книги из ГПНТБ / Пульцин Н.М. Титан и его применение в авиации

содержащих 4% железа и более. Возможно также и мартенсит­ ное превращение, состоящее в бездиффузионном переходе от кубической к гексагональной структуре.

Железо сильно уменьшает параметр кристаллической решет­ ки твердого раствора р.

Диаграмма состояний сплавов титана с марганцем, изобра­ женная на фиг. 15, аналогична только что рассмотренной диа­ грамме титан— железо. Титан образует с марганцем химические соединения TiMn и TiMn2. Максимальная растворимость марган­ ца в титане р имеет место при эвтектической температуре 1175° и составляет 33%. При понижении температуры за счет выделе­ ния фазы 7, имеющей в своей основе интерметаллид TiMn, со­

держание марганца в p-растворе уменьшается и при 550° дости­ гает 20%. Это эвтектоидная точка. Эвтектоид получается при 550° из p-раствора, содержащего 20% марганца, и состоит из твердого раствора а и интерметаллида TiMn. Содержание мар­

ганца в a-фазе очень мало и составляет при эвтектоидной тем­ пературе примерно 0,5%. Фазовый состав сплавов титана с мар­ ганцем в настоящее время уточняется и можно ожидать услож­ нения диаграммы состояний, особенно для заэвтектоидных спла­ вов.

20

Путем закалки р-ф^за может быть зафиксирована в сплавах, содержащих около 7% марганца и более. При небольшом коли­ честве марганца сплавы при закалке претерпевают мартенсит­

Содержание никеля 8 %

Фиг. 17. Диаграмма состояний сплавов титана с никелем

ний ее приведена на фиг. 17. Предельная концентрация никеля в титане достигается при температуре первой эвтектики 955° и составляет 13%. Эвтектоид (a~f-Ti2Ni) содержит 6—7% никеля

21

)

и образуется при 770°. Растворимость никеля в титане а очень мала и составляет около 0,1% при эвтектоидной температуре.

В сплавах титана с никелем путем закалки может быть за­ фиксирована [3-фаза, однако это имеет место только при 8%) ни­ келя и более. В сплавах с меньшей концентрацией при закалке из [3-области происходит мартенситное превращение.

Хотя для титановых сплавов в настоящее время никель и не используется в качестве легирующего элемента, однако спла­ вы его с титаном являются хорошей основой для припоев, при­ меняемых при пайке титана и его сплавов. Серебро также ирпользуется в качестве припоя, а как легирующий элемент пока не применяется.

фиг. 18. Титан с серебром образуют химическое соединение TiAg,

22

титане а очень мала и составляет при эвтектоидной температу­ ре 0,54%, а при температуре 750° только 0,31%.

Предельная растворимость вольфрама в титане (3 изменяется от 28% при 715° до 50% при 1880°. Эвтектоид, представляющий

1—0,0114%; 2-0,0046% [4]

вязкость сплава. Нагрев вызывает растворение гидрида и повы­ шение ударной вязкости (фиг. 22).

В работе Н. И. Блок и других [22] были впервые методом

23

анодного растворения выделены фазы, богатые водородом, в частности гидриды титана. Они образуются в сплавах, не содер­ жащих (3-фазы, способной растворять водород в больших коли­ чествах. По данным рентгеноструктурного анализа, гидрид гита­

ся только до 6— 11%, в зависимости от температуры. При более высоких концентрациях алюминия образуется хрупкая а,-фаза, вследствие чего содержание алюминия в титановых сплавах обычно ограничивается 5—6%.

При концентрациях 35—44% алюминия существует чистая фаза ч, имеющая строение химического соединения TiAl. Эта фаза рассматривается [13] как возможная основа высокотемпера­ турных титановых сплавов будущего, при этом отмечается, что сплав с 36% алюминия при 950°С имеет 100-часовой предел дли­

тельной ПРОЧНОСТИ ОКОЛО 7 KZjMM1.

Сплавы титана с углеродом исследовались до концентрации 20%, при которой образуется карбид титана TiC. Часть соответ-

24

меняются для изготовления листовых полуфабрикатов и различ­ ных профилей, подвергаемых сварке. Эти сплавы обеспечивают получение сварных швов с достаточной пластичностью.

Сплавы со структурой о 4- {3 или с другой двухфазной струк­

турой предназначаются для обычных изделий, не подвергаемых сварке. Эти сплавы могут упрочняться термической обработкой.

( Сплавы со структурой [3 могут быть упрочнены при помощи дисперсионного твердения за счет выделения субмикроскопиче­ ских частиц второй фазы.

При компоновке современных титановых сплавов применяют та­ кие легирующие элементы, которые обеспечивают получение требуе­ мой структуры, высокого комплекса свойств и необходимой стабиль­ ности сплава при эксплуатации. При этом в соответствии с развивае­ мой профессором И. И. Корниловым [6] теорией в сплавы вводятся один или несколько элементов, растворяющихся в твердом растворе и повышающих его прочность как при обычных, так и при высоких температурах.

25

Технический титан и титаноШе сплавы изготовляются из губки марок ТГО, ТГ1 и ТГ2, различаемых по содержанию примесей: чем больше номер, тем выше содержание примесей. Сплавы марок ВТ получаются, как правило, дуговой плавкой в охлаждаемых водой медных изложницах в атмосфере аргона или в вакууме. Сплавы ма­ рок ИМИ изготовляются методом порошковой .металлургии. Способ индукционной плавки в графитовых тиглях в настоящее время почти не применяется, так как дает значительное .насыщение сплава угле­ родом. Именно по этой причине был снят с производства получен­ ный в свое время индукционной плавкой сплав марки ВТ2, имевший вследствие высокого содержания углерода очень низкое сопротивле­ ние удару.

Таким образом, основными способами производства титановых сплавов в настоящее время являются дуговая плавка и метод по­ рошковой металлургии. При помощи их получают не только уже упомянутые сплавы, но и сплавы марок ОТ и Т.

В таблице 4 по литературным источникам [7, 8, 9] приведены со­ ставы некоторых марок титановых сплавов отечественного производ­ ства.

Любопытно отметить, что все сплавы, приведенные в таблице 4, содержат в качестве легирующей добавки то или иное количество алюминия. Этот элемент является прекрасным упрочнителем титана, обеспечивающим повышение прочности без существенного снижения пластичности и вязкости. Он значительно повышает сопротивление ползучести. В одном из последних исследований [15] было показано,

26

что для повышения теплопрочности при сохранении достаточной тех­ нологической пластичности и свариваемости в сплавы титана с алю­ минием целесообразно вводить p-стабилизаторы (молибден, желе­ зо, хром й' марганец) в количествах, близких к их максимальной растворимости в а-титане.

Алюминий улучшает не только прочность при обычных и высо­ ких температурах, но и коррозионную стойкость титановых сплавов. Он снижает их взрывоопасность’). В статье И. И. Корнилова [10] отмечается, что с целью уменьшения опасности взрыва изготовлять детали для работы в азотной кислоте нужно не из титана, а из спла­

ва его е алюминием.

Известно [11], что повышение прочности без снижения пластично­ сти сплавов Ti—А1 имеет место только до 5% алюминия, а более высокая концентрация вызывает наряду с увеличением прочности резкое снижение пластичности. Объяснение этого явления, как отме­ чает С. Г. Глазунов, .можно дать, исходя из последних работ по диа­ грамме состояний сплавов титана с алюминием, в которых отме­ чается, что при 6— 11 % алюминия образуется хрупкая фаза «2 (см-

фиг. 23).

В сплавах титана с алюминием метастабильные фазы при терми­ ческой обработке не фиксируются, благодаря чему эти сплавы обла­ дают высокой стабильностью и не охрупчиваются при старении.

Добавка алюминия к титану приводит к снижению удельного ве­ са сплавов и не удорожает их.

Хром улучшает прочность и жаропрочность титановых сплавов и в этом отношении аналогичен алюминию. Кроме того, он сообщает титановым сплавам способность упрочняться при термической обра­ ботке. Однако сплавы титана с хромом не обладают термической стабильностью и охрупчиваются в процессе выдержки при повышен­ ных температурах. Это объясняется эвтектоидньгм распадом оста-

'"'точной Р -фазы, фиксирующейся при закалке.

Молибден оказывает благоприятное влияние на жаропрочность титана и сплавов его с алюминием. Отмечается [12], что он значи­ тельно повышает предел длительной прочности этих сплавов. Осо­ бенно большая роль принадлежит молибдену в повышении термиче­ ской стабильности титановых сплавов, содержащих хром.

Олово в дополнение к алюминию является эффективным упрочнителем «-раствора. Оно сохраняет пластичность сплава и терми­ ческую стабильность его. Поэтому сплав ВТ5-1 является хорошим материалом для изготовления листовых полуфабрикатов. В отличие от сплава ВТ5, легированного только алюминием, он обладает вы­ сокой жаропрочностью.

Еще более эффективным упрочнителем является ванадий. Он со­ общает сплавам способность к термической обработке.

]) О взрывоопасности титана см. в главе «Коррозионная стойкость титана и его сплавов».

27

Олово и ванадий являются дефицитными и дорогими элемента­ ми, они повышают стоимость титановых сплавов. Марганец отли­ чается недефицитностыо и,'дешевизной. В то же время он является эффективным упрочнителем и не снижает пластичности и техноло­ гичности материалов, предназначенных для изготовления листовых полуфабрикатов.

Водной из работ [11] было проведено исследование, посвященное изысканию листовых титановых сплавов, легированных дешевыми добавками. Авторы исследовали сплавы титана с алюминием, леги­ рованные марганцем с железом. Они рекомендуют два оплава ти­ тана с 4% алюминия: первый с 1,5% марганца и второй с 5% же­ леза, обладающие высокой прочностью и хорошей пластичностью, позволяющей прокатывать эти сплавы в листы. В то же время эти сплавы ввиду недефицитности легирующих элементов являются лег­ кодоступн ыми материалами.

Впоследнее время в качестве легирующей добавки, повышаю­ щей жаропрочность, в титановые сплавы вводится медь. Твердый ра­

створ ? -сплавов титана с медыо не фиксируется закалкой, благо­ даря чему исключаются процессы охрупчивания, возможные при распаде его, и повышается термическая стабильность сплавов..

Отметим, что наряду с трех- и четырехкомпонентными в табли­ це 4 приведен и шестикомпонентный сплав ВТ 13. В этом сплаве сум­ марное количество легирующих добавок не больше, а даже меньше, чем в трехкомпонентном ВТб. Однако, как будет показано далее, по свойствам прочности и жаропрочности многокомпонентный сплав не только не уступает, а значительно превосходит более простые.

В таблице 5 приведен состав по легирующим компонентам неко­ торых марок зарубежных титановых сплавов. Следует отметить, что и в этих композициях основным легирующим компонентом является

Т а б л и ц а 5

28

алюминий. В некоторые сплавы в качестве легирующей добавки введено железо. Любопытно ютметить, что в одном из сплавов на­ ряду с хромом и железом в роли легирующего элемента выступает кислород, содержание которого доведено до 0,25%. Часто встре­ чается легирование двумя компонентами и даже одним. В практике компоновки отечественных титановых сплавов преобладают составы с большим числам наименований легирующих элементов, хотя сум­ марное содержание их не выше, а часто ниже, чем в простых спла­ вах. В этом проявляется практическая реализация теории высокой прочности и жаропрочности твердого раствора, содержащего боль­ шое число разнородных атомов.

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Термическая обработка является важнейшим средством улучше­ ния структуры титановых сплавов с целью облегчения их обработки в процессе производства и достижения комплекса механических свойств, необходимого при эксплуатации изделий. Как средство до­ стижения высокой прочности, пластичности, вязкости и необходимой стабильности этих свойств в процессе эксплуатации, термическая об­ работка играет не меньшую роль, чем легирование.

Однако в течение длительного времени этому важному вопросу титановой проблемы уделялось совершенно недостаточное внимание. Такое положение объясняется тем, что на первом этапе исследова­ ний титана и его сплавов возникало много других проблем, которые требовали более безотлагательного решения, чем вопросы термиче­ ской обработки. Одной из таких проблем было получение чистого и пластичного титана. Можно сказать, что в первое время велась борь­ ба не столько за прочность титана и его сплавов, сколько за их пла­ стичность. Кроме того, на этом первом этапе применялся .главным

•образом технический титан, о термической обработке которого как средстве упрочнения не могло быть и речи.

Между тем природа титановых сплавов вполне позволяет прове­ дение термической обработки с целью упрочнения. Титан имеет ал­ лотропическое превращение, температура которого может сущест-

-венно изменяться под влиянием легирующих элементов, а измене­ ния, вызываемые этими элементами в структуре твердого раствора, обеспечивают получение при термической обработке тех или иных желательных фаз. Далее, варьируя параметры режима, м.ожно полу­ пить необходимую форму, сочетание и дисперсность этих фаз.

Анализ возможных структурных превращений при термической обработке целесообразно проводить е помощью диаграмм состояний сплавов титана с легирующими элементами. С точки зрения влия­ ния на процессы, являющиеся существенными для термической об­ работки, все диаграммы состояний этих сплавов можно подразде­ лить на три группы.

На фиг. 25,а представлена схема диаграммы, характерная для

сплавов титана с а-стабилизаторами, которые, как известно, имеют

:9