коля / u_course

Титан склонен к коррозии под напряжением в присутствии хлористого натрия; это явление получило название солевой коррозии. Солевая коррозия проявляется в том, что под действием напряжений в месте контакта поваренной соли, а также других галоидов с титановым сплавом возникают трещины, которые постепенно распространяются в глубь металла, приводя к преждевременному разрушению. Это растрескивание наблюдается при температурах примерно от 215 до 550 оС, т.е. в том температурном интервале, в котором применение титановых сплавов наиболее целесообразно.

Титан при достаточно высоких температурах взаимодействует с газами: кислородом, азотом, водородом, оксидом и диоксидом углерода, водяным паром, аммиаком.

Технический титан взаимодействует с кислородом особенно интенсивно при температурах выше 700 оС. Скорость поглощения титаном азота значительно меньше скорости поглощения кислорода. Поэтому при нагреве на воздухе в основном происходит окисление, а роль азота весьма незначительна, хотя воздух на 4/5 состоит из азота.

Титан при низких температурах абсорбирует чрезвычайно большие количества водорода. Например, при температуре 600 оС и давлении 0,1 МПа титан поглощает 32000 см3/100 г водорода, в то время как железо при той же температуре – всего 1,31 см3/100 г, а алюминий – 0,026 см3/100 г. Реакция взаимодействия титана и его сплавов с водородом обратима, так что вакуумным отжигом водород из металла можно удалить.

Основной источник наводороживания при взаимодействии титана и его сплавов с окружающей средой – пары воды. При взаимодействии с титаном водяные пары разлагаются с образованием оксидной пленки на поверхности образца и водорода, который распределяется между газовой фазой и твердым титаном.

5.8. Взаимодействие титана с легирующими элементами

ипримесями

Всоответствии с правилами Юм-Розери титан образует непрерывные твердые растворы с α- и β-модификациями циркония и гафния, а β-моди- фикация титана – с ванадием, ниобием, танталом, хромом, молибденом и вольфрамом. С.Г. Глазунов разделил все легирующие элементы, в зависимости от влияния на полиморфизм титана, на три группы.

200

▪ Первая группа представлена α-стабилизаторами – элементами, повышающими температуру полиморфного превращения титана (рис. 5.3, а). Из металлов к числу α-стабилизаторов относятся алюминий, галлий и индий, из неметаллов – углерод, азот и кислород.

Рис. 5.3. Диаграммы состояния системы титан–легирующий элемент (схемы): а – Ti–α-стабилизаторы; б – Ti–изомофорные β-стабилизаторы;

в– Ti–эвтектоидообразующиеβ-стабилизаторы; г– Ti–нейтральныеэлементы

▪Ко второй группе принадлежат β-стабилизаторы – элементы, понижающие температуру полиморфного превращения титана. Эти элементы

всвою очередь можно разбить на три подгруппы. В сплавах титана с эле-

ментами первой подгруппы происходит эвтектоидный распад β-фазы: β → α + γ (рис. 5.3, в). К числу таких элементов относятся хром, марганец, железо, медь, никель, кобальт – их называют эвтектоидообразующими β-стабилизаторами. Элементы второй подгруппы (V, Mo, Nb, Ta, W) образуют непрерывные растворы с β-титаном. Их называют изоморфными β-стабилизаторами (рис. 5.3, б).

201

▪ Третья группа представлена легирующими элементами, мало влияющими на температуру полиморфного превращения титана. К числу таких элементов относятся олово, цирконий, германий, гафний и торий. Эти элементы называют нейтральными упрочнителями (рис. 5.3, г).

Рис. 5.4. Диаграмма состояния системы Ti–Al

Почти все промышленные титановые сплавы легированы алюминием, так что система Ti–Al в металловедении Ti имеет большое значение. В системе Тi–Аl в богатой титаном области (рис. 5.4) образуются два интер-

металлида Тi3Аl (α2-фаза) и ТiА1 (γ-фаза). Фаза α2 (Тi3А1) имеет ГПУ кристаллическую структуру, близкую к решетке α-фазы, но отличается от нее

упорядоченным расположением атомов титана и алюминия (рис. 5.5). Фаза γ(TiAl) обладает упорядоченной тетрагонально искаженной гранецентрированной структурой, аналогичной сверхструктуре СuАu, в которой слои, упакованные атомами титана, чередуются со слоями, занятыми атомами

202

алюминия. В богатой титаном области происходят два перитектических превращения: (ж + β) → α (при 1475 оС) и (ж + α) → γ (при 1447 оС). При более низкой температуре (1118 оС) наблюдается эвтектоидный распад α-фазы по схеме α → α2 + γ.

5.9. Фазовые превращения

втитане и его сплавах

Втитане основным превращением является полиморфное: Тiα ↔Тiβ При небольших скоростях охлаждения это превращение идет путем образования зародышей новой фазы и роста зерен. При быстром охлаждении

переход Тiβ ↔Тiα происходит по типу мартенситных превращений. Полиморфное превращение в титане происходит в соответствии с

принципом ориентационного и размерного соответствия. Согласно этому принципу, форма и ориентация зародышей новой фазы при кристаллизации в анизотропной среде должны соответствовать принципу минимальной поверхностной энергии в данном объеме, а минимум поверхностной энергии достигается при максимальном сходстве в расположении атомов на соприкасающихся гранях старой и новой фаз.

Хотя при охлаждении зерна β-фазы разбиваются при полиморфном превращении β → α на несколько более мелких кристаллов α-фазы, но в соответствии с ориентационным принципом: каждое α-зерно имеет общность в ориентировке с соседними зернами α-фазы, в результате чего возникает своеобразная текстура внутри каждого зерна, которую называют

внутризеренной текстурой.

Типичная микроструктура сплавов со структурой α', α' + β(ω) и β на примере системы Тi–Cr приведена на рис. 5.6.

Зависимость механических свойств сплавов титана с эвтектодообразующими β-стабилизаторами от состава после закалки с температур, соот-

ветствующих β-области, иллюстрируется рис. 5.7 на примере сплавов системы Тi–Сr, закаленных с 950 оС. С увеличением содержания хрома в α'-мартенсите сильно повышаются характеристики прочности, а характеристики пластичности и модули упругости сплавов резко снижаются. Временное сопротивление разрыву достигает максимума в сплавах со структурой α' + β(ω). Высокая прочность и полное отсутствие пластичности обусловлено большим количеством ω-фазы. При увеличении содержания хрома свыше 6 % количество ω-фазы уменьшается, что приводит к сниже-

203

нию прочности и повышению пластичности. Модули упругости закаленных сплавов с эвтектоидообразующими легирующими элементами наименьшие у сплавов с максимально пересыщенным α'-мартенситом и наибольшие при максимальном количестве ω-фазы.

Рис. 5.6. Микроструктура сплавов титана после закалки с температур, соответствую-

щих β-области: а – Ti + 2 % Cr (по массе)–α'-фаза; б – Ti + 4 % Cr– α'-, β- и ω-фазы; в – Ti + 6 % Cr (по массе)– β-фаза (х300); г – Ti + 8 % Мо–α''-фаза (х1300) (Б.А. Кола-

чев и др.)

Рис. 5.7. Механические свойства сплавов титана с хромом (а) и молибденом (б) после закалки с температур, соответствующих β-области

Сплавы титана с изоморфными и квазиизоморфными β-стабилизато- рами отличаются от сплавов титана с эвтектоидообразующими β-стабилизато- рами тем, что при закалке с температур, соответствующих β-области, мартенситная фаза до некоторой концентрации (С1) имеет гексагональную структуру (ее называют α'-мартенситом), а при больших концентрациях

204

начинается ромбическое ее искажение, тем более сильное, чем больше содержание легирующих элементов: такую фазу называют α"-мартенситом

(см. рис. 5.1).

Поскольку переход от α'- к α"-мартенситу происходит путем одновременного постепенного смещения атомов по всему объему, его можно рассматривать как фазовый переход II рода.

Зависимость механических свойств закаленных с температур β-области (например 1000 оС) сплавов титана с изоморфными β-стабилизаторами (например молибдена) принципиально отличается от аналогичных зависимостей для β-эвтектоидных систем (рис. 5.7).

Прочностные свойства закаленных сплавов с увеличением содержания легирующего элемента сначала возрастают из-за повышения степени легированности α'-мартенсита, а затем, при смене α'-мартенсита на α"-мартенсит, начинают падать и достигают минимума при максимально легированном α"-мартенсите. При концентрациях β-стабилизирующего элемента выше первой критической С'кр прочностные свойства возрастают из-за увеличения доли β-фазы, упрочненной ω-фазой и достигают максимума при второй критической концентрации С''кр, когда количество ω-фазы максимально. Дальнейшее увеличение содержания легирующего элемента приводит к снижению прочностных свойств сплавов в результате уменьшения количества ω-фазы. Прочностные свойства сплавов достигают минимума при третьей критической концентрации, когда количество ω-фазы становится равным нулю, а затем возрастают из-за увеличения степени легированности β-фазы. При эквиатомном составе можно ожидать максимума прочностных свойств.

Для пластических свойств характерны обратные зависимости: максимуму прочностных свойств соответствуют минимум пластических, минимуму прочностных – максимум пластических характеристик (рис. 5.7). Модули упругости закаленных из β-области сплавов с изоморфными β-стабилизаторами меняются в зависимости от состава качественно так же, как и в сплавах с эвтектоидообразующими β-стабилизаторами.

5.10. Титановые сплавы

Использующаяся в настоящее время классификация, предложенная С.Г. Глазуновым, основана на структуре титановых сплавов, которая формируется по принятым в промышленности режимам термической обработки (табл. 5.5).

205

Таблица 5.5

Классификация титановых сплавов по структуре в отожженном состоянии

*В этих сплавах закалкой или нормализацией с температур β-области можно легко получить однофазную β-структуру.

Выделяют также сплавы переходного класса: по структуре они занимают промежуточное положение между (α + β)- и псевдо-β-сплавами.

По структуре в закаленном состоянии титановые сплавы делят на следующие классы:

1)сплавы мартенситного класса;

2)сплавы переходного класса;

3)β-сплавы.

Различают также термически не упрочняемые и термически упрочняемые, а также деформируемые, литейные и порошковые (гранулированные) сплавы.

По назначению титановые сплавы делят:

▪на конструкционные общего назначения;

▪жаропрочные;

▪коррозионно-стойкие;

▪криогенного назначения;

▪сплавы морского применения.

В зависимости от формы структурных составляющих, все наблю-

даемые разновидности структур в титановых сплавах можно отнести к одному из четырех типов:

так называемая превращенная β-структура, которая получается при малых скоростях охлаждения из β-области; в структуре присутствует бывшее β-зерно, в котором расположены α-колонии (рис. 5.8, а);

смешанная, или дуплексная, структура, которая получается при нагреве в (α + β)-области и последующем медленном охлаждении; структура состоит из первичной α-фазы и β -превращенной матрицы (рис. 5.8, б);

206

равноосная, или глобулярная, структура, которая формируется при деформации в (α + β)-области с последующим рекристаллизационным отжигом при температурах ниже β-области (5.8, в);

так называемая структура корзиночного плетения, которая образуется при деформации вблизи температуры Ас3 или при комбинированной деформации, когда она начинается в β-, а заканчивается в (α + β)-области

(рис. 5.8, г).

Рис. 5.8. Типичные структуры титановых сплавов: а – пластинчатая (β-прев- ращенная); б – смешанная (дуплексная); в – равноосная (глобулярная); г – корзиночного плетения

Рассмотрим структуру и свойства деформируемых и литейных титановых сплавов.

Деформируемые титановые сплавы

Деформированные титановые сплавы делят на α-сплавы, псевдо-α- сплавы, (α + β)-сплавы, сплавы переходного класса, псевдо-β-сплавы, β-сплавы.

Химический состав деформируемых титановых сплавов приведен в табл. 5.6, а механические свойства – в табл. 5.7.

207

Таблица 5.6

Химический состав промышленных деформируемых титановых сплавов

208

Таблица 5.7

Механические свойства прутков титана и его сплавов в отожженном состоянии при комнатной температуре

К первой группе относятся двойные сплавы системы Тi–А1. Из сплавов этой группы в промышленном масштабе применяется лишь один сплав ВТ5, содержащий, помимо титана, 5 % алюминия. Он отличается более высокими прочностными свойствами по сравнению с титаном, но его технологичность невелика. Сплав деформируется только в горячем состоянии. В настоящее время он применяется только для фасонного литья, в этом случае его маркируют как ВТ5Л. Сплав ВТ5-1 (вторая группа) считают

209