Титанның және оның құймаларының классификациясы

Техникалық титан жә не оның қ ұ ймаларын титан губкасынан алады. Титандық губка — тесіктері бар сұ р зат, ү йме массасы 1, 5—2, 0 г/см³ жә не тұ тқ ырлығ ы ө те жоғ ары.

Қ оспалардың мө лшеріне байланысты техникалық титан бірнеше сұ рыптарғ а бө леді: ВТ1-00 (99, 53% Ti), ВТ1-0 (99, 48 % Ti) и ВТ1-1 (99, 44 % Ti).

Қ азіргі уақ ыттағ ы титандық қ ұ ймалардың классификациясы қ ұ рылымғ а байланысты (ө ндірістік режимдер бойынша кү йдіру кезінде формаланады):

1. a -қ ұ ймалар, қ ұ рылымы a -фазамен кө рсетілген.

2. Псевдо- a -қ ұ ймалар, қ ұ рылымы a - фазамен жә не аз мө лшердегі b -фазамен (5% кө п емес) немесе интерметаллидтермен кө рсетілген.

3. (a +b) -қ ұ ймалар, қ ұ рылымы a - жә не b -фазалармен кө рсетілген; бұ л типті қ ұ ймаларда интерметаллидтер болуы мү мкін.

4. Псевдо-b -қ ұ ймалар кү йдірілген кү йде a -фаза жә не кө п мө лшердегі b -фазаның мө лшері бар қ ұ рылыммен кө рсетілген; бұ л қ ұ ймаларда b -ауданннан суару (закалка) жә не нормализациямен бірфазалы b -қ ұ рылымды жең іл алуғ а болады.

5. b -қ ұ ймалар, қ ұ рылымы термиялық тұ рақ ты (стабильді) b -фазамен кө рсетілген.

6. Интерметаллидтер негізіндегі қ ұ ймалар

Титан қ ұ ймаларының жалпы сипаттамасы:

Барлық титан қ ұ ймалары дерлік алюминиймен легирленеді, ол басқ а легирлеуші компоненттердің алдында келесі артық шылық тарғ а ие:

а) қ ол жетімді жә не салыстырмалы арзан;

б) алюминий тығ ыздығ ы титанның тығ ыздығ ынан біршама аз, сондық тан алюминийді енгізу қ ұ ймалардың меншікті беріктілігін арттырады;

в) алюминий a -, (a +b)- жә не b - қ ұ ймаларды эффективті беріктендіреді (қ анағ аттанарлық созымдылыты сақ тай отыра);

г) алюминий мө лшерінің артуымен қ ұ ймалардың ыстық қ а тө зіділігі артады;

д) алюминий серпімділік модульдерін арттырады;

е) қ ұ ймаларда алюминий мө лшерінің артуымен олардың сутектік нә зіктікке (хрупкость) бейімділігі тө мендейді;

Алайда алюминийдің мө лшері артуымен титан қ ұ ймаларының тұ здық коррозияғ а сезімділігі артады, сонымен қ атар олардың технологиялық пластикалығ ы тө мендейді. Сондық тан егер қ ұ ймалардың 250-550°С температуралар интервалында (немесе жоғ арғ ы технологиялық созылымдылық қ ажет болғ анда) ас тұ зымен жұ мыс кезінде титан қ ұ ймаларының қ ұ рамындағ ы алюминий мө лшерін шектеу керек.

Титандық a -қ ұ ймалар, Al басқ а, бейтарап беріктендіргіштермен упрочнителями (Sn жә не Zr) легирленеді. Весьма ценным свойством a -сплавов титана является их хорошая свариваемость; эти сплавы даже при значительном содержании алюминия однофазны, поэтому не возникает охрупчивания шва и околошовной зоны.

К недостаткам a -сплавов относится их сравнительно невысокая прочность, сплавы этого класса термически не упрочняются. При содержании более 6% (по массе) Al технологическаяпластичность сплавов невелика. С увеличением содержания алюминия повышаются рабочие температуры титановых a -сплавов. Однако при этом возникает опасность их охрупчивания в результате выделения фазы a ₂. Сплавы этого класса, хотя и в меньшей степени, чем титан, склонны к водородной хрупкости.

Сплав ВТ5, содержащий 5%Al отличается более высокими прочностными свойствами по сравнению с титаном, но его технологичность невелика. Применяются для деталей, работающих при температурах до 400°С.

Сплав ВТ5-1, относящийся к системе Ti—Al— Sn более технологичный, чем BT5 и предназначен для изготовления изделий, работающих в широком интервале температур: от криогенных до 450°С.

Дисперсионно твердеющие a -сплавы представлены английским сплавом Ti+2%Cu. В отожженном и закаленном состоянии сплав малопрочен и пластичен и имеет такую же технологичность, как и технический титан. При старении сплав упрочняется на 30—50% за счет дисперсионного твердения и приобретает s_В=750—800 МПа. Из сплава Ti+2%Cu в Англии изготовляют листы и полосы. Этот сплав сваривается, причем пластичность сварного соединения практически такая же, как у основного металла.

В псевдо-a -сплавы для повышения прочности и жаропрочности при сохранении достаточной технологичности и свариваемости наряду с алюминием следует вводить b -стабилизаторы.Псевдо-a -сплавы при одинаковой с a -сплавами пластичности обладают на 10—20% более высокой прочностью, что обусловлено существенным измельчением зерна при переходе от a - к (a+b) -структуре. При комнатной температуре псевдо-a -сплавы отличаются более высокой технологической пластичностью по сравнению с a -сплавами.

Псевдо-a -сплавы отличаются высокой термической стабильностью, хорошей свариваемостью. Существенный недостаток псевдо-a -сплавов — их высокая склонность к водородной хрупкости.

Эту группу представляют сплавы системы Ti—Al—Mn (ОТ4-0; ОТ4-1; ОТ4; ВТ4; ОТ4-2), обладают высокой технологической пластичностью. Сплавы хорошо свариваются всеми видами сварки. Недостатки этих сплавов: а) сравнительно невысокая прочность и жаропрочность; б) большая склонность к водородной хрупкости. С повышением содержания алюминия и марганца в этой серии сплавов прочность их возрастает, а пластичность и технологичность ухудшаются.

К этой группе принадлежат также сплавы ВТ20, ВТ18.

Сплав ВТ20 разрабатывали как более прочный и жаропрочный листовой сплав по сравнению с ВТ5-1. Упрочнение сплава ВТ20 обусловлено его легированием, помимо алюминия, цирконием и небольшими количествами молибдена и ванадия. Технологическая пластичность сплава ВТ20 невысока из-за большого содержания алюминия. Сплав предназначен для изготовления изделий, работающих длительно при температурах до 500°С.

Сплав ВТ18 относится к наиболее жаропрочным титановым сплавам; он может длительно работать при температурах 550—600°С. Высокая жаропрочность сплава обусловлена большим содержанием в нем алюминия и циркония. Однако, в отличие от других псевдо-a -сплавов сплав ВТ18 плохо сваривается.

Большинство a - и псевдо-a -сплавов применяют в отожженном состоянии.

Наиболее благоприятным сочетанием всех свойств отличаются двухфазные сплавы, состоящие из a +b - фаз. Эти сплавы характеризуются лучшей технологической пластичностью в отожженном состоянии по сравнению с a -сплавами, высокой прочностью, способностью к термическому упрочнению закалкой и старением, меньшей склонностью к водородной хрупкости по сравнению с a и псевдо-a сплавами.

В отличие от a - и псевдо-a -сплавов a +b сплавы существенно упрочняются в результате закалки и старения.

Механические свойства отожженных (a +b)-сплавов существенно зависят от характера микроструктуры. Наибольшие различия наблюдаются для сплавов с зернистой и пластинчатой структурой. Для сплавов с зернистой структурой характерны высокая циклическая прочность, пластичность, технологичность.

Сплавы с пластинчатой структурой отличаются высокой вязкостью разрушения, ударной вязкостью, жаропрочностью при пониженных характеристиках пластичности и циклической прочности. Высокая вязкость разрушения титановых сплавов с такой структурой обусловлена сильным ветвлением трещин при их распространении.

Классическим примером таких сплавов является ВТ6 (Ti-6%Al-4%V) ВТ14 - Ti - 5Al - 1V - 3Mo и ВТ16 - Ti -2, 5Al -5V - 5Mo). Их применяют в отожженном и термически упрочненном состоянии. К этой же группе принадлежат ВТ22 (Ti - 5Al - 5V - 5Mo - 1Fe - 1Cr) и новый сплав ВТ23 - Ti—4, 5Al—4, 5V—2Mo—1Cr—0, 6Fe. Это среднелегированный (a +b)-сплав мартенситного класса.

Сплав этой группы ВТ8 (Ti - 6, 5Al - 3, 3Mo - 0, 3Si - 0, 5Zr) легирован молибденом, алюминием и небольшими количествами кремния, его структура в отожженном состоянии представлена a -фазой, b -фазой (10%) и небольшим количеством дисперсных силицидов. Сплав ВТ8 обладает высокой термической стабильностью; удовлетворительной пластичностью, но плохо сваривается, недостаточно технологичен. Сплав применяют в отожженном и термически упрочненном состоянии при температурах до 450— 500°С.

Сплав ВТ9 в отличие от ВТ8 дополнительно легирован цирконием (1, 6Zr). Введение циркония в сплавы системы Ti—Al—Mo—Si приводит к повышению прочности почти без снижения пластичности при сохранении достаточно высокой термической стабильности. Ввиду благоприятного влияния циркония и высокого содержания алюминия сплав ВТ9 более жаропрочен, чем другие титановые (a +b) сплавы. Сплав может работать до 500—550°С.

Псевдо-b -сплавы относятся к высоколегированным титановым сплавам, в которых суммарное.содержание легирующих элементов доходит до 20% и более. Хотя при закалке из b -области в этих сплавах фиксируется только b -фаза, она термически нестабильна и при старении распадается с выделением дисперсной a -фазы.

К преимуществам псевдо -b - сплавов относятся:

1. Высокая технологическая пластичность в закаленном состоянии. Это связано с тем, что b -фаза с ОЦК. решеткой по своей природе более пластична, чем гексагональная a -фаза.

2. Большой эффект термического упрочнения, что связано с большим пересыщением закаленной b -фазы. Распад пересыщенной b -фазы при старении обеспечивает повышение прочностисплавов в 1, 5—1, 7 раза.

3. Малая склонность к водородной хрупкости.

Недостатки псевдо b - сплавов:

а) невысокая термическая стабильность, в результате чего их нельзя применять для длительной работы при температурах выше 350°С;

б) неудовлетворительная свариваемость;

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

г) сравнительно высокая плотность (5—5, 1 г/см³).

Разработанные к настоящему времени псевдо-b -титановые сплавы можно разделить на две группы: а) легированные алюминием, b -стабилизаторами, а в некоторых случаях и нейтральными упрочнителями; б) легированные b -стабилизаторами и нейтральными упрочнителями.

Псевдо-b -сплав ВТ15 содержит 3-4% Al; 7- 8% Mo и 10-11, 5%Cr. В закаленном состоянии сплав ВТ15 отличается невысокой прочностью, большой пластичностью (s _в = 880—1000 МПа; d =12-20%) и хорошо штампуется. Затем сплав термически упрочняют старением. При старении из пересыщенного b -раствора выделяются дисперсные частицы a -фазы, которые и обеспечивают упрочнение. После закалки и старения временное сопротивление разрыву составляет 1300-1500 МПа при удлинении около 6%.

Свариваемость этих сплавов затрудняет бурный рост зерна в b -области. По указанным причинам псевдо-b -сплавы первой группы применяют ограниченно.

Сплав ВТ30 (Ti - 11Mo - 5, 5Zr - 4, 5Sn). Сплав ВТ30 обладает высокой технологической пластичностью в закаленном состоянии, в котором хорошо поддается холодной обработке давлением. Сплав закаливают с температуры 800°С, а затем подвергают старению при 530°С. Отличительная его особенность — большая разница в прочностных свойствах в закаленном состоянии и после старения: временное сопротивление разрыву составляет 650—750 МПа после закалки, а после старения достигает 1400—1600 МПа.

В нашей стране в полупромышленном масштабе производят b -сплав 4201 (Ti+33%Мо), отличающийся высокой коррозионной стойкостью. В ряде областей применения он может заменять тантал, коррозионно-стойкие никелевые сплавы и даже золото и платину. Сплав отличается высокой технологической пластичностью, хорошо сваривается всеми видами сварки.

Титановые b - сплавы с термодинамически устойчивой b - фазой можно получить лишь на основе таких систем, в которых легирующие элементы имеют о.ц.к. решетку при комнатной температуре и образуют с b -титаном непрерывный ряд твердых растворов. К таким элементам принадлежат ванадий, молибден, ниобий и тантал. Однако стабильные b - фазы в этих сплавах образуются при таких высоких концентрациях компонентов, что титановые сплавы теряют основное их преимущество, а именно сравнительно малую плотность. Поэтому титановые сплавы состабильной b - фазой не получили широкого промышленного применения.

Механикалық форманың жады бар эффектілі қ ұ ймалар

Титанның кейбір қ ұ ймалары метал бұ йымына ө ң деудің белгілі бір сатысында берілген формасын есте сақ тап, сосын қ айта қ алпына келтіретін қ асиетке ие.

Шамамен 60-жыладрдың басында АҚ Шта нитинол қ ұ ймасы патенттелді, оның қ ұ рамына шамамен бірдей мө лшердегі титан мен никель енеді. ОЛ жаман емес конструкциялыө материал болды (жең іл, берік, пластикалық, коррозияғ а тө зімді), алайда онымен кө птеген тә жірибелерді жалғ астыра берді. Осындай бір тә жірибе барысында: оғ ан жү ктелген гирьмен созылғ ан нитинол сымы біраз қ ыздырғ аннан кейін кенеттен ө зінің артыннан жү кті кө тере отыра спиральғ а бұ рала бастады.

Мұ ндай қ ұ былыстың себебі - қ айтымды мартенситті ауысулар.

Қ азіргі заманғ ы созылымдылық (пластичность) теориясының негізі - кристалдардағ ы серпімсіз деформациялар қ айтымсыз. Алайда мардымсыз серпімсіз деформациядан кейін қ ұ рылымдық ауысу есебінен формасын толығ ынан қ алпына келтіре алатын металдық материалдар. Мұ ндай материалдар серпімсіз деформацияның қ айтымдылығ ына ие. Ө здігінен форманы қ алпына келтіру қ ұ былысы - форма жадының эффектісі (ФЖЭ) - изотермиялық жағ дайлармен қ атар температуралық ө згерістер кезінде де байқ алады. Жылу ауысулар кезінде мұ ндай металдық материалдар кө п рет қ айтымды деформацияланады.

Деформацияны қ алпына келтіру қ абілеті жоғ арғ ы кү штік ә серден де жойылмайды. Кейбір материалдардың ФЖЭ-мен реактивті кернеулердің дең гейі 1000-1300 МПа дейін болуы мү мкін.

ФЖЭ бар қ ұ ймалардың ерекшелігі - кө птеген қ асиеттердің қ ұ рылымғ а тә уелділігі. Физика-механикалық сипаттамалардың мә ндері аустенит-мартенсит қ айтымды фазалық ауысу кезінде бірнеше рет ө згереді (-150 - +150°С температуралар интервалында).

Практикалық қ олдануғ а ең перспективтісі Ti - Ni эквиатомды қ ұ рамдағ ы а (50: 50 % (ат.) шамамен) қ ұ ймалар, титан никелиді немесе нитинол деп аталады.

Жад эффектісінің негізі - материалды тікелей мартенситті ауысу температурасынан (Т_Д > М_Н) жоғ ары температурада пластикалық деформациялайды. Бұ л оғ ан анық талғ ан (қ ажетті) форманы беру мақ сатында жасалады, сосын мартенситті ауысулардың жү руін (£ М_К) қ амтамасыз ететін температураларғ а дейін суытады жә не осы температуралық ауданда қ олайлы форманы алу ү шін деформациялайды.Кері мартенситті ауысудың (А_Н) басталу температурасынан жоғ ары ә рі қ арай қ ыздырғ анда бұ йым қ айтадан формасын қ алпына келтіреді (оғ ан М_Н жоғ ары Т_Д температурада алғ ашында берілген формасы). Бұ л эффект сызбалық тү рде 2-суретте сызылғ ан.

2 сурет. ФЖЭ сызбалық интерпретациясы: Мн, Мк— тікелей мартенситті ауысудың басталу жә не аяқ талу температуралары; Ан, Ак — кері мартенситті ауысудың басталу жә не аяқ талу температуралары; tд — деформация температурасы; Ан—Ак — форманың қ алпына келуінің температуралық интервалы.

Мн жады бар материалдың жұ мысқ а қ абілеттілігінің тө менгі шекарасын анық тайды, бұ л температурада материалдың физика-химиялық қ асиеттері кенет ө згереді жә не релаксациялық қ ұ былыстар жү реді.

ФЖЭ термосерпімді мартенситті ауысумен, бастапқ ы жә не мартенситті фазалардың торларының когеренттілігімен, ауысу гистерезисінің салыстырмалы аз ө лшеміме, сонымен қ атар ауысулар кезіндегі кө лемдердің аздап ө згерулерімен сипатталатын қ ұ ймаларда байқ алады. Титан никелидінде кө лемдік ө згерулер шамамен 0, 34 % қ ұ райды (болатта 4 % шамамен).

Бұ л жағ дайларда деформация кезінде қ ос мартенситті кристалды бастапқ ы қ ұ рылымдары бар когеренттілер тү зіледі, ал қ ыздыру жә не кері ауысуда бұ л мартенситті кристалдар жойылады жә не бастапқ ы фазаның торына біртіндеп ауысады. Кері ауысуда когерентті фазааралық шекаралардың қ айтымды қ озғ алысы бастапқ ы форманың қ алпына келуіне алып келеді.

ФЖЭ бар ә р тү рлі қ ұ рамды ә р тү рлі кө зден алынғ ан Тi- Ni қ ос қ ұ ймасының ауысуларының сипаттамалық температуралары 1-кестеде келтірілген. Кестеден Ti - Ni қ ұ ймаларының стехиометриялық (50: 50) қ ұ рамнан аздағ ан ауытқ улары да сипаттамалық температуралардың мардымды ө згерулеріне ә келеді.

1-кесте. Тi-Ni қ ұ ймаларының сипаттамалық температуралары

Мартенситті ауысулардың температуралары қ ұ йманың қ ұ рамына тә уелді болады. Титан никелидін темірмен, марганецпен, хроммен, ванадиймен, кобальтпен легирлеу Мн жә не Мк -196 °С дейін тө мендеуіне алып келеді, ал Zr, Та, Nb - қ осу олардың ө суіне ә келеді (+100 °С дейін). Мыс жә не кремний (концентрациялардың кең интервалында) ауысу температураларына ә лсіз ә сер етеді.

Ө ндірісте титан никелиді негізіндегі қ ұ ймалардың шығ арылуы игерілген. Ө ндірісте кең ө олданылатын екі қ ұ йманың химиялық қ ұ рамы келесі кестелерде кө рсетілген. (2, 3-кестелер)

2-кесте. Титан никелиді қ ұ ймаларының негізгі қ асиеттері