коля / u_course

рактерной для литого состояния, пластичность термически упрочненных сплавов очень низка. По этой же причине считают, что деформируемые (α + β)- и β-сплавы можно подвергать упрочняющей термической обработке, если исходная структура равноосная, мелкозернистая, а не пластинчатая.

5.3. Водородная хрупкость титана и его сплавов. Защита от газонасыщения

Водородная хрупкость титана и его сплавов проявляется в резком снижении механических свойств при содержаниях водорода, больших критического значения. Водород сравнительно мало влияет на механические свойства металлов при испытаниях на разрыв со стандартными скоростями деформации. О склонности титана и его сплавов к водородной хрупкости обычно судят по результатам испытаний на ударную вязкость и замедленное разрушение.

Титановые сплавы с небольшим количеством β-фазы наиболее склонны к водородной хрупкости. Высокая склонность к водородной хрупкости титановых сплавов с небольшим количеством β-фазы (2–5 %) связана с тем, что водород в (α + β)-сплавах концентрируется в β-фазе.

Алюминий увеличивает растворимость водорода в α-фазе и затрудняет образование гидридной фазы, поэтому увеличение содержания алюминия в α-титановых сплавах – эффективный способ уменьшения их склонности к водородной хрупкости. Так, гидридная хрупкость в чистом титане развивается при содержании водорода более 0,01 %, а в сплаве ВТ5 (Тi + 5 % А1) – более 0,035 % (по массе).

Растворимость водорода в β-фазе значительно больше, чем в α-фазе, и поэтому титановые сплавы с β- или с (α + β)-структурой с достаточно большим количеством β-фазы мало склонны к водородной хрупкости. Водородная хрупкость сплавов этого типа начинает развиваться еще до появления видимых выделений гидридов, что обусловлено охрупчиванием β-фазы растворенным в ней водородом. Эта хрупкость аналогична хладноломкости, вызванной такими примесями внедрения, как кислород, азот, и связана с тем, что атомы водорода блокируют источники дислокаций во вторичных плоскостях скольжения и уменьшают скорость движения генерированных ими дислокаций. Последующее выделение гидридов вызывает гидридную хрупкость, что переводит металл в полностью хрупкое состояние.

Водородная хрупкость в титановых сплавах в наиболее опасной форме проявляется при замедленном разрушении, под которым понимают

190

зарождение и развитие в металле, находящемся под постоянным или мало изменяющимся по величине напряжением, трещин, ведущих в конечном итоге к разрушению образца или изделия. Замедленное разрушение сводится по существу к тому, что в результате направленной диффузии атомов водорода в поле напряжений или транспортировки атомов водорода дислокациями в локальных областях перед вершиной трещины создается такая концентрация водорода, при которой или выделяются гидриды, или β-фаза становится хрупкой.

В настоящее время установлены максимально допустимые концентрации водорода в титане и его сплавах:

В остальных сплавах допускается не более 0,012–0,15 % водорода. Металлургическая промышленность в настоящее время выпускает полуфабрикаты с содержанием водорода меньше максимально допустимых значений. Однако при последующих технологических операциях, особенно связанных с травлением полуфабрикатов, содержание водорода в титане и его сплавах может существенно возрастать. Помимо этого, возможно наводороживание титановых изделий в процессе их эксплуатации. Поэтому при выборе титановых сплавов для тех или иных применений следует учитывать вероятность развития в них водородной хрупкости и при необходимости заменять один сплав другим, в котором водородная хрупкость не развивается при практически возможных концентрациях водорода.

Для защиты титана и его сплавов от газонасыщения при нагреве под обработку давлением и термическую обработку разработали различные защитные покрытия. Они необходимы для предотвращения окисления, а также защищают титан от наводороживания. Наиболее широко применяют эмали ЭВТ-8, ЭВТ-8А, ЭВТ-23. Эмаль ЭВТ-23 обеспечивает надежную защиту титановых сплавов до высоких температур: 750–830 оС. При нагреве титановых сплавов, покрытых эмалью Э8Т-23, выше 830–850 оС начинается их газонасыщение, хотя и значительно менее интенсивное, чем при нагреве на воздухе.

Устойчивую и прочную защитную пленку образуют боросиликатные и алюмосиликатные стекла. Используют также металлические покрытия.

Эффективным способом защиты титановых сплавов от окисления является термическая обработка их в среде инертных газов, например, в аргоне или в гелии.

Рациональным способом борьбы с наводороживанием металла при технологических операциях является удаление водорода из готовых деталей и элементов конструкций вакуумным отжигом, который приводит также к снятию нежелательных остаточных напряжений.

191

5.4. Термомеханическая обработка

Термомеханическую обработку (ТМО) титановых сплавов применяют ограниченно. ТМО α- и псевдо-α-титановых сплавов не приводит к существенному повышению их прочности по сравнению со сталью, однако резко повышает однородность структуры и свойств по сечению и длине изделий. ТМО (α + β)-сплавов приводит к повышению их прочности на 5–30 % по сравнению с прочностью после стандартной закалки и старения при одновременном увеличении поперечного сужения.

Рис. 5.2. Основные схемы ТМО титановых сплавов: а – ВТМО; б – НТМО; в – ПТМО; г – комбинированная (ВТМО + НТМО); 1 – нагрев под закалку и деформация; 2 – охлаждение в воде; 3 – старение; 4 – деформация; tp – температура рекристаллизации; Ac3 – температура (α + β/β)-перехода

Высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО) титановых сплавов заключается в горячей деформации сплава в (α + β)- или β-области, закалке и старении (рис. 5.2).

В результате закалки, осуществляемой сразу после окончания горячей деформации, в металле подавляются рекристаллизационные процессы

192

исохраняются, хотя бы частично, особенности структуры и тонкого строения горячедеформированного металла. Старение сплава с такой структурой обеспечивает повышенные механические свойства, по сравнению с упрочняющей термической обработкой, включающей стандартную закалку

истарение.

За счет применения НТМО (рис. 5.2, б) удалось получить большую прочность, но меньшую пластичность, чем при ВТМО. Положительные результаты достигнуты при предварительной (ПТМО) и комбинированной ТМО. Однако считают [4], что большее применение найдет ВТМО, которая успешно используется при прессовании, прокатке и штамповке.

5.5. Химико-термическая обработка

Из всех видов химико-термической обработки (ХТО) наиболее широко для титана и его сплавов применяют азотирование и оксидирование. В последнее время создан новый способ – термоводородная обработка (ТВО), которая основана на обратном легировании водородом.

Азотирование в десятки раз повышает износостойкость и жаростойкость титановых изделий. Вместе с тем существенно снижаются такие характеристики пластичности, как относительное удлинение и особенно поперечное сужение; предел выносливости на базе 107 циклов уменьшается на 10–25 %. К тому же азотированный слой тонок, и поэтому доводка азотированных деталей до нужных размеров встречает существенные затруднения. В связи с этим азотирование титана и его сплавов, хотя и является наиболее распространенным видом химико-термической обработки, применяется в ограниченных масштабах.

Поверхностного упрочнения титана и его сплавов достигают также оксидированием. Окисные слои большой толщины, образующиеся в результате окисления при температурах выше 850–900 оС, отрицательно влияют на механические и служебные свойства титана и его сплавов.

В настоящее время в промышленности применяют три технологические схемы оксидирования:

▪на воздухе при 700–800 оС с последующим медленным охлаждением с печью.

▪на воздухе при 850 оС с последующим охлаждением в воде для удаления слоя окалины.

▪в засыпке графитом или песком при 700–850 оС с последующим охлаждением вместе с засыпкой на воздухе.

193

При выборе режимов оксидирования для того или иного конкретного применения учитывают, что с понижением температуры уменьшается вредное влияние диффузионного слоя на циклическую прочность сплава, но вместе с тем уменьшается толщина оксидированного слоя.

Изделия из титановых сплавов, полученные с использованием технологий фасонного литья, имеют низкий уровень механических и эксплуатационных свойств, что определяется пористостью, микроликвацией, неблагоприятной микроструктурой (крупное зерно, крупнопластинчатое внутрезеренное строение). Устранить пористость возможно, используя высокотемпературную газостатическую обработку (ВГО). Однако ВГО практически не влияет на структуру литого металла в тех зонах отливки, где поры отсутствуют. Применение отжига для устранениия остаточных литейных напряжений не приводит к повышению прочности сплавов.

Создан новый эффективный способ управления структурой титановых сплавов – термоводородная обработка (ТВО), которая основана на обратимом легировании водородом. Разработаны научные основы ТВО, которая способствует улучшению структуры сплавов различных классов. Одним из наиболее перспективных направлений применения ТВО является преобразование литой структуры с целью повышения комплекса механических свойств отливок. В работе А.А.Ильина с сотрудниками, опубликованной в 2002 г. был предложен метод повышения комплекса механических свойств литых псевдо-α- и (α + β)-титановых сплавов, основанный на сочетании ВГО и ТВО.

Цель обработки литых сплавов – получение мелкодисперсной внутрезеренной (α + β)-структуры (при сохранении размеров исходного β-зерна), которая обеспечивает высокие кратковременную прочность и сопротивление усталости. Исследования провели на литом псевдо-α-сплаве ВТ20Л, высокопрочном литом (α + β)-сплаве ВТ23Л и жаропрочном псевдо-α-сплаве Ti-6242 (широко используют за рубежом: Ti –6 % Al–2 % Mo–4 % Zr–2 % Sn).

Разработка режимов ТВО основана на анализе взаимодействия сплавов с водородом, фазовых равновесий в системе сплав–водород, влияния термического воздействия на фазовый состав и структуру сплавов, исследовании процессов, происходящих при вакуумной обработке и т.д.

Одной из проблем повышения качества фасонных отливок и уровня их свойств является устранение пористости. ВГО повышает плотность литого материала, устраняя (частично или полностью) пористость. Исходная литая структура сплавов при ВГО практически не меняется. Введение в титановые сплавы определенного количества водорода приводит к эффекту водородного пластифицирования, который обусловлен снижением предела текучести сплава при температурах деформации. Поэтому проведение

194

ВГО предварительно наводороженного металла может оказаться эффективным как для устранения пор, так и для улучшения конечной структуры.

Предложены два способа сочетания термоводородной и газостатической обработки: 1 – проведение ТВО после ВГО; 2 – проведение ВГО предварительно наводороженного сплава. Окончательный вакуумный отжиг отливок после обработки по способам 1 и 2 для удаления водорода проводили при 750 оС.

Для устранения микроликвации литые образцы сплавов ВТ20Л и ВТ23Л перед дальнейшей обработкой подвергали гомогенизирующему отжигу (ГО) в вакууме при температурах 1000 оС (ВТ20Л) и 970 оС (ВТ23Л) в течение 1 ч.

ВГО заготовок сплава Ti-6242 проводили при 920 оС. Режим ТВО включал наводороживание до концентрации 0,8 % в интервале температур 900–820 оС и вакуумный отжиг при 750 оС в течение 4 ч.

Часть заготовок с целью укрупнения структурных составляющих и повышения пластичности после ТВО подвергали отжигу при 950 оС в течение 1 ч с последующим охлаждением на воздухе.

Все заготовки (в состояниях: литье + ВГО; ТВО; ТВО + отжиг) подвергали окончательному старению при 590 оС, 8 ч для достижения равновесного состояния и выделения дисперсной α2-фазы.

Было установлено, что максимальное измельчение α-пластин в теле β-зерна достигают при концентрации водорода 0,5–0,9 %. Рекомендуется выбирать концентрацию водорода равной 0,8 %. Оптимальной температурой вакуумного отжига считают 750 оС. Параметры ВГО: давление в газостате 155 МПа, температура 950 оС.

Структура образцов после обработки по обоим способам однородная по сечению и представляет собой мелкодисперсную пластинчатую α-фазу в β-матрице и тонкую α-оболочку по границе исходного β-зерна. Степень дисперсности структуры при обработке по способу 1 несколько выше, чем по способу 2, что обусловлено большей концентрацией вводимого водорода: 1-й способ – 0,8 % водорода; 2-й способ – 0,5 и 0,3 % водорода.

После обработки по двум способам конечное содержание водорода в образцах, определенноеспектральным методом, непревышало0,006 % (мас.).

Механическим испытаниям подвергали образцы в исходном литом состояниипослеВГО, атакжепослеобработкипоспособам1 и2 (табл. 5.3).

Установлено, что обработка по обоим предложенным способам приводит к повышению прочности на 15–20 % по сравнению с исходным литым состоянием.

Сочетание ВГО и ТВО по способу 1 приводит к увеличению предела выносливости в два раза по сравнению с исходным литым состоянием. Достигнутый уровень сопротивления усталости превышает даже характеристики этих сплавов в деформированном состоянии. Это объясняют как

195

дополнительным повышением плотности отливок, так и благоприятным изменением структуры. Полученная мелкодисперсная внутрезеренноя структура обладает повышенным сопротивлением усталостному разрушению.

Таблица 5.3

Механические свойства сплавов ВТ23Л и ВТ20Л после различной обработки

Примечание: НО – наводороживающий отжиг; ВО – вакуумный отжиг; ГО – гомогенизирующий отжиг; γ – плотность отливки.

Предложенные способы обработки приводят также и к стабилизации свойств сплавов.

Исследовали сплав Ti-6242, который широко используют за рубежом в качестве жаропрочного материала для изготовления лопаток и дисков компрессора авиадвигателей с рабочей температурой до 500 оС. В результате обработки по рекомендуемому режиму в сплаве Ti-6242 была получена структура, представляющая собой чрезвычайно мелкие пластины α-фазы толщиной менее 1 мкм в объеме исходного β-зерна. Зерно имеет тонкую, частично фрагментированную α-оболочку. Такая структура очень эффективно препятствует генерации и движению дислокаций, что способствует повышению прочности и работы зарождения усталостной трещины, но при этом снижается пластичность. Проведение после ТВО отжига при 950 оС (α +β)-область, приводит к укрупнению частиц α-фазы в теле β-зерна до 2-3 мкм и увеличению толщины α-оболочки. В процессе охлаждения от 950 оС со скоростью около 10 оС/с происходит распад β-фазы с выделением очень мелких пластин «вторичной» α-фазы толщиной менее 1 мкм.

Заключительное старение при 590 оС в течение 8 ч должно приводить к дополнительному выделению мелкодисперсной α-фазы, достижению равновесного состава α- и β-фаз и частичному упорядочению в микрообъемах α-частиц (образованию когерентной α2-фазы).

Результаты механических испытаний на растяжение сплава Ti-6242 при нормальной температуре приведены в табл. 5.4.

196

Таблица 5.4

Механические свойства сплава Ti-6242 после кратковременных испытаний на растяжение при нормальной температуре

Анализ полученных результатов показывает, что ТВО приводит к существенному повышению предела текучести σ0,2 (на 255 МПа) и временного сопротивления разрыву σв (на 195 МПа) по сравнению с состоянием после литья и ВГО, но резкому снижению пластичности (δ = 1,1 %). Проведение после ТВО отжига, укрупняющего частицы α-фазы, также приводит к повышению σ0,2 и σв по сравнению с состоянием после литья и ВГО, но в меньшей степени (на 120 и 95 МПа соответственно). Пластичность сплава повышена до удовлетворительного уровня (δ = 4,7 %).

Таким образом, предложенные способы обработки литых титановых сплавов ВТ20Л, ВТ23Л и Ti-6242, основанные на различном сочетании ВГО, ТВО и термической обработки, дают существенное преобразование литой структуры и повышение плотности отливок. Сочетание ВГО и ТВО позволяет повысить прочностные (на 10–20 %) и особенно усталостные (в 1,5–2 раза) характеристики исследуемых сплавов по сравнению с литым состоянием при удовлетворительной пластичности и ударной вязкости. Это дает возможность прогнозировать высокую работоспособность и надежность изделий, полученных фасонным литьем.

5.6. Дефекты термически обработанных изделий и полуфабрикатов

При обработке изделий и полуфабрикатов могут возникать дефекты чисто термического происхождения. Рассмотрим наиболее типичные из них.

Нежелательная крупнозернистость может образоваться из-за пе-

регрева металла выше точки Ас3 или вследствие слишком больших выдержек при температурах, соответствующих верхней части (α + β)-области. Отклонение механических и служебных свойств от заданных техническими условиями возникает из-за нарушения технологических параметров термической обработки. Недопустимое сильное газонасыщение может

197

быть обусловлено термической обработкой в атмосфере с повышенным содержанием активных по отношению к титану газов. Испарение легирующих элементов из поверхностного слоя или по границам зерен происходит в процессе вакуумного отжига при слишком высоких температурах. Коробление изделий или полуфабрикатов возможно из-за недопустимо больших скоростей нагрева и охлаждения при термической обработке. Нельзя допускать появления трещин, обусловленных термическими и фазовыми напряжениями.

Основные способы борьбы с первыми пятью типами дефектов – это строгое соблюдение режимов термической обработки. Эти дефекты могут наблюдаться независимо от класса и уровня прочности сплава. Последний тип дефектов – трещины, обусловленные термическими и фазовыми напряжениями – характерен для сплавов с недостаточным запасом пластичности. Трещины возникают при неблагоприятных схемах укладки изделий в печах, в частности в дисках из сплавов ВТ3-1 и ВТ9. При старении в закаленных заготовках из высокопрочных сплавов ВТ22 и Ti6Al3Mo2Fe0,5Cr0,5Mn (опытный сплав) образуются тонкие трещины, направленные от поверхности к центру заготовок, причем это разрушение происходит без приложения внешних нагрузок. Температурно-временные условия начала самопроизвольного растрескивания описывают С-образными кривыми. Наиболее интенсивное растрескивание наблюдается при температуре старения, равной 400 оС. При температурах старения выше 500 и ниже 200 оС трещины в закаленных сплавах при старении не образуются.

Самопроизвольное растрескивание развивается под совместным воздействием термических (закалочных) и фазовых напряжений в условиях, когда затруднена релаксация напряжений. Наиболее эффективны следующие способы борьбы с растрескиванием: а) снижение температуры нагрева под закалку; б) повышение температуры старения до 500–550 оС, причем скорость нагрева до этих температур должна быть достаточно велика, чтобы не произошло растрескивание при нагреве; в) применение изотермической закалки; г) введение предварительного высокотемпературного старения (выше 500 оС) перед окончательным низкотемпературным.

5.7. Физические и механические свойства титана

Титан был открыт в 1789 г. Клапротом. И только начиная с 1948 г. титан стали применять в промышленности.

В земной коре содержится 0,6 % титана. Его атомный номер – 22.

198

Титан плавится при довольно высокой температуре – (1668 ±4) оС; скрытая теплота плавления и испарения титана почти в два раза больше, чем у железа. Температура кипения титана равна 3169 оС.

Известны две аллотропические модификации титана. Низкотемпературная α-модификация, существующая до 882,5 оС, обладает гексагональной плотноупакованной решеткой. При температуре 25 °С периоды решетки α-титана составляют: а = 0,29503 нм; с = 0,46831 нм; с/а = 1,5873;

кратчайшие межатомные расстояния равны 0,2894 и 0,2951 нм. Высокотемпературная β-модификация, устойчивая от 882,5 оС до

температуры плавления, имеет объемно центрированную кубическую решетку. Период решетки β-титана при комнатной температуре, полученный путем экстраполяции данных для β-сплавов, равен 0,3282 нм.

Плотность α-титана при комнатной температуре равна 4,505 г/см3. При переходе α-титана в β-титан объем металла несколько уменьшается. Титан обладает низкой теплопроводностью, которая в 13 раз меньше, чем у Al, и в 4 раза меньше по сравнению с Fe. Коэффициент термического расширения титана при комнатной температуре сравнительно мал; с повышением температуры он возрастает.

Модули упругости титана невелики и обнаруживают существенную анизотропию. При измерении в направлении оси С модуль Юнга равен 146 ГПа, а в перпендикулярном направлении – 106 ГПа. Для поликристаллического титана среднее значение модуля Юнга 103 ГПа. Титан имеет довольно высокое удельное электросопротивление.

Чистейший иодидный титан обладает высокими пластическими свойствами при сравнительно низкой прочности (σв = 220–260 МПа;

σ0,2 = 100–125 МПа; δ = 50–70 %; ψ = 60–90 %).

Титан – химически активный металл. Во многих агрессивных средах он обладает исключительно высоким сопротивлением коррозии, т.к. на поверхности титана образуется защитная пленка из рутила (TiO2).

Титан интенсивно реагирует лишь с четырьмя неорганическими кислотами: плавиковой, соляной, серной и ортофосфорной. Титан стоек в тех средах, которые не разрушают защитную оксидную пленку на его поверхности, и особенно в тех средах, которые способствуют ее образованию. Титан устойчив в разбавленной серной кислоте, уксусной и молочной кислотах, сероводороде, во влажной хлорной атмосфере, в царской водке и многих других агрессивных средах. Титан отличается высокой коррозионной стойкостью в морской воде.

Коррозионную стойкость титана в агрессивных средах можно значительно повысить легированием. Коррозионную стойкость титана в растворах серной, соляной и фосфорной кислот эффективно повышают рений, молибден, цирконий, ниобий, тантал.

199