Термическая обработка титановых сплавов

Согласно двойным диаграммам состояния титан — легирующий элемент, титановые сплавы в зависимости от их состава и назначения можно подвергать всем основным видам термической обработки, а также химико-термической обработке.

Рекристаллизационный отжиг применяют для титана и сплавов с a-структурой с целью снятия напряжений, созданных предшествующей деформацией. Температура ре кристаллизационного отжига выше температуры рекристаллизации, но ниже температуры аллотропического превращения а (3, так как в (3-области происходит очень быстрый рост зерна. Обычно это температуры 520—850 °С в зависимости от химического состава сплава и вида полуфабриката.

Отжиг с фазовой перекристаллизацией применяют для (а + + р)-сплавов, чтобы добиться снижения твердости, повышения пластичности, измельчения зерна, устранения структурной неоднородности. Применяют простой, изотермический и двойной отжиг; температура нагрева 750—950 °С (в зависимости от состава сплава).

Простой отжиг предусматривает нагрев (а + р)-сплавов до температуры отжига, выдержку и медленное охлаждение. Образующаяся при нагреве p-фаза (иногда с остаточной а-фазой) при медленном охлаждении распадается и выделяет a-фазу, в результате чего фиксируется двухфазная структура (а + р), близкая к равновесной.

Изотермический отжиг позволяет получить более термически стабильные свойства титановых сплавов. Процесс можно разбить на четыре этапа:

  • 1) нагрев до температуры выше температуры рекристаллизации, (обычно 800—950 °С) для снятия наклепа (I ступень);
  • 2) охлаждение до 500—650 °С в зависимости от состава сплава;
  • 3) выдержка при данных температурах для стабилизации (3-фазы (II ступень);
  • 4) охлаждение на воздухе. Изотермическим отжигом достигаются высокая прочность и жаропрочность в сочетании с хорошей пластичностью сплава.

Двойной отжиг отличается от изотермического тем, что после выдержки на высокотемпературной ступени (800—950 °С) сплав охлаждают до комнатной температуры и затем повторно нагревают до температуры II ступени. В процессе охлаждения от I ступени до комнатной температуры в сплаве фиксируется неустойчивая p-фаза, распадающаяся на II ступени отжига. Фактически II ступень при двойном отжиге является старением: образующиеся мелкодисперсные продукты распада упрочняют сплав. Двойной отжиг способствует увеличению сопротивления ползучести.

Закалка применяется только для двухфазных сплавов. В зависимости от химического состава, в первую очередь от суммарного содержания легирующих p-стабилизаторов, в титановых сплавах при закалке может происходить мартенситное превращение или фиксироваться высокотемпературное состояние p-фазы при комнатной температуре, т.е. образовываться нестабильная рнест-фаза.

Мартенситное превращение в титановых сплавах, так же как и в сталях, происходит сдвиговым, бездиффузионным путем в интервале температур и характеризуется температурой начала Мн и температурой конца Мк превращения.

Схема превращений, происходящих при закалке титановых сплавов в зависимости от содержания p-стабилизатора, показана на рис. 8.7, где сплошные линии соответствуют температурам начала и конца полиморфного превращения a р, а штриховые — температурному интервалу мартенситного превращения Мн—Мк.

Рис. 8.7. Схема превращений, происходящих при закалке титановых сплавов в зависимости от содержания р-стабилизатора

Термическая обработка титановых сплавов

При закалке сплавов, содержащих p-стабилизатора меньше Са, образуется игольчатая фаза мартенситного типа, назьюаемая а".

В интервале концентраций p-стабилизатора Са С, процесс закалки протекает так же, как и при концентрациях, меньших Сь с той разницей, что вместо a-фазы образуется а"-фаза.

Фаза а” представляет собой, подобно сс’-фазе, твердый раствор легирующих элементов в а-титане, но по сравнению с а’-фазой более насыщена, так как образуется в сплавах с большей концентрацией легирующих элементов; а”-фаза имеет ромбическую решетку и образуется только в титановых сплавах, легированных Mo, V, Nb и другими элементами, атомные радиусы которых близки к атомному радиусу титана; как и а’-фаза, она имеет игольчатое строение, но ее твердость и прочность значительно ниже.

При концентрациях p-стабилизатора от С< до Ск р-фаза только частично превращается в а”-фазу и образуется структура а” + р. Сохранившаяся p-фаза называется нестабильной (Рнест)- Внутри рнест образуется co-фаза, которая когерентна с решеткой p-фазы, имеет искаженную гексагональную кристаллическую решетку, повышает твердость и резко охрупчивает сплавы. При закалке сплавов с концентрацией р-стабилизато- ра от Ск до С3 мартенситное превращение не происходит и сплавы имеют структуру рнест + со.

Читать также:  Нержавеющая сталь состав сплава

При концентрациях p-стабилизатора от С3 до Ср при закалке фиксируется нестабильная p-фаза, которая представляет собой твердый раствор легирующих элементов в р-титане.

В процессе нагрева закаленных титановых сплавов происходит старение и образовавшиеся при закалке метастабильные фазы а’, а", со и рнест распадаются с образованием более стабильных дисперсных структур.

При температурах старения 500 °С и выше в (а + р)-сплавах в зависимости от структуры, полученной после закалки, могут происходить следующие превращения:

Термическая обработка титановых сплавов

В результате распада неравновесных фаз с выделением дисперсных частиц титановые сплавы упрочняются. Наибольший эффект упрочнения получается при распаде рнест-фазы.

Титановые сплавы подвергают также химико-термической обработке. Для повышения износостойкости трущихся поверхностей применяют азотирование. Получаемый азотированный слой имеет глубину 0,1—0,15 мм и твердость HV 700—1000. Для снижения хрупкости азотированного слоя и повышения его сцепления со сплавом изделия подвергают вакуумному отжигу при 800—900 °С.

Свойства титановых сплавов. Титановые сплавы по способу производства полуфабрикатов и изделий подразделяют на деформируемые и литейные; по склонности к термическому упрочнению — на термически упрочняемые и термически неуп- рочняемые. Кроме того, титановые сплавы классифицируют по структуре, которую они имеют после охлаждения на воздухе: сплавы со структурой a-твердого раствора; сплавы со смешанной структурой (а + р)-твердого раствора и сплавы со структурой /^-твердого раствора. Сплавы каждой из этих групп имеют свои особенности.

а-сплавы до 650 °С сохраняют достаточную прочность. До 1090 °С сопротивляются коррозии в атмосферной среде, загрязненной газами, что позволяет вести обработку давлением при более высоких температурах. Эти стали хорошо свариваются. После термической обработки охрупчивания не наблюдается.

Однако пластичность листов при изгибе хуже, чем у р-спла- вов. Для горячей обработки давлением требуется более значительная мощность, чем для (а + р)-сплавов. Кроме того, невозможно получить высокопрочные сплавы. Данные сплавы не подвергаются закалке и старению.

По сравнению с нелегированным титаном (а + р)-сплавы обладают удвоенной прочностью. Они характеризуются хорошей пластичностью, в частности при изгибе, легче куются, штампуются и прокатываются, чем сплавы а или р; возможно упрочнение путем термической обработки.

Однако эти стали чувствительны к термической обработке (при недостаточном контроле может наблюдаться охрупчивание); сохраняют достаточную прочность лишь до 430 °С. Пластичность сварного шва у них хуже, чем у а-сплавов.

р-сплавы характеризуются отличной пластичностью при всех видах штамповки (лист толщиной 0,7 мм может быть согнут без оправки до полного соприкосновения сторон); сохраняют достаточную прочность до 540 °С. Для получения высокой прочности подвергаются термической обработке.

Однако эти сплавы весьма чувствительны к загрязнениям в процессе производства, к загрязнению атмосферными газами при температурах выше 700 °С. Высокая прочность вызывает трудности при штамповке. При старении возможно охрупчивание. Кроме того, р-сплавы отличает относительно высокое содержание дефицитных легирующих элементов.

Омический состав и механические свойства некоторых титановых сплавов приведены в табл. 8.5.

Однофазные а-сплавы средней прочности ВТ5 и ВТ5-1 относятся к термически неупрочняемым сплавам. Олово в сплаве ВТ5-1 повышает сопротивление ползучести и технологическую пластичность. Сплавы имеют стабильные механические свойства вплоть до 450—500 °С. Их поставляют в виде прутков, поковок, труб, сортового проката, проволоки. Предназначены для изготовления деталей, работающих в широком диапазоне температур.

Таблица 8.5. Химический состав и механические свойства промышленных деформированных сплавов титана

Титановые сплавы в зависимости от их состава и назначения можно подвергать всем основным видам термической обработки, а также химико-термической обработке.

Рекристаллизационный отжиг применяют для титана и сплавов с a-структурой для снятия напряжений, созданных предшествующей деформацией. Температура рекристаллизационного отжига должна быть выше температуры рекристаллизации, но ниже температуры аллотропического превращения aÛb, так как в b- области происходит очень быстрый рост зерна. Обычно это температуры 520-850 0 С в зависимости от химического состава сплава и вида полуфабриката.

Читать также:  Нож с лезвием крюком чертеж

Отжиг с фазовой перекристаллизацией применяют для (a+b)- сплавов с целью снижения твердости, повышения пластичности, измельчения зерна, устранения структурной неоднородности. Применяют простои, изотермический и двойной отжиг; температура нагрева 750-950 0 С (в зависимости от состава сплава).

Простой отжиг предусматривает нагрев (a+b)- сплавов до температуры отжига, выдержку и медленное охлаждение. Образующаяся при нагреве b- фаза (иногда с остаточной a- фазой) при медленном охлаждении распадается и выделяет a-фазу, в результате чего образуется двухфазная структура (a+b), близкая к равновесной.

Изотермический отжиг позволяет получить более термически стабильные свойства титановых сплавов. Изотермический отжиг можно разбить на четыре этапа:

1. Нагрев до температуры выше температуры рекристаллизации (обычно 800-950 О С), для снятия наклепа (I ступень); 2. Охлаждение до 500-650 О С в зависимости от состава сплава; 3. Выдержка при данных температурах для стабилизации b- фазы (II ступень); 4. Охлаждение на воздухе. Изотермическим отжигом достигается высокая прочность и жаропрочность в сочетании с хорошей пластичностью сплава.

Двойной отжиг отличается от изотермического тем, что после выдержки на высокотемпературной ступени (800-950 О С) сплав охлаждают до комнатной температуры и затем повторно нагревают до температуры II ступени. В процессе охлаждения от I ступени до комнатной температуры в сплаве фиксируется неустойчивая b- фаза, распадающаяся на II ступени отжига. Фактически II ступень при двойном отжиге является старением: образующиеся мелкодисперсные продукты распада упрочняют сплав. Двойной отжиг способствует увеличению сопротивления ползучести.

3акалка применяется только для двухфазных сплавов. В зависимости от химического состава, в первую очередь от суммарного содержания легирующих b- стабилизаторов, в титановых сплавах при закалке может происходить мартенситное превращение или фиксироваться высокотемпературное состояние b- фазы при комнатной температуре, т. е. образовываться нестабильная bнест— фаза. Мартенситное превращение в титановых сплавах происходит сдвиговым, бездиффузионным путем в интервале температур и характеризуется температурой начала (МН) и температурой конца (MК) превращения.

Схема превращений, происходящих при закалке титановых сплавов в зависимости от содержания b- стабилизатора, показана на Рис.4.28. На этой схеме сплошные линии соответствуют температурам начала и конца полиморфного превращения aÛb, а штриховые — температурному интервалу мартенситного превращения MH-MК.

Термическая обработка титановых сплавов

Рис. 4.10. Схема превращений, происходящих при закалке титановых сплавов в зависимости от содержания b–стабилизатора.

При закалке сплавов, содержащих b-стабилизатора меньше Сaобразуется игольчатая фаза мартенситного типа, называемая a’.

В интервале концентраций b- стабилизатора Сa–С1 процесс закалки протекает так же, как и при концентрациях, меньших С1 с той лишь разницей, что вместо a-фазы образуется a”-фаза.

Фаза a” представляет собой подобно a фазе твердый раствор легирующих элементов в a-титане, но по сравнению с a’-фазой более насыщена, так как образуется в сплавах с большей концентрацией легирующих элементов; a”-фаза имеет ромбическую решетку.

При концентрациях b-стабилизатора от С1до CК b-фаза только частично превращается в a”-фазу и образуется структура a”+b. Сохранившаяся b-фаза называется нестабильной (bнест).

Внутри bнест образуется w-фаза, которая когерентна с решеткой b-фазы, имеет искаженную гексагональную кристаллическую решетку, повышает твердость и резко охрупчивает сплавы. При закалке сплавов с концентрацией b-стабилизатора от CК до С3 мартенситное превращение не происходит, и сплавы имеют структуру bнест+w.

При концентрациях b-стабилизатора от С3 до Сb при закалке фиксируется b нестабильная фаза, которая представляет собой твердый раствор легирующих элементов в b-титане.

В процессе нагрева закаленных титановых сплавов происходит старение и образовавшиеся при закалке метастабильные фазы a‘, a", w и bнест распадаются с образованием более стабильных дисперсных структур.

При температурах старения 500 О С и выше в (a+b): сплавах в зависимости от структуры, полученной после закалки, могут происходить следующие превращения: a¢(a²)®a+b; a"+bнест®a+b; bнест + w®a+b; bнест ®a+b.

В результате распада неравновесных фаз с выделением дисперсных частиц титановые сплавы упрочняются. Наибольший эффект упрочнения получается при распаде bнест— фазы.

Читать также:  Мтз расшифровка в электрике

Титановые сплавы подвергают также химико-термической обработке. Для повышения износостойкости трущихся поверхностей применяют азотирование. Получаемый aзoтированный слой имеет глубину 0,1-0, 15 мм и твердость НV 700-1000. Для снижения хрупкости азотированного слоя и повышения его сцепления со сплавом изделия подвергают вакуумному отжигу при 800-900 О С.

Дата добавления: 2018-08-06 ; просмотров: 168 ; ЗАКАЗАТЬ РАБОТУ

Титановые сплавы в зависимости от химического состава и назначения подвергают различным видам отжига, закалке и старению, химико-термической обработке. Для нагрева используют вакуумное оборудование, что предотвращает наводораживание сплавов.

Отжиг. Отжиг для снятия напряжений проводится при температурах 400 – 500ºС (ниже Ас1); отжиг рекристаллизационный после холодной деформации для снятия наклепа при 800 – 850С (ниже Ас3, т.к. в β – области происходит сильный рост зерна).

Особенность титановых сплавов состоит в том, что, в отличие от сталей, отжиг является основным видом термообработки и при образовании гетерофазных структур обеспечивает достаточный уровень прочности.

Закалка и старение применяются только к сплавам с (α + β) структурой. Закалка с охлаждением в воде может быть проведена после нагреве в β или (α + β) – области. В последнем случае α — фаза не претерпевает превращений, а из β-фазы образуется один из трех видов мартенсита или метастабильная β΄- фаза (в зависимости от легирования). Закалка и старение вызывают значительное упрочнение по сравнению с отожженным состоянием, но сопровождается существенным снижением пластичности. Титановые сплавы имеют невысокую прокаливаемость, поэтому закалка на мартенсит применяется ограниченно, только для деталей небольших размеров.

Более предпочтительной является закалка на β΄- фазу, когда прокаливаемость не имеет значения, и нет ограничений по размерам детали.

Химико — термическая обработка титановых сплавов имеет целью упрочнение поверхности с целью повышения износостойкости (азотирование) или повышения жаростойкости (силицирование – насыщение Si) или напыление нитрида титана.

4.3.4. Классификация промышленных титановых сплавов

Титановые сплавы маркируют буквами и числами. Буквы («ВТ», «ОТ», «АТ», «ПТ») условно обозначают организацию, в которой разрабатывались сплавы, числа – порядковый номер сплава. Примеры марок титановых сплавов: ВТ6, ВТ14, ОТ4, АТ3 и т.п.

Сплавы классифицируют по различным признакам:

– по способу получения: деформируемые и литейные;

– по назначению: конструкционные общего назначения, жаропрочные, криогенного назначения, коррозионностойкие;

– по уровню прочности: низкопрочные (до 500 МПа), средней прочности (500 – 1000 МПа), высокопрочные (более 1000 МПа);

– по фазовому составу после термообработки (после отжига, после закалки).

4.3.5. Деформируемые сплавы

Одним из признаков, по которому деформируемые титановые сплавы разделяют на несколько классов, является фазовый состав после отжига:

1. α — сплавы, состоящие из твердого раствора на основе α — Ti (ГП).

2. Псевдо-α-сплавы, которые состоят из α-фазы и небольшого количества β – фазы (ОЦК) (не более 5 %).

4. Псевдо — β — сплавы (α — фазы не более 5 %) .

Последние два класса сплавов имеют ограниченное применение.

Класс сплава или его фазовый состав после отжига, определяется, прежде всего, легированием (табл. 4.11). В свою очередь фазовый состав влияет на механические и технологические свойства сплавов, определяет их способность к упрочняющей термической обработке.

Однофазные α — сплавы применяют и как жаропрочные, и как сплавы криогенного назначения. Они имеют следующие свойства: значительно упрочняются при холодной пластической деформации; не упрочняются при термообработке; поэтому имеют; удовлетворительно свариваются; склонны к водородной хрупкости.

Самый распространенный сплав этого класса – сплав марки ВТ5-1 (Ti– 5Al – 2,5Sn) (табл. 4.11) после отжига имеет σв = 800 – 1000 МПа, удовлетворительный предел выносливости. Сплав жаропрочен до 450ºС, и в то же время сплав считается наилучшим для применения при криогенных температурах вплоть до температуры жидкого водорода.

Оставить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *