Добавил:
okley
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Курсовой проект 5 кафедра (спецы 4 курс) / 178_Физическое материаловедение_6 том
.pdf
111
Необходимо подчеркнуть, что существенное повышение проч-
ности (α + β)-сплавов за счет термообработки (до 1550 МПа) со-
провождается значительным снижением пластичности (до δ = 5 %),
что может затруднить обработку сплавов давлением. Это в опреде-
ленной степени связано с тем, что при быстром охлаждении
(α+β)-сплавов из β-области происходит бездиффузионное мартен-
ситное превращение. Образование мартенситной структуры (см.
рис. 23.27,в) сопровождается значительным повышением σ
в
и сни-
жением δ. В этой связи и при сварке (α+β)-сплавов происходит су-
щественное снижение их пластичности и охрупчивание. Поэтому
большинство (α+β)-сплавов титана или являются несвариваемыми,
или обладают ограниченной свариваемостью.
23.4.4. Термическая обработка и фазовый состав
титановых сплавов
В зависимости от состава при формировании заданной структу-
ры сплавов титана применяют рекристаллизационный отжиг,
стабилизирующий отжиг для снятия напряжений, закалку и ста-
рение, химико-термическую обработку. Рекристаллизационный
отжиг холоднодеформированного материала целесообразно прово-
дить выше рабочей температуры, но ниже температуры
(α β)-перехода во избежание роста зерна. Обычно это темпера-
тура 700−800 °С. Отжиг для стабилизации структуры проводят при
750−850 °С для стабилизации β-фазы в (α+β)-сплавах. Закалку
осуществляют быстрым охлаждением сплава, например, в воду от
температур существования β- или (α+β)-областей диаграммы со-
стояния системы Ti с легирующими элементами.
Термическая обработка позволяет широко изменять микро-
структуру, особенно (α+β) – сплавов титана. Например, на
рис. 23.28 показаны различные типы микроструктур двухфазного
сплава Ti−6Al−4V, сформированные охлаждением из β-области
(рис. 23.28,а,б), быстрым охлаждением (закалкой) из (α+β)-области
(рис. 23.28,в−е).
После закалки двухфазного сплава можно зафиксировать ме-
тастабильные фазы типа α′ и α′′, а при закалке β-сплавов − мета-
стабильные фазы ω и β′. Нестабильная α′- (α′′)-фаза представляет
112
собой пересыщенный твердый раствор с параметрами кристалли-
ческой решетки, отличными от параметров α-сплава. Неравновес-
ные α′- и β′-фазы при последующем старении распадаются на ста-
бильные фазы α и β с выделением из твердого раствора легирую-
щих элементов или интерметаллидов титана с легирующими эле-
ментами: α′ → α + Ме (Ti
m
Me
n
), β′ → α+β в мелкодисперсном со-
стоянии. Температура старения в этом случае 480−550 °С. Интер-
металлическая фаза обычно вызывает охрупчивание сплава.
Рис. 23.28. Типичные микроструктуры α-, (α + β)- и β-сплавов титана:
а − равновесная α-фаза с небольшим количеством межкристаллитной β-фазы;
б − равноосная и игольчатая α-фаза с небольшим количеством межкристаллитной
β-фазы; в − островки равноосной α-фазы в игольчатой (β-превращенной) α-мат-
рице; г − небольшое количество равноосной α-фазы в игольчатой (β-превращен-
ной) α-матрице; д − игольчатая (пластинчатого типа) α-фаза (β-превращенная) на
границах исходных β-зерен; е − колонии α-пластин (β-превращенная структура) и
α-фаза на границах исходных β-зерен (Е.В. Коллингз)
113
Превращение β → α′ при закалке протекает как классическое
мартенситное превращение подобно превращениям в стали и ана-
логично превращениям в циркониевых сплавах (см. гл. 25). Темпе-
ратура начала мартенситного
β → α′-превращения М
н
сни-
жается по мере увеличения
количества растворенных пе-
реходных d-металлов (Nb, V,
Mo, Cr, Mn, Fe) и при опреде-
ленной концентрации достига-
ет комнатной температуры
(рис. 23.29).
При мартенситном превра-
щении в сплавах Ti кристал-
лическая решетка ОЦК пере-
ходит в ГПУ за счет сдвиговой
перегруппировки атомов
вдоль плоскости {112} β-фазы
(ОЦК) параллельно направле-
нию <111> в этой плоскости.
При этом осуществляются следующие ориентационные соотноше-
ния решеток: (110)
β
|| (0001)
α
и [111]
β
|| [1120]
α
. В двойных и трой-
ных сплавах титана наблюдается обратимость β α′-превращения,
т.е. при быстром нагреве осуществляется переход α′ → β.
В титановых среднелегированных сплавах при закалке из
β-области фиксируется ω-фаза (аналогично β → ω-превращению в
циркониевых сплавах), состав которой близок β-фазе (см. гл. 25).
Это превращение идет в нанообъемах (около 5 нм) β-фазы, по-
видимому, сдвиговым механизмом. Характерным для ω-фазы явля-
ется необычное сочетание параметров ГПУ решетки (с < а) и обра-
зование при определенной концентрации легирующих элементов.
В ряде сплавов Ti с некоторыми d-элементами (V, Nb, Та и др.),
для которых разница атомных размеров (r
Ti
− r
Me
) меньше 7 %, при
закалке из β-области образуется α′′-фаза, представляющая собой
пересыщенный твердый раствор легирующих элементов в ГПУ ти-
тане. Концентрационная область (в единицах е/а) существования
α′′-фазы в сплавах находится, как видно из рис. 23.30, между α′- и
Рис. 23.29. Влияние легирования
на температуру начала мартенситного
превращения в титановых сплавах
(А.Ф. Белов)
114
ω-фазами. Аллотропическое мартенситное превращение β-фазы в
α′ и α′′ (на рис. 23.30 общее обозначение α
m
) происходит ниже
температуры М
н
начала
превращения. Из хода
кривой М
н
следует, что
мартенситное превраще-
ние может происходить и
в условиях структурных
флуктуаций с образовани-
ем ω-фазы.
Регулируя фазовый со-
став и структуру путем
легирования и термиче-
ской обработки, можно
добиться эффективного
действия тех или иных
механизмов упрочнения и
создать жаропрочные ти-
тановые сплавы. Меха-
низмы упрочнения при-
меняют разные. Чаще все-
го используют упрочнение
твердого раствора мно-
гокомпонентным легированием. Это упрочнение можно усилить,
введя упорядоченные ГПУ частицы (α
2
-фаза) и интерметаллиды.
Эффективны выделения интерметаллических соединений в β-
фазах (α + β)-сплавов. Чем сложнее элементный состав интерме-
таллида, тем эффективнее упрочнение и выше термическая устой-
чивость сплава. Например, при введении Мо в сплав Тi−6Al−4V
наблюдается перераспределение V между α- и β-фазами под дей-
ствием сильного β-стабилизатора молибдена. Эффекты перерас-
пределения легирующих элементов важны и потому, что они вы-
зывают перераспределение и примесей. Все это, как эффекты раз-
ных взаимосвязей при комплексном легировании, необходимо учи-
тывать и по возможности прогнозировать ожидаемый результат.
Рис. 23.30. Мартенситные фазы α′ и α′′ (об-
щее обозначение α
m
) и ω-фаза в сплавах ти-
тана с переходными металлами (е/а − элек-
тронная концентрация). Включены данные,
полученные после закалки и после старения
(Е.В. Коллингз)
115
23.4.5. Коррозионная стойкость сплавов титана
Титан относится к металлам с отрицательным электродным по-
тенциалом (
0
н
Е
= −1,63 В) и, следовательно, является химически
активным металлом. Тем не менее Ti обладает высокой коррози-
онной стойкостью благодаря быстрому образованию на его по-
верхности устойчивой оксидной пленки, прочно связанной с метал-
лом и обладающей защитными свойствами. Одним из устойчивых
оксидов титана является рутил ТiО
2
. Энтальпия его образования
0
298
HΔ=−944,6 кДж/моль. Устойчивая оксидная пленка на Ti обра-
зуется при окислении на воздухе, анодном окислении и самопасси-
вации в растворах. Титан легко пассивируется, о чем можно судить
по данным табл. 23.29.
Таблица 23.29
Потенциал и ток пассивации металлов в Н
2
SO
4
Параметр Fe Ni Сr Ti
Ток пассивации, А/м
2
2
⋅
10
3
2
⋅
10
2
3
⋅
10
2
6
⋅
10
−1
Потенциал пассивации, В +0,58 +0,15
−0,35 −0,25
По способности к пассивации Ti уступает только таким метал-
лам, как Та и Nb. Пассивное состояние Ti сохраняется во многих
средах и растворах, но особенно в хлорсодержащих растворах.
Титан является наиболее стойким металлом в атмосферных
условиях и морской воде. Его кавитационно-эрозионная стойкость в
жидкой среде находится на уровне стойкости коррозионно-стойких
сталей. Титан обладает устойчивой пассивностью в морской про-
точной воде при температуре металла до 100 °С и плотности теп-
лового потока порядка 0,60 МВт/м
2
. Поэтому Ti и его сплавы хо-
роши для корабельных теплообменников с высокими тепловыми
нагрузками и большими скоростями движения теплоносителя.
Коррозионная стойкость однофазных гомогенных сплавов тита-
на находится на уровне металла технической чистоты. Более высо-
кой кислотостойкостью по сравнению с Ti обладает сплав
Ti + 0,2 % Pd, например, благодаря образованию на поверхности
оксидов ТiO
2
и PdO
2
.
116
Стойкость к коррозии сплавов с гетерогенной структурой обыч-
но ниже стойкости нелегированного титана. Это относится к двух-
фазным сплавам с интерметаллической дисперсной фазой, напри-
мер сплавам Ti−Сг и Ti−Мn, и к эвтектическим сплавам, например
Ti−Fe, Ti−Ni. Заметная коррозия наблюдается на высоколегирован-
ных сплавах системы Ti−Al.
Металлы, подобные Ti, коррозионная стойкость которых опре-
деляется устойчивостью оксидной пленки, подвержены коррозион-
ному растрескиванию под напряжением. Образующаяся при
нагружении трещина в защитной оксидной пленке открывает по-
верхность незащищенного металла. Кроме того, сама трещина
представляет собой коррозионную пару, в которой катодом являет-
ся боковая поверхность, а анодом − вершина трещины. Характер
появления и раскрытия трещины определяется не только уровнем
напряжений, но и природой сплава, его гетерогенностью. Экспери-
менты свидетельствуют о том, что сплавы с низкой коррозионной
стойкостью в большей степени подвержены и коррозионному рас-
трескиванию под напряжением. Поэтому предпочтение нужно от-
давать сплавам с гомогенной структурой, определяемой как леги-
рованием, так и термической обработкой.
Развитию коррозионного растрескивания способствует водород,
который в силу высокой подвижности в титане под действием
напряжений накапливается вблизи вершины трещины даже при
низких температурах. Из литературы известно несколько механиз-
мов транспорта водорода к трещине, включая направленную диф-
фузию под действием напряжений и перемещения водорода дисло-
кациями. Накапливаясь вблизи вершины трещины за счет восхо-
дящей диффузии, водород способствует ее раскрытию (росту) под
действием напряжений.
При нахождении Ti в водородосодержащей среде возможна во-
дородная коррозия, обусловленная образованием на поверхности
гидрида титана и последующим его отслаиванием. Одной из при-
чин разрушения гидрида и, следовательно, водородной коррозии
является возникновение внутренних напряжений при росте гидрида
и, по-видимому, затрудненность их релаксации.
117
23.4.6. Промышленные сплавы титана и их применение
По технологии производства титановые сплавы подразделяют
на деформируемые, литейные и порошковые. Состав и свойства
деформируемых титановых сплавов представлены в табл. 23.30.
Таблица 23.30
Средний химический состав, %, и свойства деформируемых
титановых сплавов
Сплав Химический состав, % Механические свойства
Аl Mn V Мо Сr Прочие
σ
в
, МПа δ, %
а
к
, кДж/м
2
Сплавы со структурой α-фазы
ВТ5 5
− − − − −
700−900 10−15 450−600
ВТ5-1 5
− − − −
2,5Sn
750−950 10−15 500−800
Псевдо α-сплавы
ОТ4 3 1,5
− − − −
700−900 10−15 500−1000
ОТ4-2 6 1,5
− − − −
1000−1200 12−20 400−800
ВТ18 7,5
− −
1,0
−
11Zr;1Nb;
0,3 Si
1100 9
200−400
α +
β
-сплавы
ВТ6* 6
−
4
− − −
1100−1150
15
400−800
ВТ8* 6,5
− −
3,5
−
0,3Si
1100−1250 10−15 200−600
ВТ9* 6,5
− −
3,5
−
2Zr;
0,2Si;
0,2Fe
1100−1300 8−14 200−500
ВТ14* 5,5
−
1,0 3,0
− −
1150−1400 6−10
300
ВТ16* 2,5
−
4,5 4,5
− −
1250−1450 4−6 400−600
ВТ22* 5,0
−
5,0 5,0 1,0 1Fe
1200−1600 4−12
300
ВТЗ-1 6,0
− −
2,5 2,0 1Fe; 0,2Si
1000−1200 10−16 300−600
Псевдо
β
-сплавы
ВТ15 3
− −
8 11
−
1300−1500
6 250
ВТЗО
− − −
11
−
4,5
1400−1500 7−11
−
β
-сплавы
ТС6 3
−
6 5 11
− − − −
4201
− − −
33
− −
860-900 16 800
Примечание. Свойства сплавов, отмеченных звездочкой *, приведены после
закалки и старения; свойства псевдо β-сплавов − после старения; остальных − в
отожженном состоянии.
118
Из данных табл. 23.30 видно, что большинство деформируемых
сплавов обязательно содержат Al как основной легирующий эле-
мент. Прочностные свойства зависят от структуры, причем наибо-
лее прочными являются гетерофазные сплавы системы Ti−Al−
V−Mo−Cr−Fe.
Из литературных данных известно, что α-сплавы и псевдо
α-сплавы, как правило, хорошо свариваются, наиболее техноло-
гичны, сохраняют пластичность в широком интервале температуры
от −253 до +450 °С. Жаропрочность α-сплавов недостаточная. Они
применяются до 350 °С. Псевдо α-сплавы благодаря наличию до
5 % β-фазы более жаропрочны. Так, сплав ВТ18 может кратковре-
менно использоваться до 800 °С, а длительно − при 550 °С
(σ
С550
ч100
= 450 МПа).
Общей чертой (α+β)- и β-сплавов является плохая сваривае-
мость, хотя сплав ВТ14 сваривается удовлетворительно. Сплавы с
(α+β)-структурой эксплуатируются кратковременно до 750 °С, а
длительное время − до 500 °С. Сплавы с β-структурой достаточно
дороги из-за большого количества дорогостоящих β-стабилизи-
рующих легирующих добавок. Но это и наиболее прочные сплавы
титана (σ
в
≤ 1800 МПа), обладающие высокой коррозионной стой-
костью и применяемые в химической промышленности для изго-
товления разных емкостей.
Состав и свойства литейных сплавов титана представлены в
табл. 23.31. Литейные сплавы отличаются высокой жидкотекуче-
стью. Свойственные литейным сплавам дефекты (усадочные поры,
ликвация) в определенной степени можно устранить горячим изо-
статическим прессованием. Наиболее технологичным из числа ли-
тейных сплавов является ВТ5Л, который хорошо сваривается, пла-
стичен, но имеет низкую прочность. Наиболее жаропрочен сплав
ВТ3-1Л.
Практически большинство рассмотренных титановых сплавов
можно получать методами порошковой технологии. При этом сни-
жается расход металла и стоимость деталей, улучшаются (не ухуд-
шаются) прочностные свойства, обеспечивается высокая однород-
ность материала.
119
Наибольшая температура эксплуатации титановых сплавов не
превышает 550−590 °С, т.е. составляет около 0,47Т
пл
вследствие
низкого сопротивления ползучести. Повышение рабочих темпера-
тур связывают с увеличением доли интерметаллидов Ti
3
Al, TiAl.
Сплавы на основе алюминидов титана обладают жаропрочностью и
жаростойкостью, сравнимой с жаропрочными никелевыми спла-
вами.
Таблица 23.31
Химический состав, %, и механические свойства литейных
титановых сплавов
Сплав
Химический состав, % Механические свойства
Al Сr Мо V Прочие
σ
в
, МПа
δ, %
а
к
, кДж/м
2
ВТ1-0
− − − − −
450 15 500
ВТ5Л 5,0
− − − −
700−900 6−13 300−700
ВТ3-1Л 5,5 2,0 2,0
−
0,2Si 1050 5 300
ВТ14-Л 5,0 0,5 3,0 1,0 0,5Fe 900 5 300
ВТЛ1 5,0
− − −
1Si 850 5 150
ВТ21Л 6,6 0,35 0,7 1,2 5Zr; 0,35Fe 1000 4 200
Титан и его сплавы широко используют в электронной технике,
авиации, космической технике, в химии, атомной энергетике.
Например, в авиации Ti применяют в газотурбинных двигателях
(лопатки, диски), для защиты передней кромки крыльев сверхзву-
ковых самолетов. Из титана изготавливают детали самолетов вер-
тикального взлета, ракет различного назначения. Высокая удельная
прочность при сжатии, хорошее сопротивление усталостному раз-
рушению, вязкое разрушение, высокое сопротивление коррозион-
ному растрескиванию, коррозии и эрозии в морской воде, высокая
технологичность сплавов титана, например Ti−6Al−4V, позволяют
изготавливать из них различные емкости для хранения нефти, до-
бываемой в море, корпуса подводных лодок. Такие лодки развива-
ют в воде скорость более 40 узлов, их трудно обнаружить благода-
ря немагнитному титановому корпусу. В судостроении из сплавов
титана изготавливают опреснительные установки, теплообменники,
детали газотурбинных и других двигательных установок.
120
Сплавы Ti, например типа NiTi, обладают эффектом памяти
формы, обусловленным образованием мартенсита деформации и
его обратным превращением в исходное состояние при нагреве.
Этот эффект позволяет широко применять сплавы в различных об-
ластях, включая медицину.
Титан обладает высоким сродством к кислороду и азоту и по-
этому используется в качестве геттера и сорбента в геттероионных
насосах.
Малый удельный вес в сочетании с высокой удельной прочно-
стью, коррозионной стойкостью и хорошей технологичностью
делает титан перспективным материалом для изготовления пароге-
нераторов и других узлов специальных ЯЭУ. Его также рассматри-
вают в качестве кандидатного материала термоядерных реакторов
(ТЯР) будущего. Например, сплавы Ti−6Al−4V считают перспек-
тивными для корпуса разрядной камеры ТЯР. Однако для оконча-
тельного решения о выборе сплавов титана в качестве конструкци-
онного материала ЯЭУ необходимо исследовать степень наводо-
роживания Ti по реакции Ti + 2Н
2
О → TiO
2
+ 2Н
2
и вероятность
водородного охрупчивания в условиях ТЯР, т.е. при нейтронном
облучении, термоциклическом и механическом нагружении в во-
дородосодержащей среде.
Радиационная стойкость титана определяется его сопротивле-
нием упрочнению, охрупчиванию и распуханию. Нейтронное облу-
чение титана, его α-сплавов Ti−Al−Zr и Ti−Al−Zr−Nb−V и сплавов
Ti−20 % Zr, Ti−30 % Zr в реакторе ВВР−М при плотности потока
(5÷7)
⋅ 10
17
нейтр./(м
2
⋅с) и температуре (250 ± 30) °С показало, что
быстрые нейтроны (Ф
н
= 2
⋅
10
25
м
−2
) вызывают упрочнение сплавов
в среднем на 30 % и снижение относительного удлинения при ком-
натной температуре до δ = 3,5÷6 %. Наименьшее снижение удли-
нения и ударной вязкости обнаружено на чистом титане ВТ1-0.
Последовательное изучение радиационного упрочнения двой-
ных сплавов типа Ti−Al, Ti−V, Ti−Zr показало, что радиационное
упрочнение существенно зависит от структурно-фазового состоя-
ния сплавов. На рис. 23.31,а представлены данные по зависимости
упрочнения Ti от количества легирующих добавок (Al, V, Zr).
Степень упрочнения увеличивается при легировании в последо-
вательности Zr, V, Al. Радиационное упрочнение Ti, как видно из
Соседние файлы в папке Курсовой проект 5 кафедра (спецы 4 курс)