Титановые сплавы

3. Различные  концентрации электролитов или  воздуха, растворенного в жидком  электролите.

4. Различный  уровень механических напряжений  в одной и той же детали.

Рассмотрим  более подробнее последний случай возникновения коррозионной гальванической пары. Коррозионные пары могут возникать  при действии внешних или внутренних механических напряжений (остаточных напряжений, например при сварке). Если пластинку стали, дюраля или титанового сплава согнуть и в напряженном  состоянии погрузить в коррозионную среду, то на растянутом слое (внешний) через относительно короткое время  возникнут трещины (рис. 1), а внутренний сжатый слой будет оставаться без  изменений. Растягивающие усилия особенно опасны, так как в этом случае металл повышает свою активность.

Рисунок 1 - Коррозия пластинки в напряженном состоянии

Если согнутую упруго пластинку (см. рис. 1) термически обработать и упругие деформации перейдут в пластические (явление  релаксации), то разности потенциалов  не возникает. Таким образом, при  изготовлении деталей и узлов  машин для снятия остаточных напряжений всегда следует термически обрабатывать изделия, если эти изделия предназначены  для работы в сильно коррелирующих  средах.

С этой целью  в ИПСМ РАН при изготовлении тонких листов СМК - сплава ВТ6, полученных изотермической прокаткой, для более полного снятия остаточных напряжений и формирования зеренной структуры применяется крип-отжиг, который заключается в следующем: листы укладываются стопой между плоскими бойками и прижимаются под давлением 3-5 МПа при температуре 550 ˚С. После 20 мин выдержки нагрев выключается, и пакет остывает вместе со штамповым блоком в течение 12 часов. 

Водородное  охрупчивание титана и титановых сплавов

Титан высокой  чистоты

Растворимость водорода в α-титане и, следовательно, его влияние на металл зависят  от чистоты металла. Поэтому важно  отличать титан высокой чистоты  от технического титана и α-титана, легированного различными элементами. Как указывалось, растворимость  водорода в чистом α-титане составляет ~ 8% (ат.) при 325 °С и 0,1% (ат.) при 125 °С.

Рис.3. Изменение  пластичности титана высокой чистоты  при растяжении при комнатной  температуре в зависимости от содержания водорода. 

Влияние водорода на механические свойства α-титана высокой  чистоты показано на рис. 3. Свойства титана высокой чистоты при испытании  на растяжение значительно изменяются и присутствии водорода. Если содержание водорода менее 1 % (ат.), то пластичность получается высокой (удлинение равно ~70%). Увеличение концентрации водорода (до 10% ат.) приводит к резкому снижению пластичности, хотя удлинение образцов остается на уровне 40%. Дальнейшее увеличение содержания водорода (до 25% ат.) может  привести к катастрофическому снижению пластичности при комнатной температуре. 

Рис.4. Изменение  механических свойств чистого титана в зависимости от содержания водорода и скорости растяжения при комнатной  температуре. 

Рэйлски опубликовал  подробный обзор по влиянию водорода на механические свойства титана и  его сплавов, в котором он показал, что склонность α-титана высокой  чистоты охрупчиваться под влиянием водорода увеличивается при раздельном или совместном действии следующих  факторов: повышениискорости деформации, уменьшении температуры испытания  и при наличии поверхностного надреза на образце. Наиболее резко  вредное влияние водорода проявляется  при определении прочности надрезанных  образцов при испытании на удар. Столь малое содержание водорода, как 0,25% (ат.), вызывает значительное снижение сопротивления удару, а при содержании водорода ~2% (ат.) оно почти равно  нулю (рис. 4). Следует указать, что  почти нулевая энергия удара  наблюдается при таком содержании водорода, которое практически не влияет на относительное удлинение  при растяжении.

Металлографическое  и рентгенографическое исследования показывают, что при содержании водорода более 0,1% (ат.) в α-титане присутствует нерастворимая гидридная фаза, как  и следовало ожидать, исходя из диаграммы  состояния водород — титан, предложенной Леннипгом. Считают, что основной причиной охрупчивания α-титана в присутствии  водорода является наличие пластинчатых выделений гидридной фазы. Если этот гидрид выделяется в дисперсной форме, что может быть получено в результате быстрого охлаждения из области твердого раствора, механические свойства сплавов  этого типа могут быть улучшены. Однако старение при комнатной температуре  приводит к коагуляции гидрида в  более массивные включения, что  вызывает соответствующее ухудшение  свойств при испытании на удар и на растяжение.

Технический титан

Растворимость водорода в α-фазе технического титана ниже, чем в титане высокой чистоты. При 400 °С предел растворимости колеблется от 5,4 до 6,5% (ат.), в то время как  для чистого титана эта величина составляет более 8% (ат.). Определить растворимость  водорода в титане при температурах ниже эвтектоидной трудно из-за остаточной β-фазы по границам зерен. Медленное  или быстрое охлаждение из области  твердого раствора не приводит к выделению  гидридной фазы в сплавах, содержащих 0,26% (ат.) водорода, в то время как  в титане высокой чистоты при  данной концентрации водорода гидридная  фаза присутствовала бы обязательно. Разница  в пределах растворимости и форме  существования водорода в металлах различной чистоты обусловливается  присутствием в менее чистом титане элементов, стабилизирующих β-фазу, так как растворимость водорода в β-фазе гораздо больше, чем в  α-фазе.

Вредное действие водорода на механические свойства проявляется  в техническом титане при более  низких содержаниях водорода по сравнению  с титаном высокой чистоты. На рис. 5 показано изменение свойств  технического титана при испытании  па растяжение в зависимости от концентрации водорода; при содержании водорода 12% (ат.) пластичность этого материала  снижается с 70 до 10%. В титане высокой  чистоты такое снижение пластичности наблюдается при содержании водорода свыше 30% (ат.). Кроме того, снижение сопротивления  удару почти до нулевого значения происходит в техническом титане при содержании водорода ~ 1% (ат.), что составляет приблизительно половину той величины, которая необходима для достижения аналогичного эффекта в титане высокой чистоты. 

Рис.5. Изменение  пластичности технически чистого титана в зависимости от содержания водорода. 

Рис.6. Изменение  энергии удара технически чистого  титана в зависимости от содержания водорода после закалки на твердый  раствор с последующим старением  при комнатной температуре.

Закалка из области α-фазы улучшает сопротивление  удару технического титана, содержащего  водород, но, как и в случае чистого  металла, этот эффект является временным (рис. 6); старение при комнатной температуре  приводит к ухудшению свойств. Кроме  того, было показано, что сплав с 0,24% (ат.) водорода обладает значительно  более низким сопротивлением удару  по сравнению с металлом, не содержащим водород, хотя никаких признаков  гидридной фазы в его структуре  обнаружено не было. Однако Рэйлски  указывает, что благодаря различному растворению водорода в α- и β-фазах, почти весь водород должен находиться в растворе в остаточной β-фазе, чем  и объясняется отсутствие видимой  гидридной фазы при содержании водорода выше предела его растворимости  в чистом α-титане. Поэтому вполне возможно, что наличие в техническом титане частиц β-фазы со значительно более высоким содержанием водорода является фактором, обусловливающим его охрупчивание.

Стабилизированные α-сплавы

Сплавы титана обычно классифицируются по легирующим элементам в зависимости от того, образуют ли они твердые растворы внедрения или замещения. Затем  эти элементы разделяются на группы по их отношению к α- или β-фазам. Влияние водорода было изучено на сплавах, содержащих α-стабилизирующие  элементы, которые образуют как твердые  растворы внедрения, так и замещения. Азот является типичным представителем первых, а алюминий — вторых. Изучение свойств при испытании на удар и микроструктуры стабилизированных  α-сплавов показывает, что склонность их к водородному охрупчиванию обусловливается  выделением гидридной фазы. Низкое сопротивление удару может быть улучшено отжигом в вакууме (табл. 1).

Таблица 1.

Выводы

Механические  свойства а-титана в значительной мере зависят от содержания водорода в  металле. Степень охрупчивания, вызываемая данным количеством водорода, зависит  в основном от чистоты металла. Ниже приводятся краткие выводы по влиянию  водорода на свойства а-титана.

1. Растворимость  водорода в а-титане высокой  чистоты составляет 8% (ат.) при 325 °С и 0,1% (ат.) при 125 °С. Примеси  в металле могут привести к  сохранению высокотемпературной  р-фазы по границам зерен технического  титана. Это сказывается на величине  предела растворимости, так как  растворимость водорода в р-титане  больше, чем в α-титане. Растворимость  водорода в а-фазе технического  титана составляет 6% (ат.) при 350 °С.

2. Водород  ухудшает свойства металла, чувствительные  к надрезу или скорости деформации  или к обоим факторам вместе. Водород значительно снижает  сопротивление удару, но его  влияние уменьшается с уменьшением  скорости деформации. Поэтому обычные  свойства при испытании на  растяжение изменяются только  при относительно высоких концентрациях  водорода.

3. Охрупчивание  α-титана высокой чистоты наблюдается  в том случае, когда содержание  водорода превышает предел его  растворимости. В этом случае, при медленном охлаждении из  области α-фазы из твердого  раствора выделяются пластинки  гидрида. Степень охрупчивания  может быть уменьшена, если  гидрид выделяется в мелко  дисперсной форме, например, при  быстром охлаждении. Однако после  старения при комнатной температуре  вследствие коагуляции гидридных  частиц металл снова охрупчивается.

4. Характерные  признаки проявления водородного  охрупчивания в техническом и  в чистом металле одни и  те же: повышение склонности металла  к охрупчиванию с увеличением  скорости деформации. Однако количество  водорода, необходимое для охрупчивания  технического титана, меньше, чем  количество водорода, вызывающее  охрупчивание чистого металла:  в некоторых случаях оно может  быть даже меньше предела растворимости  водорода в титане. Полагают, что  в данном случае эффект охрупчивания  усиливается благодаря присутствию  по границам зерен α-фазы хрупкой  β-фазы с относительно более  высоким содержанием водорода. Присутствие  такой остаточной β-фазы обусловливается  наличием примесей (например, железа), которые способствуют стабилизации  высокотемпературной фазы при  более низких температурах.

Высокопрочные титановые сплавы

Повышение прочностных свойств  термической обработкой.

Поскольку двухфазные (α+β)-титановые сплавы могут упрочняться  термической обработкой, имеется  возможность дополнительно повысить их прочность.

Оптимальными режимами упрочняющей термической обработки  с учетом ресурса 2000 ч являются:

для сплава ВТ3-1 закалка  в воду с температуры 850 – 880° С  и последующее старение при 550° С в течение 5 ч с охлаждением на воздухе;

для сплава ВТ8 –  закалка в воду с температуры 920° С и последующее старение при 550° С в течение 6 ч с охлаждением  на воздухе;

для сплава ВТ9 закалка  в воду с температуры 925° С и  последующее старение при 570° С  в течение 2 ч и охлаждение на воздухе.

Были проведены  исследования по влиянию упрочняющей  термической обработки на механические свойства и структуру сплава ВТ3-1 при температурах 300, 400, 450° С для  сплава ВТ8 за 100, 500 и 2000 ч, а также  на термическую стабильность после  выдержки до 2000 ч.

Эффект упрочнения от термической обработки при  кратковременных испытаниях сплава ВТ3-1 сохраняется до 500° С и  составляет 25 – 30% по сравнению с  изотермическим отжигом, а при 600° С предел прочности закаленного и состаренного материала равен пределу прочности отожженного материала.

Применение упрочняющего режима термической обработки также  повышает и пределы длительной прочности  за 100 ч на 30% при 300° С, на 25% при 400°  С и 15% при 450° С.

С увеличением ресурса  от 100 до 2000 ч длительная прочность  при 300° С почти не изменяется как после изотермического отжига, так и после закалки и старения. При 400° С закаленный и состаренный  материал разупрочняется в большей  степени, чем отожженный. Однако абсолютное значение длительной прочности за 2000 ч у закаленных и состаренных образцов выше, чем у отожженных. Наиболее резко снижается длительная прочность при 450° С, и при испытании в течение 2000 ч преимуществ от термического упрочнения не остается.