ВТ6

Особенности термообработки титана ВТ6 (и близких по составу ВТ14 и т.д.): термическая обработка является основным средством изменения структуры титановых сплавов и достижения комплекса механических свойств, необходимых при эксплуатации изделий. Обеспечивая высокую прочность при достаточной пластичности и вязкости, а также стабильность этих свойств в процессе эксплуатации, термическая обработка имеет не меньшее значение, чем легирование.

Основными видами термической обработки титановых сплавов являются: отжиг, закалка и старение. Находят применение также термомеханические методы обработки.

В зависимости от температурных условий отжиг титановых сплавов может сопровождаться фазовыми превращениями (отжиг с фазовой перекристаллизацией в области выше а→в - превращения) и может протекать без фазовых превращений (например, рекристаллизационный отжиг ниже температур а→в-превращения). Рекристаллизационный отжиг титана и его сплавов приводит к разупрочнению или устранению внутренних напряжений, что может сопровождаться изменением механических свойств. Легирующие добавки и примеси - газы существенно влияют на температуру рекристаллизации титана. Как видно из рисунка, температуру рекристаллизации в наибольшей степени повышают углерод, кислород, алюминий, бериллий, бор, рений и азот. Некоторые из элементов (хром, ванадий, железо, марганец, олово) действуют эффективно при введении их в относительно больших количествах - не менее 3%. Неодинаковое влияние указанных элементов объясняется разным характером их химического взаимодействия с титаном, различием в атомных радиусах и структурным состоянием сплавов.

Отжиг особенно эффективен для структурно нестабильных, а также деформированных титановых сплавов. Прочность двухфазных а+в-сплавов титана в отожженном состоянии не является простой суммой прочности а- и в-фаз, а зависит и от гетерогенности структуры. Максимальной прочностью в отожженном состоянии обладают сплавы с наиболее гетерогенной структурой, содержащие примерно одинаковое количество а- и в-фаз, что связано с измельчением микроструктуры. Отжиг позволяет улучшить пластические характеристики и технологические свойства сплавов.

Таблица 4

Режимы отжига титановых сплавов (листы и детали из них) [7]

Неполный (низкий) отжиг применяют с целью устранения только внутренних напряжений, образовавшихся в результате сварки, механической обработки, листовой штамповки и др.

Помимо рекристаллизации в сплавах титана могут происходить и другие превращения, которые приводят к изменению конечных структур. Важнейшими из них являются:

а) мартенситное превращение в-твердого раствора;

б) изотермическое превращение в-твердого раствора;

в) эвтектоидное или перитектоидное превращение в-твердого раствора с образованием интерметаллидных фаз;

г) изотермическое превращение нестабильного а-твердого раствора (например, а` в а+в).

Упрочняющая термическая обработка возможна лишь при условии содержания в сплаве в-стабилизирующих элементов. Она заключается в закалке сплава и последующем старении. Свойства титанового сплава, получаемые в результате термической обработки, зависят от состава и количества метастабильной в-фазы, сохраняющейся при закалке, а также типа, количества и распределения продуктов распада, образующихся в процессе старения. На стабильность в-фазы существенное влияние оказывают примеси внедрения - газы. По данным И. С. Полькина и О. В. Каспаровой азот снижает стабильность в-фазы, изменяет кинетику распада и конечные свойства, повышает температуру рекристаллизации. Также действует кислород, однако азот оказывает более сильное влияние, чем кислород. Например, по влиянию на кинетику распада в-фазы в сплаве ВТ15 содержание 0,1% N2 эквивалентно 0,53% 0₂, а 0,01% N₂ - 0,2% О₂. Азот, как и кислород, подавляет процесс образования ω-фазы.

М. А. Никаноровым и Г. П. Дыковой сделано предположение о том, что увеличение содержания 0₂ интенсифицирует распад в-фазы благодаря его взаимодействию с вакансиями закалки в-твердого раствора. Это, в свою очередь, создает условия для появления а-фазы.

Водород стабилизирует в-фазу, увеличивает количество остаточной в-фазы в закаленных сплавах, повышает эффект старения сплавов, закаленных из в-области, понижает температуру нагрева под закалку, обеспечивающую максимальный эффект старения.

В а + в- и в-сплавах водород влияет на интерметаллидный распад, приводит к образованию гидридов и потере пластичности в-фазы при старении. Водород в основном концентрируется в в-фазе.

Ф. Л. Локшин, изучая фазовые превращения при закалке двухфазных титановых сплавов, получил зависимости структуры после закалки из в-области и концентрацией электронов.

Сплавы ВТ6С, ВТ6, ВТ8, ВТЗ-1 и ВТ14 имеют среднюю концентрацию электронов на атом 3,91-4,0. Эти сплавы после закалки из в-области имеют структуру а`. При концентрации электронов 4,03-4,07 после закалки фиксируется а"-фаза. Сплавы ВТ 15 и ВТ22 с концентрацией электронов 4,19 после закалки из в-области имеют структурув-фазы.

Свойства закаленного сплава, а также процессы последующего упрочнения его при старении в значительной мере обусловливаются температурой закалки. При данной неизменной температуре старения с ростом температуры закалки T_зак в (а + в)-области повышается прочность сплава и падают его пластичность и вязкость. При переходе T_зак в область в-фазы понижается прочность без повышения пластичности и вязкости. Это происходит вследствие роста зерен.

С. Г. Федотов и др. на примере многокомпонентного а + в-сплава (7% Мо; 4% А1; 4% V; 0,6% Сr; 0,6% Fe) показали, что при закалке из в-области образуется грубоигольчатая структура, сопровождающаяся понижением пластичности сплава. Чтобы избежать это явление, для двухфазных сплавов температуру закалки принимают в пределах области а + в-фаз. Во многих случаях эти температуры находятся на границе или вблизи перехода а + в→в. Важной характеристикой титановых сплавов является их прокаливаемость.

С. Г. Глазуновым определены количественные характеристики прокаливаемости ряда титановых сплавов. Например, плиты из сплавов ВТЗ-1, ВТ8, ВТ6 прокаливаются насквозь при толщине до 45 мм, а плиты из сплавов ВТ14 и ВТ16 - при толщине до 60 мм; листы из сплава ВТ15 прокаливаются при любой толщине.

В последние годы исследователями выполнены работы по изысканию оптимальных практических методов и режимов упрочняющей термической обработки промышленных титановых сплавов. Установлено, что после закалки двухфазных сплавов ВТ6, ВТ14, ВТ16 предел прочности и предел текучести их понижаются. Близкую к ним прочность имеет после закалки и сплав ВТ15 (σ_в=90-100 кгс/мм²).