Термическая обработка титановых сплавов

 Термическая обработка титановых сплавов

Титан и α-сплавы титана не упрочняются термической обработкой, и их подвергают только рекристаллизациоиному отжигу. Температура отжига α + β-сплавов должна быть выше температуры рекристаллизации, но не превышать температуры превращения α + β → β, так как и в β-области происходит сильный рост зерна. Отжиг при температурах, соответствующих β-области, мало влияет на σ_в и σ_0,2, но сильно снижает δ и ψ. Вязкость разрушения К_1с возрастает при повышении температуры обработки в α + β-области при сохранении высоких значении δ и ψ. Для обеспечения высокой конструктивной прочности следует применять отжиг на 20–30 °С ниже температуры α + β → β-превращення (псевдо β-отжиг).

В последние годы все шире применяется вакуумный отжиг, который позволяет уменьшить содержание водорода в титановых сплавах, что приводит к существенному повышению вязкости разрушения, уменьшению склонности к замедленному разрушению и коррозионному растрескиванию.

Для снятия внутренних напряжений, возникающих при механической обработке α- и α + β-сплавов, применяют неполный отжиг при 550–600 °С; α + β-сплавы могут быть упрочнены закалкой с последующим старением.

Рассмотрим превращения, которые протекают в α + β-сплавах при закалке. При быстром охлаждении сплавов, нагретых до области β-фазы (рис.1), протекает сдвиговое мартенситное превращение. Как и в стали, мартенситное превращение в титановых сплавах протекает в интервале температур М_н–М_к. Чем выше содержание в сплаве β-стабилизаторов, тем ниже температура мартенситного превращения М_н и М_к (рис.1).

Рис.1. Структура сплавов титана после закалки из β–области (а) и влияние концентрации легирующих элементов (л.э.) на точку Мн (а и б)

После закалки малолегированных сплавов образуется α′-фаза (рис.1). Мартенситная α′-фаза представляет собой пересыщенный твердый раствор легирующих элементов в α-титане. Она имеет несколько искаженную гексагональную решетку и характерное для мартенсита игольчатое строение (рис.2а,б).

а)	б)
Рис.2. Микроструктуры сплавов титана (×100) а – α′-фаза; б – α′ + β-фазы (β-фаза – темные участки)

При концентрации легирующего элемента выше точки С (рис.1а) возникает мартенситная α″-фаза с ромбической решеткой. Появление α″-фазы вызывает уменьшение твердости и прочности сплавов и увеличение пластичности. После закалки сплавов, имеющих концентрацию β-стабилизатора более C_к, образуются α″- и β-фазы, а выше C′_к – только метастабильная β-фаза. В β-фазе, как это видно из рис.1, может образоваться мартенситная ω-фаза с гексагональной структурой, которая когерентно связана с матрицей и при микроструктурном анализе не выявляется. Возникновение ω-фазы сильно охрупчивает сплав.

Закалку α + β-сплавов во избежание сильного роста зерна производят от температур, соответствующих α + β-области (рис.1). При этом α′-фаза остается без изменений, а β-фаза претерпевает те же превращения, какие протекают в сплаве того же состава, что и β-фаза, при закалке из β-области. Например, для случая, приведенного на рис.1, при температуре t состав α-фазы определится точкой a, а состав β-фазы - точкой b; β-фаза этого состава при закалке приобретает структуру β(ω). Следовательно, структура всех сплавов после закалки с температуры t, отвечающей α + β-фазам, будет состоять из α + β (ω)-фаз. При закалке с температур выше t_к (рис.1) состав β-фазы будет меньше C_к, и при быстром охлаждении она будет полностью или частично испытывать мартенситное превращение. Структура сплавов после закалки будет α + α″ + β (ω), или α + α″, или α + α′ (рис.1).

В процессе старения закаленных сплавов происходит их упрочнение, обусловленное распадом α″-фазы и остаточной β-фазы. Повышение прочности при распаде α″-фазы невелико. Упрочнение, связанное с образованием ω-фазы, использовать нельзя из-за возникновения высокой хрупкости сплавов. Чтобы избежать хрупкости, связанной с образованием ω-фазы, применяют более высокую температуру старения: 450–600 °С.

Упрочняющая термическая обработка для крупных деталей из титановых сплавов применяется редко. Это объясняется малой прокаливаемостъю титановых сплавов, низким значением вязкости разрушения (К_1с) и короблением деталей. Прокаливаемость возрастает с увеличением содержания β-фазы, усложнением состава сплава (ВТ9, ВТЗ, ВТ22) и применением регламентированной скорости охлаждения при закалке (для сплавов ВТЗ-1, ВТ9 до 20 °С/с).

Высокую конструктивную прочность обеспечивает «мягкая закалка», которая сводится к нагреву при температурах α + β-области. охлаждению со скоростью 50–150 °С/ч до 700–600 °С и последующему охлаждению на воздухе или в воде. После мягкой закалки производится старение при 450–500 °С. После такой обработки частицы α″-фазы в метастабильной β-фазе вместо пластинчатой формы имеют округлую форму, что и повышает надежность деталей в эксплуатации.

Типовые сплавы имеют низкие антифрикционные свойства, и при использовании в узлах трения они подвергаются химикотермической обработке. Для повышения износостойкости титан азотируют при 850–950 °С в течение 30–60 ч в атмосфере азота.

Толщина диффузионного слоя в сплавах титана после азотирования при 950 °С в течение 30 ч 0,05–0,15 мм, HV 750–900.