4.3.1. Легирующие элементы титановых сплавов

По влиянию на температуру α ↔ β превращения легирующие элементы в титановых сплавах разделяют на 3 группы 1) α - стабилизаторы, 2) β - стабилизаторы, 3) нейтральные элементы (рис. 4.9).

Рис. 4.9. Диаграмма состояния сплавов системы Cu – Be (начальный участок)

Легирующие элементы  - стабилизаторы расширяют -область за счет повышения температуры полиморфного превращения  ↔ β (рис. 4.10, а). К этим элементам относятся Al, H, O, N. Алюминий повышает уровень всех прочностных свойств, а газы являются вредными примесями.

	а	б
в

Рис. 4.10. Схемы диаграмм состояния титана с легирующими элементами:

α-стабилизатор (а), изоморфный β-стабилизатор (б), эвтектоидообразующий

β-стабилизатор (в)

Легирующие элементы -стабилизаторы расширяют  - область, снижая температуру полиморфного превращения (рис. 4.10, б, в). Эта группа подразделяется на две подгруппы. Изоморфные β - стабилизаторы – элементы, имеющие ОЦК решетку, подобную высокотемпературной модификации титана (β), и размеры атомов, близкие к титану, такие как V, Nb, Mo.

Эвтектоидообразующие -стабилизаторы– элементы с меньшими размерами атомов, которые образуют с титаном бинарные диаграммы с эвтектоидным превращением и вызывают сильное твердорастворное упрочнение α – и β – фаз.

«Нейтральные» легирующие элементы (Sn, Zr) практически не влияют на температуру фазового превращения.

Главным легирующим элементом, без которого не существует ни один титановый сплав, является алюминий. Влияние алюминия на свойства сплавов многообразно: он уменьшает склонность к водородной хрупкости, повышает модуль упругости; упрочняет α - фазу; понижает плотность или сохраняет ее на уровне 4,5 Мг/м³ в сплавах, легированных «тяжелыми» тугоплавкими элементами.

4.3.2.Фазовые превращения в титановых сплавах

Равновесными фазами на диаграммах «титан-легирующий элемент» являются твердые растворы на основе α - Ti и β-Ti, интерметаллические соединения и эвтектоиды. При охлаждении из β - области полиморфные превращения могут протекать по диффузионному механизму (медленное охлаждение) и по бездиффузионному механизму (во время закалки): Ti _β → Ti_α.

Рис. 4.11. Схема фазовых превращений при отжиге и закалке титановых

Сплавов (легированных β - стабилизаторами)

На рис. 4.11 дана схема диаграммы состояния титан α – β - стабилизатор. Верхнюю температуру полиморфного превращения, соответствующую переходу от (α + β) к β - фазе обозначают Т_пп (температура полного полиморфного превращения) или А_с1.

Кроме границ равновесных фаз на этой диаграмме обозначены температуры начала (М_н) и конца (М_к) мартенситного превращения.

При медленном охлаждении из β – области β – фаза претерпевает полиморфное превращение (при содержании легирующего элемента менее С₂), в результате которого при комнатной температуре сплавы могут иметь фазовый состав: α (при содержании легирующего элемента менее С₁); α + β (при содержании легирующего элемента в интервале от С₁ до С₂).

В сплавах с концентрацией легирующего элемента более С₂ – β-фаза не претерпевает превращений.

При охлаждении из β - области сплавов состава С₁ - С₂ со скоростью выше критической (закалка) происходит полиморфное сдвиговое превращение с образованием мартенсита.

Мартенсит в титановых сплавах в зависимости от концентрации и типа легирующего элемента может быть двух типов: α' и α":

– α - не пересыщенный твердый раствор замещения с гексагональной решеткой;

– α - пересыщенный твердый раствор замещения с ромбической решеткой; имеет пониженную прочность и повышенную пластичность.

В титановых сплавах может образовываться также третий тип мартенсита –  - фаза, пересыщенный твердый раствор замещения с гексагональной решеткой;  - фаза является хрупкой и значительно снижает пластические свойства сплавов, поэтому при термообработке стремятся избежать ее образования. В основном это достигается при выборе температуры старения; она должна находиться в пределах 500 – 600ºС.

Существенно, что все три мартенситных превращения в титановых сплавах происходят в условиях очень небольших объемных изменений, и поэтому эффект от фазового наклепа в сплавах титана намного меньше, чем в сплавах железа, и не вызывает заметного упрочнения.

В зависимости от химического состава титановые сплавы в результате закалки могут иметь различные структуры (рис.4.11):

1. Мартенсит – в сплавах состава С₁ – С΄, у которых М_н находится выше комнатной температуры.

2. β΄ - фаза – в сплавах состава С΄΄– С₂, в которых нет мартенситного превращения.

3. Двухфазная матричная структура – мартенсит + β΄ – в сплавах С΄ – С΄, у которых точка М_н находится ниже комнатной температуры.

Фазы α и β^΄как пересыщенные твердые растворы при нагреве в процессе старения распадаются с образованием высокодисперсных α - и β - фаз, что приводит к упрочнению.