Микроструктурный анализ титановых сплавов

По комплексу физико-химических свойств титан существенно отличается от металлов группы железа и поэтому применение к титановым сплавам современных методов исследования имеет определенную специфику. Даже приготовление макро- и микрошлифов связано с определенными трудностями, обусловленными способностью титана налипать на режущий инструмент. Поэтому механическая обработка, шлифовка и полирование шлифов титана и его сплавов производится по специальным технологическим операциям и инструкциям. Титан подобно железу, является полиморфным металлом (ниже 882°С он обладает гп решеткой – a-Ti, а при температурах от 882°С до точки плавления – оцк решеткой – b-Ti) и поэтому титановые сплавы имеют большое разнообразие структур и фазового состава. Травителем титановых сплавов является раствор 3%-й HF и 3%-й HNO₃ в воде. Легирование титана позволяет в два-три раза повысить его прочность, а в некоторых случаях и коррозионную стойкость. Основным легирующим элементом в промышленных титановых сплавах является алюминий. На основе системы Al – Ti разработана серия свариваемых титановых сплавов. Кроме того, алюминий присутствует почти во всех сплавах на основе титана. Другими важными легирующими добавками являются ванадий и молибден. Высокопрочные титановые сплавы основываются на тройной системе Ti – Al – V.

Легирующие элементы по их влиянию на температуру полиморфного превращения титана можно разбить на три группы. Первая группа представлена a- стабилизаторами – элементами, повышающими температуру полиморфного превращения Ti. Из металлов к числу a-стабилизаторов относятся Al, Ga и In, из неметаллов – C, N и O.

Ко второй группе принадлежат b- стабилизаторы – элементы, понижающие температуру полиморфного превращения титана. Их можно разбить на три подгруппы. В сплавах титана с элементами первой подгруппы при достаточно низкой температуре происходит эвтектоидный распад b-фазы: b®a+g. К таким элементам относятся Cr, Mn, Fe, Cu, Ni, Pb, Be, Co, которые называются эвтектоидообразующими b-стабилизаторами. В сплавах Ti с элементами второй подгруппы при достаточно высокой их концентрации b-твердый раствор сохраняется до комнатной температуры, не претерпевая эвтектоидного распада. Такие элементы называют изоморфными b-стабилизаторами. К числу таких элементов принадлежат V, Mo, Nb, Ta. Элементы третьей подгруппы (Ru, Rh, Re, Os, Ir) образует с титаном в богатой титаном области диаграмму состояния такую же, как с b-изоморфными стабилизаторами. При достаточно большом содержании этих элементов b-фаза полностью стабилизируется при комнатной температуре и лишь в области сравнительно бедной титаном, появляются новые фазы и связанные с ними нонвариантные равновесия. Третья группа представлена легирующими элементами, мало влияющими на температуру полиморфного превращения титана. К числу таких элементов можно отнести Sn, Zr, Ge, Hf и Th. Эти элементы называют нейтральными упрочнителями.

Основой титановых сплавов служат твердые растворы на основе двух полиморфных модификаций титана – a и b, образующие разнообразные структуры. Помимо их в структуре сплавов могут быть карбиды, гидриды и другие металлидные фазы, например силициды, встречаемые обычно в небольших количествах.

В настоящее время о фазовом составе титановых сплавов, их структуре и свойствах судят в основном по диаграмме состояния типа Ti – Mo, учитывая действие всех остальных b-стабилизаторов, кроме Mo, через молибденовый эквивалент. При использовании молибденового эквивалента все легирующие элементы располагаются в ряд по их влиянию на полиморфное превращение титана. Это влияние характеризуется минимально необходимой концентрацией данного элемента в двойном сплаве с титаном, при которой можно получить стопроцентную b-структуру путем закалки. Соответствующая концентрация молибдена принимается за единицу. Такой подход к анализу фазового состава титановых сплавов аналогичен оценке фазового состава сплавов на основе меди по коэффициентам Гийе.

Промышленные титановые сплавы со структурой a+b, легированные одним или несколькими b-стабилизаторами, удобно классифицировать по степени приближения состава сплава к критическому. Для этого используют так называемый условный коэффициент b-стабилизации сплава. Коэффициент K _b определяется отношением содержания b-стабилизатора в рассматриваемом двойном сплаве критического состава Скр (т.е. наименее легированном сплаве, который может закаливаться из b-области на стопроцентную b-структуру). Следовательно, К _b= C/Cкр, где С – концентрация b-стабилизатора в сплаве. Таким образом, для сплавов докритического состава этот коэффициент будет меньше единицы, для сплавов критического состава – равен единице и для сплавов закритического состава – больше единицы. Например, критическая концентрация молибдена в двойном сплаве с титаном составляет 10 %. Поэтому для сплава, содержащего 4 % Mo, коэффициент К _b = 4/10 = 0,4, для сплава с 16 % Mo значения К _b = 16/10 = 1,6 и т.д. Аналогично можно оценить коэффициент b-стабилизации не только двойных, но и сложных сплавов, содержащих несколько элементов из группы b-стабилизаторов. При этом приходится сделать ряд допущений. Поэтому коэффициент b-стабилизации сложных сплавов является скорее качественной, чем количественной характеристикой. Тем не менее он позволяет с достаточной для практики точностью прогнозировать фазовый состав и поведение при технологических нагревах многокомпонентных промышленных титановых сплавов с a+b-структурой.

При такой системе классификации все промышленные титановые сплавы удобно разделить на пять групп: a-сплавы (не содержащие b-стабилизаторов), псевдо a-сплавы (коэффициент b-стабилизации не более 0,25), двухфазные a+b-сплавы (коэффициент b-стабилизации от 0,3 до 0,9), псевдо b-сплавы (коэффициент b-стабилизации от 1,4 до 2,4) и b-сплавы (содержание b-стабилизаторов более равновесного состава b-фазы, К _b ³ 2,5). Каждая из этих групп сплавов имеет свой комплекс свойств и особенностей. Хотя титановые сплавы в основном применяют в отожженном состоянии, все большее распространение получает упрочняющая термическая обработка, которая в 1,3-1,6 раза повышает прочностные характеристики при сохранении достаточной пластичности.

Титановые a-сплавы, легированные алюминием и цирконием, обладают повышенной жаропрочностью, хорошо свариваются. В отожженном состоянии у этих сплавов s_В = 600-800 МПа. Двухфазные (a+b)-сплавы содержат, кроме алюминия, b-стабилизаторы. Эти сплавы после упрочняющей термообработки характеризуются высокой прочностью (s_В = 1200-1400 МПа).

Однофазные сплавы со структурой b-фазы можно получить при высоком содержании легирующих элементов, стабилизирующих b-фазу, например, молибден. Однако молибден повышает удельный вес титановых сплавов, что сдерживает их широкое промышленное применение.

Литейные сплавы

Особенности структуры титановых сплавов в литом состоянии связаны с двумя факторами: значительным перегревом расплава и малой скоростью охлаждения. По этой причине литые титановые сплавы имеют грубозернистую структуру. Увеличение концентрации легирующих элементов в сплавах и уменьшение перегрева при литье сопровождается образованием более мелкозернистых структур.

Технический титан марки ВТ1Л (a-сплав) используют для получения фасонных отливок коррозионно-стойкой арматуры химических производств. При полиморфном превращении b®a в процессе медленного охлаждения a-титан образуется в форме пластин.

Двойной литейный сплав ВТ5Л (a-сплав) в качестве легирующего элемента содержит 5 % Al. Сплав имеет небольшой интервал кристаллизации и повышенную жидкотекучесть, используется для литья под давлением. Структура сплава складывается из пластин a-фазы.

Сплав ВТ3-1Л является двухфазным с довольно значительным содержанием b-фазы. Он содержит 6 % Al, 2,5 % Mo, 2 % Cr, 0,3 % Si и 0,5 % Fe. Сплав обладает повышенной жаропрочностью и используется для отливки деталей авиационных двигателей, работающих при повышенных температурах. Структура сплава характеризуется, как правило, наличием сравнительно крупных исходных a-зерен, окаймленных по границам b-оторочкой.

Деформируемые сплавы

Сплав ВТ5-1 является деформируемым однофазным сплавом с a-структурой. Он содержит 5 % Al и 2,5 % Sn. Сплав производят в виде листов, прутков, поковок и прессованных изделий, предназначен для работы в интервале температур от криогенных до 450°С. Структура сплава в состоянии после деформации и отжига в a-области состоит из равноосных полиэдрических зерен. Структура с зубчатыми зернами неправильной формы наиболее характерна для сплава после горячей деформации в b-области и последующего отжига в a-области. Крупнозернистая структура пластинчатого типа с четко обозначенными границами b-зерна образуется после деформации сплава в b-области с последующей термической обработкой в b-области.

Деформируемый сплав ВТ3-1 по составу совпадает с составом литейного сплава ВТ3-1Л и предназначен для длительной работы при 400-450°С. Из него изготавливают прутки, профили, поковки. Сплав ВТ3-1 подвергают отжигу, после которого он приобретает (a+b)-структуру с содержанием 15 % b-фазы. После отжига, предназначенного для стабилизации структуры и свойств, сплав состоит из светлой a-фазы и темной составляющей b-фазы с выделениями внутри нее дисперсной a-фазы, невидимой под световым микроскопом. Если сплав был перегрет, то возникает структура грубого корзиночного плетения. В этой структуре хорошо видны границы крупных зерен превращенной b-фазы (внутри нее выделилась a-фаза), т.к. они оконтурены светлыми выделениями a-фазы.

Высоколегированный, термически упрочняемый сплав марки ВТ15 содержит 3 % Al, 8 % Mo и 11 % Cr. В отожженном состоянии он двухфазен. После закалки из b-области его структура состоит из светлых зерен метастабильной b-фазы. После старения внутри b-зерен образуются дисперсные, невидимые под световым микроскопом, выделения a-фазы. Такая двухфазная смесь сильно травится и выглядит под микроскопом темной.

Порядок проведения работы

1. Просмотреть шлифы титановых сплавов при увеличении 500.

2. Используя атлас микроструктур, схематично зарисовать все изученные структуры. Под каждой микроструктурой подписать марку, средний химический состав, увеличение микроскопа и указать стрелками структурные составляющие.

3. Начертить схемы диаграмм состояния систем титан – a-стабилизатор и титан – b-стабилизатор и указать, какие элементы относятся к каждой диаграмме состояния.

Лабораторная работа № 5