Титан и его сплавы

 

Основные диаграммы  состояния.

 

При сравнительной оценке различных легирующих добавок к  титану для получения жаропрочных  сплавов основным вопросом является влияние добавляемых элементов на температуру полиморфного превращения титана. Процесс полиморфного превращения любого металла, в том числе и титана, характеризуется повышенной подвижностью атомов и, как следствие, снижением в этот момент прочностных характеристик наряду с повышением пластичности. На примере жаропрочного титанового сплава ВТ3-1 видно, что при температуре закалки 850° С резко снижается предел текучести  и меньше - прочность. Поперечное сужение и относительное удлинение при этом достигают максимума. Объясняется это аномальное явление тем, что стабильность β-фазы, зафиксированной при закалке, может быть различной в зависимости от состава ее, а последнее определяется температурой закалки. При температуре 850° С фиксируется настолько не стабильная β-фаза, что ее распад можно вызвать приложением внешней нагрузки при комнатной температуре (т. е. в процессе испытания образцов на растяжение). В результате сопротивление металла действию внешних сил значительно снижается. Исследованиями установлено, что наряду с метастабильной β-фазой в этих условия фиксируется пластичная фаза, имеющая тетрагональную ячейку и обозначаемая α´´.

Из сказанного ясно, что  температура аллотропического превращения  – важный рубеж, в значительной мере определяющий максимальную рабочую  температуру жаропрочного сплава. Следовательно, при разработке жаропрочных титановых сплавов предпочтительно выбирать такие легирующие компоненты, которые бы не снижали, а повышали температуру превращения.

Подавляющее большинство  металлов образуют с титаном диаграммы  состояния с эвтектоидным превращением. Поскольку температура эвтектоидного превращения может быть весьма низкой ( например, 550° С для системы Ti – Mn), а эвтектоидный распад β-твердого раствора всегда сопровождается нежелательным изменением механических свойств (охрупчивание), то эвтектоидообразующие элементы нельзя считать перспективными легирующими добавками для жаропрочных титановых сплавов. Однако в концентрациях, мало превышающих растворимость этих элементов в α-титане, а также в совокупности с элементами, тормозящими развитие эвтектоидной реакции (молибден в случае хрома и др.), эвтектоидообразующие добавки могут входить в состав современных многокомпонентных жаропрочных титановых сплавов. Но и в этом случае предпочтительнее элементы, имеющие с титаном наиболее высокие температуры эвтектоидного превращения. Например, в случае хрома эвтектоидная реакция протекает при температуре 607, а в случае вольфрама – при 715° С. Можно считать, что сплавы, содержащие вольфрам, будут стабильнее и жаропрочнее сплавов с хромом.

Поскольку для титановых  сплавов решающее значение имеет  фазовое превращение в твердом состоянии, в основу приводимой ниже классификации положено подразделение всех легирующих элементов и примесей на три большие группы по их влиянию на температуру полиморфного превращения титана. Учитывается также характер образующихся твердых растворов (внедрения или замещения), эвтектоидного превращения (мартенситный или изотермический) и существование металлидных фаз.

Легирующие элементы могут  повышать, или понижать температуру  полиморфного превращения титана  или же мало  влиять на нее.    

 

Пути повышения жаропрочности  и ресурса.

 

Повышение жаропрочности  и ресурса деталей двигателей – одна из важнейших проблем, для успешного решения которой необходимо постоянное повышение жаропрочности сплавов, улучшение их качества и усовершенствовании технологии изготовления деталей.

Для повышения ресурса  необходимо знать величины длительной прочности, ползучести и усталости материалов для соответствующих рабочих температур и срока их службы.

С течением времени, как известно, прочность деталей, работающих под  нагрузкой при повышенных температурах, понижается, а следовательно, снижается и запас прочности деталей. Чем выше температура эксплуатации деталей, тем быстрее уменьшается длительная прочность, а следовательно, и запас прочности.

Увеличение ресурса означает и увеличение числа запусков и  остановок. Поэтому при выборе материалов необходимо знать их длительную прочность  и усталость при циклическом нагружении.

На ресурс также сильно влияет технология изготовления деталей, например наличие остаточных растягивающих напряжений может снижать усталостную прочность в 2 – 3 раза.

Улучшение методов термической  и механической обработки, позволяющее получать детали с минимальными остаточными напряжениями, является важным фактором в повышении их ресурса.

Фреттинг-коррозия, возникающая при механическом трении, значительно снижает усталостную прочность, поэтому разрабатываются методы повышения фрикционных свойств, ресурса и надежности (металлизация, смазки типа ВАП и др.).

При использовании методов  поверхностного упрочнения  (наклеп), создающих в поверхностном слое напряжения сжатия и увеличивающих твердость, повышаются прочность и долговечность деталей, особенно их усталостная прочность.

Титановые сплавы для деталей  компрессоров начали применяться в  отечественной практике с 1957 г в небольшом количестве главным образом на ТРД военного назначения, где требовалось обеспечить надежную работу деталей с ресурсом 100 – 200 ч.

За последние годы увеличился объем применения титановых сплавов  в компрессорах авиадвигателей гражданских  самолетов длительного ресурса. При этом потребовалось обеспечение  надежной работы деталей в течение 2000 ч и более.

Увеличение ресурса деталей  из титановых сплавов достигается  путем:

А) повышения чистоты металла, т. е. снижения в сплавах содержания примесей;

Б) улучшения технологии изготовления полуфабрикатов для получения  более однородной структуры;

В) применения упрочняющих  режимов термической или термомеханической обработки деталей;

Г) выбор рационального  легирования при разработке новых  более жаропрочных сплавов;

Д) использования стабилизирующего отжига деталей;

Е) поверхностного упрочнения деталей;

 

Повышение чистоты сплавов.

 

В связи с увеличением  ресурса деталей из титановых  сплавов повышаются требования к  качеству полуфабрикатов, в частности  к чистоте металла в отношении примесей. Одна из наиболее вредных примесей в титановых сплавах – кислород, так как повышенное содержание его может привести к охрупчиванию. Наиболее ярко отрицательное влияние кислорода проявляется при изучении термической стабильности титановых сплавов: чем выше содержание кислорода в сплаве, тем быстрее и при более низкой температуре наблюдается охрупчивание.

Некоторая потеря прочности  за счет снижения вредных примесей в титане с успехом компенсируется повышением в сплавах содержания легирующих элементов.

Дополнительное легирование  сплава ВТ3-1 (в связи с повышением чистоты губчатого титана) позволило значительно повысить характеристики жаропрочности сплава после изотермического отжига: предел длительной 100-ч прочности при 400° С повысился 60·  до 78·  Па и предел ползучести с 30·  до 50·  Па, а при 450° С на 15 и 65% соответственно. При этом обеспечено повышение термической стабильности сплава.

В настоящее время при  выплавке сплавов ВТ3-1, ВТ8, ВТ9, ВТ18 и др. применяется титановая губка марок ТГ-100, ТГ-105, в то время как ранее для этой цели использовалась губка ТГ-155-170. В связи с этим содержание примесей значительно снизилось, а именно: кислорода в 2,5 раза, железа в 3 – 3,5 раза, кремния, углерода, азота в 2 раза. Можно предположить, что при дальнейшем повышении качества губки твердость по Бринеллю ее в ближайшее время достигнет 80·  – 90·  Па.

Было установлено, что  для повышения термической стабильности указанных сплавов при рабочих температурах и ресурсе 2000 ч и более содержание кислорода не должно превышать 0,15% в сплаве ВТ3-1 и 0,12% - в сплавах ВТ8, ВТ9, ВТ18.

Получение оптимальной микроструктуры.

 

Как известно, структура  титановых сплавов формируется  в процессе горячей деформации и в отличие от стали тип структуры не претерпевает существенных изменений в процессе термической обработки. В связи c этим особое внимание должно быть уделено схемам и режимам деформации, обеспечивающим получение требуемой структуры в полуфабрикатах.

Установлено, что микроструктуры равноосного типа (I тип) и типа корзиночного плетения (II тип) имеют неоспоримое преимущество перед структурой игольчатого типа (III тип) по термической стабильности и усталостной прочности.

Однако по характеристикам  жаропрочности микроструктура  I  типа уступает микроструктурам II  и III типа. 

Поэтому в зависимости  от назначения полуфабриката оговаривается  тот или иной тип структуры, обеспечивающий оптимальное сочетание всего  комплекса свойств для требуемого ресурса работы деталей.

 

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.

Аналогичная картина наблюдается  и при испытании сплава на ползучесть. После упрочняющей термической  обработки предел ползучести при 300° С выше на 30% и при 400° С – на 20%, а при 450° С даже ниже, чем у отожженного материала.

Также повышается выносливость гладких образцов при 20 и 400° С на 15 – 20%. При этом после закалки и старения отмечена большая вибрационная чувствительность к надрезу.

После длительной выдержки ( до 30000 ч) при 400° С и испытания образцов при 20° С пластические свойства сплава в отожженном состоянии сохраняются на уровне исходного материала. У сплава, подвергнутого упрочняющей термической обработке, несколько снижаются поперечное сужение и ударная вязкость, однако абсолютное значение после 30000-ч выдержки остаются достаточно высокими. С повышением температуры выдержки до 450° С снижается пластичность сплава в упрочненном состоянии после 20000 ч выдержки, поперечное сужение падает с 25 до 15%. Образцы, выдержанные 30000 ч при 400° С и испытанные при той же температуре, имеют более высокие значения прочности по сравнению с исходным состоянием (до нагрева) при сохранении пластичности .

С помощью рентгеноструктурного фазового анализа и электронноструктурного микроисследования установлено, что упрочнение при термической обработке двухфазных (α+β)-сплавов достигается за счет образования  при закалке метастабильных β-, α´´- и α´-фаз и распада их при последующем старении с выделением дисперсных частиц α- и β- фаз.

Установлено весьма интересное явление существенного повышения  длительной прочности  сплава ВТ3-1 после предварительной выдержки образцов при меньших нагрузках. Так, при напряжении 80·  Па и температуре 400° С образцы разрушаются уже при нагружении, а после предварительной 1500-ч выдержки при 400° С под напряжением 73·  Па они выдерживают напряжение 80·  Па в течении 2800 ч. Это создает предпосылки для разработки специального режима термической обработки под напряжением для повышения длительной прочности.

 

Выбор рационального  легирования.

 

Для повышения жаропрочности  и ресурса титановых сплавов  применяется легирование. При этом очень важно знать при каких  условиях и в каких количествах следует добавлять легирующие элементы.

Для повышения ресурса  сплава ВТ8 при 450 – 500° С, когда снимается эффект упрочнения от термической обработки, было использовано дополнительное легирование его цирконием (1%).

Легирование сплава ВТ8 цирконием (1%), по данным позволяет значительно повысить его предел ползучести, причем действие добавки циркония при 500 более эффективно, чем при 450° С. С введением 1% циркония при 500° С предел ползучести сплава ВТ8 за 100 ч увеличивается на 70%, за 500 ч – на 90% и за 2000 ч на 100% (с 13·  до 26·  Па), а при 450° С – повышается на 7 и 27% соответственно.