Особенности термической обработки титановых сплавов.

Титановые сплавы в основном подвергают отжигу, закалке и старению, а также химико-термической обработке.

Отжиг проводят главным образом после холодной деформации для снятия наклепа. Температура отжига должна быть выше температуры рекристаллизации, но не может превышать границу перехода в -состояние во избежание роста зерна. Температура рекристаллизации титана, в зависимости от его чистоты и степени предшествующей деформации, лежит в интервале температур Легирующие элементы повышают температуру

рекристаллизации титана. Практически отжиг титановых сплавов проводят при температуре 670-800 °С с выдержкой от 15 мин до 3 ч. Тонколистовой прокат рекомендуется отжигать в вакууме для предотвращения насыщения газами и охрупчивания. Целью отжига -сплавов помимо снятия наклепа является стабилизация -фазы, так как эвтектоидный распад вызывает охрупчивание сплавов.

Термическая стабильность -фазы повышается по мере увеличения в ней легирующих элементов. Концентрация -фазы зависит от температуры нагрева (см. рис. 13.4, б). Так, при температуре содержание легирующего элемента в -фазе соответствует точке а при более низкой температуре - точке на оси концентраций. Поскольку с понижением температуры концентрация легирующих элементов в -фазе увеличивается, отжиг для ее стабилизации должен быть по возможности низким (но не ниже температуры рекристаллизации). Практически такой отжиг проводят при температуре Более высокая термическая стабильность достигается после изотермического отжига. Он состоит в нагреве до температуры выше температуры рекристаллизации (для снятия наклепа) с последующим охлаждением до более низкой температуры и выдержке для стабилизации -фазы.

Дальнейшее охлаждение можно проводить на воздухе.

Обычный отжиг для фазовой перекристаллизации с целью измельчения структуры к титановым сплавам неприменим из-за быстрого роста зерна в Р-состоянии. С этой целью проводят комбинированный (двойной) отжиг по следующему режиму: 1) нагрев до -состояния для частичной перекристаллизации и последующее быстрое охлаждение с целью получения внутрифазного наклепа в результате мартенситного превращения -фазы и 2) нагрев выше температуры рекристаллизации для снятия этого наклепа .

Хотя при -превращении титановые сплавы претерпевают небольшие изменения объема и поэтому внутрифазовый наклеп мал, двойной отжиг способствует увеличению сопротивления ползучести.

Упрочняющая термическая обработка (закалка и старение) применима только к сплавам с -структурой (см. рис. 13.4, б, в). Закалка состоит в нагреве до -состояния и охлаждения в воде. В некоторых случаях, чтобы избежать интенсивного роста зерна, который происходит в -состоянии, закалку производят из -области. При этом увеличиваются степень легированности -фазы и прочность сплавов при

Рис. 13.7. Микроструктуры титановых сплавов, X 340: а - BT6 — после закалки; б - BT15 — после закалки и старения

повышенных температурах. Характер превращения при закалке зависит от степени легированности сплава.

В сплавах с содержанием легирующих элементов менее критической концентрации (см. рис. 13.4, б) превращение происходит по мартенситному механизму. В результате образуется мартенсит - фаза игольчатого строения, представляющая собой пересыщенный твердый раствор легирующих элементов в (рис. 13.7, а). Она обозначается а (или а" при большей степени легированности).

Элементы, которые наиболее часто применяют для легирования титановых сплавов, имеют следующие критические концентрации а-фаза обладает более высокой твердостью и прочностью, чем стабильная -фаза, но упрочнение в этом случае значительно меньше, чем при мартенситном превращении стали.

При старении из а-фазы выделяется -фаза различной дисперсности, вызывающая уменьшение твердости, или интерметаллидная фаза (например, способствующая охрупчиванию сплава.

С увеличением концентрации легирующих элементов, особенно и V, выше критической, температуры начала (рис. 13.8) и конца мартенситного превращения резко снижаются. Когда температура начала мартенситного превращения становится ниже закалка фиксирует переохлажденную -фазу, обозначаемую Р. При недостаточной скорости охлаждения и определенной концентрации легирующих элементов, близкой к критической, в структуре закаленного сплава может появиться метастабильная промежуточная фаза со. Она трудно обнаруживается металлографически, так как когерентна решетке -твердого раствора. Кристаллическая решетка -фазы - гексагональная, с периодами нм, нм. Процесс образования этой фазы состоит в одновременном закономерном смещении атомов плоскостей (111) на расстояния, меньшие межатомных. При этом две соседние плоскости, перемещаясь в противоположные стороны, сближаются; третья плоскость не меняет своего положения. Появление этой фазы вызывает повышение твердости и хрупкости титановых сплавов.

Во время старения сплавов с Р-струк-турой при низких температурах также образуется со-фаза, охрупчивающая сплавы. Поэтому старение ведут при более высокой температуре когда из Р-твердого раствора выделяется тонкодисперсная а-фаза, повышающая прочность и твердость (см. рис. 13.7, б).

Для повышения износостойкости титановые сплавы подвергают азотированию. Лучшие результаты дает азотирование в среде сухого, очищенного от кислорода, азота. Оно повышает поверхностную твердость, износостойкость, жаропрочность и жаростойкость, тогда как азотирование в аммиаке способствует охрупчиванию титановых сплавов вследствие насыщения водородом. Азотируют при температуре 850-950 °С в течение При этом на поверхности образуются тонкий нитридный слой и обогащенный азотом а-твердый раствор. Толщина нитридного слоя равна 0,06 — 0,2 мм,

Рис. 13.8. Влияние легирующих элементов на температуру начала мартенситного превращения титана

бина слоя, обогащенного азотом а-твердого раствора, равна . Для устранения хрупкого нитридного слоя и уменьшения хрупкости азотированного слоя рекомендуется проводить вакуумный отжиг (при температуре 800-900 °С).

Для повышения жаростойкости титановые сплавы подвергают силицированию и другим видам диффузионной металлизации.