений, рутений, родий, осмий.

3. Нейтральные упрочнители – элементы, мало влияющие на температуру полиморфного превращения титана (рис. 17,д). К числу таких элементов относятся: олово, цирконий, германий, гафний и торий.

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

а б

в г

д

Рис. 17

На рис. 18,а представлен -сплав со структурой твердого раствора легирующего элемента в -титане, на рис. 18,б - +-сплав.

Рис. 18

На рис. 19 представлена схема сплавов титана после закалки из -области в зависимости от количества -стабилизатора.

Как видно из данного рисунка, в сплавах происходит полиморфное превращение, температура которого зависит от концентрации легирующих элементов.

Сплавы, с концентрацией легирующих элементов меньше точки а, называются -сплавами. В этих сплавах  превращение завершается полностью. -сплавы характеризуются однофазной структурой. Они не упрочняются термической обработкой (подвергаются только отжигу или химико-термической обработке - азотированию). Повышение их прочности достигается холодной пластической деформацией. Основной легирующий элемент в -сплавах – алюминий.

Псевдо -сплавы (концентрация легирующих элементов между точками а и с) могут закаливаться с образованием титанового мартенсита ^/, представляющего собой пересыщенный твердый раствор замещения легирующих элементов в -титане с гексагональной решеткой. Мартенсит в псевдо -сплавах имеет малую степень пересыщения. Упрочнение сплава при этом незначительно.

Т, ⁰С

Л.э., %

-стабилизатор

Рис. 19

+-сплавы (концентрация легирующих элементов между точками с и d) подвергают упрочняющей термической обработке, состоящей из закалки и старения. При охлаждении со скоростью выше критической (закалка) сплавов, нагретых до области -фазы, протекает мартенситное превращение в интервале температур Мн – Мк. Во избежание сильного роста зерна закалку проводят от температур, соответствующих области (+) –фазы, чаще от 850 – 950 ⁰С. При закалке из двухфазной области + -фаза не испытывает фазовых превращений, а -фаза претерпевает те же превращения, что и -фаза того же состава, как и при закалке из -области.

В зависимости от содержания  - стабилизаторов, в закаленном сплаве возможно образование мартенситных фаз ^/ и ^// (мартенситная фаза с ромбической решеткой), а также метастабильной фазы . При высоком содержании -стабилизаторов и при малых и средних скоростях охлаждения может образоваться фаза , сильно охрупчивающая сплав. Появления этой фазы стремятся не допускать. При последующем старении закаленных сплавов при 500 – 600 ⁰С происходит распад закалочных структур (^/, ^//, метастабильной фазы ). Конечные продукты -дисперсные  и -фазы, близкие к равновесному состоянию, образование которых вызывает дисперсионное упрочнение (твердение) сплава.

При закалке псевдо -сплавов фиксируется метастабильная ^/-фаза. При старении из ^/ выделяется тонкодисперсная -фаза, повышающая прочность и твердость сплава.

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

Задание

Изучить основные свойства титана и его сплавов.

Изучить влияние легирующих элементов на полиморфизм титана.

Изучить химический состав титановых сплавов, их термообработку.

Изучить микроструктуру путем просмотра под микроскопом коллекции шлифов различных медных и подшипниковых сплавов. Зарисовать микроструктуру просмотренных микрошлифов (подписать марку сплава, режим ТО, наименование фаз и структурных составляющих).

Изучить свойства и область применения титановых сплавов.

Контрольные вопросы

1. На какие группы подразделяют титановые сплавы?

2. Как влияет алюминий на полиморфизм титана?

3. Как влияет кремний, молибден, рений на полиморфизм титана?

4. Какая термообработка применяется к -сплавам?

5. Какая термообработка применяется к +-сплавам?

6. До какой температуры и почему нагревают +-сплавы под закалку?

7. Укажите марки (состав), структуру и применение титановых сплавов.