Промышленные титановые сплавы

Состав литейных и деформируемых титановых сплавов совпадает, поэтому общепринятого деления на эти две группы нет.

Согласно ГОСТ 10907-91 российские промышленные титановые сплавы обозначают буквами «АТ», «ВТ» или «ОТ»,за которыми стоят одна или две цифры, указывающие на порядковый номер сплава. Если сплав используется не только как деформируемый, но и как литейный, то обозначение его марки заканчивается буквой «Л» (например, ВТ5Л, ВТ31Л, ВТ9Л и др.). В литейных сплавах допускается большее содержание примесей по сравнению с деформируемыми сплавами.

Отдельные титановые сплавы обозначают только цифрами. Марка таких сплавов состоит из четырёх цифр (две первые - 42), из которых последние две цифры также обозначают порядковый номер сплава (например, 4201). Состав и механические свойства промышленных титановых сплавов разных групп приведены в табл. 3.3.

Таблица 3.3.

Средний состав (ГОСТ 19807 – 97) и механические свойства деформируемых титановых сплавов (Б.А. Колачев)

Деформируемые титановые α- и псевдо-α-сплав

α- Сплавы. К их числу относятся технический титан, а также сплавы, легированные алюминием и нейтральными упрочнителями - оловом и цирконием.

Сплавы этого класса отличаются повышенной жаропрочностью, высокой термической стабильностью, отсутствием хладноломкости, хорошей свариваемостью. Эти сплавы однофазны, поэтому не возникает охрупчивания в шве и в околошовной зоне.

К недостаткам α-сплавов следует отнести их сравнительно невысокую прочность, они термически не упрочняются.

Подавляющее большинство титановых сплавов содержит в качестве легирующего элемента алюминий, который повышает прочность и жаропрочность, снижает плотность уменьшает склонность к водородной хрупкости. При содержании Al > 5 % технологическая пластичность сплавов невелика. С увеличением содержания алюминия повышаются рабочите температуры α-Ti сплавов, но возникакет опасность их охрупчивания в результате выделения α₂-фазы. Сплавы этого класса склонны к водородной хрупкости.

К α-сплавам относят технически чистый нелегированный титан марок ВТ1-00 и ВТ 1-0 (сумма примесей не > 0,9 и 1,7 % соответственно).

Наиболее широко используют титан ВТ1-0, содержащий не > 0,7% Al, 0,3 % Fe, 0,1 % С, 0,2 % О, 0,04 % N и 0,01 % Н. Его применяют для изготовления трубопроводов и емкостей для перекачки и хранения агрессивных жидкостей.

Родоначальником промышленных титановых сплавов является двойной сплав Ti - 5% Al (ВТ5), который в настоящее время используют только для фасонного литья.

Из α-сплавов наиболее широко применяют для производства разнообразных полуфабрикатов (листов, прутиков, штамповок) сплав ВТ5-1. Он термически не упрочняется, хорошо сваривается, отличается достаточно высокими механическими свойствами (ơ_в = 800-1000 МПа; δ = 8%; KCU = 40 Дж/см²), нашёл широкое применение в различных отраслях техники, включая криогенную технику. Сплав жаропрочен до температур, не превышающих 450 °С.

Псевдо-α-сплавы Эти сплавы содержат до 1-2,5 % β-стабилизаторов, а также алюминий и нейтральные упрочнители. Поэтому в их структуре в отожженном состоянии присутствует 2-6 % (об.) β-фазы. Небольшое количество β-фазы оказывает положительное влияние на пластичность псевдо-α-сплавов при комнатной, особенно при повышенных температурах. Поэтому эти сплавы более технологичны при обработке давлением по сравнению с α-сплавами, содержащими повышенное количество алюминия (ВТ5 и ВТ 5-1). При одинаковой пластичности псевдо-α-сплавы на 10-20 % прочнее α-сплавов, что объясняется их более мелкозернистой и гетерогенной структурой. Псевдо-α-сплавы с повышенным содержанием алюминия (6-7%) отличаются высокой жаропрочностью и используются при максимально высоких рабочих температурах (550-600 °С).

Образующаяся при закалке мартенситная α'-фаза в этих сплавах по своим механическим свойствам мало отличается от равновесной α-фазы. Поэтому псевдо-α-сплавы упрочняющей термической обработке не подвергают.

При комнатной температуре псевдо-α-сплавы имеют структуру, состоящую в основной из α-фазы. В свою очередь β-фаза металлографически при средних увеличениях не обнаруживается, что связано с малым ее количеством.

Псевдо-α-сплавы можно разделить на два типа: высокотехнологичные сплавы малой и средней прочности; высокожаропрочные сплавы.

Наиболее широкое применение в промышленности среди псевдо-α-сплавы получили сплавы ОТ4-0, ОТ4-1 и ОТ4.

В серии сплавов ОТ с повышением содержания алюминия и марганца прочность возрастает, а пластичность и технологичность ухудшаются. Сплавы этого типа применяют в отожженном состоянии для производства деталей с применением сварки, штамповки и гибки, работающих до температуры 350 °С.

Сплав ОТ4-1 относится к числу наиболее технологичных. Он легко штампуется, но имеет сравнительно невысокую прочность

Основными легирующими элементами жаропрочных псевдо-α-сплавы являются алюминий, олово и цирконий. Алюминий не только повышает жаропрочность псевдо-α-сплавов, но и увеличивает растворимость изоморфных β-стабилизаторов в α-фазе, создавая дополнительные возможности растворного упрочнения этими элементами. При содержании - 4-6 % Al растворимость в α-фазе (при 550-800 °С) таких элементов, как вандий, ниобий. молибден, хром, марганец, железо возрастает на 1-1,5 %.

Жаропрочность псевдо-α-сплавов определяется не только их химическим составом, она так же существенно зависит от их тонкой структуры. Чем стабильнее субструктура, тем при прочих равных условиях выше жаропрочность. Например, формирование полигонизованной субструктуры способствует повышению жаропрочности.

Псевдо-α-сплавы долгое время применяли только в отожженном состоянии со стабилизированной структурой. Позднее было обнаружено, что пластинчатые структуры обеспечивают лучший комплекс свойств жаропрочных сплавов по сравнению с глобулярными структурами, причем структуры корзиночного плетения предпочтительнее колоний α-пластин, так как первые обеспечивают более высокое сопротивление ползучести, меньшую скорость роста трещин, большую вязкость разрушения. Характеристики пластичности при этом несколько снижаются.

В целях уменьшения внутренних напряжений, возникающих при охлаждении с температур β-области, охлаждение проводят в масле. Далее сплавы подвергают старению при 550-600 °С в течение - 24 ч, чтобы снять остаточные напряжения и выделить силициды из пересыщенного раствора, которые способствуют повышению жаропрочности.

Среди жаропрочных псевдо-α-сплавы широкое распространение получил сплав ВТ20 с высоким содержанием алюминия и дополнительно легированный цирконием, ванадием и молибденом. Он менее пластичен, чем сплавы серии ОТ4, но значительно более прочен и жаропрочен. Сплав ВТ20 является наиболее жаропрочным листовым титановым сплавом и предназначен для длительной работы при температурах до 500 °С.

Сплав Ат20 разрабатывали как более прочный листовой сплав по сравнению с Вт5-1. Гарантированное временное сопротивление разрыву листов из сплава Вт20 составляет 950 вместо 750 МПа а для сплава Вт 5-1 при практически одинаковом относительном удлинении и поперечном сужении (δ - 9 % и Ψ - 27 %). Упрочнение сплава Вт20 обусловлено его легированием помимо алюминия цирконием и небольшими количествами молибдена и ванадия. Технологическая пластичность сплава Вт20 ниже, чем сплавов типа ОТ4 из-за большого содержания алюминия, но он хорошо деформируется в горячем состоянии и поставляется в виде листов, плит, прутков, профилей, поковок, штамповок. Листовую штамповку сплава можно проводить лишь при 800-900 °С. Сплав ВТ20 отличается высокой жаропрочностью (ơ = 570 МПа). Он хорошо сваривается, прочность сварного соединения равна прочности основного металла. Сплав предназначен для изготовления изделий, работающих длительное время при температурах до 450-500 °С. Он довольно широко применяется для изготовления ответственных сварных конструкций самолётов.

В структуре сплава АТ3 при комнатной температуре присутствует α-фаза и небольшое количество β-фазы. Данный сплав сохраняет высокую пластичность и ударную вязкость, вплоть до температур жидкого водорода.

Выдержка после закалки при температуре 400 С в течение 100 ч не приводит к существенным изменениям механических свойств (табл. 3.4). Из сплава АТ3 изготавливают детали, работающие в сложных условиях нагружения.

Единственный вид конечной термообработки α-сплавов и псевдо-α-сплавов

- отжиг для снятия наклепа и уменьшения остаточных напряжений.

Таблица 3.4.

Механические свойства деформируемых титановых сплавов после закалки и старения

Деформируемые (α+β)-сплавы

Двухфазные (α+β)-сплавы условно можно разделить на две группы:

1) сплавы средней (Вт6) и высокой прочности (ВТ14, ВТ16), используемые при комнатной и невысоких температурах;

2) жаропрочные сплавы (ВТ3-1, ВТ8, ВТ9), используемые при температурах 450-550 °С.

Сплавы средней и высокой прочности в зависимости от назначения используют в отожженном или термически упрочнённом состоянии.

На микроструктуру отожженных сплавов сильное влияние оказывают температура отжига и скорость охлаждения с этой температуры, а в случае упрочняющей термической обработки - температура нагрева под закалку и последующего старения.

Сплав ВТ6 (международное обозначение Ti-6-4) -это самый универсальный по применению (включая протезы в хирургии) титановый сплав, из которого получают все виды полуфабрикатов. Из сплава ВТ6 получают прутки, трубы, профили, поковки, штамповки, плиты, листы. Он сваривается всеми традиционными видами сварки, в том числе диффузионной. При электронно-лучевой сварке прочность сварного шва практически равна прочности основного материала. Сварные соединения подвергают отжигу для снятия напряжений при температурах 600-700 °С длительностью не менее часа

Термическое упрочнение сплава ВТ6 состоит из закалки с температур 880-950 °С и старения при 450-550 °С в течение 2-8 ч, что обеспечивает некоторое повышение прочностных характеристик на (20-30 %) при незначительном падении пластичности.

Сплав ВТ14 предназначается главным образом для изготовления крепежных деталей - болтов, винтов, заклепок и т.п. Основным видом полуфабриката, изготавливаемого из этого сплава, является пруток диаметром 4 до 20мм, полученный прокаткой или волочением.

Благодаря высокому содержания β-фазы отожженный сплав ВТ17 обладает высокой пластичностью и технологичностью (ơ = 14 %). Он хорошо деформируется как в горячем, так и в холодном состоянии, что обусловлено не только большим количеством β-фазы, но и малым содержанием алюминия.

Закалку сплава осуществляют после нагрева температур 780-840 °С. с охлаждением в воде. Закаленный сплав ВТ16 (рис.3.15) отличается средней прочностью, малым пределом текучести и высокой пластичностью (ơ_в = 900 МПа, ơ_0,2 = 450-500 МПа, δ= 20 %).

Сплав ВТ17 хорошо сваривается; сварные соединения, выполненные из этого сплава, отличаются высокой пластичностью непосредственно после сварки.

Широкое распространение получил жаропрочный сплав ВТ9 системы Ti-Al-Mo-Si, который легирован цирконием, что приводит к повышению прочности почти без снижения пластичности при сохранении достаточно высокой термической стабильности. Данный сплав удовлетворительно деформируется при высоких температурах (1100-850 °С) и из него изготавливают поковки, штамповки и прутки. Сплав может работать до 500 °С.

Сплав ВТ22 относится к сильнолегированным высокопрочным сплавам системы Ti-Al-V-Mo-Cr-Fe. Сплав обладает хорошей технологической пластичностью при горячей обработке давлением. Из него получают прутки, профили, трубы, поковки, штамповки, плиты. Сплав удовлетворительно сваривается сваркой плавлением, аргонодуговой сваркой, сваркой под флюсом, роликовой и точечной сваркой. После сварки необходимо проводить отжиг для улучшения комплекса механических свойств сварного соединения.

Из сплава Вт22 могут быть изготовлены поковки и штамповки массой в несколько тонн. Дополнительное упрочнение сплава ВТ22 может быть достигнуто закалкой с температур 720-780 °С и старением при 480-600 °С в течение 4-10 ч. сплав длительно работает до температур 450-400 °С.

Деформируемые псевдо – β – сплавы и β – сплавы

Псевдо – β – сплавы относятся к наиболее легированным. Содержание только β-стабилизаторов в них достигает 15-20 %.

После отжига при температурах ниже Т _пп помимо β-фазы в структуре присутствует небольшое количество α-фазы, расположенный по ее границам.

К достоинствам псевдо-β-сплавов следует отнести:

- сравнительно легкую обрабатываемость давлением в процессе производства полуфабрикатов. Из-за низкой температуры Т _пп достаточно большое, оптимальное для горячей обработки давлением количество β-фазы может быть достигнуто при невысоких температурах, поэтому напряжения течения металла при горячей деформации псевдо-β-сплавов невелики;

- высокую технологическую пластичность в закаленном состоянии. Это связанно с тем, что β-фаза, имеющая ОЦК решетку, по своей природе более пластичная, чем гексагональная α-фаза примерно такой же степени легирированности. В закаленном состоянии β-сплавы имеют невысокую прочность, большое относительное удлинение и поперечное сужение и поэтому хорошо обрабатываются давлением;

- большой эффект термического упрочнения. Это связано с большим пресыщением закаленной β-фазы, распад которой при старении обеспечивает повышение прочности сплавов в 1,5-1,7 раза;

- высокую прокаливаемость. Сплавы прокаливаются практически при всех сечениях промышленных полуфабрикатов;

- более удачное, по сравнению со сплавами других групп сочетание механических и эксплуатационных свойств: высокая прочность, удовлетворительные пластичность, вязкость разрушения, сопротивление коррозионному растрескиванию;

- высокую коррозионную стойкость, особенно при большом содержании молибдена;

- малую склонность β-титановых сплавов к водородной хрупкости.

Сплав ВТ35 легирован алюминием, что облегчает преодоление технологических трудностей при литье слитков, способствует подавлению

β → ω - превращения, увеличивает эффект старения из-за растворного упрочнения выделяющейся при старении α-фазы, понижает плотность сплава. Варьируя режимы закалки и старения, можно получить широкий диапазон механических свойств (ơ_в= 1100-1400 МПа; δ= 18-4 %).

Сплав предназначен для изготовления соответственных деталей самолетостроения, длительно работающих до температур 260-300 °С.

Сплав ВТ19 достаточно технологичен как при горячей, так и при холодной обработке давлением. Этот сплав поставляется в виде поковок, штамповок, прутков, плит и листов толщиной 10-0,8мм.

Недостатки β-титановых сплавов:

- невысокая термическая стабильность, в результате чего их нельзя применять для длительной работы при температурах выше 450 °С;

- затруднение при сварке, обусловленные ростом зерна в колошовной зоне и ликвацией в сварном состоянии;

- большой разброс механических свойств, вызванный химической неоднородностью сплавов в связи с высокой степенью из легирования и большой чувствительностью процесса старения к содержанию примесей внедрения;

- сравнительно высокая плотность (4,7-5,0 г/см³).