НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

По влиянию на полиморфизм титана все легирующие элементы подразделяются на три группы: α-стабилизаторы, β-стабилизаторы и нейтральные элементы. Практическое значение для легирования титана имеет только алюминий, так как кислород и азот сильно охрупчивают титановые сплавы. Алюминий — широко распространенный, доступный

и дешевый металл. Введение его в титановые сплавы уменьшает их плотность и склонность к водородной хрупкости, повышает модуль упругости, прочность (рис. 2), жаропрочность и жаростойкость. В левой части диаграммы состояния (рис. 3, а) титан с алюминием

образует два интерметаллидных соединения TiAl и Ti₃Al и два твердых раствора: α-твердый раствор алюминия в Ti_α с концентрацией алюминия от 7,5% при комнатной температуре до 11,6% при перитектоидной (1080° С) температуре, β-твердый раствор алюминия в Ti_β с предельной растворимостью30% и промежуточную фазу переменного состава a2 (Ti3Al) с гексагональной кристаллической решеткой и упорядоченным расположением атомов. α₂-фаза появляется в двойных титановых сплавах при содержании алюминия более 7,5% и резко охрупчивает сплавы. Добавка к сплавам титана с алюминием таких β-стабилиза торов, как V, Mo, Nb, Мп, уменьшает склонность к образованию упорядоченной структуры. В этом случае α₂-фаза образуется при большем содержании алюминия. Кроме того, в структуре появляется β-фаза, которая заметно улучшает технологическую пластичность сплавов. Поскольку α-стабилизаторы значительно повышают температуру полиморфного превращения титана, превращение в сплавах с устойчивой α-структурой происходит при высоких температурах, когда реализуется нормальный механизм полиморфного превращения.

Переохладить β-фазу до низких температур, при которых возможно мартенситное превращение, в этих сплавах не удается даже при очень больших скоростях охлаждения, поэтому сплавы с устойчивойα-структурой не способны упрочняться

путем термической обработки.

Снижая температуру полиморфного превращения титана, β-стабилизаторы расширяют область твердых растворов на основе Ti_β.

Они образуют с титаном диаграммы состояния двух типов. Некоторые из изоморфных β-стабилизаторов, имеющих, как и Ti_β, кристаллическую решетку объемноцентрированного куба, Мо, V, Та, Nb неограниченно растворяются в Ti_β. Ti — Мо представлена на рис. 196, б. Растворимость молибдена в Ti_α мала (при 600° С около 1 %), тогда как в Ti_β, он растворяется неограниченно. Другие β-стабилизаторы, например Cr, Mn, Fe, Ni, W, Си образуют с титаном диаграммы состояния с эвтектоидным распадом β-фазы на механическую смесь а и γ-фаз (см. рис. 194, в); γ-промежуточная фаза переменного или постоянного состава, образованная титаном и легирующим элементом, например, фаза Лавеса TiCr2 в системе Ti —Cr. Эвтектоидный распад вызывает резкое повышение хрупкости титановых сплавов.

В некоторых системах (Ti — Си, Ti — Ag и др.) превращение происходит очень быстро и переохладить β-фазу до комнатных температур нельзя даже при высоких скоростях охлаждения. В других системах (Ti — Mn, Ti — Cr, Ti — Fe) эвтектоидное превращение про-

исходит только в условиях охлаждения, близких к равновесным.

В этих сплавах эвтектоидного распада практически не наблюдается, а превращение идет как в сплавах с диаграммами состояния первого типа.В этих сплавах β-

фаза легко переохлаж-

дается. В зависимости от степени легированности β-фаза или превращается при низких температурах путем реализации мартенситного механизма, или фиксируется при комнатных температурах без превращения. Способность β-фазы к переохлаждению лежит в основе упрочняющей термической обработки титановых сплавов. Согласно приведенным диаграммам состояния титановые сплавы, легированные р-стабилизаторами могут иметь однофазную структуру α-твердого раствора малой концентрации, двухфазную (α + β) структуру при большем содержании легирующих элементов и однофазную структуру β-твер-

дого раствора в случае легирования сплавов большим количеством таких изоморфных β-стабилизаторов, как V, Mo, Nb, Та.

Большинство легирующих элементов, являющихся β-стабилизаторами, повышает прочность, жаропрочность и термическую стабильность титановых сплавов, несколько снижая их пластичность (см. рис. 2). Кроме того, они способствуют упрочнению сплавов

с помощью термической обработки. Наиболее благоприятное влияние на свойства титановых сплавов оказывают Мо, V, Сг, Мп.

Нейтральные элементы Sn, Zr, Hf, Th мало влияют на температуру полиморфного превращения.Они образуют с титаном диаграммы состояния.Реальная диаграмма состояния подобного типа системы Ti — Zr приведена на (рис. 3, в.) Анализ диаграмм состояния показывает, что легирование титановых сплавов нейтральными элементами не меняет их фазового состава. Нейтральные элементы влияют на свойства титановых сплавов благодаря изменению свойств α и β-фаз, в которых они раство-

ряются.

Наибольшее практическое значение имеют олово и цирконий. Олово упрочняет титановые сплавы без заметного снижения пластичности, значительно повышает их жаропрочность, цирконий увеличивает предел ползучести и длительную прочность.