Изучение термической стабильности некоторых титановых сплавов

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Изучение термической стабильности некоторых титановых сплавов

31.10.2020

Известно, что легирование титана различными элементами приводит к образованию твердых растворов. В зависимости от количественного содержания легирующих элементов и вида предварительной термической обработки эти растворы могут иметь различную степень пересыщения и стабильности.

Нагрев, как правило, приводит к распаду этих твердых растворов и соответственно к изменению механических свойств. В связи с этим представляет интерес изучение влияния различных легирующих элементов на термическую стабильность некоторых титановых сплавов.

Исследованию подвергались сплавы с основой Ti + 6% Al, дополнительно легированные элементами, наиболее широко употребляемыми при создании титановых сплавов (молибден, ванадий, хром, марганец и железо). При выполнении работы были использованы обычно применяемые на практике режимы термической обработки.

Предварительная термическая обработка заготовок включала режим отжига листового материала, применяемого в производстве (нагрев до 900°, выдержка 4 часа, охлаждение на воздухе), а также закалку с 1500° в воде и на воздухе, имитирующую сварочный цикл, которому подвергается металл околошовной зоны при сварке; термическая стабильность сплавов проверялась на одном из режимов, применяемых для снятия остаточных сварочных напряжений.

С этой целью заготовки исследуемых сплавов после указанных трех видов термической обработки подсаживались в газовую печь совместно с натурной конструкцией. Режим отпуска заключался в нагреве со скоростью не более 20 град./час. с выдержкой по 6 часов при температурах 350, 450, 680° и последующим охлаждением до 100° с теми же скоростями, далее — на воздухе.

Исходная структура сплавов во многом предопределяет их свойства после отпуска. После ковки и отжига структура сплавов, содержащих 1% V или хром, молибден, марганец и железо в количестве до 0,5%, представляет собой a-фазу. Это соответствует и данным работы, где указывается предельная растворимость в-стабилизирующих элементов в сплаве Ti + 6% Al: для ванадия до 1,2%, для марганца — 0,3—0,4%, для хрома и железа — 0,3—0,5%, для молибдена — 0,2—0,4%.

При увеличении содержания в-стабилизирующих элементов свыше указанного предела в структуре появляется вторая фаза (в соответствии с равновесной диаграммой состояния — в-фаза).

Структура сплавов, охлажденных с 1500° на воздухе, состоит из крупных зерен превращенной p-фазы, внутри которых расположены фрагменты, состоящие из узких параллельных пластин a-фазы (светлые участки) и темных пластин второй фазы (возможно, в-фазы) (рис. 1,а).

Величина зерна у сплавов, охлажденных с 1500° в воде, такая же, как и у сплавов, охлажденных на воздухе, но внутризеренная структура характеризуется игольчатым строением (рис. 1,б).
Изучение термической стабильности некоторых титановых сплавов

Известно, что в том случае, когда температура мартенситного превращения сплава лежит выше 500°, при охлаждении в воде из в-области происходит наложение диффузионного превращения в—>а+в на мартенситное превращение в—>а'. Согласно работам, температура мартенситного превращения для всех исследованных сплавов находится в пределах 730—820°. Следовательно, структура исследуемых сплавов после охлаждения с 1500° в воде должна представлять собой сочетание а-, в- и а'-фаз.

В результате исследований установлено, что отпуск однофазных сплавов приводит к весьма незначительному изменению прочностных и пластических характеристик (рис. 2—4). Наиболее заметно снижается лишь ударная вязкость. Для сплавов, содержащих изоморфные p-стабилизаторы (ванадий и молибден), увеличение содержания легирующих свыше их предела растворимости в a-фазе практически не меняет их свойств после отпуска (рис. 2,а), тогда как для сплавов, содержащих эвтектоидообразующие в-стабилизаторы, увеличение содержания легирующих в сплаве приводит к большему падению пластичности и вязкости в процессе отпуска. Наиболее резкое изменение предельной пластичности и ударной вязкости наблюдается в сплавах системы Ti—Al—Cr (рис. 3,а). Так, в сплаве Ti + 6%Al+1,5% Cr относительное сужение падает с 27 до 4%, относительное удлинение — с 12 до 4% и ударная вязкость — с 8,4 до 1,7 кгс*м/см2 По видимому, это связано с выпадением интерметаллидов в процессе отпуска Хром, марганец и железо относятся к группе элементов, образующих с титаном эвтектоид, с замедленным распадом p-фазы. Однако, если в сплавах системы Ti—Mn интерметаллическое соединение не удается обнаружить даже после очень длительной выдержки вблизи эвтектоидной температуры, то в сплавах системы Ti—Cr при 500° p-модификация распадается в течение одного дня, железо по скорости протекания эвтектоидной реакции занимает промежуточное положение между хромом и марганцем.



Характер изменения свойств сплавов, подвергнутых отпуску после охлаждения ка воздухе с 1500°, аналогичен характеру изменения свойств сплавов, отпущенных после отжига при 900°, однако общий уровень механических свойств все же остается ниже По-видимому, это объясняется неблагоприятным расположением продуктов распада (в виде длинных пластин) в образцах, подвергнутых отпуску после указанной термической обработки.

Как было показано выше, в исследуемых сплавах после охлаждения с 1500° в воде могут существовать одновременно а'-, в- и а-фазы. Поэтому в процессе отпуска закаленных сплавов может протекать распад одновременно в- и а'-фаз.

Отпуск сплавов после закалки в воде с 1500° приводит к более заметному изменению свойств, в особенности ударной вязкости. Однако, если у сплавов, содержащих p-изоморфные элементы, ударная вязкость в результате старения снижается примерно на 1,0—1,5 кгс*м/см2, то у сплавов, легированных хромом, марганцем и железом, ударная вязкость снижается на 2,0—4,5 кгс*м/см2

У сплавов, дополнительно легированных хромом и железом, в результате отпуска существенно снижается также и пластичность. Так, у сплава Ti +5% Al+1,5% Cr после отпуска относительное удлинение и относительное сужение составили соответственно 2,5 и 3,5%, у сплава Ti+5% Al+1,5% Fe—5%, т. е сплавы хрупки. По-видимому, в этом случае охрупчивание также происходит за счет выпадения интерметаллического соединения в процессе отпуска.

Выводы


1. Легирование титана эвтектоидообразующими элементами приводит к заметному понижению пластичности и вязкости сплава в результате высокотемпературного отпуска. Наименьшее падение пластичности наблюдается у сплавов, легированных марганцем, наибольшее — у сплавов, легированных хромом. Следовательно, сплавы, которые должны обладать высокой термической стабильностью, легировать хромом и железом нецелесообразно.

2. Ударная вязкость после отжига у сплавов, легированных ванадием и молибденом, понижается в основном незначительно.

По-видимому, распад в-фазы в этих сплавах протекает в более благоприятных условиях.

3. Наиболее существенно пластичность и ударная вязкость после отпуска снижаются у предварительно закаленных образцов. Увеличение содержания легирующих элементов в сплаве усиливает процесс охрупчивания. По-видимому, закалка интенсифицирует процессы распада, происходящие при отпуске.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: