= |
+ |
(109) |
Поскольку |
для титановых сплавов |
V A?jAa <С1, то |
допустимая концентрация водорода увеличивается с уве личением количества p-фазы. Однако следует учесть, что склонность сплавов к водородной хрупкости зависит не только от склонности фазы к хрупкости, но и от ее коли чества. При ничтожно малом количестве p-фазы, хотя она и очень хрупка, сплав не будет хрупким. Поэтому склонность а+р-сплавов к водородной хрупкости первого рода можно описать кривой с максимумом (рис. 262). При некотором содержании p-фазы (порядка 5%) склон ность сплавов к водородной хрупкости будет максималь ной.
Следует учесть, что водород, будучи р-стабилизато- ром, увеличивает количество p-фазы. Сплавы ОТ4, ОТ4-1 содержат такое небольшое количество p-фазы, что уве личение ее количества при введении водорода лишь спо собствует усилению водородной хрупкости.
В таких сплавах, как ВТЗ-1, ВТ6 и ВТ8, увеличение содержания p-фазы при введении водорода уменьшает склонность сплавов к водородной хрупкости и поэтому она проявляется при концентрациях, больших расчетных.
Выше шла речь о склонности сплавов к водородной хрупкости I рода. Эти же соображения могут быть при менены к приближенной оценке склонности сплавов к во дородной хрупкости II рода.
Из приведенных выше рассуждений следуют весьма неблагоприятные выводы в отношении склонности к во дородной хрупкости листовых сплавов, от которых требу ется сочетание хорошей технологичности при штамповке с хорошей свариваемостью. По существующим сейчас представлениям такие сплавы непременно должны со держать небольшое количество p-фазы. В связи с этим возникает необходимость более детального анализа тех факторов, которые определяют склонность а+Р-сллавов к водородной хрупкости.
Из уравнения (109) следует, что чувствительность а+р-сплавов к водородной хрупкости можно уменьшить, по крайней мере, тремя способами:
а) увеличением доли p-фазы т в сплаве;
б) увеличением критической концентрации водорода в p-фазе (Сркр ), свыше которой начинается ее охрупчи
вание;
в) уменьшением соотношения концентраций водоро да в р- и a -фазах ( V A a A;i = С ? Са ).
Параметр (т ) зависит в основном от р-стабилизиру- ющего действия легирующих элементов, от их количества, а также от режимов термической обработки сплавов. По скольку т можно менять от 0 до 1, то максимально до пустимые концентрации водорода за счет указанного
фактора будут изменяться от Счкр V AJAa до С, .
Можно предположить следующую технологию, кото рая позволит сочетать хорошую технологичность с пони женной склонностью к водородной хрупкости. Для обес
|
|
печения хорошей технологи |
|
|
чности а+р-сплав следует |
|
|
отжигать в а+р-области при |
|
|
достаточно низкой |
темпера |
|
|
туре Ти при которой количе |
|
|
ство p-фазы невелико (рис. |
|
|
263). |
|
|
|
|
|
Разумеется, состав спла |
|
|
ва и режим отжига должны |
|
|
быть |
выбраны так, |
чтобы |
|
|
p-фаза при охлаждении не |
|
Содержание /З-стодилизотооо |
распалась. Особенно |
следу |
|
ет опасаться появления а'- |
|
|
|
Рис. 263. Схема к определению ре |
фазы, так как она резко уве |
|
жимов отжига, уменьшающих склон |
личивает склонность |
спла |
|
ность а.-ИЗ-сплавов к водородной |
|
хрупкости |
вов к |
водородной |
хрупко |
сти.
Далее после штамповки и сварки изделия из сплава нужно отжечь при более высокой температуре Т2, чтобы обеспечить достаточно большое количество p-фазы. Ско рость охлаждения после такого отжига должна быть до статочно высока (например, на воздухе), чтобы р-фаза не переходила в а'-фазу в процессе охлаждения. Эффек тивность такого отжига можно проиллюстрировать дан ными, полученными для сплава ОТ4-1 [387]. Если после медленного охлаждения с 900° С ударная вязкость спла ва ОТ4-1 резко снижается уже при 0,008% Н2, то после охлаждения на воздухе .или в воде даже 0,024% Н2 влия ют на нее незначительно (рис. 191).
Критическая концентрация водорода в p-фазе Сркр зависит в основном от природы легирующих элементов. Поскольку хрупкость p-фазы обусловлена искажением
решетки внедренными атомами водорода, то, по-видимо- му, для уменьшения склонности р-сплавов к водородной хрупкости их нужно легировать элементами с размерами атомов, по возможности более близкими к размерам ато мов титана.
Соотношение концентраций водорода в р- и а-фазах также зависит в основном от природы легирующих эле ментов. Это соотношение будет уменьшаться с уменьше нием разницы теплот растворения водорода в р- и а-фа зах. К сожалению, теоретически даже качественно оце нить влияние легирующих элементов на теплоту раство рения водорода в фазах затруднительно и приходится обращаться к экспериментальным данным.
Количественная оценка влияния ванадия и марган ца на склонность а+р-сплавов к водородной хрупкости была дана Л. Н. Журавлевым. Им было выбрано по два сплава систем Ti—А1—V и Ti—А1—Мп с примерно оди наковым количеством p-фазы: Ti—ЗА1—3V; Ti—ЗА1— 2,25Мп и Ti—ЗА1—6V; Ti—3A1—3,35Mn. Из приведенных выше рис. 259 и 260 видно, что сплавы, легированные ванадием, менее склонны к водородной хрупкости, чем сплавы, легированные марганцем. Так сплав Ti—ЗА1— 2,25Мп охрупчивается при 0,01% Н2 в то время, как сплав Ti—ЗА1—3V с таким же количеством p-фазы не охрупчивается даже при 0,02% Н2. Сплав Ti—ЗА1— 3,35Мп охрупчивается при 0,028% Н2, а сплав Ti—ЗА1— 6V становится хрупким при содержании водорода более 0,05%- Таким образом, ванадий уменьшает склонность p-фазы к водородной хрупкости в большей степени, чем марганец. Полученные результаты можно обобщить: для того чтобы уменьшить склонность а+р-титановых спла вов к водородной хрупкости, их нужно легировать р-изо- морфными элементами, а не р-эвтектоидными.
Выше приведены лишь общие соображения. Разуме ется, на их основе нельзя предложить определенного со става сплава, мало чувствительного к водородной хруп кости. Но эти соображения, несомненно, следует иметь в виду при разработке конкретных сплавов, мало склон ных к водородной хрупкости.
ДРУГИЕ МЕТОДЫ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ВОДОРОДНОЙ ХРУПКОСТИ
В тех случаях, когда титан и его сплавы в процессе эксплуатации или при производстве полуфабрикатов ока зываются в атмосфере газов, содержащих водород, необ ходимо принимать меры, препятствующие проникновению водорода в титан.
Вкачестве одной из мер предотвращения проникнове ния газов в титан при высоких температурах было пред ложено покрывать изделия или полуфабрикаты из него слоем краски, не пропускающей газы [6,72].
Втом случае, если покрытие нужно удалить после нагрева, необходимо, чтобы оно имело резко отличный от титана коэффициент термического расширения.
Для предотвращения загрязнения титана газами в
процессе термической обработки фирма Боинг Аэрплейн Компани рекомендует покрывать листы слоем алюминиево-силиконовой краски. Эту краску наносят в четыре слоя с интервалами между покрытиями в полча са, после чего листы сушат в течение 24 ч и затем прока ливают при 700° С в течение 4—6 ч. После термической обработки защитное покрытие снимают смягчающей об работкой и травлением в плавиковой кислоте.
Описанный выше метод недостаточно удовлетворите лен из-за неравномерности удаления покрытия и дли тельности процесса. Более удобно керамическое стеклян ное покрытие, состоящее из порошкообразного стекла и органического связующего вещества. Его наносят напы лением в два или три слоя. После нанесения покрытия никакой специальной обработки не требуется; изделие можно сразу нагревать для термической обработки. Ор ганическое вещество при нагреве выгорает, а керамиче ское расплавляется при 800° С. В итоге изделие оказыва ется как бы в стеклянной оболочке, не пропускающей газы.
Керамическое покрытие легко снимается закалкой из делия в воде благодаря резко отличному от титана ко эффициенту линейного расширения. В случае необходи мости покрытие можно также удалить в растворе каусти ка. Аналогичное покрытие может быть применено не только для предотвращения проникновения газов в ти тан во время термической обработки, но также для за щиты от проникновения газов готовых изделий в услови
ях их эксплуатации, в частности в атмосфере газов, со держащих водород. Другие подобные покрытия, описанные в монографии Н. М. Пульцина [72] как спо собы защиты от окисления, также, по-видимому, приме нимы для уменьшения наводороживания при термиче ской обработке.
Для снижения интенсивности наводороживания в процессе эксплуатации при обычных для титановых сплавов рабочих температурах достаточно эффективно даже легкое окисление на воздухе.
Сублимированные в высоком вакууме пленки титана поглощают водород при комнатной температуре; отож женный в вакууме иодидный титан начинает взаимодей ствовать с водородом при температурах выше 250° С, а технический титан с естественной окисной пленкой на поверхности не поглощает водород в заметной степени
до 350° |
С. После нагрева |
титана на воздухе при темпе |
ратуре |
700° С в течение |
2—6 ч заметного взаимодейст |
вия водорода с титаном |
при температуре 450° С в тече |
ние 10 ч обнаружено не было. К сожалению, не было проведено специальных экспериментов, которые показа ли бы, как долго сохраняется защитное действие окисной пленки на поверхности титана и до какой температуры она оказывается эффективной.
Как известно, титан и его сплавы подвергают хими котермической обработке: оксидированию, азотирова нию, борированию, карбидированию, силицированию. Наибольшие успехи достигнуты в азотировании титана и его сплавов. Подобные покрытия увеличивают износо стойкость титана, уменьшают коэффициент его трения в паре со многими металлами, повышают коррозионную стойкость титана и его сплавов во многих агрессивных средах. По нашему мнению, защитные покрытия, созда ваемые методами химикотермической обработки, могут заметно повышать стойкость титана в содержащих во дород средах.
Еще один способ борьбы с водородной хрупкостью титана и его сплавов — введение в рабочие среды инги биторов, затрудняющих взаимодействие металла с водо родом. Как было указано на с. 282, кислород и пары во ды-, содержащиеся в водороде, замедляют поглощение.
И, наконец, для исключения или уменьшения интен сивности взаимодействия титановых изделий в процессе их эксплуатации с водородом или парами воды, содер
