книги из ГПНТБ / Пульцин Н.М. Титан и его применение в авиации

Водород является для титана вредной примесью практически в любых количествах, так как он резко увеличивает чувствительность к надрезу. Содержание водорода в титане более 0,02% совершенно недопустимо. Хорошие свойства достигаются .при содержании водо­ рода не более 0,007 % [4].

В качестве легирующих элементов современных титановых спла­ вов применяются алюминий, хром, ванадий, ниобий, марганец, тан­ тал, медь, железо, кремний, олово, молибден и некоторые другие. Все они, в отличие от примесей, являющихся элементами внедрения, образуют с титаном твердые растворы замещения.

По воздействию на модификации титана алюминий является а-стабилизатором, т. е. делает устойчивой a-фазу, а все осталь­ ные легирующие элементы -- ^-стабилизаторами. Из этих послед­ них молибден, ванадий, ниобий и тантал образуют с титаном изоморфные (3-сплавы, а хром, марганец, железо, медь, кремний и другие — сплавы, содержащие эвтектоид.

ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЙ ДВОЙНЫХ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Весьма важным средством изучения превращений, структур н свойств титановых сплавов являются бинарные диаграммы состоя­ ний, Хотя некоторые из этих диаграмм еще не изучены, а другие не­ достаточно полно разработаны, тем не менее основные бинарные си­ стемы титановых сплавов представлены в настоящее время сравни­ тельно полными диа-граммами состояний, по крайней мере в обла­ сти сплавов, богатых титаном.

Ввиду наличия в титане аллотропического превращения диаграм­ мы состояний сплавов на его основе оказываются весьма сложными. Поэтому для удобства изучения и пользования этими диаграммами необходимо применять какую-либо классификацию их.

10

Классификация диаграмм состояний двойных сплавов титана ос­ вещается многими исследователями [5, 50, 51]. Наиболее полно этот вопрос рассмотрен в книге С. Г. Глазунова и Е. К. Молчановой [5], где подразделение на группы сделано по виду верхней ликвидус-со-

Фиг. 4. Классификация диаграмм .состояний двойных сплавов титана

лидусной части диаграммы. Вид участка, характеризующего вторич­ ные превращения в сплавах, положен в основу подразделения на подгруппы. По этой классификации все диаграммы состояний Двой­ ных сплавов тйтана подразделяются на три группы и восемь под­ групп. Иллюстрации этой классификации приведены на фиг. 4.

11

К "первой группе относятся диаграммы состояний сплавов, обра­ зующих при кристаллизации неограниченные твердые растворы. Диаграммы этой группы характеризуют сплавы титана с хромом, молибденом, ванадием, ниобием, танталом, ураном и цирконием. Они подразделяются на три подгруппы:

а) с неограниченной растворимостью второго элемента в а-титане;

б) с ограниченной растворимостью второго элемента в а-ти­ тане;

в) с эвтектоидным превращением (3-раствора.

Ко второй группе относятся диаграммы сплавов, образую­ щих при кристаллизации эвтектику. Они характеризуют сплавы титана с серебром, медью, железом, марганцем, никелем, крем­ нием, водородом, кобальтом, свинцом, бором и германием. Эти диаграммы подразделяюся на две подгруппы;

а) с эвтектоидным превращением (3-раствора; б) с перитектоидным превращением (3-раствора.

К третьей группе относятся диаграммы состояний сплавов, образующих при кристаллизации перитектику. Диаграммы этой группы характеризуют сплавы титана с алюминием, кислородом, азотом, углеродом и вольфрамом. Они подразделяются на три подгруппы:

а) с простым (3 -* «-превращением; б) с перитектоидным превращением 3-раствора;

в) с эвтектоидным превращением (3-раствора.

Приведенной классификацией охватываются все известные в на­ стоящее .время диаграммы состояний двойных сплавов титана, за исключением диаграммы сплавов титана с оловом. Эта диаграмма, приведенная ниже, по своему виду ни к одной из рассмотренных подгрупп прямо не может быть отнесена, хотя с некоторым допуще­ нием, по виду левой нижней части, ее можно отнести к первой под­ группе первой группы. В то же время, как содержащую эвтектоид, эту диаграмму можно отнести и к первой подгруппе второй группы.

Необходимо отметить, что рассмотренная классификация бинар­ ных диаграмм титановых сплавов по существу является правильной. Однако для ‘инженера-экаплуатационника она не совсем удобна по той причине, что не подчеркивает важнейшее значение нижней части диаграммы, отражающей превращения сплавов в твердом состоя­ нии. Между тем именно эта часть диаграммы является наиболее важной, так как по ее виду можно установить конечные превраще­ ния в сплавах, определить структуры, а следовательно, и эксплуата­ ционные свойства сплавов. Имея в виду сказанное выше, представ­ ляется целесообразным классифицировать двойные диаграммы тита­ новых сплавов по характеру их нижией части. По этому признаку указанные диаграммы можно подразделить на три основных типа:

а) простое [3 а-превращение; б) эвтектоидный распад (3-раствора;

в) перитектоидный распад (3-раствора.

12

б) ограниченная растворимость второго элемента в [3-раство­

типа, отражающие перитектоидный распад [3-раствора, характеризуют сплавы титана с

углеродом, алюминием, бором и германием. В этом случае вто­ рой элемент является стабилизатором a-фазы. Диаграммы спла­ вов титана с алюминием и углеродом, относящиеся к третьему типу, представлены на фиг. 23 и 24.

Ниже кратко рассмотрены основные диаграмм^ состояний двойных сплавов титана. Эти диаграммы могут представлять определенный интерес при изучении влияния на титан примесей и легирующих добавок, а также при исследовании и выборе спо­ соба соединения, например пайки. Кроме того, ими можно поль­ зоваться при выборе и обосновании режима термической обра­ ботки и температурных интервалов горячей обработки давле­ нием.

Диаграммы рассматриваются в последовательности, принятой при классификации их по виду нижней части, отражающей ха­ рактер [3 а- превращения. Данные о диаграммах взяты в ос­

новном пр книгам [2, 3, 5].

13

По Типу кристаллической решетки аллотропических модифи­

ку вдоль оси шестигран­ ной призмы. Это, как известно, приводит к уменьшению пластич­

ности и увеличению прочности сплава.

') См. далее главу «Технологические особенности титановых сплавов»

14

Для получения равновесных Структур сплаЬов титана с оло­ вом необходимо очень медленное охлаждение. При температуре

ции из расплавов образуется только TiN. Это соединение имеет кубическую решетку типа NaCl и может существовать со зна­ чительным числом вакантных мест как для титана, так и для азота.

При температуре около 1050° в результате взаимодействия «-фазы и нитрида образуется s-фаза, содержащая около 9,5% азота. Она имеет тетрагональную решетку и содержит в осно­ ве химическое соединение TisN.

Азот, как и кислород, значительно увеличивает параметр с

кристаллической решетки a-фазы и почти не изменяет пара­

метр а. Отношение ~ при этом увеличивается.

Установлено, что все сплавы титана с азотом при закалке из

15

области 3-раствора претерпевают мартенситное превращение. Однако сама (3-фаза при этом не фиксируется.

Диаграмма состояний сплавов титана с молибденом предста­ влена на фиг. 9. В силу изложенного выше молибден является [3-стабилизатором. Он снижает температуру аллотропического превращения. Сплавы с высоким содержанием молибдена имеют структуру [3-фазы не только при повышенной, но и при комнат-

ное превращение.

Параметр решетки [з-раствора с увеличением концентрации молибдена в сплаве резко уменьшается. Однако это уменьше­ ние происходит не по линейному закону.

Подобно молибдену ванадий имеет благоприятные структуру кристаллической решетки и размер атомного диаметра для обра­

температуру аллотропического превращения. При температуре 650° растворимость ванадия составляет в титане [3 около 18%, а в титане а, по данным различных авторов, от 1 до 3%,

Линии солидус и ликвидус рассматриваемой диаграммы имеют минимум около 1620° при концентрации ванадия в сплаве при­ мерно 30%. \ .

16

В отличие от молибдена и ванадйя ниобий не уменьшает, а несколько увеличивает параметр кристаллической решетки ти­ тана (3, хотя атомный диаметр ниобия не превышает размер ато­ ма титана.

На фиг. 12 представлена диаграмма состояний сплавов тита­ на с танталом. Эта диаграмма аналогична ранее рассмотренным, характеризующим сплавы титана с молибденом, ванадием и нио­

щение.

Тантал оказывает незначительное влияние на параметры кри­

образуется химическое соединение TiCr2, содержащее 68,5% хрома. Оно имеет гранецентрированную кубическую решетку.

С титаном [3 хром образует непрерывный ряд твердых раство­ ров, однако в сплавах, содержащих от 40 до 80% хрома, темпе­ ратурный интервал существования этих растворов очень мал.

18