Меркулова Г.А. Металловедение и термическая обработка цветных сплавов

Подождите немного. Документ загружается.

190

рактерной для литого состояния, пластичность термически упрочненных

сплавов очень низка. По этой же причине считают, что деформируемые

(α + β)- и β-сплавы можно подвергать упрочняющей термической обработ-

ке, если исходная структура равноосная, мелкозернистая, а не пластинчатая.

5.3. Водородная хрупкость титана

и его сплавов. Защита от газонасыщения

Водородная хрупкость титана и его сплавов проявляется в резком

снижении механических свойств при содержаниях водорода, больших кри-

тического значения. Водород сравнительно мало влияет на механические

свойства металлов при испытаниях на разрыв со стандартными скоростями

деформации. О склонности титана и его сплавов к водородной хрупкости

обычно судят по результатам испытаний на ударную

вязкость и замедлен-

ное разрушение.

Титановые сплавы с небольшим количеством β-фазы наиболее

склонны к водородной хрупкости. Высокая склонность к водородной

хрупкости титановых сплавов с небольшим количеством β-фазы (2–5 %)

связана с тем, что водород в (α + β)-сплавах концентрируется в β-фазе.

Алюминий увеличивает растворимость водорода в α-фазе и

затруд-

няет образование гидридной фазы, поэтому увеличение содержания алю-

миния в α-титановых сплавах – эффективный способ уменьшения их

склонности к водородной хрупкости. Так, гидридная хрупкость в чистом

титане развивается при содержании водорода более 0,01 %, а в сплаве ВТ5

(Тi + 5 % А1) – более 0,035 % (по массе).

Растворимость водорода в β-фазе значительно больше, чем

в α-фазе, и

поэтому титановые сплавы с β- или с (α + β)-структурой с достаточно

большим количеством β-фазы мало склонны к водородной хрупкости. Во-

дородная хрупкость сплавов этого типа начинает развиваться еще до появле-

ния видимых выделений гидридов, что обусловлено охрупчиванием β-фазы

растворенным в ней водородом. Эта хрупкость

аналогична хладноломко-

сти, вызванной такими примесями внедрения, как кислород, азот, и связана

с тем, что атомы водорода блокируют источники дислокаций во вторичных

плоскостях скольжения и уменьшают скорость движения генерированных

ими дислокаций. Последующее выделение гидридов вызывает гидридную

хрупкость, что переводит металл в полностью хрупкое состояние.

Водородная хрупкость в титановых сплавах в

наиболее опасной

форме проявляется при замедленном разрушении, под которым понимают

191

зарождение и развитие в металле, находящемся под постоянным или мало

изменяющимся по величине напряжением, трещин, ведущих в конечном

итоге к разрушению образца или изделия. Замедленное разрушение сво-

дится по существу к тому, что в результате направленной диффузии ато-

мов водорода в поле напряжений или транспортировки атомов водорода

дислокациями в локальных

областях перед вершиной трещины создается

такая концентрация водорода, при которой или выделяются гидриды, или

β-фаза становится хрупкой.

В настоящее время установлены максимально допустимые концен-

трации водорода в титане и его сплавах:

Сплав ВТ1-00 ВТ1-0 ОТ4-1 ОТ4-1В ОТ4 ОТ4В

Содержание водорода, % мас. 0,008 0,010 0,005 0,010 0,010 0,010

В остальных сплавах допускается не более 0,012–0,15 % водорода.

Металлургическая промышленность в настоящее время выпускает полу-

фабрикаты с содержанием водорода меньше максимально допустимых

значений. Однако при последующих технологических операциях, особенно

связанных с травлением полуфабрикатов, содержание водорода в титане и

его сплавах может существенно возрастать. Помимо этого, возможно на-

водороживание титановых изделий в процессе

их эксплуатации. Поэтому

при выборе титановых сплавов для тех или иных применений следует учи-

тывать вероятность развития в них водородной хрупкости и при необхо-

димости заменять один сплав другим, в котором водородная хрупкость не

развивается при практически возможных концентрациях водорода.

Для

защиты титана и его сплавов от газонасыщения при нагреве

под обработку давлением и термическую обработку разработали различ-

ные защитные покрытия. Они необходимы для предотвращения окисления,

а также защищают титан от наводороживания. Наиболее широко приме-

няют эмали ЭВТ-8, ЭВТ-8А, ЭВТ-23. Эмаль ЭВТ-23 обеспечивает надеж-

ную защиту титановых сплавов до высоких температур: 750–830

С. При

нагреве титановых сплавов, покрытых эмалью Э8Т-23, выше 830–850

начинается их газонасыщение, хотя и значительно менее интенсивное, чем

при нагреве на воздухе.

Устойчивую и прочную защитную пленку образуют боросиликатные

и алюмосиликатные стекла. Используют также металлические покрытия.

Эффективным способом защиты титановых сплавов от окисления

является термическая обработка их в среде инертных газов, например, в

аргоне или в гелии.

Рациональным способом

борьбы с наводороживанием металла при

технологических операциях является удаление водорода из готовых дета-

лей и элементов конструкций вакуумным отжигом, который приводит

также к снятию нежелательных остаточных напряжений.

192

5.4. Термомеханическая

обработка

Термомеханическую обработку (ТМО) титановых сплавов приме-

няют ограниченно. ТМО α- и псевдо-α-титановых сплавов не приводит к

существенному повышению их прочности по сравнению со сталью, однако

резко повышает однородность структуры и свойств по сечению и длине

изделий. ТМО (α + β)-сплавов приводит к повышению их прочности на

5–30 % по сравнению

с прочностью после стандартной закалки и старения

при одновременном увеличении поперечного сужения.

а б

в г

Рис. 5.2. Основные схемы ТМО титановых сплавов: а – ВТМО; б – НТМО;

в – ПТМО; г – комбинированная (ВТМО + НТМО); 1 – нагрев под закалку и

деформация; 2 – охлаждение в воде; 3 – старение; 4 – деформация; t

– тем-

пература рекристаллизации; Ac

– температура (α + β/β)-перехода

Высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО) тита-

новых сплавов заключается в горячей деформации сплава в (α + β)- или

β-области,

закалке и старении (рис. 5.2).

В результате закалки, осуществляемой сразу после окончания горя-

чей деформации, в металле подавляются рекристаллизационные процессы

193

и сохраняются, хотя бы частично, особенности структуры и тонкого строе-

ния горячедеформированного металла. Старение сплава с такой структу-

рой обеспечивает повышенные механические свойства, по сравнению с

упрочняющей термической обработкой, включающей стандартную закалку

и старение.

За счет применения НТМО (рис. 5.2,

б) удалось получить большую

прочность, но меньшую пластичность, чем при ВТМО. Положительные ре-

зультаты достигнуты при предварительной (ПТМО) и комбинированной

ТМО. Однако считают [4], что большее применение найдет ВТМО, кото-

рая успешно используется при прессовании, прокатке и штамповке.

5.5. Химико-термическая

обработка

Из всех видов химико-термической обработки (ХТО) наиболее ши-

роко для титана и его сплавов применяют азотирование и оксидирование.

В последнее время создан новый способ – термоводородная обработка

(ТВО), которая основана на обратном легировании водородом.

Азотирование в десятки раз повышает износостойкость и жаро-

стойкость титановых изделий. Вместе с тем существенно снижаются такие

характеристики пластичности, как относительное удлинение и особенно

поперечное сужение; предел выносливости на базе 10

циклов уменьшается

на 10–25 %. К тому же азотированный слой тонок, и поэтому доводка азо-

тированных деталей до нужных размеров встречает существенные затруд-

нения. В связи с этим азотирование титана и его сплавов, хотя и является

наиболее распространенным видом химико-термической обработки, при-

меняется в ограниченных масштабах.

Поверхностного упрочнения титана и его сплавов

достигают также

оксидированием. Окисные слои большой толщины, образующиеся в ре-

зультате окисления при температурах выше 850–900

С, отрицательно

влияют на механические и служебные свойства титана и его сплавов.

В настоящее время в промышленности применяют три технологи-

ческие схемы оксидирования:

▪ на воздухе при 700–800

С с последующим медленным охлажде-

нием с печью.

▪ на воздухе при 850

С с последующим охлаждением в воде для

удаления слоя окалины.

▪ в засыпке графитом или песком при 700–850

С с последующим

охлаждением вместе с засыпкой на воздухе.

194

При выборе режимов оксидирования для того или иного конкретно-

го применения учитывают, что с понижением температуры уменьшается

вредное влияние диффузионного слоя на циклическую прочность сплава,

но вместе с тем уменьшается толщина оксидированного слоя.

Изделия из титановых сплавов, полученные с использованием тех-

нологий фасонного литья, имеют низкий уровень механических и эксплуа-

тационных свойств, что определяется пористостью, микроликвацией, не-

благоприятной микроструктурой (крупное зерно, крупнопластинчатое

внутрезеренное строение). Устранить пористость возможно, используя вы-

сокотемпературную газостатическую обработку (ВГО). Однако ВГО прак-

тически не влияет на структуру литого металла в тех зонах отливки, где

поры отсутствуют. Применение отжига для устранениия остаточных ли-

тейных напряжений не приводит к

повышению прочности сплавов.

Создан новый эффективный способ управления структурой титано-

вых сплавов –

термоводородная обработка (ТВО), которая основана на

обратимом легировании водородом. Разработаны научные основы ТВО,

которая способствует улучшению структуры сплавов различных классов.

Одним из наиболее перспективных направлений применения ТВО является

преобразование литой структуры с целью повышения комплекса механи-

ческих свойств отливок. В работе А.А.Ильина с сотрудниками, опублико-

ванной в 2002 г. был предложен

метод повышения комплекса механиче-

ских свойств литых псевдо-α- и (α + β)-титановых сплавов, основанный на

сочетании ВГО и ТВО.

Цель обработки литых сплавов – получение мелкодисперсной внутре-

зеренной (α + β)-структуры (при сохранении размеров исходного β-зерна),

которая обеспечивает высокие кратковременную прочность и сопротивление

усталости. Исследования провели на литом псевдо-α

-сплаве ВТ20Л, высоко-

прочном литом (α + β)-сплаве ВТ23Л и жаропрочном псевдо-α-сплаве Ti-6242

(широко используют за рубежом: Ti –6 % Al–2 % Mo–4 % Zr–2 % Sn).

Разработка режимов ТВО основана на анализе взаимодействия

сплавов с водородом, фазовых равновесий в системе сплав–водород, влия-

ния термического воздействия на фазовый состав и структуру сплавов, ис-

следовании процессов, происходящих

при вакуумной обработке и т.д.

Одной из проблем повышения качества фасонных отливок и уровня

их свойств является устранение пористости. ВГО повышает плотность ли-

того материала, устраняя (частично или полностью) пористость. Исходная

литая структура сплавов при ВГО практически не меняется. Введение в ти-

тановые сплавы определенного количества водорода приводит к

эффекту

водородного пластифицирования, который обусловлен снижением преде-

ла текучести сплава при температурах деформации. Поэтому проведение

195

ВГО предварительно наводороженного металла может оказаться эффек-

тивным как для устранения пор, так и для улучшения конечной структуры.

Предложены два способа сочетания термоводородной и газостати-

ческой обработки: 1 – проведение ТВО после ВГО; 2 – проведение ВГО

предварительно наводороженного сплава. Окончательный вакуумный от-

жиг отливок после обработки по способам 1 и 2 для удаления водорода

проводили

при 750

С.

Для устранения микроликвации литые образцы сплавов ВТ20Л и

ВТ23Л перед дальнейшей обработкой подвергали гомогенизирующему

отжигу (ГО) в вакууме при температурах 1000

С (ВТ20Л) и 970

(ВТ23Л) в течение 1 ч.

ВГО заготовок сплава Ti-6242 проводили при 920

С. Режим ТВО

включал наводороживание до концентрации 0,8 % в интервале температур

900–820

С и вакуумный отжиг при 750

С в течение 4 ч.

Часть заготовок с целью укрупнения структурных составляющих и

повышения пластичности после ТВО подвергали отжигу при 950

С в те-

чение 1 ч с последующим охлаждением на воздухе.

Все заготовки (в состояниях: литье + ВГО; ТВО; ТВО + отжиг) под-

вергали окончательному старению при 590

С, 8 ч для достижения равно-

весного состояния и выделения дисперсной α

-фазы.

Было установлено, что максимальное измельчение α-пластин в теле

β-зерна достигают при концентрации водорода 0,5–0,9 %. Рекомендуется

выбирать концентрацию водорода равной 0,8 %. Оптимальной температурой

вакуумного отжига считают 750

С. Параметры ВГО: давление в газостате

155 МПа, температура 950

С.

Структура образцов после обработки по обоим способам однород-

ная по сечению и представляет собой мелкодисперсную пластинчатую α-фазу

в β-матрице и тонкую α-оболочку по границе исходного β-зерна. Степень

дисперсности структуры при обработке по способу 1 несколько выше, чем

по способу 2, что обусловлено большей концентрацией вводимого водоро-

да: 1-й

способ – 0,8 % водорода; 2-й способ – 0,5 и 0,3 % водорода.

После обработки по двум способам конечное содержание водорода в

образцах, определенное спектральным методом, не превышало 0,006 % (мас.).

Механическим испытаниям подвергали образцы в исходном литом со-

стоянии после ВГО, а также после обработки по способам 1 и 2 (табл. 5.3).

Установлено, что обработка по обоим предложенным способам

приводит к

повышению прочности на 15–20 % по сравнению с исходным

литым состоянием.

Сочетание ВГО и ТВО по способу 1 приводит к увеличению преде-

ла выносливости в два раза по сравнению с исходным литым состоянием.

Достигнутый уровень сопротивления усталости превышает даже характе-

ристики этих сплавов в деформированном состоянии. Это объясняют как

196

дополнительным повышением плотности отливок, так и благоприятным

изменением структуры. Полученная мелкодисперсная внутрезеренноя струк-

тура обладает повышенным сопротивлением усталостному разрушению.

Таблица 5.3

Механические свойства сплавов ВТ23Л и ВТ20Л

после различной обработки

Сплав

Состояние,

способ обработки

γ,

кг/м

МПа

0,2

МПа

δ,

ψ,

KCU,

МДж/м

ВТ23Л

Исходное литое 4418 1000 960 7,2 15,0 0,47

Литое + ГО +ВГО 4556 980 940 9,4 18,9 0,59

Способ 1 (ГО + ВГО + ТВО) 4560 1190 1120 8,5 19,0 0,56

Способ 2 (ГО + НО + ВГО + ВО) 4563 1110 1060 8,9 19,6 0,56

ВТ20Л

Исходное литое 4403 860 820 9,0 19,0 0,55

Литое + ГО + ВГО 4507 910 870 9,8 19,6 0,62

Способ 1 (ГО + ВГО + ТВО) 4510 1080 990 8,9 17,5 0,57

Способ 2 (ГО + НО + ВГО + ВО) 4512 1060 960 9,3 19,6 0,60

Примечание: НО – наводороживающий отжиг; ВО – вакуумный отжиг; ГО – гомо-

генизирующий отжиг; γ – плотность отливки.

Предложенные способы обработки приводят также и к стабилиза-

ции свойств сплавов.

Исследовали сплав Ti-6242, который широко используют за рубе-

жом в качестве жаропрочного материала для изготовления лопаток и дис-

ков компрессора авиадвигателей с рабочей температурой до 500

С. В ре-

зультате обработки по рекомендуемому режиму в сплаве Ti-6242 была по-

лучена структура, представляющая собой чрезвычайно мелкие пластины

α-фазы толщиной менее 1 мкм в объеме исходного β-зерна. Зерно имеет

тонкую, частично фрагментированную α-оболочку. Такая структура очень

эффективно препятствует генерации и движению дислокаций, что способ-

ствует повышению прочности и

работы зарождения усталостной трещины,

но при этом снижается пластичность. Проведение после ТВО отжига при

950

С (α +β)-область, приводит к укрупнению частиц α-фазы в теле β-зерна

до 2-3 мкм и увеличению толщины α-оболочки. В процессе охлаждения от

950

С со скоростью около 10

С/с происходит распад β-фазы с выделени-

ем очень мелких пластин «вторичной» α-фазы толщиной менее 1 мкм.

Заключительное старение при 590

С в течение 8 ч должно приво-

дить к дополнительному выделению мелкодисперсной α-фазы, достиже-

нию равновесного состава α- и β-фаз и частичному упорядочению в мик-

рообъемах α-частиц (образованию когерентной α

-фазы).

Результаты механических испытаний на растяжение сплава Ti-6242

при нормальной температуре приведены в табл. 5.4.

197

Таблица 5.4

Механические свойства сплава Ti-6242 после кратковременных

испытаний на растяжение при нормальной температуре

Вид обработки

0,2

, МПа σ

, МПа δ, %

ТВО 1135 1155 1,1

ТВО + отжиг при 950

С 1 ч 1000 1055 4,7

Литье + ВГО 880 960 11,3

Анализ полученных результатов показывает, что ТВО приводит к

существенному повышению предела текучести σ

0,2

(на 255 МПа) и времен-

ного сопротивления разрыву σ

(на 195 МПа) по сравнению с состоянием

после литья и ВГО, но резкому снижению пластичности (δ = 1,1 %). Про-

ведение после ТВО отжига, укрупняющего частицы α-фазы, также приво-

дит к повышению σ

0,2

и σ

по сравнению с состоянием после литья и ВГО,

но в меньшей степени (на 120 и 95 МПа соответственно). Пластичность

сплава повышена до удовлетворительного уровня (δ = 4,7 %).

Таким образом, предложенные способы обработки литых титано-

вых сплавов ВТ20Л, ВТ23Л и Ti-6242, основанные на различном сочета-

нии ВГО, ТВО и термической обработки, дают существенное преобразо-

вание литой структуры и повышение плотности отливок. Сочетание ВГО и

ТВО позволяет повысить прочностные (на 10–20 %) и особенно усталост-

ные (в 1,5–2 раза) характеристики исследуемых сплавов

по сравнению с

литым состоянием при удовлетворительной пластичности и ударной вяз-

кости. Это дает возможность прогнозировать высокую работоспособность

и надежность изделий, полученных фасонным литьем.

5.6. Дефекты термически обработанных

изделий и полуфабрикатов

При обработке изделий и полуфабрикатов могут возникать дефекты

чисто термического происхождения. Рассмотрим наиболее типичные из них.

Нежелательная крупнозернистость может образоваться из-за пе-

регрева металла выше точки Ас

или вследствие слишком больших выдер-

жек при температурах, соответствующих верхней части (α + β)-области.

Отклонение механических и служебных свойств от заданных техниче-

скими условиями возникает из-за нарушения технологических параметров

термической обработки. Недопустимое

сильное газонасыщение может

198

быть обусловлено термической обработкой в атмосфере с повышенным

содержанием активных по отношению к титану газов.

Испарение легирующих

элементов

из поверхностного слоя или по границам зерен происходит в про-

цессе вакуумного отжига при слишком высоких температурах.

Коробление

изделий

или полуфабрикатов возможно из-за недопустимо больших скоро-

стей нагрева и охлаждения при термической обработке. Нельзя допускать

по-

явления трещин

, обусловленных термическими и фазовыми напряжениями.

Основные способы борьбы с первыми пятью типами дефектов – это

строгое соблюдение режимов термической обработки. Эти дефекты могут

наблюдаться независимо от класса и уровня прочности сплава. Последний

тип дефектов – трещины, обусловленные термическими и фазовыми на-

пряжениями – характерен для сплавов с недостаточным запасом пластич-

ности. Трещины возникают

при неблагоприятных схемах укладки изделий в

печах, в частности в дисках из сплавов ВТ3-1 и ВТ9. При старении в закален-

ных заготовках из высокопрочных сплавов ВТ22 и Ti6Al3Mo2Fe0,5Cr0,5Mn

(опытный сплав) образуются тонкие трещины, направленные от поверхно-

сти к центру заготовок, причем это разрушение происходит без приложе-

ния внешних нагрузок. Температурно-временные

условия начала самопро-

извольного растрескивания описывают С-образными кривыми. Наиболее

интенсивное растрескивание наблюдается при температуре старения, рав-

ной 400

С. При температурах старения выше 500 и ниже 200

С трещины в

закаленных сплавах при старении не образуются.

Самопроизвольное растрескивание развивается под совместным

воздействием термических (закалочных) и фазовых напряжений в услови-

ях, когда затруднена релаксация напряжений. Наиболее эффективны сле-

дующие способы борьбы с растрескиванием: а) снижение температуры на-

грева под закалку; б) повышение температуры старения до 500–550

С,

причем скорость нагрева до этих температур должна быть достаточно ве-

лика, чтобы не произошло растрескивание при нагреве; в) применение изо-

термической закалки; г) введение предварительного высокотемпературно-

го старения (выше 500

С) перед окончательным низкотемпературным.

5.7. Физические и механические

свойства титана

Титан был открыт в 1789 г. Клапротом. И только начиная с 1948 г.

титан стали применять в промышленности.

В земной коре содержится 0,6 % титана. Его атомный номер – 22.

199

Титан плавится при довольно высокой температуре – (1668 ±4)

С;

скрытая теплота плавления и испарения титана почти в два раза больше,

чем у железа. Температура кипения титана равна 3169

С.

Известны две аллотропические модификации титана. Низкотемпе-

ратурная α-модификация, существующая до 882,5

С, обладает гексаго-

нальной плотноупакованной решеткой. При температуре 25 °С периоды

решетки α-титана составляют:

а = 0,29503 нм; с = 0,46831 нм; с/а = 1,5873;

кратчайшие межатомные расстояния равны 0,2894 и 0,2951 нм.

Высокотемпературная β-модификация, устойчивая от 882,5

С до

температуры плавления, имеет объемно центрированную кубическую ре-

шетку. Период решетки β-титана при комнатной температуре, полученный

путем экстраполяции данных для β-сплавов, равен 0,3282 нм.

Плотность α-титана при комнатной температуре равна 4,505 г/см

При переходе α-титана в β-титан объем металла несколько уменьшается.

Титан обладает низкой теплопроводностью, которая в 13 раз меньше, чем

у Al, и в 4 раза меньше по сравнению с Fe. Коэффициент термического

расширения титана при комнатной температуре сравнительно мал; с по-

вышением температуры он возрастает.

Модули упругости титана невелики и обнаруживают существен-

ную анизотропию. При измерении в направлении оси С модуль Юнга ра-

вен 146 ГПа, а в перпендикулярном направлении – 106 ГПа. Для поликри-

сталлического титана среднее значение модуля Юнга 103 ГПа. Титан име-

ет довольно высокое удельное электросопротивление.

Чистейший иодидный титан обладает высокими пластическими

свойствами при сравнительно низкой прочности (σ

= 220–260 МПа;

0,2

= 100–125 МПа; δ = 50–70 %; ψ = 60–90 %).

Титан – химически активный металл. Во многих агрессивных сре-

дах он обладает исключительно высоким сопротивлением коррозии, т.к. на

поверхности титана образуется защитная пленка из рутила (TiO

Титан интенсивно реагирует лишь с четырьмя неорганическими ки-

слотами: плавиковой, соляной, серной и ортофосфорной. Титан стоек в тех

средах, которые не разрушают защитную оксидную пленку на его поверх-

ности, и особенно в тех средах, которые способствуют ее образованию.

Титан устойчив в разбавленной серной кислоте, уксусной и молочной ки-

слотах, сероводороде,

во влажной хлорной атмосфере, в царской водке и

многих других агрессивных средах. Титан отличается высокой коррозион-

ной стойкостью в морской воде.

Коррозионную стойкость титана в агрессивных средах можно зна-

чительно повысить легированием. Коррозионную стойкость титана в рас-

творах серной, соляной и фосфорной кислот эффективно повышают рений,

молибден, цирконий, ниобий, тантал.