Термическая обработка титановых сплавов

Термическая обработка титановых сплавов

СОДЕРЖАНИЕ

Термическая обработка титановых сплавов

Титан и α -сплавы титана не упрочняются термической обработкой, и их подвергают только рекристаллизациоиному отжигу. Температура отжига α + β -сплавов должна быть выше температуры рекристаллизации, но не превышать температуры превращения α + β → β , так как и в β -области происходит сильный рост зерна. Отжиг при температурах, соответствующих β -области, мало влияет на σ _в и σ _0,2, но сильно снижает δ и ψ . Вязкость разрушения К_1с возрастает при повышении температуры обработки в α + β -области при сохранении высоких значении δ и ψ . Для обеспечения высокой конструктивной прочности следует применять отжиг на 20–30 °С ниже температуры α + β → β -превращення (псевдо β -отжиг).

В последние годы все шире применяется вакуумный отжиг, который позволяет уменьшить содержание водорода в титановых сплавах, что приводит к существенному повышению вязкости разрушения, уменьшению склонности к замедленному разрушению и коррозионному растрескиванию.

Для снятия внутренних напряжений, возникающих при механической обработке α – и α + β -сплавов, применяют неполный отжиг при 550–600 °С; α + β -сплавы могут быть упрочнены закалкой с последующим старением.

Рассмотрим превращения, которые протекают в α + β -сплавах при закалке. При быстром охлаждении сплавов, нагретых до области β -фазы (рис.1), протекает сдвиговое мартенситное превращение. Как и в стали, мартенситное превращение в титановых сплавах протекает в интервале температур М_н–М_к. Чем выше содержание в сплаве β -стабилизаторов, тем ниже температура мартенситного превращения М_н и М_к (рис.1).

После закалки малолегированных сплавов образуется α ′-фаза (рис.1). Мартенситная α ′-фаза представляет собой пересыщенный твердый раствор легирующих элементов в α-титане. Она имеет несколько искаженную гексагональную решетку и характерное для мартенсита игольчатое строение (рис.2а,б).

При концентрации легирующего элемента выше точки С (рис.1а) возникает мартенситная α ″-фаза с ромбической решеткой. Появление α ″-фазы вызывает уменьшение твердости и прочности сплавов и увеличение пластичности. После закалки сплавов, имеющих концентрацию β -стабилизатора более C_к, образуются α ″- и β -фазы, а выше C′_к – только метастабильная β -фаза. В β -фазе, как это видно из рис.1, может образоваться мартенситная ω -фаза с гексагональной структурой, которая когерентно связана с матрицей и при микроструктурном анализе не выявляется. Возникновение ω -фазы сильно охрупчивает сплав.

Закалку α + β -сплавов во избежание сильного роста зерна производят от температур, соответствующих α + β -области (рис.1). При этом α ′-фаза остается без изменений, а β -фаза претерпевает те же превращения, какие протекают в сплаве того же состава, что и β -фаза, при закалке из β -области. Например, для случая, приведенного на рис.1, при температуре t состав α -фазы определится точкой a, а состав β -фазы – точкой b; β -фаза этого состава при закалке приобретает структуру β ( ω ). Следовательно, структура всех сплавов после закалки с температуры t, отвечающей α + β -фазам, будет состоять из α + β ( ω )-фаз. При закалке с температур выше t_к (рис.1) состав β -фазы будет меньше C_к, и при быстром охлаждении она будет полностью или частично испытывать мартенситное превращение. Структура сплавов после закалки будет α + α ″ + β ( ω ), или α + α ″, или α + α ′ (рис.1).

В процессе старения закаленных сплавов происходит их упрочнение, обусловленное распадом α ″-фазы и остаточной β -фазы. Повышение прочности при распаде α ″-фазы невелико. Упрочнение, связанное с образованием ω -фазы, использовать нельзя из-за возникновения высокой хрупкости сплавов. Чтобы избежать хрупкости, связанной с образованием ω -фазы, применяют более высокую температуру старения: 450–600 °С.

Упрочняющая термическая обработка для крупных деталей из титановых сплавов применяется редко. Это объясняется малой прокаливаемостъю титановых сплавов, низким значением вязкости разрушения (К_1с) и короблением деталей. Прокаливаемость возрастает с увеличением содержания β -фазы, усложнением состава сплава (ВТ9, ВТЗ, ВТ22) и применением регламентированной скорости охлаждения при закалке (для сплавов ВТЗ-1, ВТ9 до 20 °С/с).

Высокую конструктивную прочность обеспечивает «мягкая закалка», которая сводится к нагреву при температурах α + β -области. охлаждению со скоростью 50–150 °С/ч до 700–600 °С и последующему охлаждению на воздухе или в воде. После мягкой закалки производится старение при 450–500 °С. После такой обработки частицы α ″-фазы в метастабильной β -фазе вместо пластинчатой формы имеют округлую форму, что и повышает надежность деталей в эксплуатации.

Типовые сплавы имеют низкие антифрикционные свойства, и при использовании в узлах трения они подвергаются химикотермической обработке. Для повышения износостойкости титан азотируют при 850–950 °С в течение 30–60 ч в атмосфере азота.

Толщина диффузионного слоя в сплавах титана после азотирования при 950 °С в течение 30 ч 0,05–0,15 мм, HV 750–900.

Термическая обработка титановых сплавов

Титан

Конструкционные сплавы на основе титана

ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ

Глава 2

Контрольные вопросы к главе 1

1. Каковы общие требования, предъявляемые к конструкционным материалам? Что такое конструкционная прочность?

2. Как подразделяются углеродистые конструкционные стали по качеству и областям применения? Какие виды термообработок при­меняют к качественным углеродистым сталям?

3. Какие свойства наиболее важны для изготовления и эксплуа­тации изделий из низколегированных конструкционных сталей? Пе­речислите основные области их применения в машиностроении.

4. Какие стали считаются высокопрочными? Какие способы до­стижения высокой прочности в сталях используются в современном металловедении?

5. Перечислите основные виды коррозии, наблюдаемой в сталях и сплавах. Укажите группы коррозионностойких сталей, используемых в промышленности.

6. Какие стали и сплавы называются жаропрочными, укажите требования, предъявляемые к ним по механическим и коррозионным свойствам. Какие способы упрочнения применяют для повышения жа­ропрочности сталей и сплавов?

7. Как классифицируют инструментальные стали и сплавы, и ка­кие требования к ним предъявляют?

8. Какие основные классы сталей и сплавов используют в элект­ротехнической промышленности?

9. Перечислите основные свойства сплавов с эффектом «памяти формы».

В последние годы в качестве конструкционных материа­лов начали применять и титановые сплавы. Причем темпы роста объема их производства наиболее высокие из всех известных конструкционных материалов. Это объясняется редким сочетанием высокой удельной проч­ности, коррозионной стойкости и значительной прочно­сти при повышенных температурах.

Титан – переходный металл. Его температура плавле­ния 1668°С, плотность при 20 °С составляет 4,5 г/см 3 , модуль упругости Е =11,2 . 10 5 МПа. При 882 °С низко­температурная гексагональная модификация (a – фаза) переходит в высокотемпературную b – модификацию с ОЦК решеткой. Очень чистый титан, полученный иодидным способом, обладает высокой пластичностью, но вследствие его химической активности он легко взаимо­действует с кислородом,

азотом и углеродом. И, хотя прочность его сильно возрастает, пластичность сущест­венно снижается (табл. 14).

Несмотря на высокую температуру плавления, чистый титан обладает повышенной склонностью к ползучести. Она проявляется уже при комнатной температуре, при напряжениях составляющих только 60 % от предела текучести. Техниче­ский титан не склонен к хладноломкости. У техни­ческого титана необычно изменяется пластичность: с повышением температу­ры от комнатной до 200 °С она увеличивается в 1,5…2 раза, а при дальней­шем повышении темпера­туры – снижается, дости­гая минимума при 400…500 °С, а затем снова рез­ко возрастает. При тем­пературе полиморфного превращения титан обладает сверхпластичностью.

Механические свойства различных марок титана

Интенсивность взаимодействия титана с кислородом и водородом растет с температурой, поэтому в условиях эксплуатации при повышенных температурах его следует защищать от насыщения указанными эле­ментами. Вместе с тем эту способность титана исполь­зуют для поглощения газов в электронике. Титан сильно адсорбирует водород, но до 500 °С наводороживание происходит лишь в атмосфере, богатой водородом, а в воздушной среде проникновение водорода через защитную оксидную пленку невелико. Несмотря на свою высокую химическую активность, титан во многих агрессивных средах обладает высокой коррозийной стойкостью, что объясняется образованием защитной оксидной пленки на его поверхности. В средах, не разрушающих оксид­ную пленку, а особенно способствующих ее образова­нию, титан устойчив (в разбавленной серной кислоте, уксусной, молочной, во влажной хлорной атмосфере, царской водке, разбавленной и концентрированной азот­ной кислоте и др.). Преимущество титана перед други­ми материалами заключается еще и в том, что точечная и межзеренная коррозия наблюдаются в нем редко.

2.1.2. Сплавы на основе титана

Титан взаимодействует с большим числом элементов пе­риодической системы. И. И. Корнилов подразделяет все сплавы титана на четыре группы (рис. 23). К первой группе относятся сплавы, со­храняющие однофазность во всей области изменения кон­центраций, как с a -, так и с b – модификациями титана (сплавы с цирконием и гаф­нием). Ко второй группе принадлежат сплавы с элементами, неограниченно рас­творяющимися лишь в a – титане, но имеющими огра­ниченную растворимость в b – титане (V, Nb, Та, Мо, W).

Третью группу сплавов об­разуют элементы, с которы­ми титан претерпевает эвтектоидный распад b – фазы (Si, Мn, Fе, Сu, Ni и др.). Четвертую группу формиру­ют элементы, которые, растворяясь в титане, образуют a – фазу по перитектоидной реакции (С, Al, O, N).

По влиянию элементов на устойчивость a – и b – фаз их разделяют на элементы-стабилизаторы a – фазы, например, алюминий и элементы b – стабилизаторы, подраз­деляющиеся на b – эвтектоидные стабилизаторы (Сr, Мn, Fе, Сu, Ni, Рb, Ве, Со) и просто b – ста­билизаторы, сохраняющие b – твердый раствор до комнат­ной температуры (V, Мо, Nb, Та, W).

К легирующим элементам, мало влияющим на устой­чивость и a -, и b – фаз, относят Sn, Zr и Ge. Соответствую­щие диаграммы состояния этих систем представлены на рис. 23.

Отметим, что в системах с эвтектоидным превраще­нием b – фаза распадается на a – и g – фазы, причем, как правило, g – фаза является интерметаллидом.

Титан и его сплавы применяют обычно после термической об­работки (отжига, закалки, старения). Отжиг применяют для технического титана и a – титановых сплавов для сня­тия нагартовки (наклепа) после деформации.

Рис. 23. Классификационная схема диаграмм состояния сплавов титана

Его прово­дят выше температуры рекристаллизации (для сильно деформированного чистого иодидного титана при 400 °С). Примеси обычно повышают температуру рекристаллиза­ции, поэтому технический титан и сплавы отжигают при температурах порядка 550 °С, но температура должна находиться в интервале между A_C3 и A₃, чтобы избежать чрезмерного роста зерна в b – области. При отжиге спла­вов со структурой a + b рекристаллизационный отжиг со­четается с фазовой перекристаллизацией, поэтому темпе­ратуру нужно выбирать не очень высокую, чтобы мень­ше был объем b – фазы, претерпевающей распад. Для снятия напряжений, образовавшихся в результате ме­ханической обработки изделий, иногда применяют неполный отжиг (ниже температуры рекристаллиза­ции).

Для упрочнения сплавов со структурой a + b их за­каливают и подвергают старению. При старении обра­зуются фазы a” и w с гексагональной мартенситной структурой. Появление w – фазы хотя и повышает проч­ность, но вызывает хрупкость. Поэтому старение прово­дят при 500…600 °С, когда w – фаза практически отсутст­вует. При указанных режимах старения упрочнение про­исходит за счет образования мелкодисперсной w” – фазы.

Прочность титановых сплавов увеличивается и в ре­зультате повышения температуры закалки, но при этом снижается пластичность. Оптимальное сочетание проч­ности и пластичности наблюдается при температурах закалки близких к А_С2. Для двухфазных титановых сплавов целесообразна ТМО. В результате ТМО их прочность повышается на 15…20 %, причем при одновременном уве­личении поперечного сужения. Для однофазных титано­вых сплавов также применяют ТМО. В этом случае проч­ность практически не повышается, но получается более однородная структура по сечению и длине изделий и луч­шая воспроизводимость свойств.

Для упрочнения титановых сплавов проводят также и азотирование, значительно повышающее прочность по­верхностных слоев. Для устранения хрупкости азотиро­ванного слоя и улучшения его сцепления с основным ма­териалом, применяют отжиг при 800…900 °С в инертной атмосфере или вакууме.

Заметного повышения износостойкости и коррозион­ной стойкости достигают и оксидированием, т. е. нагре­вом до 725…850 °С на воздухе в течение 5…1 ч, с после­дующим вакуумным отжигом при 750…850 °С.

Термическая обработка титановых сплавов.

Согласно двойным диаграммам состояния титан — легирующий элемент, титановые сплавы в зависимости от их состава и назначения можно подвергать всем основным видам термической обработки, а также химико-термической обработке.

Рекристаллизационный отжиг применяют для титана и сплавов с a-структурой с целью снятия напряжений, созданных предшествующей деформацией. Температура ре кристаллизационного отжига выше температуры рекристаллизации, но ниже температуры аллотропического превращения а (3, так как в (3-области происходит очень быстрый рост зерна. Обычно это температуры 520—850 °С в зависимости от химического состава сплава и вида полуфабриката.

Отжиг с фазовой перекристаллизацией применяют для (а + + р)-сплавов, чтобы добиться снижения твердости, повышения пластичности, измельчения зерна, устранения структурной неоднородности. Применяют простой, изотермический и двойной отжиг; температура нагрева 750—950 °С (в зависимости от состава сплава).

Простой отжиг предусматривает нагрев (а + р)-сплавов до температуры отжига, выдержку и медленное охлаждение. Образующаяся при нагреве p-фаза (иногда с остаточной а-фазой) при медленном охлаждении распадается и выделяет a-фазу, в результате чего фиксируется двухфазная структура (а + р), близкая к равновесной.

Изотермический отжиг позволяет получить более термически стабильные свойства титановых сплавов. Процесс можно разбить на четыре этапа:

• 1) нагрев до температуры выше температуры рекристаллизации, (обычно 800—950 °С) для снятия наклепа (I ступень);
• 2) охлаждение до 500—650 °С в зависимости от состава сплава;
• 3) выдержка при данных температурах для стабилизации (3-фазы (II ступень);
• 4) охлаждение на воздухе. Изотермическим отжигом достигаются высокая прочность и жаропрочность в сочетании с хорошей пластичностью сплава.

Двойной отжиг отличается от изотермического тем, что после выдержки на высокотемпературной ступени (800—950 °С) сплав охлаждают до комнатной температуры и затем повторно нагревают до температуры II ступени. В процессе охлаждения от I ступени до комнатной температуры в сплаве фиксируется неустойчивая p-фаза, распадающаяся на II ступени отжига. Фактически II ступень при двойном отжиге является старением: образующиеся мелкодисперсные продукты распада упрочняют сплав. Двойной отжиг способствует увеличению сопротивления ползучести.

Закалка применяется только для двухфазных сплавов. В зависимости от химического состава, в первую очередь от суммарного содержания легирующих p-стабилизаторов, в титановых сплавах при закалке может происходить мартенситное превращение или фиксироваться высокотемпературное состояние p-фазы при комнатной температуре, т.е. образовываться нестабильная р_нест-фаза.

Мартенситное превращение в титановых сплавах, так же как и в сталях, происходит сдвиговым, бездиффузионным путем в интервале температур и характеризуется температурой начала М_н и температурой конца М_к превращения.

Схема превращений, происходящих при закалке титановых сплавов в зависимости от содержания p-стабилизатора, показана на рис. 8.7, где сплошные линии соответствуют температурам начала и конца полиморфного превращения a р, а штриховые — температурному интервалу мартенситного превращения М_н—М_к.

Рис. 8.7. Схема превращений, происходящих при закалке титановых сплавов в зависимости от содержания р-стабилизатора

При закалке сплавов, содержащих p-стабилизатора меньше С_а, образуется игольчатая фаза мартенситного типа, назьюаемая а”.

В интервале концентраций p-стабилизатора С_а— С, процесс закалки протекает так же, как и при концентрациях, меньших С_ь с той разницей, что вместо a-фазы образуется а”-фаза.

Фаза а” представляет собой, подобно сс’-фазе, твердый раствор легирующих элементов в а-титане, но по сравнению с а’-фазой более насыщена, так как образуется в сплавах с большей концентрацией легирующих элементов; а”-фаза имеет ромбическую решетку и образуется только в титановых сплавах, легированных Mo, V, Nb и другими элементами, атомные радиусы которых близки к атомному радиусу титана; как и а’-фаза, она имеет игольчатое строение, но ее твердость и прочность значительно ниже.

При концентрациях p-стабилизатора от С_< до С_к р-фаза только частично превращается в а”-фазу и образуется структура а” + р. Сохранившаяся p-фаза называется нестабильной (Рнест)- Внутри р_нест образуется co-фаза, которая когерентна с решеткой p-фазы, имеет искаженную гексагональную кристаллическую решетку, повышает твердость и резко охрупчивает сплавы. При закалке сплавов с концентрацией р-стабилизато- ра от С_к до С₃ мартенситное превращение не происходит и сплавы имеют структуру р_нест + со.

При концентрациях p-стабилизатора от С₃ до С_р при закалке фиксируется нестабильная p-фаза, которая представляет собой твердый раствор легирующих элементов в р-титане.

В процессе нагрева закаленных титановых сплавов происходит старение и образовавшиеся при закалке метастабильные фазы а’, а”, со и р_нест распадаются с образованием более стабильных дисперсных структур.

При температурах старения 500 °С и выше в (а + р)-сплавах в зависимости от структуры, полученной после закалки, могут происходить следующие превращения:

В результате распада неравновесных фаз с выделением дисперсных частиц титановые сплавы упрочняются. Наибольший эффект упрочнения получается при распаде р_нест-фазы.

Титановые сплавы подвергают также химико-термической обработке. Для повышения износостойкости трущихся поверхностей применяют азотирование. Получаемый азотированный слой имеет глубину 0,1—0,15 мм и твердость HV 700—1000. Для снижения хрупкости азотированного слоя и повышения его сцепления со сплавом изделия подвергают вакуумному отжигу при 800—900 °С.

Свойства титановых сплавов. Титановые сплавы по способу производства полуфабрикатов и изделий подразделяют на деформируемые и литейные; по склонности к термическому упрочнению — на термически упрочняемые и термически неуп- рочняемые. Кроме того, титановые сплавы классифицируют по структуре, которую они имеют после охлаждения на воздухе: сплавы со структурой a-твердого раствора; сплавы со смешанной структурой (а + р)-твердого раствора и сплавы со структурой /^-твердого раствора. Сплавы каждой из этих групп имеют свои особенности.

а-сплавы до 650 °С сохраняют достаточную прочность. До 1090 °С сопротивляются коррозии в атмосферной среде, загрязненной газами, что позволяет вести обработку давлением при более высоких температурах. Эти стали хорошо свариваются. После термической обработки охрупчивания не наблюдается.

Однако пластичность листов при изгибе хуже, чем у р-спла- вов. Для горячей обработки давлением требуется более значительная мощность, чем для (а + р)-сплавов. Кроме того, невозможно получить высокопрочные сплавы. Данные сплавы не подвергаются закалке и старению.

По сравнению с нелегированным титаном (а + р)-сплавы обладают удвоенной прочностью. Они характеризуются хорошей пластичностью, в частности при изгибе, легче куются, штампуются и прокатываются, чем сплавы а или р; возможно упрочнение путем термической обработки.

Однако эти стали чувствительны к термической обработке (при недостаточном контроле может наблюдаться охрупчивание); сохраняют достаточную прочность лишь до 430 °С. Пластичность сварного шва у них хуже, чем у а-сплавов.

р-сплавы характеризуются отличной пластичностью при всех видах штамповки (лист толщиной 0,7 мм может быть согнут без оправки до полного соприкосновения сторон); сохраняют достаточную прочность до 540 °С. Для получения высокой прочности подвергаются термической обработке.

Однако эти сплавы весьма чувствительны к загрязнениям в процессе производства, к загрязнению атмосферными газами при температурах выше 700 °С. Высокая прочность вызывает трудности при штамповке. При старении возможно охрупчивание. Кроме того, р-сплавы отличает относительно высокое содержание дефицитных легирующих элементов.

Омический состав и механические свойства некоторых титановых сплавов приведены в табл. 8.5.

Однофазные а-сплавы средней прочности ВТ5 и ВТ5-1 относятся к термически неупрочняемым сплавам. Олово в сплаве ВТ5-1 повышает сопротивление ползучести и технологическую пластичность. Сплавы имеют стабильные механические свойства вплоть до 450—500 °С. Их поставляют в виде прутков, поковок, труб, сортового проката, проволоки. Предназначены для изготовления деталей, работающих в широком диапазоне температур.

Таблица 8.5. Химический состав и механические свойства промышленных деформированных сплавов титана

Термообработка титановых сплавов

Титановые сплавы подвергают рекристаллизационному отжигу и отжигу с фазовой перекристаллизацией, а также закалке и старению. Для повышения износостойкости и задиростойкости титановые сплавы подвергают азотированию или оксидированию.

Рекристаллизационный отжиг применяют для α-сплавов титана для снятия наклепа после их холодной обработки давлением. Температура рекристаллизациоииого отжига 520- 850°С в зависимости от химического состава сплава (легирующие элементы повышают температуру рекристаллизации) и вида полуфабриката (более низкая температура для листов, более высокая для прутков, поковок, штампованных деталей).

Отжиг с фазовой перекристаллизацией применяют для (α+β) сплавов с целью снижения твердости, повышения пластичности, измельчения зерна, устранения структурной неоднородности. Применяют простой, изотермический и двойной отжиг; температура нагрева при отжиге 750-950°С (в зависимости от сплава).

При простом отжиге (α+β) сплавов их нагревают до температуры отжига, выдерживают и медленно охлаждают. Образующаяся при нагреве β-фаза (иногда с остаточной α-фазой) при медленном охлаждении распадается с выделением α-фазы, в результате чего образуется структура α и β-фаз, близкая к равновесной.

При изотермическом отжиге после выдержки при температуре отжига детали охлаждают до 500-650°С (в зависимости от сплава) в той же печи или переносят в другую печь и выдерживают определенное время, необходимое для распада β-фазы, и охлаждают на воздухе. При изотермическом отжиге сокращается продолжительность отжига, а пластичность получается более высокой.

При двойном отжиге детали нагревают до температуры отжига, выдерживают и охлаждают на воздухе. Затем повторно нагревают до 500-650°С, выдерживают и охлаждают на воздухе. Двойной отжиг по сравнению с изотермическим отжигом повышает предел прочности при незначительном снижении пластичности и сокращает длительность обработки. При двойном отжиге распад β – фазы происходит при охлаждении на воздухе от температуры первого отжига и в процессе второго отжига, который в данном случае является фактически старением; образующиеся мелкодисперсные продукты распада упрочняют сплав.

Титановые сплавы, содержащие β-стабилизатор, подвергают упрочнению термической обработкой – закалкой и старением. Схема превращений при закалке титановых сплавов в зависимости от содержания β-стабилизатора приведена на рис. 44.

При закалке титановых сплавов в зависимости от содержания β-стабилизатора образуются неравновесные фазы α’ α” ω. Их называют мартенситными т.к. эти фазы образуются из β – фазы в результате бездиффузионного (мартенситного) превращения.

Фаза α’ представляет собой пересыщенный твердый раствор легирующих элементов в α-титане. Она как и α-фаза, она имеет гексагональную кристаллическую решетку (несколько искаженную подобно мартенситу в сталях) и игольчатую микроструктуру; по сравнению с α-фазой β’-фаза несколько тверже и прочнее она образуется в титановых сплавах с малой концентрацией легирующих элементов. Фаза α” представляет собой, подобно α’-фазе, пересыщенный твердый раствор легирующих элементов в α-титане, но по сравнению с α’-фазой более пересыщена, так как образуется в сплавах с большей концентрацией легирующих элементов. Кристаллическая решетка α”-фазы ромбическая. Эта фаза образуется только в титановых сплавах, легированных такими элементами как (Mo, V, Nb и др.), атомные радиусы которых близки к атомному радиусу титана. Как и α’-фаза, она имеет игольчатое строение, а твердость и прочность ее значительно ниже.

Фаза ω представляет собой соединение электронного типа с искаженной гексагональной кристаллической решеткой, когерентно связанной с решеткой β-фазы. Подобно α’- и α”-фазам превращение β – ω происходит без диффузионным путем, но образующаяся структура не имеет игольчатого строения. При наличии ω-фазы повышается твердость, но резко снижается пластичность сплавов, поэтому следует применять режимы, исключающие образование при термической обработке ω-фазы, охрупчивающей сплав. Нестабильная β-фаза (βм), фиксируемая с высокой температуры

Превращения, происходящие в титановых сплавах с различным содержанием β – стабилизатора при быстром охлаждении (закалке) от температуры выше линии Ас₃ при которой сплавы имеют структуру устойчивой β–фазы зависят от концентрации β-стабилизаторов.

При концентрации β-стабилизатора меньше концентрации точки с₁ на линии Мн в сплавах начинается и на линии Мк заканчивается мартенситное превращение β – фазы в α’ – фазу .

При концентрации β – стабилизатора от точки с₁ до точки с₂ вместо α’-фазы образуется α”-фаза и это превращение начинается в сплаве II-II при температуре t3 и заканчивается при температуре t4.

Рис. 44. Схема превращений при закалке титановых сплавов

в зависимости от содержания β-стабилизатора

При концентрации β-стабилизатора от точки с₂ до точки с_кр мартенситное превращение при понижении температуры не заканчивается. Следовательно, β – фаза только частично превращается в β”-фазу и образуется структура α”+β. Сохранившаяся β – фаза является нестабильной βм.

При концентрации β-стабилизатора от точки с_кр до точки с₃ при закалке внутри β-твердого раствора образуется ω-фаза. Это превращение никогда не доходит до конца, и поэтому сплав состоит из βм+ω. При концентрации β-стабилизатора от точки с₃ до точки с4 при закалке фиксируется нестабильная β-фаза. При концентрации β – стабилизатора больше точки с₄ сохраняется стабильная β – фаза.

При закалке титановых сплавов от температур ниже линии т.е. из (α+β)-области, в β-фазе произойдут те же превращения, но в структуре сохранится также еще и α – фаза.

, представляет собой пересыщенный твердый раствор на основе β-титана.

Образовавшиеся в результате закалки метастабильные фазы α’, α”, ω и βм при последующем нагреве переходят в более стабильные дисперсные структуры. На процесс старения и получаемые при этом результаты влияют состав сплава, его структура после закалки, температура и длительность старения.

При старении α-сплавов со структурой после закалки α’-фазы происходит превращение α’→ α.

При старении (α+β) – сплавов в зависимости от структуры, полученной после закалки, происходят следующие превращения:

Изменение структуры сплавов при старении, как результат распада мартенситных фаз и пересыщенного твердого вызывает упрочнение сплава. Наибольший эффект упрочнения получается при распаде α” и βм-фазы (рис.45).

Рис.45.Изменение прочности титановых сплавов после закалки с температуры Т1 (1), старения (3) и суммарный эффект от термообработки (2)

Закалка и старение α-сплавов (ВТ5) и псевдо- α сплавов (ОТ4 и др.) почти не изменяют механических свойств, и поэтому сплавы этой группы подвергают только отжигу. Закалкой и старением (α+β)-сплавов (ВТЗ-1, ВТ6, ВТ8 и др.) можно получить значительное упрочнение. Эти сплавы закаливают из двухфазной (α+β)-области (800-920°С в зависимости от сплава) и подвергают старению при температурах 450-550°С от 2 до 16 ч. С повышением температуры закалки увеличивается прочность и снижается пластичность. Хорошее сочетание прочности и пластичности достигается старением при 500 -550° С. Например, сплав ВТЗ-1 после закалки в воде от 835°С и последующего старения при 500°С имеет σ_в = 1500 МПа, δ = 7%, ψ = 17%.

Из всех видов химико-термической обработки титановых сплавов наибольшее распространение получило азотирование, осуществляемое в среде азота или в смеси азота и аргона при температурах 850-950°С в течение 10-50 час. Микроструктура азотированного слоя состоит из хрупкой зоны нитридов на поверхности толщиной 5-20 мкм и глубже расположенной зоны твердого раствора азота в α-титане толщиной 0,1- 0,15 мм с твердостью HV 800-1000. Хрупкую поверхностную нитридную зону удаляют шлифованием.

Детали из титановых сплавов после азотирования обладают хорошими антифрикционными свойствами, повышенным пределом выносливости, коррозионной стойкостью и высокой износостойкостью.