Файл: Пульцин Н.М. Титан и его применение в авиации.pdf

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

азот и углерод, образующие с титаном твердые растворы внед­ рения, а также алюминий, дающий твердый раствор замещения. Легирование такими элементами не может стабилизировать р-фа- зу, так как добавка их уменьшает устойчивость этой фазы и способствует распаду и превращению ее в a-фазу. Поэтому спла­ вы, содержащие указанные элементы, имеют структуру а-раст- вора, и изменить эту структуру какими-либо приемами термиче­ ской обработки, как правило, не удается.

Схема диаграммы состояний сплавов титана с элементами, растворимость которых в p-фазе значительно больше, чем в а-фа- зе, приведена на фиг. 25,6. Такими элементами являются молиб­ ден, ванадий, ниобий и тантал. Добавка их в титан понижает температуру и расширяет интервал аллотропического превраще-

Фиг. 25. Схемы основных диаграмм состояний двойных титановых сплавов, представляющие интерес при рассмотрении термической обра­ ботки

ровать p-фазу или, в крайнем случае, за счет бездиффузионного превращения ее получить некоторую метастабильную переход­ ную структуру. Такой структурой является, в частности, мартен­ ситная фаза титановых сплавов, представляющая собой пересы­ щенный твердый раствор а и обозначаемая а'. Последующий нагрев метастабильных фаз р и а', называемый старением или

отпуском, может вызвать дополнительные структурные превра­ щения и, следовательно, изменение свойств сплава. При этом нагрев закаленного p-раствора вызывает выделение субмикро­ скопических частиц второй фазы, например интерметаллидов,со-

30

провождающеёся упрочнением сплава. Такой процесс как по су­ ществу протекающих структурных превращений, так и по изме­ нению свойств вполне может быть назван старением. Нагрев сплава, имеющего структуру а', вызывающий, как правило,

применения термической обработки, состоящей из закалки и по­ следующего старения или отпуска.

Сплавы третьей группы содержат в равновесной структуре эвтектоид и характеризуются диаграммой состояний, схема ко­ торой изображена на фиг. 25,8. Эти сплавы получаются при до­ бавке к титану хрома, железа, марганца, меди, кремния, никеля, серебра, вольфрама, водорода и других элементов, являющихся, как и предыдущие, стабилизаторами p-фазы. По влиянию на прев­ ращения при термической обработке и получаемые при этом структуры указанные элементы аналогичны предыдущим. Введе­ ние их в титан позволяет получить при закалке метастабильные структуры (3 и а', которые могут быть изменены в результате

последующего старения или отпуска. Однако сплавы титана с медью, серебром и некоторыми другими элементами обладают известной особенностью — фаза р в них не может быть зафик­ сирована закалкой при любой, сколь угодно высокой концентра­ ции указанных добавок. Сплавы с водородом, являющимся эле­ ментом внедрения и, несмотря на это, образующим с титаном эвтектоид, в отличие от сплавов титана с переходными элемен­ тами характеризуются очень быстрым протеканием эвтектоидного превращения.

При закалке титановых сплавов получается та или иная метастабильная структура. Такими структурами, известными в на­ стоящее время, являются р, а', а" и ш. Получение при закалке

структуры р не связано со значительным упрочнением сплава, а, наоборот, может быть использовано для придания материалу необходимой пластичности в случае обработки давлением. Зато 'структура р способна к старению, в результате которого проис­ ходит значительное повышение твердости. Правда, пока что это рассматривается преимущественно как недостаток, поскольку связывается со старением остаточной p-фазы в готовых изделиях при'эксплуатации, приводящим к охрупчиванию материала. Од­ нако совершенно несомненно, и эго отмечается в литературе [16|, что в ближайшем будущем в авиации будут применяться тита­ новые сплавы, имеющие высокие эксплуатационные свойства в результате закалки их на p-раствор и последующего старения.

Структура р нелегированного титана не была получена даже при очень большой скорости закалки, равной 15000 градусов в секунду. Однако введение в титан молибдена, ванадия, марган­ ца, хрома и других p-стабилизаторов, усложняющих кристалли-

31