Промышленные титановые сплавы.

Титановые сплавы по сравнению с техническим титаном имеют при достаточно хорошей пластичности, высокой коррозионной стойкости и малой плотности более высокую прочность при и повышенных температурах. По сравнению с бериллием они более пластичны и технологичны, меньше стоят, безопасны для здоровья при обработке. По сравнению с алюминиевыми и магниевыми сплавами обладают более высокой удельной прочностью (см. табл. 12.1), жаропрочностью и коррозионной стойкостью.

ТАБЛИЦА 13.2. (см. скан) Химический состав (ГОСТ 19807-74), структура и механические свойства некоторых сплавов титана

Поэтому титановые сплавы получили широкое применение в авиации, ракетной технике, судостроении, химической и других отраслях промышленности. Их применяют для обшивки сверхзвуковых самолетов, изготовления деталей конструкций реактивных авиационных двигателей (дисков и лопаток компрессора, деталей воздухозаборника и др.), корпусов ракетных двигателей второй и третьей ступени, баллонов для сжатых и сжиженных газов, обшивки морских судов, подводных лодок и т. д.

По технологии изготовления титановые сплавы подразделяют на деформируемые и литейные, по механическим свойствам-на сплавы нормальной прочности, высокопрочные, жаропрочные, повышенной пластичности. По способности упрочняться с помощью термической обработки они делятся на упрочняемые и неупрочняемые термической обработкой, по структуре в отожженном состоянии — на псевдо-а, , псевдо- и -сплавы.

Деформируемые титановые сплавы.

Химический состав (ГОСТ 19807-74), структура и механические свойства наиболее распространенных деформируемых сплавов приведены в табл. 13.2.

К сплавам с -структурой относятся сплавы титана с алюминием а также сплавы, дополнительно легированные оловом или цирконием Они характеризуются средней прочностью при высокими механическими свойствами при криогенных и повышенных температурах. Сплавы имеют высокую термическую стабильность свойств и обладают отличной свариваемостью. Прочность сварного шва составляет 90% прочности основного сплава. Обрабатываемость резанием удовлетворительная.

Недостатки сплавов: неупрочняемость термической обработкой и низкая технологическая пластичность. Сплавы с оловом более технологичны, но это самые дорогие из а-сплавов (см. приложение, табл. 2). В горячем состоянии сплавы куют, прокатывают и штампуют. Их поставляют в виде прутков, сортового проката, поковок, труб и проволоки. Сплавы предназначены для изготовления деталей, работающих в широком диапазоне температур: от криогенных до

Псевдо-а-сплавы имеют преимущественно -структуру и небольшое количество -фазы вследствие дополнительного легирования -стабилизаторами: и др. Сохраняя достоинства а-сплавов, они, благодаря наличию -фазы, обладают высокой технологической пластичностью.

Сплавы с низким содержанием алюминия (2-3%) обрабатываются давлением в холодном состоянии и только при изготовлении сложных деталей подогреваются до Сплавы с большим содержанием алюминия при обработке давлением требуют подогрева до На прочность этих сплавов помимо алюминия благоприятно влияют цирконий и кремний. Цирконий, неограниченно растворяясь в повышает температуру рекристаллизации. Кроме того, он способствует увеличению растворимости -стабилизаторов в -фазе, что вызывает рост прочности как при так и при высоких температурах. В тех же условиях кремний повышает прочность в результате образования тонкодисперсных силицидов, трудно растворимых в а-фазе. Поэтому псевдо-а-сплавы с содержанием алюминия 7-8%, легированные используют в изделиях, работающих при наиболее высоких (среди титановых сплавов) температурах.

Недостаток этих сплавов — склонность к водородной хрупкости. Водород мало растворим в -фазе и присутствует в структуре в виде гидридов, которые снижают пластичность, особенно при медленном нагружении, и вязкость сплавов (рис. 13.9). Допустимое содержание водорода колеблется в пределах

Двухфазные -сплавы обладают лучшим сочетанием технологических и механических свойств. Эти сплавы легированы в основном алюминием и Р-стабилизаторами. Необходимость легирования алюминием обусловлена тем, что он значительно упрочняет а-фазу при 20 °С и повышенных температурах, тогда как -стабилизаторы мало растворимы в этой фазе и потому не оказывают существенного влияния на ее

Рис. 13.9. Влияние водорода на ударную вязкость титановых сплавов

Рис. 13.10. Структура титановых сплавов в отожженном и закаленном состояниях: 1 — переходный класс; 2 — мартенситный класс

свойства. Особо ценным для этих сплавов является способность алюминия увеличивать термическую стабильность Р-фазы, поскольку эвтектоидообразуюшие -стабилизаторы, наиболее эффективно упрочняющие сплавы, вызывают склонность этой фазы к эвтектоидному распаду. Кроме того, алюминий снижает плотность -сплавов, что позволяет удерживать ее приблизительно на уровне титана, несмотря на присутствие в этих сплавах элементов с большой плотностью и др. Устойчивость Р-фазы и термическую стабильность сплавов сильно повышают изоморфные Р-стабилизаторы: На свойства они влияют по-разному. Как видно из рис. 13.5, сильнее упрочняет особенно при содержании его в сплаве более 4%. Слабее упрочняют V и но они мало снижают пластичность сплавов. Однако наибольшее упрочнение достигается при легировании титана эвтектоидообразующими Р-стабилизаторами; Поэтому двухфазные промышленные сплавы содержат и те и другие -стабилизаторы. Сплавы упрочняются с помощью термической обработки - закалки и старения. В отожженном и закаленном состояниях они имеют хорошую пластичность, а после старения - высокую прочность при и повышенных температурах. При этом, чем больше -фазы содержится в структуре сплава, тем он прочнее в отожженном состоянии и сильнее упрочняется при термической обработке.

По структуре, получаемой в -сплавах после закалки, их подразделяют на два класса: мартенситный и переходный (рис. 13.10).

Сплавы мартенситного класса менее легированы и в равновесном состоянии содержат сравнительно немного -фазы После закалки они имеют структуру мартенсита а (или ). К этому классу относятся сплавы титана с алюминием и ванадием высокопрочные сплавы, дополнительно легированные молибденом и сплавы для работы при повышенных температурах

Сплавы переходного класса более легированы и соответственно имеют больше Р-фазы в равновесной структуре и после отжига Структура и свойства этих сплавов очень чувствительны к колебаниям химического состава. Так, после закалки из -состояния можно получить однофазную Р или двухфазную и структуру. Наличие большого количества Р-фазы (например, структура сплава состоит на 50% из -фазы) обеспечивает сплавам переходного класса самую высокую прочность среди -сплавов как в отожженном, так и в закаленном состояниях. Так, временное сопротивление сплава после отжига имеет те же значения, что у сплава после закалки и старения. Коэффициент сплава равен 69,5 — 82,2 МПа , сплава Это позволяет применять сплавы переходного класса как в закаленном и состаренном, так и в отожженном состояних, что очень важно при изготовлении крупногабаритных деталей.

Двухфазные сплавы удовлетворительно обрабатываются резанием и свариваются.

После сварки требуется отжиг для повышения пластичности сварного Они меньше склонны к водородной хрупкости, чем а- и псевдо-а-сплавы, поскольку водород обладает большей растворимостью в -фазе. -сплавы куются, штампуются и прокатываются легче, чем сплавы с а-структурой. Они поставляются в виде поковок, штамповых заготовок, прутков, листов, ленты.

Однофазные -сплавы не имеют промышленного применения, так как для получения устойчивой Р-структуры сплавы должны быть легированы большим количеством изоморфных Р-стаби-лизаторов (V, Mo, Nb, Та) - дорогих, дефицитных, обладающих высокой плотностью.

Такие сплавы дорого стоят, имеют пониженную удельную прочность.

Псевдо-Р-сплавы сплавы высоколегированные, в основном, -стабилизаторами. Суммарное количество легирующих элементов, как правило, превышает 20%. Наиболее часто для легирования используют реже - Алюминий присутствует почти во всех сплавах, но в небольших количествах (~3 %). В равновесном состоянии сплавы имеют преимущественно -структуру с небольшим количеством а-фазы.

После закалки они имеют структуру метастабильной Р-фазы. В этом состоянии сплавы обладают хорошей пластичностью легко обрабатываются давлением, имеют сравнительно невысокую прочность . В зависимости от химического состава временное сопротивление после старения составляет У некоторых сплавов временное сопротивление при старении увеличивается более чем в 1,5 раза. Плотность этих сплавов находится в интервале Сплавы отличаются высокой удельной прочностью, обладают низкой склонностью к водородной хрупкости, удовлетворительно обрабатываются резанием. Недостатки сплавов: чувствительность к примесям кислорода и углерода, которые вызывают снижение пластичности и вязкости, пониженная пластичность сварных швов и низкая термическая стабильность.

Наибольшее распространение в промышленности получил сплав . Сплав выпускается в виде листов, полос, Црутков, поковок и рекомендуется для длительной работы при температуре до

Литейные титановые сплавы. Сплавы имеют хорошие литейные свойства. Небольшой температурный интервал кристаллизации обеспечивает им высокую жидкотекучесть и хорошую плотность отливки. Они обладают малой склонностью к образованию горячих трещин и небольшой линейной усадкой Объемная усадка составляет около 3%.

К недостаткам литейных титановых сплавов относятся большая склонность к поглощению газов и высокая активность при взаимодействии с формовочными материалами. Поэтому их плавку и разливку ведут в вакууме или в среде нейтральных газов. Для получения крупных фасонных отливок (до 300-500 кг) используют чугунные и стальные формы, мелкие детали отливают в оболочковые формы, изготовленные из специальных смесей.

Для фасонного литья применяют сплавы, аналогичные по химическому составу некоторым деформируемым а также специальные литейные сплавы.

Литейные сплавы обладают более низкими механическими свойствами, чем соответствующие деформируемые. Упрочняющая термическая обработка резко снижает пластичность литейных титановых сплавов и поэтому не применяется.