Файл: Колачев, Б. А. Механические свойства титана и его сплавов.pdf

прочны, но менее пластичны, чем сплавы с (^-структурой, стабилизированной р-изоморфными элементами. Поэто­ му а+р-сплавы, легированные только р-эвтектоидными элементами, обладают высокой прочностью в отожжен­ ном состоянии. Для получения а+р-сплавов, обладаю­ щих невысокими прочностными свойствами в неупрочненном состоянии, p-фазу следует стабилизировать p-изоморфными элементами. Растворимость р-стабилизи- рующих элементов в a -фазе мала и упрочнение этой фа­ зы невелико, если только не вводится специально эле­ мент, хорошо растворимый в a -фазе и упрочняющий ее.

Единственным а-стабилизатором, который в настоя­ щее время вводится в а+р-сплавы, является алюминий. Алюминий не только существенно упрочняет a-фазу как при комнатной, так и при повышенных температурах, но также повышает термическую стабильность p-фазы. По­ мимо этого, алюминий уменьшает удельный вес сплавов и тем самым компенсирует действие тяжелых переход­ ных элементов. При введении алюминия концентрацию переходных элементов уменьшают, чтобы суммарное уп­ рочнение, обусловленное переходными элементами и алю­ минием, не превышало приемлемого предела, при кото­ ром сохраняется удовлетворительная технологичность сплавов.

При эквивалентных количествах p-стабилизаторов в структуре типичных а+р-сплавов (но не псевдо-а и не псевдо-р) содержится примерно одно и то же количество p-фазы. Однако свойства сплавов, особенно технологиче­ ские, могут быть различными. Так, в частности, сплавы системы Ti—А1—Мо более прочны [147], чем эквивалент­ ные сплавы системы Ti—А1—V, но последние более тех­ нологичны.

На свойства а+р-сплавов существенное влияние ока­ зывает технология получения полуфабрикатов. Обработ­ ка давлением в а+р-области обеспечивает высокое по­ перечное сужение и удлинение, а в p-области повышен­ ную ударную вязкость и более высокое сопротивление ползучести при пониженных значениях поперечного су­ жения и удлинения. Меняя относительное количество а- и p-фаз, можно получить сплавы с большим диапазо­ ном свойств.

Термическая стабильность ряда титановых сплавов с высокой кратковременной и длительной жаропрочно­ стью оказалась все же недостаточной для применения

126

в современной авиационной и ракетной технике [84]. Особенно это относится к а+р-сплавам с большим ко­ личеством [3-стабнлизаторов и с активными эвтектоидными p-стабилизаторами^- а также к сплавам с вы­ соким содержанием алюмини^ГТ1едостаточная термиче­ ская стабильность а+Р-сплавов первой и второй групп связана с процессами распада p-фазы, в частности с эвтектоидным превращением. Поэтому сейчас осторожно относятся к легированию титановых сплавов хромом и марганцем. Характерно, что в номенклатуре зарубежных титановых сплавов, опубликованной в 1969 г. [85], лишь

сплавов с высоким содержанием алюминия обусловлена процессами упорядочения, протекающими в a -фазе, с об­ разованием сверхструктуры а 2. Помимо фазовых превра­ щений, на свойства а+р-сплавов при повышенных тем­ пературах вредное влияние оказывает поверхностное окисление, приводящее иногда к полной их хрупкости.

Механические свойства основных серийных а+р-спла- вов приведены в табл. 13. В первые годы применения ти­ тана нашли значительное распространение сплавы, ле­ гированные р-эвтектоидными стабилизаторами, иногда даже без дополнительного легирования алюминием. Прав­ да, а+р-титановые сплавы без алюминия в СССР не применяли, но за рубежом было несколько таких спла­ вов, из которых наиболее известны Ti—8Mn, Ti—140А (2Cr, 2Fe, 2Мо). Впоследствии оказалось, что сплавы это­ го типа термически нестабильны и плохо свариваются..

Один из первых отечественных сплавов ВТЗ (5% А1; 2,5% Сг) был легирован алюминием и р-эвтектоидным стабилизатором — хромом. Однако позднее было обна­ ружено, что при длительном нагреве этого сплава при температурах выше 350° С, особенно при одновременном действии напряжений, хотя и медленно, но происходит эвтектоидный распад p-фазы, что приводит к резкому па­ дению прочностных и особенно пластических свойств. По этой причине сплав ВТЗ сейчас не применяют.

Введение p-изоморфных стабилизаторов позволяет повысить термическую стабильность p-фазы, а следова­ тельно, и жаропрочность. В свое время для повышения термической стабильности в сплав ВТЗ было предложе­ но ввести молибден и этот модифицированный вариант

127

П р и м е ч а н и е . Звездочкой отмечены свойства, гарантированные по ТУ для катаных прутков диаметром 20—60 мм.

сплава ВТЗ и получил марку ВТЗ-1 [140, с. 73]. Впо­ следствии он был дополнительно легирован небольшими количествами железа и кремния, так как они повыша­ ют прочность сплава при сохранении высокой термиче­ ской стабильности [96,с. 142].

По фазовому составу сплав ВТЗ-1 отличается от спла­ ва ВТЗ большим количеством [1-фазы и отсутствием вы­ делений интерметаллида TiCr2. Сплав ВТЗ-1 имеет более мелкозернистую микроструктуру, чем сплав ВТЗ. Изде­ лия из сплава ВТЗ-1 обычно применяют после изотерми­ ческого отжига, который состоит из нагрева при 870— 920° С и изотермической выдержки при 600—650° С в течение 2 ч с последующим охлаждением на воздухе. После такого отжига сплав приобретает стабильную а+[Тструктуру, которая обеспечивает наиболее высокую термическую стабильность и максимальную пластичность. После одинарного отжига при 800—850° С сплав имеет большую прочность, чем после изотермического, но мень­ шую пластичность и термическую стабильность. Сплав ВТЗ-1 относится к числу наиболее освоенных в производ­ стве сплавов. Из него поставляют прутки, плиты, поков­ ки, штамповки. Сплав предназначен для работы при

400—450° С.

За рубежом наибольшее распространение получил сплав Ti—6А1—4V; в 1969 г. из него было изготовлено до 50% по объему всех полуфабрикатов, выпускаемых из титана и его сплавов [84]. В СССР применяют два род­ ственных сплава этой системы ВТ6 и ВТ6С. Сплав ВТ6С, который отличается от основного меньшим содержанием алюминия и ванадия, применяют для изготовления свар­ ных конструкций.

Для сплавов системы Ti—А1—V характерно удачное сочетание высоких механических и технологических свойств. Алюминий в этих сплавах повышает прочност­ ные и жаропрочные свойства, а ванадий относится к чи­ слу тех немногих легирующих элементов в титане, кото­ рые повышают не только прочностные свойства, но и пла­ стичность (Глазунов С. Г., Борисова Е. А. [140, с. 94]). Благоприятное влияние ванадия на пластические свой­ ства титановых сплавов связано с его специфическим влиянием на Параметры решетки а-титана. Большинство легирующих элементов (алюминий, хром, марганец, же­ лезо и др.) в титане увеличивает соотношение осей eja и приближают его к теоретическому значению 1,633, что

затрудняет скольжение по призматическим плоскостям и снижает пластичность. Ванадий, наоборот, уменьшает соотношение осей с/а и гем самым повышает' способность u-фазы к пластической деформации [148].

Помимо этого, ванадий затрудняет образование сверх­ структуры <22 и поэтому в сплавах системы Ti—А1—V можно допускать большие количества алюминия без опа­ сения охрупчивания материала при длительной эксплу­ атации, чем в двойных сплавах Ti—А1.

Сплавы типа ВТб обладают хорошим комплексом прочностных, пластических и технологических свойств [96, с. 170; 149, 150]. Из них изготавливают листы, прут­ ки, трубы, поковки и штамповки. Важным их преимуще­ ством перед другими а+р-сплавами является хорошая свариваемость. Сплавы типа ВТ6 могут свариваться точечной, стыковой и аргоно-дуговой сваркой с примене­ нием защитной атмосферы. Прочность сварного соедине­ ния составляет 90% от прочности основного металла. После сварки для восстановления пластичности матери­ ала необходимо применять термическую обработку, ко­ торая обычно состоит в отжиге при 700—800° С.

Сплав ВТ6 удовлетворительно обрабатывается резани­ ем, обладает высокой коррозионной стойкостью, в част­ ности в морской воде. Поэтому он нашел широкое при­ менение не только в авиационной и ракетной технике, но и в судостроении [150]. Его применяют для работы до температур 400—500° С.

Сплав ВТ8, легированный молибденом, алюминием и небольшим количеством кремния, относится в основном к системе Ti—А1—Мо. В сплавах системы Ti—А1—Мо молибден также затрудняет образование сверхструктуры аг, причем его действие в этом отношении сильнее, чем действие ванадия. Ли [150] отмечает, что сплавы, содер­ жащие 6—7% А1 и 2—3% Мо, обладают лучшим соче­ танием прочности и вязкости, чем сплав Ti—6А1—4V, но последний сплав применяется более широко в связи с на­ копленным успешным опытом его эксплуатации в ответ­ ственных конструкциях.

Сплав ВТ8 обладает высокой термической стабиль­ ностью; удовлетворительная пластичность (не ниже ис­ ходной) сохраняется при выдержках до 600 ч при тем­ пературах до 500° С [96, с. 176]. Он обладает высоким сопротивлением ползучести и по длительной прочности превосходит сплав ВТ6, что обусловлено более высоким

130

содержанием в нем алюминия и дополнительным леги­ рованием кремнием. По удельной теплопрочности при температурах до 450° С этот сплав превосходит нержа­ веющие стали типа Я1Т. К сожалению, сплав ВТ8 пло­ хо сваривается, недостаточно технологичен и рекоменду­ ется в основном в качестве ковочного материала. Сплав применяют в отожженном и термически упрочненном со­ стоянии при температурах до 500° С.

Титановые сплавы, как и другие металлические ма­ териалы, обладают лучшим комплексом свойств, если

вних введен не один элемент, а несколько родственных

втом же количестве. Первыми в мировой практике ком­ плексно легированными титановыми сплавами были

сплавы серии АТ, легированные одновременно алюмини­ ем, железом, хромом, кремнием и бором. Постепенные изменения претерпел и сплав ВТЗ-1: содержание приме­ сей железа и кремния в нем было увеличено и они стали легирующими элементами. По существу сейчас сплав ВТЗ-1 — это комплексно легированный сплав, содержа­ щий алюминий, хром, молибден, железо и кремний. Пер­ воначальный состав сплава ВТ16 был 2,5% А1 и 7,5% Мо, остальное титан. Исследования показали, что целесооб­ разно в нем молибден частично заменить ванадием [151], и в настоящее время принят следующий состав сплава: 2,5% А1; 4,5% Мо; 4,5% V. Комплексно легиро­ ванными являются а-сплавы ВТ 18, ВТ20, СТ1, СТ4, а+р-сплавы ВТ9, ВТ14, ВТ16, а также наиболее проч­ ный из промышленных сплавов а+р-сплав ВТ22.

Сплав ВТ9 отличается от сплава ВТ8 дополнитель­ ным легированием цирконием. Введение циркония в сплавы системы Ti—А1—Мо приводит к повышению прочности почти без снижения пластичности при сохра­ нении достаточно высокой термической стабильности [196, с. 185]. Ввиду благоприятного влияния циркония и высокого содержания алюминия сплав ВТ9 более жа­ ропрочен, чем другие а+р-титановые сплавы (рис. 72). Так, например, при 500° С длительная прочность за 100 ч сплава ВТ9 составляет 60 кге/мм2, а сплавов ВТЗ-1 и ВТ8 40 и 50 кге/мм2 соответственно. Сплав ВТ9 удовлет­ ворительно . деформируется при высоких температурах (1100—850° С) и из него изготавливают поковки, штам­ повки и прутки. Сплав может работать до 500—550°С.

Сплав ВТ 14 относится к системе Ti—А1—Мо—V [96, с. 154; 151]. Он содержит сравнительно мало р-стабили-