Структура и механические свойства титановых сплавов.

Титановые сплавы ВТ в самолетостроении.

Титановые сплавы широко применяются в сверхзвуковой авиации, где алюминиевые сплавы не могут быть использованы из-за низкой жаропрочности, а стали – из-за большой плотности. Титановые сплавы используются в планере самолета для таких деталей и конструкций как обшивка, силовой набор, детали крепления шасси, механизации крыла, пилоны и др. Применение титановых сплавов в вертолетостроении позволяет снизить массу деталей на 35-40% по сравнению со стальными. Примеры применения титановых сплавов в за последние годы приведены на картинке.

Легирующие элементы.

Легирующие элементы, входящие в состав промышленных титановых сплавов, образуют с титаном твердые растворы замещения и изменяют температуру аллотропического превращения. Влияние легирующих элементов на полиморфизм титана показано на рис.

Элементы, повышающие температуру превращения, способствуют стабилизации — твердого раствора и называются –стабилизаторами.

Элементы, понижающие температуру превращения, способствуют стабилизации – твердого раствора и называются – стабилизаторами.

Кроме – и –стабилизаторов различают нейтральные упрочнители:

Структура и механические свойства титановых сплавов.

В зависимости от характера влияния, оказываемого легирующими элементами на полиморфные превращения титана при сплавлении, все сплавы делятся на три группы:

1) с a-фазой (алюминий);

2) с b-фазой (хром, марганец, железо, медь, никель, бериллий, вольфрам, кобальт, ванадий, молибден, ниобий и тантал);

3) с a + b-фазами (олово, цирконий, гафний).

Сплавы титана с алюминием имеют меньшую плотность и большую удельную прочность, чем чистый или технически чистый титан. По удельной прочности они превосходят многие нержавеющие и теплостойкие стали в интервале 400 - 500 °С. Эти сплавы обладают более высокой жаропрочностью и наивысшим сопротивлением ползучести, чем многие другие на основе титана. Они также имеют повышенный модуль нормальной упругости. Сплавы не подвергаются коррозии и слабо окисляются при высоких температурах. Они обладают хорошей свариваемостью, причем даже при значительном содержании алюминия материал шва и околошовной зоны не приобретает хрупкости. Добавка алюминия уменьшает пластичность титана. Добавка олова в сплавы повышает их прочностные характеристики. Сплавы данного типа достаточно пластичны: прокатываются, штампуются и куются в горячем состоянии, свариваются аргоно-дуговой и контактной сваркой, удовлетворительно обрабатываются резанием, обладают хорошей коррозионной стойкостью в концентрированной азотной кислоте, в атмосфере, растворах поваренной соли при цикличных нагрузках и морской воде. Они предназначаются для изготовления деталей, работающих при температурах от 350 до 500 °С при длительных нагрузках и до 900 °С при кратковременных нагрузках. Сплавы поставляются в виде листов, прутков, полос, плит, поковок, штамповок, прессованных профилей, труб и проволоки. При комнатной температуре они сохраняют кристаллическую решетку, присущую модификации a-титана. В большинстве случаев эти сплавы применяют в отожженном состоянии.

Наилучшее сочетание свойств достигается в сплавах, состоящих из смеси a- и b-фaз. Непременным компонентом в них является алюминий. Содержание алюминия не только расширяет область температур, при которых сохраняется стабильность a-фазы, но и повышает термическую устойчивость b-составляющей. Кроме того, этот металл уменьшает плотность сплава и тем самым компенсирует увеличение данного параметра, связанное с введением тяжелых легирующих элементов. Они обладают хорошей прочностью и пластичностью. Из них изготовляют листы, прутки, поковки и штамповки. Детали из таких сплавов можно соединять точечной, стыковой и аргоно- дуговой сваркой в защитной атмосфере. Они удовлетворительно обрабатываются резанием, обладают высокой коррозионной стойкостью во влажной атмосфере и в морской воде, обладают хорошей термической стабильностью.

К титановым сплавам с термодинамически устойчивой b-фазой относятся системы, содержащие в своем составе алюминий (3,0 - 4,0 %), молибден (7,0 - 8,0 %) и хром (10,0 - 15,0 %). Однако при этом теряется одно из основных преимуществ титановых сплавов - относительно малая плотность. Это является основной причиной того, что данные сплавы не получили широкого распространения. После закалки с 760 - 780 °С и старения при 450 - 480 °С они имеют временное сопротивление, это эквивалентно стали. Однако эта прочность не сохраняется при нагревании, что является основным недостатком указанных сплавов. Они поставляются в виде листов, прутков и поковок. После закалки из β области получается структура мартенсита α'.

Термообработка

При температуре 882^oС титан претерпевает полиморфное превращение, –титан с гексагональной решеткой переходит в – титан с объемно-центрированной кубической решеткой. Наличие полиморфизма у титана создает предпосылки для улучшения свойств титановых сплавов с помощью термической обработки.

Сплавы титана в зависимости от структуры после отжига делятся на α, α+β, и β сплавы. В зависимости от скорости охлаждения превращения могут идти по диффузионному механизму (медленное охлаждение), бездиффузионному механизму (быстрое охлаждение). При медленном охлаждении сплавы имеют структуру полиэврических зерен α ТВ раствора. При быстром охлаждении имеют игольчатую мартенситную структуру. Кроме отжига, закалки и старения титановые сплавы подвергают химико- термической обработки, для увеличения износостойкости поверхностного слоя деталей. Рекристализационный отжиг холодно деформированных сплавов проводят при Т(650-850˚С) для восстановления зерна после деформации и снятия напряжения. Изотермический отжиг проводят при нагреве до Т (780-980˚С), охлаждение в печи до Т (530-680˚С), выдержка при этой Т и далее охлаждение на воздухе. Этот отжиг не дает высокую пластичность для α+β сплавов. Неполный отжиг для снятия напряжений продольных сил проводят при Т (500- 680˚) упрочняющая термообработка состоит из закалки и старения для α+β сплавов. Закалка при Т (800-820˚С). Старение Т (530-550˚С).