Титановые сплавы

Введение

 

В настоящее время титановые сплавы занимают одно из ведущих мест среди материалов, обеспечивающих прогресс авиакосмической техники, судостроения, некоторых отраслей машиностроения и медицины.

Несмотря на многочисленные исследования, направленные в первую очередь на решение конкретных производственных задач, потенциальные возможности высокопрочных сплавов на основе титана реализованы далеко не полностью. Это обусловлено высокой чувствительностью механических и функциональных свойств этих сплавов, да и вообще всех титановых сплавов, к изменению структурного состояния, которое в свою очередь весьма чувствительно к изменению металлургических и технологических факторов. Технологический фактор при правильном его использовании является мощным инструментом управления процессом структурообразования и получения в конечном итоге требуемого уровня свойств. Последнее достигается путем создания регламентированной структуры, тип и степень совершенства которой определяется механизмом и кинетикой фазовых превращений, происходящих в титановых сплавах при внешних воздействиях, в том числе и при термической обработке.

Целью данного реферата является краткий обзор исследований взаимосвязи химического состава и параметров технологии полуфабрикатов из титановых сплавов с их фазовым составом, структурой и механическими свойствами.

 

1 Классификация  титановых сплавов

 

В настоящее время общепринята предложенная С. Г. Глазуновым и В. Н. Моисеевым [1] классификация титановых сплавов по фазовому составу, который формируется при отжиге по промышленным режимам. Согласно этой классификации следует различать:

1)α – титановые сплавы, структура которых представлена  α – фазой;

2)псевдо α – сплавы, структура которых представлена  в основном α – фазой и  небольшим количеством β –  фазы (не более 5 %);

3)(α+β) – сплавы, структура  которых представлена в основном  α – и β – фазами;

4)псевдо β – сплавы  со структурой в отожженном  состоянии, представленной α –  фазой и большим количеством  β – фазы; в этих сплавах  закалкой или нормализацией с  температур β – области можно легко получить однородную β – структуру;

5)β – сплавы, структура  которых представлена термодинамически  стабильной β – фазой.

Выделяют так же сплавы переходного класса, которые по структуре и протекающим в них превращениям занимают промежуточное положение между (α+β) – и псевдо – сплавами.

По структуре в закаленном состоянии титановые сплавы можно разделить на следующие классы:

1. сплавы мартенситного класса, структура которых после закалки с температур β – области представлена α` или α`` - мартенситом;
2. сплавы переходного класса, структура которых после закалки с температур β – области представлена мартенситом α` (α``) и β – фазой, независимо от того образовалась в ней или нет ω – фаза;
3. β – сплавы, структура которых после закалки представлена β – или β (ω) – фазами.

По свойствам в закаленном состоянии сплавы мартенситного класса разбиваются на две подгруппы: а)сплавы, твердеющие при закалке (со структурой α`) и б)сплавы, мягкие после закалки (со структурой α``). По стабильности β – фазы после закалки с температур β – области титановые сплавы можно разделить на три подгруппы: а)сплавы с механически нестабильной β – фазой; б)сплавы с механически стабильной β – фазой и в)сплавы с термодинамически стабильной β – фазой. По способности к упрочнению при старении титановые сплавы можно разделить на а)термически неупрочняемые сплавы; б)сплавы, термически упрочняемые за счет дисперсионного твердения.

По способу получения различают деформируемые и литейные титановые сплавы.

По назначению титановые сплавы различают на а)конструкционные общего назначения; б)жаропрочные; в)коррозионностойкие; г)криогенного назначения.

По уровню прочности различают: а)малопрочные сплавы; б)сплавы средней прочности и в)высокопрочные. К малопрочным относят сплавы с временным сопротивлением разрыву менее 500 МПа; к сплавам средней прочности – от 500 до 1000 МПа и к высокопрочным – сплавы с временным сопротивлением разрыву более 1000 МПа. Последняя классификация, конечно, условна, поскольку прочность (α+β) – и псевдо– β – сплавов можно существенно изменять методами термической обработки.

В дальнейшем описании сплавов принята за основу их классификация по фазовому составу, предложенная С. Г. Глазуновым и В. Н. Моисеевым. В качестве количественной характеристики, определяющей положение сплавов в этой классификации, С. Г. Глазунов и В. Н. Моисеев ввели понятие о коэффициенте β – стабилизации сплава Кβ. Этот коэффициент показывает, насколько данный сплав близок по составу ко второй критической концентрации. Коэффициент Кβ определяют по соотношению

Кβ = С1/С1кр + С2/С2кр + С3/С3кр +…….+ Сi/Ciкр,

В котором С1, С2, С3…Сi – содержание различных β – стабилизаторов, а С1кр, С2кр, С3кр…Сiкр – критические концентрации (С``кр), свыше которых в соответствующих двойных системах закалкой фиксируется только β – фаза с ω – фазой внутри нее, а мартенситное превращение подавляется. Коэффициент Кβ дает лишь приближенную оценку β – стабилизации титановых сплавов, так как не учитывается влияние α – стабилизаторов и нейтральных упрочнителей; действие β – стабилизаторов считается аддитивным.

В соответствии с рекомендациями С. Г. Глазунова и В. Н. Моисеева [1] принимают, что коэффициенты β – стабилизации Кβ равны нулю для α – сплавов; не превышают 0,25 – для псевдо - α – сплавов; изменяются от 0,3 до 0,9 для (α+β) – сплавов, от 1 до 1,4 для сплавов переходного класса и от 1,6 до 2,4 для псевдо – β – сплавов; больше 2,5 для β – сплавов.

Для описания титановых сплавов применяют также понятие молибденового эквивалента, принимая, что действие всех β – стабилизаторов можно оценить эквивалентным содержанием молибдена, при котором количество β – фазы, ее стабильность, способность к превращениям в двойном сплаве Ti – Mo будут такими же, как и в рассматриваемом сплаве. Эквивалентную концентрацию какого – либо элемента xi по отношению к молибдену [Mo]экв определяют по соотношению [Mo]экв =xiC``Mo/C``i, где C``i и C``Mo – вторая критическая концентрация легирующего элемента и молибдена соответственно.

Титановые сплавы также можно классифицировать по химическому составу. Подобная классификация впервые была предложена С. Г. Глазуновым. Легирующие элементы одного типа действуют сходным образом, и один элемент можно заменить другим в эквивалентных количествах. Обозначим легирующие элементы следующим образом: α – стабилизаторы А; эвтектоидообразующие β – стабилизаторы, представленные переходными элементами Вэп, и непереходными Вэн, изоморфные β – стабилизаторы Ви, и нейтральные упрочнители N. Эвтектоидообразующие элементы разбиты на две группы потому, что в сплавах титана с переходными элементами эвтектоидное превращение протекает медленно, и β – фаза легко сохраняется длительное время, в то время как в сплавах с непереходными элементами β – фаза непременно испытывает эвтектоидный распад. Тогда типы промышленных титановых сплавов сводятся к следующим:

Ti – A; Ti – A – N; Ti – A – Bи; Ti – A – Bэп; Ti – Ви – N; Ti – A – Вэн – Вэп; Ti – A – Bи – Вэп; Ti – A – Bи – N; Ti – A – Bи – Bэн – N; Ti – А – Bи – Bэп – Bэн; Ti – A – Bи – Bэп – Bэн – N. Какое – либо конкретное обозначение, например Ви, вовсе не обозначает, что сплав содержит только один элемент данного типа; их может быть несколько.

 

2 Применение титановых  сплавов

 

Титан и его сплавы, отличающиеся сочетанием ряда ценных свойств, перспективны для применения во многих областях современной техники. Высокая стоимость титана и его сплавов во многих случаях компенсируется их большой работоспособностью, а в некоторых случаях они являются единственным материалом, из которого можно изготовить оборудование или конструкции, способные работать в данных конкретных условиях.

Титановые сплавы широко применяются в авиационной технике. Титановые сплавы в промышленном масштабе впервые были использованы в конструкциях  авиационных реактивных двигателей. Применение титана в конструкциях реактивных двигателей позволяет уменьшить их массу на 10….25 %. В частности, из титановых сплавов изготавливают диски и лопатки компрессора, детали воздухозаборника, направляющего аппарата и крепежные детали.

Титановые сплавы в самолетных конструкциях применяют в двух основных направлениях: а)как материалы, обладающие более высокими удельными характеристиками по сравнению с алюминиевыми сплавами и сталями в обычных околозвуковых самолетах; б)как материалы для  сверхзвуковых самолетов, когда алюминиевые сплавы становятся неработоспособными, а стали не могут конкурировать с титановыми сплавами из – за меньших удельных прочностных характеристик.

По удельным характеристикам, особенно по удельному пределу выносливости, титановые сплавы превосходят другие материалы. Поэтому замена алюминиевых сплавов и сталей на титановые сплавы позволяет уменьшить массу самолетных конструкций и получить более высокие ресурсные характеристики.

Рост скоростей полета летательных аппаратов привел к повышению температуры обшивки, в результате чего алюминиевые сплавы перестали удовлетворять требованиям, которые предъявляются авиационной техникой сверхзвуковых скоростей. Температура обшивки по контуру самолета, летающего на высоте 20 км при скорости, равной трем скоростям звука, достигает 246…3160С. В этих условиях наиболее приемлемым материалом оказались титановые сплавы.

Титановые сплавы используют для изготовления обшивки, деталей крепления, силового набора, деталей шасси, различных агрегатов. В 70–ых годах существенно возросло применение титановых сплавов для планера гражданских самолетов. В настоящее время титановые сплавы применяются в той или иной степени практически во всех самолетах гражданской и военной авиации.

Постепенно расширяется применение титана в вертолетах, главным образом, для деталей системы несущего винта, привода, а также системы управления. Важное место занимают титановые сплавы в ракетостроении. Следует отметить, что в ракетостроении ввиду кратковременной работы двигателей и быстрого прохождения плотных слоев атмосферы в значительной мере снимаются проблемы усталостной прочности, статической выносливости и отчасти ползучести.

Благодаря высокой коррозионной стойкости в морской воде титан и его сплавы находят применение в судостроении для изготовления гребных винтов, обшивки морских судов, подводных лодок, торпед и т. д. На титан и его сплавы не налипают ракушки, которые резко повышают сопротивление судна при его движении. Титан и его сплавы, особенно ВТ5 – 1 кт, применяют в криогенной технике.

Постепенно области применения титана расширяются. Титан и его сплавы применяют в химической, нефтехимической, целлюлозно–бумажной и пищевой промышленности, цветной металлургии, энергомашиностроении, электронике, ядерной технике, гальванотехнике, при производстве вооружения, для изготовления броневых плит, хирургического инструмента, хирургических имплантатов, опреснительных установок, деталей гоночных автомобилей, спортинвентаря (клюшки для гольфа), деталей ручных часов и даже украшений. Азотирование титана приводит к образованию на его поверхности золотистой пленки, по красоте не уступающей настоящему золоту.

 

3 Диаграммы состояния (a+b) титановых сплавов

 

Наиболее важной тройной системой, лежащей в основе большинства промышленных титановых сплавов общего назначения, является система Ti – Al – V, изотермические разрезы которой представлены на рис 1. В частности она является основой широко распространенного сплава Ti – 6 % Al – 4 % V, обладающего универсальным комплексом свойств и известного под маркой ВТ6.

Следующей по важности является система Ti – Al – Mo, на которой основываются многие титановые сплавы, особенно жаропрочные. На рис 2 приведены изотермические сечения диаграммы состояния системы Ti – Al – Mo в богатой титаном области при температурах ниже перитектоидной реакции, происходящей в системе Ti – Al. При понижении температуры трехфазное перитектоидное превращение β + α2 ↔ α заменяется четырехфазным β + α2 ↔ α + β2 (Ti2AlMo), которое протекает примерно при 5500С. По содержанию алюминия и молибдена все промышленные сплавы по диаграмме состояния находятся в области концентраций левее перитектических превращений.

Созданные на основе систем  Ti – Al – V и Ti – Al – Mo или на их комбинации промышленные титановые сплавы отличаются высокой термической стабильностью, поскольку ванадий и молибден являются изоморфными β – стабилизаторами, не образуют с титаном химических соединений и не приводят к эвтектоидным реакциям. Однако при содержании алюминия > 8 % термическая стабильность этих сплавов снижается вследствие образования упорядоченной фазы α2.

 

 

 

4 Методы исследования  фазового состава и структуры  титановых сплавов

 

4.1 Металлографические  методы

Микроструктура титановых сплавов многообразна. Это обусловлено тем, что большинство титановых сплавов являются многофазными системами, в которых объемная доля фаз и морфология отдельных структурных составляющих сильно различаются при изменении условий деформации и термической обработки. Поэтому анализ микроструктуры титановых сплавов является сложной и ответственной задачей.

К числу приемов, облегчающих проведение анализа, относится применение шкал типовых структур, разработанных применительно к разным классам титановых сплавов и видам полуфабрикатов из них. Эти шкалы структур отличают величину микрозерна, объемную долю, форму, размеры и взаимное расположение структурных составляющих, наблюдаемых при изменении условий деформации и термической обработки титановых сплавов.

При количественном анализе сложную структуру титановых сплавов характеризуют набором параметров, причем для структур с разной формой структурных составляющих этот набор различен. Количественную оценку начинают с установления типа структуры, который определяется формой частиц первичной α – фазы. Различают четыре основных типа структуры: пластинчатую, глобулярную, переходную (от пластинчатой формы частиц к глобулярной) и структуру с зеренной α –фазой.