Легирование титановых сплавов

Титан является переходным металлом, находится в четвертой группе периодической таблицы Менделеева, имеет атомный номер 22, атомную массу 47,90. Температура плавления титана, полученного методом иодидного рафинирования, равна 1665±5°С. Плотность чистого титана 4,5 г/см³.

Титан является металлом, имеющим полиморфное превращение при температуре 882°С.Ниже этой температуры устойчива гексагональная плотноупакованная кристаллическая решетка α-модификация титана, а выше – объемно центрированная кубическая (о.ц.к.) решетка β -титана.

Для получения сплавов титан легируют различными металлами алюминием, марганцем, хромом, молибденом, ванадием и др. Легирование изменяет положение температуры полиморфного превращения титана α-β (рис.42).

Рис. 42. Влияние легирующих элементов и примесей на температуру полиморфного превращения титана

Элементы, повышающие температуру (α-β)-превращения (рис.42,а), способствуют стабилизации α-твердого раствора и называются α-стабилизаторами (алюминий, кислород, азот).

Элементы, понижающие температуру (α-β) превращения (рис.42,б, е), способствуют стабилизации β-твердого раствора и называются β-стабилизаторами (молибден, ванадий, ниобий, хром, марганец, железо).

В сплавах титана с хромом, марганцем, железом происходит эвтектоидный распад β-фазы (рис.42,в) с образованием α и γ - фаз (обычно это раствор на основе интерметаллида TiX).

Наиболее важным легирующим элементом является алюминий: он содержится во всех сплавах. Алюминий увеличивает прочность, жаропрочность и сопротивляемость титановых сплавов окислению при высоких температурах. Другие элементы, стабилизирующие α-фазу (кислород, азот), влияют положительно (увеличивая прочность) только при очень небольшом их количестве - до 0,15%0₂ и 0,04%N (рис.43). Большее содержание этих элементов вызывает хрупкость в сплавах. Для получения в титановых сплавах (α+β) или β-структуры их легируют в определенном количестве α-стабилизатором (алюминием) и β-стабилизаторами (хромом, молибденом, ванадием и др.).

Алюминий вводится практически почти во все промышленные сплавы, так как является наиболее эффективным упрочнителем, улучшая прочностные и жаропрочные свойства титана. В последнее время наряду с алюминием в качестве легирующих элементов применяют цирконий и олово.

Рис. 43.Влияние легирующих элементов на механические свойства титана

Цирконий положительно влияет на свойства сплавов при повышенных температурах, образуя с титаном непрерывный ряд твердых растворов.

Олово, особенно в сочетании с алюминием и цирконием, повышает жаропрочные свойства сплавов.

Преимущество титановых сплавов с α-структурой в высокой термической стабильности, хорошей свариваемости и высоком сопротивлении окислению.

Однако, сплавы типа α чувствительны к водородной хрупкости вследствие малой растворимости водорода в α-титане и не поддаются упрочнению термической обработкой. Высокая прочность, полученная за счет легирования, сопровождается низкой технологической пластичностью этих сплавов, что вызывает ряд трудностей в промышленном производстве.

Для повышения прочности, жаропрочности и технологической пластичности титановых α-сплавов в качестве легирующих элементов наряду с α-стабилизаторами применяются элементы, стабилизирующие β-фазу. При этом α-сплавы с добавкой β-стабилизаторов называют псевдо α-сплавами.

Элементы из группы β-стабилизаторов упрочняют титан, образуя α и α+β твердые растворы. В зависимости от содержания указанных элементов можно получить сплавы с α и α+β структурой.

Таким образом, по структуре титановые сплавы условно делятся на три группы:

-сплавы со структурой α -твердого раствора;

-сплавы со смешанной структурой (α+β)-твердого раствора;

-сплавы со структурой β -твердого раствора.

Термической обработкой упрочняются (α+β), а α-сплавы и β-сплавы не упрочняются. Преимущество двухфазных α+β сплавов – способность упрочняться термической обработкой (закалкой и старением). Эти сплавы называют мартенситными, так как при резком охлаждении они образуют мартенситную структуру что позволяет получить существенный выигрыш в прочности и жаропрочности.