Учебное пособие 800438

прочности (220 - 240 МПа), пределом текучести (210 - 230 МПа) и низким относительным удлинением (0,5 %).

Из САП и САС изготовляют обшивку, диски и лопатки компрессоров и другие детали, работающие длительно при 300 - 500 °С и кратковременно при 700 - 900 °С.

3.4. Сплавы на основе титана

Титан - твердый металл, он в 12 раз тверже алюминия, в 4 раза - железа и меди. Титан химически стоек. Во влажном воздухе, в морской воде и азотной кислоте он противостоит коррозии не хуже нержавеющей стали, а в соляной кислоте во много раз лучше ее [6].

Титан имеет две полиморфные модификации: низкотемпературную модификацию Tiα, устойчивую до 882 °С, характеризуемую гексагональной плотноупакованной решеткой и высокотемпературную Tiβ, устойчивую выше 882 °С и характеризуемую кубической объемно-центрированной решеткой.

Высокопрочные титановые сплавы по абсолютной прочности уступают высокопрочным сталям, но вследствие небольшой плотности титана их удельная прочность оказывается выше, чем у максимально прочных сталей. Обычно титановые сплавы заменяют сталь там, где необходимо уменьшить массу конструкции, и алюминий - при работе с повышенными температурами. Титан проявляет повышенную стойкость против питтинга, межкристаллитной и щелевой коррозии, коррозионной усталости и растрескивания.

Сплавы титана удовлетворительно обрабатываются, прокатываются и штампуются при обычных температурах, хорошо свариваются. Титан мало склонен к контактной коррозии, что позволяет соединять его с другими металлами без специальной изоляции.

151

К недостаткам титана относятся высокая стоимость производства, низкий модуль упругости, активное взаимодействие при высоких температурах со всеми атмосферными газами, склонность титана к водородной хрупкости.

Технический титан маркируют в зависимости от содержания примесей ВТ1-0 (сумма примесей < 0,55 %), ВТ100 (сумма примесей < 0,398 %). Методом зонной плавки или методом термической диссоциации четырехиодидного титана получают чистейший иодидный титан (сумма примесей < 0,1 %).

Взаимодействие титана с легирующими элементами

Принято характеризовать элементы, легирующие титан, по их влиянию на температуру полиморфного превращения. Элементы, повышающие эту температуру, и расширяющие область существования α-модификации, относятся к группе α- стабилизаторов. В эту группу входят: Al, Ga, Се, La, С, О, N.

Элементы, понижающие температуру полиморфного превращения и расширяющие область существования β- модификации, относятся к группе β-стабилизаторов. В эту группу входят: Mo, V, Nb, Та, W, Сг, Mn, Fe, Co, Si, Ag и др.

Кроме α – и β – стабилизаторов различают «нейтральные» упрочнители – элементы, мало снижающие температуру β→α превращения: Zr, Hf, Sn.

Классификация титановых сплавов

Сплавы титана, в зависимости от добавленных легирующих элементов, делятся на три группы: α-сплавы, (α + β)-сплавы (двухфазные сплавы) и β-сплавы.

Все промышленные титановые сплавы по типу структуры являются твердыми растворами легирующих добавок на основе одной из аллотропических модификаций титана (Tiα с гексагональной плотноупакованной решеткой или Tiβ с объемно-центрированной кубической решеткой). Механические свойства твердых растворов могут меняться в

152

широких пределах в зависимости от легирования и технологических факторов (термомеханическая обработка).

Прочность титановых сплавов двухфазного типа может быть повышена упрочняющей термической обработкой на 50 .

.. 100 % по сравнению со свойствами сплава в исходном состоянии (после отжига).

В последнее время все большее распространение получили сплавы на основе α-титана, содержащие небольшое количество β-фазы и сохраняющие все основные характеристики чистых α-сплавов. Небольшое количество β- фазы улучшает механические и технологические свойства сплавов, которые целесообразно отнести к псевдо-α сплавам.

Кроме того, появились сплавы на основе β-титана, эффективно упрочняемые закалкой и старением, благодаря небольшому содержанию в них α-фазы, играющей роль упрочнителя. Свойства этих сплавов близки к свойствам чистых β-сплавов, но в строгом смысле они являются двухфазными сплавами, их правильно отнести к псевдо-β- сплавам.

Прочность титановых сплавов складывается из прочности исходного титана и эффектов упрочнения от каждой легирующей добавки.

Сплавы со структурой однофазного твердого раствора (α-сплавы) не упрочняются термической обработкой. Повышение их прочности достигается легированием твердого раствора «нейтральными» упрочнителями или холодной пластической деформацией. Прочность α-сплавов относительно невысока. Сплавы хорошо свариваются и имеют высокую термическую стабильность.

Для двухфазных сплавов (α + β) применяют упрочняющую обработку, состоящую из закалки и старения. Эти сплавы свариваются гораздо хуже, чем α-сплавы и требуют дополнительной термической обработки после сварки. Применяются в (α + β)-сплавах отжиг первого и отжиг

153

второго рода, основанный на фазовой перекристаллизации, а также изотермический отжиг, который обеспечивает более высокую термическую стабильность и длительную прочность, чем простой отжиг.

Воднофазных β-титановых сплавах мартенситное превращение отсутствует, а роль скорости охлаждения сводится к подавлению процессов диффузионного распада β- фазы. Они сохраняют после закалки достаточно высокую пластичность и упрочняются при последующем старении вследствие частичного распада β-твердого раствора. Эти сплавы удовлетворительно свариваются аргонно-дуговой сваркой.

Термическая обработка титановых сплавов

Втитановых сплавах термообработка проводится для обеспечения требуемого сочетания прочности, пластичности, вязкости разрушения и других свойств. Достигаемый в результате термической обработки уровень свойств зависит от состава и структуры сплава.

Используются следующие виды термической обработки: стабилизирующий отжиг для снятия напряжений, рекристаллизационный отжиг, упрочняющая термическая обработка - закалка и старение, а также химико-термическая обработка.

Стабилизирующий отжиг при 750 .. 850 °С (α + β)- сплавов проводится с целью стабилизации β-фазы, так как эвтектоидный распад вызывает охрупчивание сплавов.

Рекристаллизационный отжиг холоднодеформированного сплава проводят при температуре выше температуры рекристаллизации. Эта температура не должна превышать температуру перехода в β-фазу во избежание роста зерна. Практически отжиг титановых сплавов проводят при температуре 700 .. 800 °С.

Изотермический отжиг проводится с целью повышения термической стабильности сплавов и заключается в нагреве до

154

температур выше температуры рекристаллизации с последующим охлаждением и выдержкой при более низкой температуре для стабилизации β-фазы.

Упрочняющая термическая обработка (α + β)-сплавов состоит в закалке в воду с температур нагрева до β или (α + β)- области с последующим искусственным старением.

После закалки образуется фаза игольчатого строения α′ (мартенситная фаза), представляющая собой пересыщенный твердый раствор легирующих элементов в α-титане.

При старении из α′-фазы выделяется β-фаза, понижающая твердость сплава, или интерметаллидная фаза, вызывающая охрупчивание сплава.

Для повышения жаростойкости детали из титановых сплавов подвергают различным видам диффузионной металлизации. Для повышения износостойкости детали подвергают азотированию.

Промышленные титановые сплавы

В настоящее время серийно применяют довольно большое число титановых сплавов. Титановые сплавы по технологии производства подразделяют на деформируемые, литейные и порошковые. По характеристикам основных механических свойств - на сплавы обычной прочности, высокой прочности, жаропрочные, высокопластичные и высококоррозионностойкие. По способности упрочняться с помощью термической обработки - на упрочняемые и не упрочняемые термической обработкой. По структуре в отожженном состоянии — на α-сплавы, β-сплавы, псевдо-α, псевдо-β и (α + β)-титановые сплавы.

Виды выпускаемых промышленностью полуфабрикатов титановых сплавов - это прутки, поковки, штамповки, профили, плиты, трубы, листы, проволока, литье.

Деформируемые титановые сплавы

Почти все титановые сплавы, за редким исключением, легируют алюминием. Он повышает прочность,

155

жаропрочность, жаростойкость, снижает плотность титановых сплавов. Кроме того, алюминий повышает модуль нормальной упругости и модуль сдвига титана.

а-титановые сплавы

Наибольшее применение из класса деформируемых α- титановых сплавов получил сплав ВТ5-1. Из него изготавливают все виды полуфабрикатов: листы, трубы, поковки, профили и проволоку.

Сплав ВТ5-1 термически стабилен до 450 °С, превосходит все другие сплавы по характеристикам ползучести, жаропрочности, а также кислотостойкости и свариваемости. Сплав сваривается всеми видами сварки, причем сварные соединения и основной материал практически равнопрочны. Сплав сохраняет пластичность при низких температурах, что позволяет применить его в криогенной технике. Детали из сплава ВТ5-1 могут длительно работать в широком диапазоне температур (от 450 до -253 °С). Недостатком сплава является его недостаточно высокая гарантированная прочность и необходимость подогрева при проведении технологических операций.

Псевдо-α-титановыми сплавами системы Ti-А1-Мп являются ОТ4-0, ОТ4-1, ОТ4, ОТ4-2. Они хорошо деформируются в горячем и холодном состояниях и предназначены в основном для изготовления листов, лент и полос. Сплавы хорошо свариваются всеми видами сварки, предназначены для деталей, работающих до 350 °С и изготавливаемых с применением сварки, штамповки, гибки.

Наиболее высокие жаропрочные свойства имеют псевдо- α-сплавы, содержащие > 6 % Аl. К этому классу относятся сплавы ВТ20, ВТ 18 и ВТ18У. Эти сплавы легируют цирконием и ниобием, которые в присутствии алюминия благоприятно влияют на жаропрочность.

Сплав ВТ20 предназначен для изготовления изделий, работающих длительное время при температурах до 500 °С.

156

Сплав ВТ18 относится к наиболее жаропрочным серийным титановым сплавам и рекомендуется для изготовления деталей, работающих длительно при 550 ..580 °С и кратковременно - до 800 °С.

(α + β)-титановые сплавы

Типичным представителем (α + β)-сплавов является сплав ВТ6 (Ti + 4 % А1 + 6 % V). Для сварных конструкций применяют модифицированный вариант - сплав ВТ6С, который отличается от основного меньшим содержанием алюминия и ванадия.

Сплав ВТ6 при термической обработке не охрупчивается (отсутствует хрупкая ω-фаза при фазовых превращениях), поэтому старение сплава проводят при сравнительно низких температурах 450 .. 550 °С, что обеспечивает высокий эффект упрочнения. После закалки прочность сплава 900 .. 1000 МПа, а после старения 1150 .. 1250 МПа. Сплав имеет высокую термическую стабильность и может применяться в конструкциях, длительно работающих при 400 .. 500 °С и кратковременно - до 750 °С, однако как жаропрочный широкого применения не получил.

К жаропрочным (α + β)-титановым сплавам относят сплавы ВТЗ-1, ВТ8 и ВТ9. Сплав ВТ9 в отличие от ВТ8 легирован большим количеством циркония (0,8 . . .2,5 %). Цирконий повышает жаропрочность титановых сплавов при сохранении достаточно высокой термической стабильности.

Сплавы применяют в отожженном и закаленном состояниях. Закалка и старение повышают не только прочностные, но и жаропрочные свойства сплавов ВТ8 и ВТ9. Сплавы хорошо деформируются в горячем состоянии и предназначены для приготовления поковок, штамповок и прутков. Свариваются сплавы плохо.

Они нашли применение для деталей газотурбинных двигателей, длительно работающих при 450 .. 500 °С.

Сплав ВТЗ-1 относится к числу наиболее освоенных в

157

производстве сплавов. Сплав ВТЗ-1 - это сложнолегированный сплав, содержащий алюминий, хром, молибден, железо и кремний. Изделия из сплава ВТЗ-1 обычно применяют после изотермического отжига с выдержкой при 600 .. 650 °С с последующим охлаждением на воздухе. Сплав предназначен для работы при 400 .. 450 °С. Из него изготавливают прутки, поковки, штамповки.

β-титановые сплавы

Превосходят другие сплавы по своей закаливаемости и высокой прочности. Сплавы этой группы легко обрабатываются, им присуща высокая вязкость. Высокая прочность, которая может быть реализована в β-сплавах после закалки и старения, привели к появлению в промышленности β-сплавов марок ВТ15, ВТЗО, ТС6 и др.

ВТ15 первый отечественный сплав с β-структурой в закаленном состоянии. Отличается невысокой прочностью и большой пластичностью, хорошо штампуется. Сплав термически упрочняется: после старения при 450 °С предел его прочности достигает 1500 МПа. Титановый сплав с пределом прочности 1500 МПа эквивалентен стали с пределом прочности 2500 МПа. Промышленные β-сплавы не отличаются хорошей свариваемостью из-за пониженной пластичности в зоне шва в результате распада метастабильной β-фазы. Применяют β-титановые сплавы ограниченно. Сплав ВТ 15 выпускается в виде прутков, поковок, полос и листов и рекомендуется для длительной работы до 350 °С.

Титановые сплавы со стабильной β-фазой из-за сравнительно большой плотности имеют специальное назначение. Так, сплав 4201, системы Ti-Мо, содержащий 33 % Мо, обладает уникальной химической устойчивостью в соляной и серной кислотах. По скорости коррозии в кипящей 20 %-ной соляной кислоте сплав 4201 равноценен никельмолибденовому сплаву ЭП496, стоимость которого в 1,5 раза выше, при этом плотность титанового сплава в 1,6 раза

158

меньше. Применение таких титановых сплавов - путь к экономии дефицитных никелевых сплавов.

Литейные титановые сплавы

Особенностью литейных сплавов является их хорошая жидкотекучесть, способность заполнять формы сложной конфигурации.

Недостатком литого материала является наличие литейных дефектов - усадочных пор и ликвации в результате неравномерного отвода тепла при застывании поверхностных зон металла и сердцевины. Трудности производства фасонных отливок из титана обусловлены его высокими скоростями взаимодействия с формовочными огнеупорными материалами, а также с газами. После разрешения ряда технологических трудностей удалось реализовать высокие литейные свойства титана и его сплавов.

Для фасонного литья применяют технический титан и его сплавы: ВТЛ1, ВТ5Л, ВТ14Л, ВТ21Л и ВТЗ-1Л. По составу сплавы ВТ5Л, ВТ14Л, ВТЗ-1Л совпадают с аналогичными деформируемыми сплавами, хотя сплав ВТ14Л дополнительно легирован железом и хромом.

Широко используется в технике сплав ВТ5Л с высокими литейными свойствами, высокой пластичностью и достаточной ударной вязкостью отливок. Сплав не склонен к образованию трещин, хорошо сваривается. К недостаткам следует отнести его невысокую прочность (700 МПа)

ВТ5Л предназначен для получения фасонных отливок длительно работающих до 400 С0.

Сплав ВТЛ1 отличается большей прочностью (850 МПа), но меньшей ударной вязкостью. Хорошо сваривается.

Сплав ВТ21Л более прочен, чем ВТ5Л и ВТЛ1, но имеет меньшую пластичность и жидкотекучесть. Удовлетворительно сваривается.

Сплав ВТ14Л упрочняющей термической обработке не подвергается, поскольку это резко снижает пластичность

159

отливок Отливки из ВТ14Л отжигают при 850 °С с последующим охлаждением с печью. Литейные свойства хуже, чем у ВТ5Л.

ВТ3-1Л наиболее прочный промышленный литейный сплав, но его пластичность и жидкотекучесть ниже, чем у ВТЛ1 и ВТ5Л. Сплав характеризуется высокой термической стабильностью и жаропрочностью. Отливки из сплава ВТЗ-1Л могут длительно работать при температуре 450 °С.

В отличие от деформируемых сплавов, литейные сплавы, хотя и более дешевы, но имеют меньшую прочность и пластичность и, что особенно важно, относительно низкий предел выносливости.

Применение новой прогрессивной технологии горячего изостатического прессования (ГИП) отливок открывает пути получения высококачественного металла со 100 %-ной плотностью и со свойствами, равными деформируемым полуфабрикатам.

Порошковая металлургия титана

Применение деталей из титановых порошковых сплавов значительно сокращает стоимость авиационно-космических конструкций, сохраняя при этом, а иногда и превышая, свойства традиционных деформируемых сплавов.

Правильный выбор способа производства порошка и параметров уплотнения позволяет получать микроструктуру сплава, обеспечивающую высокое сопротивление усталости, ударную вязкость и прочность при растяжении, по крайней мере, эквивалентные тем же характеристикам литого и деформированного материала. Использование порошкового способа вместо штампованных деталей снижает затраты на 20

... 50 % в зависимости от размеров, сложности и количества деталей. Дополнительным преимуществом порошковой технологии является сокращение > 50 % времени получения детали по сравнению с деформированной из слитка.

Применение порошков, свободных от включений,

160