Курсовая работа: Титановые сплавы. Реферат титановые сплавы

Реферат: Титановые сплавы

Содержание

Содержание.. - 1 -

Титан и его модификации. - 2 -

Структуры титановых сплавов. - 2 -

Особенности титановых сплавов. - 3 -

Влияние примесей на титановые сплавы. - 4 -

Основные диаграммы состояния. - 5 -

Пути повышения жаропрочности и ресурса. - 7 -

Повышение чистоты сплавов. - 8 -

Получение оптимальной микроструктуры. - 8 -

Повышение прочностных свойств термической обработкой. - 8 -

Выбор рационального легирования. - 10 -

Стабилизирующий отжиг. - 10 -

Используемая литература. - 12 -

Титан и его модификации.

Титан является переходным металлом и имеет недостроенную d-оболочку. Он находится в четвертой группе Периодической таблицы Менделеева, имеет атомный номер 22, атомную массу 47,90 (изотопы: 46 - 7,95%; 48 - 73,45%; 49 - 5,50% и 50 - 5,35%). Титан имеет две аллотропические модификации: низкотемпературную α-модификацию, имеющую гексагональную атомную ячейку с периодами а=2,9503±0,0003 Ǻ и с=4,6830±0,0005 Ǻ и соотношением с/а=1,5873±0,0007 Ǻ и высокотемпературную β - модификацию с объемно центрированной кубической ячейкой и периодом а=3,283±0,003 Ǻ. Температура плавления титана, полученного методом иодидного рафинирования, равна 1665±5°С.

Структуры титановых сплавов.

Титан подобно железу является полиморфным металлом и имеет фазовое превращение при температуре 882°С. Ниже этой температуры устойчива гексагональная плотноупакованная кристаллическая решетка α-титана, а выше – объемно центрированная кубическая (о. ц. к.) решетка β-титана.

Титан упрочняется легированием α- и β-стабилизирующими элементами, а также термической обработкой двухфазных (α+β)-сплавов. К элементам, стабилизирующим α-фазу титана, относятся алюминий, в меньшей степени олово и цирконий. α-стабилизаторы упрочняют титан, образуя твердый раствор с α-модификацией титана.

За последние годы было установлено, что, кроме алюминия, существуют и другие металлы, стабилизирующие α-модификацию титана, которые могут представлять интерес в качестве легирующих добавок к промышленным титановым сплавам. К таким металлам относятся галлий, индий, сурьма, висмут. Особый интерес представляет галлий для жаропрочных титановых сплавов благодаря высокой растворимости в α - титане. Как известно повышение жаропрочности сплавов системы Ti – Alограничено пределом 7 – 8% вследствие образования хрупкой фазы. Добавкой галлия можно дополнительно повысить жаропрочность предельнолегированных алюминием сплавов без образования α2-фазы.

Алюминий практически применяется почти во всех промышленных сплавах, 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.

Цирконий положительно влияет на свойства сплавов при повышенных температурах, образует с титаном непрерывный ряд твердых растворов на основе α – титана и не участвует в упорядочении твердого раствора.

Олово, особенно в сочетании с алюминием и цирконием, повышает жаропрочные свойства сплавов, но в отличие от циркония образует в сплаве упорядоченную фазу .

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 сплавов типа α в качестве легирующих элементов наряду с α-стабилизаторами применяются элементы, стабилизирующие β-фазу.

Элементы из группы β-стабилизаторов упрочняют титан, образуя α- и β-твердые растворы.

В зависимости от содержания указанных элементов можно получить сплавы с α+β- и β-структурой.

Таким образом, по структуре титановые сплавы условно делятся на три группы: сплавы с α-, (α+β)- и β-структурой.

В структуре каждой группы могут присутствовать интерметаллидные фазы.

Преимущество двухфазных (α+β)-сплавов – способность упрочняться термической обработкой (закалкой и старением), что позволяет получить существенный выигрыш в прочности и жаропрочности.

Особенности титановых сплавов.

Одним из важных преимуществ титановых сплавов перед алюминиевыми и магниевыми сплавами является жаропрочность, которая в условиях практического применения с избытком компенсирует разницу в плотности (магний 1,8, алюминий 2,7, титан 4,5). Превосходство титановых сплавов над алюминиевыми и магниевыми сплавами особенно резко проявляется при температурах выше 300°С. Так как при повышении температуры прочность алюминиевых и магниевых сплавов сильно уменьшается, а прочность титановых сплавов остается высокой.

Титановые сплавы по удельной прочности (прочности, отнесенной к плотности) превосходят большинство нержавеющих и теплостойких сталей при температурах до 400°С – 500°С. Если учесть к тому же, что в большинстве случаев в реальных конструкциях не удается полностью использовать прочность сталей из-за необходимости сохранения жесткости или определенной аэродинамической формы изделия (например, профиль лопатки компрессора), то окажется, что при замене стальных деталей титановыми можно получить значительную экономию в массе.

Еще сравнительно недавно основным критерием при разработке жаропрочных сплавов была величина кратковременной и длительной прочности при определенной температуре. В настоящее время можно сформулировать целый комплекс требований к жаропрочным титановым сплавам, по крайней мере для деталей авиационных двигателей.

В зависимости от условий работы обращается внимание на то или иное определяющее свойство, величина которого должна быть максимальной, однако сплав должен обеспечивать необходимый минимум и других свойств, как указано ниже.

1. Высокая кратковременная и длительная прочность во всем интервале рабочих температур . Минимальные требования: предел прочности при комнатной температуре 100· Па; кратковременная и 100-ч прочность при 400° С – 75· Па. Максимальные требования: предел прочности при комнатной температуре 120· Па, 100-ч прочность при 500° С – 65· Па.

2. Удовлетворительные пластические свойства при комнатной температуре: относительное удлинение 10%, поперечное сужение 30%, ударная вязкость 3· Па·м. Эти требования могут быть для некоторых деталей и ниже, например для лопаток направляющих аппаратов, корпусов подшипников и деталей, не подверженных динамическим нагрузкам.

3. Термическая стабильность. Сплав должен сохранять свои пластические свойства после длительного воздействия высоких температур и напряжений. Минимальные требования: сплав не должен охрупчиваться после 100-ч нагрева при любой температуре в интервале 20 – 500°С. Максимальные требования: сплав не должен охрупчиваться после воздействия температур и напряжений в условиях, заданных конструктором, в течение времени, соответствующего максимальному заданному ресурсу работы двигателя.

4. Высокое сопротивление усталости при комнатной и высоких температурах. Предел выносливости гладких образцов при комнатной температуре должен составлять не менее 45% предела прочности, а при 400° С – не менее 50% предела прочности при соответствующих температурах. Эта характеристика особенно важна для деталей, подверженных вибрациям в процессе работы, как, например, лопатки компрессоров.

5. Высокое сопротивление ползучести. Минимальные требования: при температуре 400° С и напряжении 50· Па остаточная деформация за 100 ч не должна превосходить 0,2%. Максимальным требованием можно считать тот же предел при температуре 500° С за 100 ч. Эта характеристика особенно важна для деталей, подверженных в процессе работы значительным растягивающим напряжениям, как, например, диски компрессоров.

Однако со значительным увеличение ресурса работы двигателей правильнее будет базироваться на продолжительности испытания не 100 ч, а значительно больше - примерно 2000 – 6000 ч.

Несмотря на высокую стоимость производства и обработки титановых деталей, применение их оказывается выгодным благодаря главным образом повышению коррозионной стойкости деталей, их ресурса и экономии массы.

Стоимость титанового компрессора значительно выше, чем стального. Но в связи с уменьшением массы стоимость одного тонно-километра в случае применения титана будет меньше, что позволяет очень быстро окупить стоимость титанового компрессора и получить большую экономию.

Влияние примесей на титановые сплавы.

Кислород и азот, образующие с титаном сплавы типа твердых растворов внедрения и металлидные фазы, существенно снижают пластичность титана и являются вредными примесями. Кроме азота и кислорода, к числу вредных для пластичности титана примесей следует отнести также углерод, железо и кремний.

Из перечисленных примесей азот, кислород и углерод повышают температуру аллотропического превращения титана, а железо и кремний понижают ее. Результирующее влияние примесей выражается в том, что технический титан претерпевает аллотропическое превращение не при постоянной температуре (882° С), а на протяжении некоторого температурного интервала, например 865 – 920° С (при содержании кислорода и азота в сумме не более 0,15%).

Подразделение исходного губчатого титана на сорта, различающиеся по твердости, основано на разном содержании указанных примесей. Влияние этих примесей на свойства изготовляемых из титана сплавов столь значительно, что должно специально учитываться при расчете шихты, чтобы получить механические свойства в нужных пределах.

С точки зрения обеспечения максимальной жаропрочности и термической стабильности титановых сплавов все эти примеси, за исключением, вероятно, кремния, должны считаться вредными и содержание их желательно свести к минимуму. Дополнительное упрочнение, даваемое примесями, совершенно не оправдывается из-за резкого снижения термической стабильности, сопротивления ползучести и ударной вязкости. Чем более легированным и жаропрочным должен быть сплав, тем ниже должно быть в нем содержание примесей, образующих с титаном твердые растворы типа внедрения (кислород, азот).

При рассмотрении титана как основы для создания жаропрочных сплавов необходимо учитывать возрастание химической активности этого металла по отношению к атмосферным газам и водороду. В случае активированной поверхности титан способен поглощать водород при комнатной температуре, а при 300° С скорость поглощения водорода титаном очень высока. Окисная пленка, всегда имеющаяся на поверхности титана, надежно защищает металл от проникновения водорода. В случае наводороживания титановых изделий при неправильном травлении водород можно удалить из металла вакуумным отжигом. При температуре выше 600° С титан заметно взаимодействует с кислородом, а выше 700° С – с азотом.

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.

Схема классификации легирующих элементов для титана.

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 cэтим 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 (IIтип) имеют неоспоримое преимущество перед структурой игольчатого типа (IIIтип) 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.

Стабилизирующий отжиг.

Стабилизирующий отжиг широко применяется для лопаток турбин ГТД с целью снятия напряжений, возникающих на поверхности деталей при механической обработке. Этот отжиг проводят на готовых деталях при температурах, близких к эксплуатационным. Аналогичная обработка была опробована на титановых сплавах, применяемых для лопаток компрессора. Стабилизирующий отжиг проводили в воздушной атмосфере при 550° С в течении 2 ч и изучали его влияние на длительную и усталостную прочность сплавов Вт3-1, ВТ8, ВТ9, и ВТ18. Было установлено, что стабилизирующий отжиг не влияет на свойства сплава ВТ3-1.

Выносливость сплавов ВТ8 и ВТ9 после стабилизирующего отжига повышается на 7 – 15%; длительная прочность этих сплавов не изменяется. Стабилизирующий отжиг сплава ВТ18 позволяет повысить его жаропрочность на 7 – 10%, при этом выносливость не изменяется. То, что стабилизирующий отжиг не влияет на свойства сплава ВТ3-1, можно объяснить устойчивостью β-фазы вследствие применения изотермического отжига. В сплавах ВТ8 и ВТ9, подвергаемых двойному отжигу, из-за меньшей устойчивости β-фазы происходит достаривание сплавов (при стабилизирующем отжиге), что повышает прочность, а следовательно, и выносливость. Так как механическую обработку лопаток компрессоров из титановых сплавов, на финишных операциях проводят вручную, на поверхности лопаток возникают напряжения, разные по знаку и величине. Поэтому рекомендуется все лопатки подвергать стабилизирующему отжигу. Отжиг проводят при температурах 530 – 600° С. Стабилизирующий отжиг обеспечивает повышение выносливости лопаток из титановых сплавов не менее чем на 10 – 20 %.

Используемая литература.

1. О. П. Солонина, С. Г. Глазунов. «Жаропрочные титановые сплавы». Москва «Металлургия» 1976 г.

2.

www.yurii.ru

Реферат: Титановые сплавы

Содержание.. - 1 -

Титан и его модификации. - 2 -

Структуры титановых сплавов. - 2 -

Особенности титановых сплавов. - 3 -

Влияние примесей на титановые сплавы. - 4 -

Основные диаграммы  состояния. - 5 -

Пути повышения жаропрочности и ресурса. - 7 -

Повышение чистоты сплавов. - 8 -

Получение оптимальной микроструктуры. - 8 -

Повышение прочностных свойств термической обработкой. - 8 -

Выбор рационального легирования. - 10 -

Стабилизирующий отжиг. - 10 -

Используемая литература. - 12 -

Титан является переходным металлом и имеет недостроенную d-оболочку. Он находится в четвертой группе Периодической таблицы Менделеева, имеет атомный номер 22, атомную массу 47,90 (изотопы: 46 - 7,95%; 48 - 73,45%; 49 - 5,50% и 50 - 5,35%). Титан имеет две аллотропические модификации: низкотемпературную α-модификацию, имеющую гексагональную атомную ячейку с периодами а=2,9503±0,0003 Ǻ и с=4,6830±0,0005 Ǻ и соотношением с/а=1,5873±0,0007 Ǻ и высокотемпературную β - модификацию с объемно центрированной кубической ячейкой и периодом а=3,283±0,003 Ǻ. Температура плавления  титана, полученного методом иодидного рафинирования, равна 1665±5°С.

Титан подобно железу является полиморфным металлом и имеет фазовое превращение при температуре 882°С. Ниже этой температуры устойчива гексагональная плотноупакованная кристаллическая решетка α-титана, а выше – объемно центрированная кубическая (о. ц. к.) решетка β-титана.

Титан упрочняется легированием α- и β-стабилизирующими элементами, а также термической обработкой двухфазных (α+β)-сплавов. К элементам, стабилизирующим α-фазу титана, относятся алюминий, в меньшей степени олово и цирконий. α-стабилизаторы упрочняют титан, образуя твердый раствор с α-модификацией титана.

За последние годы было установлено, что, кроме алюминия, существуют и другие металлы, стабилизирующие α-модификацию титана, которые могут представлять интерес в качестве легирующих добавок к промышленным титановым сплавам. К таким металлам относятся галлий, индий, сурьма, висмут. Особый интерес представляет галлий для жаропрочных титановых сплавов благодаря высокой растворимости в α  - титане. Как известно повышение жаропрочности сплавов системы Ti – Al ограничено пределом 7 – 8% вследствие образования хрупкой фазы. Добавкой галлия можно дополнительно повысить жаропрочность предельнолегированных алюминием сплавов без образования α2-фазы.

Алюминий практически применяется почти во всех промышленных сплавах, 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.

Цирконий положительно влияет на свойства сплавов при повышенных температурах, образует с титаном непрерывный ряд твердых растворов на основе α – титана и не участвует в упорядочении твердого раствора.

Олово, особенно в сочетании с алюминием и цирконием, повышает жаропрочные свойства сплавов, но в отличие от циркония образует в сплаве упорядоченную фазу .

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 сплавов типа α в качестве легирующих элементов наряду с α-стабилизаторами применяются элементы, стабилизирующие β-фазу.

Элементы из группы β-стабилизаторов упрочняют титан, образуя α- и β-твердые растворы.

В зависимости от содержания указанных элементов можно получить сплавы с α+β- и β-структурой.

Таким образом, по структуре титановые сплавы условно делятся на три группы: сплавы с α-, (α+β)- и β-структурой.

В структуре каждой группы могут присутствовать интерметаллидные фазы.

Преимущество двухфазных (α+β)-сплавов – способность упрочняться термической обработкой (закалкой и старением), что позволяет получить существенный выигрыш в прочности и жаропрочности.

Одним из важных преимуществ титановых сплавов перед алюминиевыми и магниевыми сплавами является жаропрочность, которая в условиях практического применения с избытком компенсирует разницу в плотности (магний 1,8, алюминий 2,7, титан 4,5). Превосходство титановых сплавов над алюминиевыми и магниевыми  сплавами особенно резко проявляется при температурах выше 300°С. Так как при повышении температуры прочность алюминиевых и магниевых сплавов сильно уменьшается, а прочность титановых сплавов остается высокой.

Титановые сплавы по удельной прочности (прочности, отнесенной к плотности) превосходят большинство нержавеющих и теплостойких сталей при температурах до 400°С – 500°С. Если учесть к тому же, что в большинстве случаев в реальных конструкциях не удается полностью использовать прочность сталей из-за необходимости сохранения жесткости или определенной аэродинамической формы изделия (например, профиль лопатки компрессора), то окажется, что при замене стальных деталей титановыми можно получить значительную экономию в массе.

Еще сравнительно недавно основным критерием при разработке жаропрочных сплавов была величина кратковременной и длительной прочности при определенной температуре. В настоящее время можно сформулировать целый комплекс требований к жаропрочным титановым сплавам, по крайней мере для деталей авиационных двигателей.

В зависимости от условий работы обращается внимание на то или иное определяющее свойство, величина которого должна быть максимальной, однако сплав должен обеспечивать необходимый минимум и других свойств, как указано ниже.

1. Высокая кратковременная и длительная прочность во всем интервале рабочих температур. Минимальные требования: предел прочности при комнатной температуре 100· Па; кратковременная и 100-ч прочность при 400° С – 75· Па. Максимальные требования: предел прочности при комнатной температуре  120· Па, 100-ч прочность при 500° С – 65· Па.

2. Удовлетворительные пластические свойства при комнатной температуре: относительное удлинение 10%, поперечное сужение 30%, ударная вязкость 3· Па·м. Эти требования могут быть для некоторых деталей и ниже, например для лопаток направляющих аппаратов, корпусов подшипников и деталей, не подверженных динамическим нагрузкам.

3. Термическая стабильность. Сплав должен сохранять свои пластические свойства после длительного воздействия высоких температур и напряжений. Минимальные требования: сплав не должен охрупчиваться после 100-ч нагрева при любой температуре в интервале 20 – 500°С. Максимальные требования: сплав не должен охрупчиваться после воздействия температур и напряжений в условиях, заданных конструктором, в течение времени, соответствующего максимальному заданному ресурсу работы двигателя.

4. Высокое сопротивление усталости при комнатной и высоких температурах. Предел выносливости гладких образцов при комнатной температуре должен  составлять не менее 45% предела прочности, а при 400° С – не менее 50% предела прочности при соответствующих температурах. Эта характеристика особенно важна для деталей, подверженных вибрациям в процессе работы, как, например, лопатки компрессоров.

5. Высокое сопротивление ползучести.  Минимальные требования: при температуре 400° С и напряжении 50· Па остаточная деформация за 100 ч не должна превосходить 0,2%. Максимальным требованием можно считать тот же предел при температуре 500° С за 100 ч. Эта характеристика особенно важна для деталей, подверженных в процессе работы значительным растягивающим напряжениям, как, например, диски компрессоров.

Однако со значительным увеличение ресурса работы двигателей правильнее будет базироваться на продолжительности испытания не 100 ч, а значительно больше - примерно 2000 – 6000 ч.

Несмотря на высокую стоимость производства и обработки титановых деталей, применение их оказывается выгодным благодаря главным образом повышению коррозионной стойкости деталей, их ресурса и экономии массы.

Стоимость титанового компрессора значительно выше, чем стального. Но в связи с уменьшением массы стоимость одного тонно-километра в случае применения титана будет меньше, что позволяет очень быстро окупить стоимость титанового компрессора и получить большую экономию.

Кислород и азот, образующие с титаном сплавы типа твердых растворов внедрения и металлидные фазы, существенно снижают пластичность титана и являются вредными примесями. Кроме азота и кислорода, к числу вредных для пластичности титана примесей следует отнести также углерод, железо и кремний.

Из перечисленных примесей азот, кислород и углерод повышают температуру аллотропического превращения титана, а железо и кремний понижают ее. Результирующее влияние примесей выражается в том, что технический титан претерпевает аллотропическое превращение не при постоянной температуре (882° С), а на протяжении некоторого температурного интервала, например 865 – 920° С (при содержании кислорода и азота в сумме не более 0,15%).

Подразделение исходного губчатого титана на сорта, различающиеся по твердости, основано на разном содержании указанных примесей. Влияние этих примесей на свойства изготовляемых из титана сплавов столь значительно, что должно специально учитываться при расчете шихты, чтобы получить механические свойства в нужных пределах.

С точки зрения обеспечения максимальной жаропрочности и  термической стабильности титановых сплавов все эти примеси, за исключением, вероятно, кремния, должны считаться вредными и содержание их желательно свести к минимуму. Дополнительное упрочнение, даваемое примесями, совершенно не оправдывается из-за резкого снижения термической стабильности, сопротивления ползучести и ударной вязкости. Чем более легированным и жаропрочным должен быть сплав, тем ниже должно быть в нем содержание примесей, образующих с титаном твердые растворы типа внедрения (кислород, азот).

При рассмотрении титана как основы для создания жаропрочных сплавов необходимо учитывать возрастание химической активности этого металла по отношению к атмосферным газам и водороду. В случае активированной поверхности титан способен поглощать водород при комнатной температуре, а при 300° С скорость поглощения водорода титаном очень высока. Окисная пленка, всегда имеющаяся на поверхности титана, надежно защищает металл от проникновения водорода. В случае наводороживания титановых изделий при неправильном травлении водород можно удалить из металла вакуумным отжигом. При температуре выше 600° С титан заметно взаимодействует с кислородом, а выше 700° С – с азотом.

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.    

         Схема классификации легирующих элементов для титана.

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;

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.

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.

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.

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.

Стабилизирующий отжиг широко применяется для лопаток турбин ГТД с целью снятия напряжений, возникающих на поверхности деталей при механической обработке. Этот отжиг проводят на готовых деталях при температурах, близких к эксплуатационным. Аналогичная обработка была опробована на титановых сплавах, применяемых для лопаток компрессора. Стабилизирующий отжиг проводили в воздушной атмосфере при 550° С в течении 2 ч и изучали его влияние на длительную и усталостную прочность сплавов Вт3-1, ВТ8, ВТ9, и ВТ18. Было установлено, что стабилизирующий отжиг не влияет на свойства сплава ВТ3-1.

Выносливость сплавов ВТ8 и ВТ9 после стабилизирующего отжига повышается на 7 – 15%; длительная прочность этих сплавов не изменяется. Стабилизирующий отжиг сплава ВТ18 позволяет повысить его жаропрочность на 7 – 10%, при этом выносливость не изменяется. То, что стабилизирующий отжиг не влияет на свойства сплава ВТ3-1, можно объяснить устойчивостью β-фазы вследствие применения изотермического отжига. В сплавах ВТ8 и ВТ9, подвергаемых двойному отжигу, из-за меньшей устойчивости β-фазы происходит достаривание сплавов (при стабилизирующем отжиге), что повышает прочность, а следовательно, и выносливость. Так как механическую обработку лопаток компрессоров из титановых сплавов, на финишных операциях проводят вручную, на поверхности лопаток возникают напряжения, разные по знаку и величине. Поэтому рекомендуется все лопатки подвергать стабилизирующему отжигу. Отжиг проводят при температурах 530 – 600° С. Стабилизирующий отжиг обеспечивает повышение выносливости лопаток из титановых сплавов не менее чем на 10 – 20 %.

1.     О. П. Солонина, С. Г. Глазунов. «Жаропрочные титановые сплавы». Москва «Металлургия» 1976 г.

2.      

www.referatmix.ru

Реферат : Титановые сплавы

Содержание

Содержание - 1 -

Титан и его модификации. - 2 -

Структуры титановых сплавов. - 2 -

Особенности титановых сплавов. - 3 -

Влияние примесей на титановые сплавы. - 4 -

Основные диаграммы состояния. - 5 -

Пути повышения жаропрочности и ресурса. - 7 -

Повышение чистоты сплавов. - 8 -

Получение оптимальной микроструктуры. - 8 -

Повышение прочностных свойств термической обработкой. - 8 -

Выбор рационального легирования. - 10 -

Стабилизирующий отжиг. - 10 -

Используемая литература. - 12 -

Титан и его модификации.

Титан является переходным металлом и имеет недостроенную d-оболочку. Он находится в четвертой группе Периодической таблицы Менделеева, имеет атомный номер 22, атомную массу 47,90 (изотопы: 46 - 7,95%; 48 - 73,45%; 49 - 5,50% и 50 - 5,35%). Титан имеет две аллотропические модификации: низкотемпературную α-модификацию, имеющую гексагональную атомную ячейку с периодами а=2,9503±0,0003 Ǻ и с=4,6830±0,0005 Ǻ и соотношением с/а=1,5873±0,0007 Ǻ и высокотемпературную β - модификацию с объемно центрированной кубической ячейкой и периодом а=3,283±0,003 Ǻ. Температура плавления титана, полученного методом иодидного рафинирования, равна 1665±5°С.

Структуры титановых сплавов.

Титан подобно железу является полиморфным металлом и имеет фазовое превращение при температуре 882°С. Ниже этой температуры устойчива гексагональная плотноупакованная кристаллическая решетка α-титана, а выше – объемно центрированная кубическая (о. ц. к.) решетка β-титана.

Титан упрочняется легированием α- и β-стабилизирующими элементами, а также термической обработкой двухфазных (α+β)-сплавов. К элементам, стабилизирующим α-фазу титана, относятся алюминий, в меньшей степени олово и цирконий. α-стабилизаторы упрочняют титан, образуя твердый раствор с α-модификацией титана.

За последние годы было установлено, что, кроме алюминия, существуют и другие металлы, стабилизирующие α-модификацию титана, которые могут представлять интерес в качестве легирующих добавок к промышленным титановым сплавам. К таким металлам относятся галлий, индий, сурьма, висмут. Особый интерес представляет галлий для жаропрочных титановых сплавов благодаря высокой растворимости в α - титане. Как известно повышение жаропрочности сплавов системы Ti – Al ограничено пределом 7 – 8% вследствие образования хрупкой фазы. Добавкой галлия можно дополнительно повысить жаропрочность предельнолегированных алюминием сплавов без образования α2-фазы.

Алюминий практически применяется почти во всех промышленных сплавах, 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.

Цирконий положительно влияет на свойства сплавов при повышенных температурах, образует с титаном непрерывный ряд твердых растворов на основе α – титана и не участвует в упорядочении твердого раствора.

Олово, особенно в сочетании с алюминием и цирконием, повышает жаропрочные свойства сплавов, но в отличие от циркония образует в сплаве упорядоченную фазу .

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 сплавов типа α в качестве легирующих элементов наряду с α-стабилизаторами применяются элементы, стабилизирующие β-фазу.

Элементы из группы β-стабилизаторов упрочняют титан, образуя α- и β-твердые растворы.

В зависимости от содержания указанных элементов можно получить сплавы с α+β- и β-структурой.

Таким образом, по структуре титановые сплавы условно делятся на три группы: сплавы с α-, (α+β)- и β-структурой.

В структуре каждой группы могут присутствовать интерметаллидные фазы.

Преимущество двухфазных (α+β)-сплавов – способность упрочняться термической обработкой (закалкой и старением), что позволяет получить существенный выигрыш в прочности и жаропрочности.

Особенности титановых сплавов.

Одним из важных преимуществ титановых сплавов перед алюминиевыми и магниевыми сплавами является жаропрочность, которая в условиях практического применения с избытком компенсирует разницу в плотности (магний 1,8, алюминий 2,7, титан 4,5). Превосходство титановых сплавов над алюминиевыми и магниевыми сплавами особенно резко проявляется при температурах выше 300°С. Так как при повышении температуры прочность алюминиевых и магниевых сплавов сильно уменьшается, а прочность титановых сплавов остается высокой.

Титановые сплавы по удельной прочности (прочности, отнесенной к плотности) превосходят большинство нержавеющих и теплостойких сталей при температурах до 400°С – 500°С. Если учесть к тому же, что в большинстве случаев в реальных конструкциях не удается полностью использовать прочность сталей из-за необходимости сохранения жесткости или определенной аэродинамической формы изделия (например, профиль лопатки компрессора), то окажется, что при замене стальных деталей титановыми можно получить значительную экономию в массе.

Еще сравнительно недавно основным критерием при разработке жаропрочных сплавов была величина кратковременной и длительной прочности при определенной температуре. В настоящее время можно сформулировать целый комплекс требований к жаропрочным титановым сплавам, по крайней мере для деталей авиационных двигателей.

В зависимости от условий работы обращается внимание на то или иное определяющее свойство, величина которого должна быть максимальной, однако сплав должен обеспечивать необходимый минимум и других свойств, как указано ниже.

1. Высокая кратковременная и длительная прочность во всем интервале рабочих температур. Минимальные требования: предел прочности при комнатной температуре 100· Па; кратковременная и 100-ч прочность при 400° С – 75· Па. Максимальные требования: предел прочности при комнатной температуре 120· Па, 100-ч прочность при 500° С – 65· Па.

2. Удовлетворительные пластические свойства при комнатной температуре: относительное удлинение 10%, поперечное сужение 30%, ударная вязкость 3· Па·м. Эти требования могут быть для некоторых деталей и ниже, например для лопаток направляющих аппаратов, корпусов подшипников и деталей, не подверженных динамическим нагрузкам.

3. Термическая стабильность. Сплав должен сохранять свои пластические свойства после длительного воздействия высоких температур и напряжений. Минимальные требования: сплав не должен охрупчиваться после 100-ч нагрева при любой температуре в интервале 20 – 500°С. Максимальные требования: сплав не должен охрупчиваться после воздействия температур и напряжений в условиях, заданных конструктором, в течение времени, соответствующего максимальному заданному ресурсу работы двигателя.

4. Высокое сопротивление усталости при комнатной и высоких температурах. Предел выносливости гладких образцов при комнатной температуре должен составлять не менее 45% предела прочности, а при 400° С – не менее 50% предела прочности при соответствующих температурах. Эта характеристика особенно важна для деталей, подверженных вибрациям в процессе работы, как, например, лопатки компрессоров.

5. Высокое сопротивление ползучести. Минимальные требования: при температуре 400° С и напряжении 50· Па остаточная деформация за 100 ч не должна превосходить 0,2%. Максимальным требованием можно считать тот же предел при температуре 500° С за 100 ч. Эта характеристика особенно важна для деталей, подверженных в процессе работы значительным растягивающим напряжениям, как, например, диски компрессоров.

Однако со значительным увеличение ресурса работы двигателей правильнее будет базироваться на продолжительности испытания не 100 ч, а значительно больше - примерно 2000 – 6000 ч.

Несмотря на высокую стоимость производства и обработки титановых деталей, применение их оказывается выгодным благодаря главным образом повышению коррозионной стойкости деталей, их ресурса и экономии массы.

Стоимость титанового компрессора значительно выше, чем стального. Но в связи с уменьшением массы стоимость одного тонно-километра в случае применения титана будет меньше, что позволяет очень быстро окупить стоимость титанового компрессора и получить большую экономию.

Влияние примесей на титановые сплавы.

Кислород и азот, образующие с титаном сплавы типа твердых растворов внедрения и металлидные фазы, существенно снижают пластичность титана и являются вредными примесями. Кроме азота и кислорода, к числу вредных для пластичности титана примесей следует отнести также углерод, железо и кремний.

Из перечисленных примесей азот, кислород и углерод повышают температуру аллотропического превращения титана, а железо и кремний понижают ее. Результирующее влияние примесей выражается в том, что технический титан претерпевает аллотропическое превращение не при постоянной температуре (882° С), а на протяжении некоторого температурного интервала, например 865 – 920° С (при содержании кислорода и азота в сумме не более 0,15%).

Подразделение исходного губчатого титана на сорта, различающиеся по твердости, основано на разном содержании указанных примесей. Влияние этих примесей на свойства изготовляемых из титана сплавов столь значительно, что должно специально учитываться при расчете шихты, чтобы получить механические свойства в нужных пределах.

С точки зрения обеспечения максимальной жаропрочности и термической стабильности титановых сплавов все эти примеси, за исключением, вероятно, кремния, должны считаться вредными и содержание их желательно свести к минимуму. Дополнительное упрочнение, даваемое примесями, совершенно не оправдывается из-за резкого снижения термической стабильности, сопротивления ползучести и ударной вязкости. Чем более легированным и жаропрочным должен быть сплав, тем ниже должно быть в нем содержание примесей, образующих с титаном твердые растворы типа внедрения (кислород, азот).

При рассмотрении титана как основы для создания жаропрочных сплавов необходимо учитывать возрастание химической активности этого металла по отношению к атмосферным газам и водороду. В случае активированной поверхности титан способен поглощать водород при комнатной температуре, а при 300° С скорость поглощения водорода титаном очень высока. Окисная пленка, всегда имеющаяся на поверхности титана, надежно защищает металл от проникновения водорода. В случае наводороживания титановых изделий при неправильном травлении водород можно удалить из металла вакуумным отжигом. При температуре выше 600° С титан заметно взаимодействует с кислородом, а выше 700° С – с азотом.

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.

Схема классификации легирующих элементов для титана.

Эл-ты

внедрения

Эл-ты

внедрения

Эл-ты

внедрения

Эл-ты

внедрения

Эл-ты

внедрения

Эл-ты

внедрения

Эл-ты

внедрения

Эл-ты

внедрения

Легирующие добавки и примеси

α-стабилизаторы

Нейтральные

элементы

β-стабилизаторы

Эл-ты

внедрения

Эл-ты

замещения

C N

O

AL

Эл-ты

замещения

Zr Sn

Hf Ge

Эл-ты

замещения

Эл-ты

внедрения

Изоморфные β

V Nb

Mo Ta

Эвтектоидный распад

β-фаза,

фиксируемая

закалкой

β-фаза, не фиксируемая

закалкой

H

Si Cu

Ag Au

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.

Стабилизирующий отжиг.

Стабилизирующий отжиг широко применяется для лопаток турбин ГТД с целью снятия напряжений, возникающих на поверхности деталей при механической обработке. Этот отжиг проводят на готовых деталях при температурах, близких к эксплуатационным. Аналогичная обработка была опробована на титановых сплавах, применяемых для лопаток компрессора. Стабилизирующий отжиг проводили в воздушной атмосфере при 550° С в течении 2 ч и изучали его влияние на длительную и усталостную прочность сплавов Вт3-1, ВТ8, ВТ9, и ВТ18. Было установлено, что стабилизирующий отжиг не влияет на свойства сплава ВТ3-1.

Выносливость сплавов ВТ8 и ВТ9 после стабилизирующего отжига повышается на 7 – 15%; длительная прочность этих сплавов не изменяется. Стабилизирующий отжиг сплава ВТ18 позволяет повысить его жаропрочность на 7 – 10%, при этом выносливость не изменяется. То, что стабилизирующий отжиг не влияет на свойства сплава ВТ3-1, можно объяснить устойчивостью β-фазы вследствие применения изотермического отжига. В сплавах ВТ8 и ВТ9, подвергаемых двойному отжигу, из-за меньшей устойчивости β-фазы происходит достаривание сплавов (при стабилизирующем отжиге), что повышает прочность, а следовательно, и выносливость. Так как механическую обработку лопаток компрессоров из титановых сплавов, на финишных операциях проводят вручную, на поверхности лопаток возникают напряжения, разные по знаку и величине. Поэтому рекомендуется все лопатки подвергать стабилизирующему отжигу. Отжиг проводят при температурах 530 – 600° С. Стабилизирующий отжиг обеспечивает повышение выносливости лопаток из титановых сплавов не менее чем на 10 – 20 %.

Используемая литература.

1. О. П. Солонина, С. Г. Глазунов. «Жаропрочные титановые сплавы». Москва «Металлургия» 1976 г.

topref.ru

Курсовая работа - Титановые сплавы

Содержание… — 1 -

Титан и его модификации. — 2 -

Структуры титановых сплавов. — 2 -

Особенности титановых сплавов. — 3 -

Влияние примесей на титановые сплавы. — 4 -

Основные диаграммы  состояния. — 5 -

Пути повышения жаропрочности иресурса. — 7 -

Повышениечистоты сплавов. — 8 -

Получениеоптимальной микроструктуры. — 8 -

Повышениепрочностных свойств термической обработкой. — 8 -

Выборрационального легирования. — 10 -

Стабилизирующийотжиг. — 10 -

Используемая литература. — 12 -

Титанявляется переходным металлом и имеет недостроенную d-оболочку. Он находитсяв четвертой группе Периодической таблицы Менделеева, имеет атомный номер 22,атомную массу 47,90 (изотопы: 46 — 7,95%; 48 — 73,45%; 49 — 5,50% и 50 — 5,35%).Титан имеет две аллотропические модификации: низкотемпературную α-модификацию,имеющую гексагональную атомную ячейку с периодами а=2,9503±0,0003 Ǻ ис=4,6830±0,0005 Ǻ и соотношением с/а=1,5873±0,0007 Ǻ ивысокотемпературную β — модификацию с объемно центрированной кубическойячейкой и периодом а=3,283±0,003 Ǻ. Температура плавления  титана,полученного методом иодидного рафинирования, равна 1665±5°С.

Титанподобно железу является полиморфным металлом и имеет фазовое превращение притемпературе 882°С. Ниже этой температуры устойчива гексагональная плотноупакованнаякристаллическая решетка α-титана, а выше – объемно центрированная кубическая(о. ц. к.) решетка β-титана.

Титанупрочняется легированием α- и β-стабилизирующими элементами, а также термическойобработкой двухфазных (α+β)-сплавов. К элементам, стабилизирующим α-фазутитана, относятся алюминий, в меньшей степени олово и цирконий. α-стабилизаторыупрочняют титан, образуя твердый раствор с α-модификациейтитана.

Запоследние годы было установлено, что, кроме алюминия, существуют и другиеметаллы, стабилизирующие α-модификацию титана, которые могут представлятьинтерес в качестве легирующих добавок к промышленным титановым сплавам. К такимметаллам относятся галлий, индий, сурьма, висмут. Особый интерес представляетгаллий для жаропрочных титановых сплавов благодаря высокой растворимости в α - титане. Как известно повышение жаропрочности сплавов системы Ti – Al ограничено пределом 7 – 8% вследствиеобразования хрупкой фазы. Добавкой галлия можно дополнительно повыситьжаропрочность предельнолегированных алюминием сплавов без образования α2-фазы.

Алюминийпрактически применяется почти во всех промышленных сплавах, так как являетсянаиболее эффективным упрочнителем, улучшая прочностные  и жаропрочные свойстватитана. В последнее время наряду с алюминием в качестве легирующих элементовприменяют цирконий и олово.

Цирконийположительно влияет на свойства сплавов при повышенных температурах, образует ститаном непрерывный ряд твердых растворов на основе α – титана ине участвует в упорядочении твердого раствора.

Олово,особенно в сочетании с алюминием и цирконием, повышает жаропрочные свойствасплавов, но в отличие от циркония образует в сплаве упорядоченную фазу />.

Преимуществотитановых сплавов с α-структурой – в высокой термической стабильности,хорошей свариваемости и высоком сопротивлении окислению. Однако сплавы типа αчувствительны к водородной хрупкости ( вследствие малой растворимости водородав α-титане) и не поддаются упрочнению термическойобработкой. Высокая прочность, полученная за счет легирования, сопровождаетсянизкой технологической пластичностью этих сплавов, что вызывает ряд трудностейв промышленном производстве.

Дляповышения прочности, жаропрочности и технологической пластичности титановыхсплавов типа α в качестве легирующих элементов наряду с α-стабилизаторамиприменяются элементы, стабилизирующие β-фазу.

Элементыиз группы β-стабилизаторов упрочняют титан, образуя α-и β-твердые растворы.

Взависимости от содержания указанных элементов можно получить сплавы с α+β-и β-структурой.

Такимобразом, по структуре титановые сплавы условно делятся на три группы: сплавы с α-,(α+β)- и β-структурой.

Вструктуре каждой группы могут присутствовать интерметаллидные фазы.

Преимуществодвухфазных (α+β)-сплавов – способность упрочняться термическойобработкой (закалкой и старением), что позволяет получить существенный выигрышв прочности и жаропрочности.

Однимиз важных преимуществ титановых сплавов перед алюминиевыми и магниевымисплавами является жаропрочность, которая в условиях практического применения сизбытком компенсирует разницу в плотности (магний 1,8, алюминий 2,7, титан4,5). Превосходство титановых сплавов над алюминиевыми и магниевыми  сплавамиособенно резко проявляется при температурах выше 300°С. Так как при повышениитемпературы прочность алюминиевых и магниевых сплавов сильно уменьшается, а прочностьтитановых сплавов остается высокой.

Титановыесплавы по удельной прочности (прочности, отнесенной к плотности) превосходятбольшинство нержавеющих и теплостойких сталей при температурах до 400°С –500°С. Если учесть к тому же, что в большинстве случаев в реальных конструкцияхне удается полностью использовать прочность сталей из-за необходимости сохраненияжесткости или определенной аэродинамической формы изделия (например, профильлопатки компрессора), то окажется, что при замене стальных деталей титановымиможно получить значительную экономию в массе.

Ещесравнительно недавно основным критерием при разработке жаропрочных сплавов былавеличина кратковременной и длительной прочности при определенной температуре. Внастоящее время можно сформулировать целый комплекс требований к жаропрочнымтитановым сплавам, по крайней мере для деталей авиационных двигателей.

Взависимости от условий работы обращается внимание на то или иное определяющеесвойство, величина которого должна быть максимальной, однако сплав должен обеспечиватьнеобходимый минимум и других свойств, как указано ниже.

1.Высокая кратковременная и длительная прочность во всем интервале рабочихтемператур. Минимальные требования: предел прочности при комнатной температуре100·/> Па; кратковременная и 100-чпрочность при 400° С – 75·/> Па.Максимальные требования: предел прочности при комнатной температуре  120·/> Па, 100-ч прочность при500° С – 65·/> Па.

2.Удовлетворительные пластические свойства при комнатной температуре: относительноеудлинение 10%, поперечное сужение 30%, ударная вязкость 3·/> Па·м. Эти требования могутбыть для некоторых деталей и ниже, например для лопаток направляющих аппаратов,корпусов подшипников и деталей, не подверженных динамическим нагрузкам.

3.Термическая стабильность. Сплав должен сохранять своипластические свойства после длительного воздействия высоких температур инапряжений. Минимальные требования: сплав не должен охрупчиваться после 100-чнагрева при любой температуре в интервале 20 – 500°С. Максимальные требования:сплав не должен охрупчиваться после воздействия температур и напряжений вусловиях, заданных конструктором, в течение времени, соответствующего максимальномузаданному ресурсу работы двигателя.

4.Высокое сопротивление усталости при комнатной и высоких температурах.Предел выносливости гладких образцов при комнатной температуре должен  составлятьне менее 45% предела прочности, а при 400° С – не менее 50% предела прочностипри соответствующих температурах. Эта характеристика особенно важна длядеталей, подверженных вибрациям в процессе работы, как, например, лопаткикомпрессоров.

5.Высокое сопротивление ползучести.  Минимальные требования: притемпературе 400° С и напряжении 50·/> Паостаточная деформация за 100 ч не должна превосходить 0,2%. Максимальнымтребованием можно считать тот же предел при температуре 500° С за 100 ч. Этахарактеристика особенно важна для деталей, подверженных в процессе работызначительным растягивающим напряжениям, как, например, диски компрессоров.

Однакосо значительным увеличение ресурса работы двигателей правильнее будетбазироваться на продолжительности испытания не 100 ч, а значительно больше — примерно2000 – 6000 ч.

Несмотряна высокую стоимость производства и обработки титановых деталей, применение ихоказывается выгодным благодаря главным образом повышению коррозионной стойкостидеталей, их ресурса и экономии массы.

Стоимостьтитанового компрессора значительно выше, чем стального. Но в связи суменьшением массы стоимость одного тонно-километра в случае применения титана будетменьше, что позволяет очень быстро окупить стоимость титанового компрессора иполучить большую экономию.

Кислороди азот, образующие с титаном сплавы типа твердых растворов внедрения иметаллидные фазы, существенно снижают пластичность титана и являются вреднымипримесями. Кроме азота и кислорода, к числу вредных для пластичности титана примесейследует отнести также углерод, железо и кремний.

Изперечисленных примесей азот, кислород и углерод повышают температуру аллотропическогопревращения титана, а железо и кремний понижают ее. Результирующее влияниепримесей выражается в том, что технический титан претерпевает аллотропическоепревращение не при постоянной температуре (882° С), а на протяжении некотороготемпературного интервала, например 865 – 920° С (при содержании кислорода иазота в сумме не более 0,15%).

Подразделениеисходного губчатого титана на сорта, различающиеся по твердости, основано наразном содержании указанных примесей. Влияние этих примесей на свойстваизготовляемых из титана сплавов столь значительно, что должно специально учитыватьсяпри расчете шихты, чтобы получить механические свойства в нужных пределах.

Сточки зрения обеспечения максимальной жаропрочности и  термической стабильностититановых сплавов все эти примеси, за исключением, вероятно, кремния, должнысчитаться вредными и содержание их желательно свести к минимуму. Дополнительноеупрочнение, даваемое примесями, совершенно не оправдывается из-за резкогоснижения термической стабильности, сопротивления ползучести и ударной вязкости.Чем более легированным и жаропрочным должен быть сплав, тем ниже должно быть внем содержание примесей, образующих с титаном твердые растворы типа внедрения(кислород, азот).

Прирассмотрении титана как основы для создания жаропрочных сплавов необходимоучитывать возрастание химической активности этого металла по отношению к атмосфернымгазам и водороду. В случае активированной поверхности титан способен поглощатьводород при комнатной температуре, а при 300° С скорость поглощения водородатитаном очень высока. Окисная пленка, всегда имеющаяся на поверхности титана, надежнозащищает металл от проникновения водорода. В случае наводороживания титановыхизделий при неправильном травлении водород можно удалить из металла вакуумнымотжигом. При температуре выше 600° С титан заметно взаимодействует с кислородом,а выше 700° С – с азотом.

Присравнительной оценке различных легирующих добавок к титану для полученияжаропрочных сплавов основным вопросом является влияние добавляемых элементов натемпературу полиморфного превращения титана. Процесс полиморфного превращениялюбого металла, в том числе и титана, характеризуется повышенной подвижностьюатомов и, как следствие, снижением в этот момент прочностных характеристикнаряду с повышением пластичности. На примере жаропрочного титанового сплаваВТ3-1 видно, что при температуре закалки 850° С резко снижается пределтекучести  и меньше — прочность. Поперечное сужение и относительное удлинениепри этом достигают максимума. Объясняется это аномальное явление тем, чтостабильность β-фазы, зафиксированной при закалке, может бытьразличной в зависимости от состава ее, а последнее определяется температуройзакалки. 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 сопротивлениеметалла действию внешних сил значительно снижается. Исследованиями установлено,что наряду с метастабильной β-фазой в этих условия фиксируется пластичная фаза, имеющаятетрагональную ячейку и обозначаемая α´´.

Изсказанного ясно, что температура аллотропического превращения – важный рубеж, взначительной мере определяющий максимальную рабочую температуру жаропрочногосплава. Следовательно, при разработке жаропрочных титановых сплавов предпочтительновыбирать такие легирующие компоненты, которые бы не снижали, а повышалитемпературу превращения.

Подавляющеебольшинство металлов образуют с титаном диаграммы состояния с эвтектоиднымпревращением. Поскольку температура эвтектоидного превращения может быть весьманизкой ( например, 550° С для системы Ti – Mn), а эвтектоидный распад β-твердогораствора всегда сопровождается нежелательным изменением механических свойств(охрупчивание), то эвтектоидообразующие элементы нельзя считать перспективнымилегирующими добавками для жаропрочных титановых сплавов. Однако в концентрациях,мало превышающих растворимость этих элементов в α-титане, атакже в совокупности с элементами, тормозящими развитие эвтектоидной реакции(молибден в случае хрома и др.), эвтектоидообразующие добавки могут входить всостав современных многокомпонентных жаропрочных титановых сплавов. Но и в этомслучае предпочтительнее элементы, имеющие с титаном наиболее высокиетемпературы эвтектоидного превращения. Например, в случае хрома эвтектоиднаяреакция протекает при температуре 607, а в случае вольфрама – при 715° С. Можносчитать, что сплавы, содержащие вольфрам, будут стабильнее и жаропрочнеесплавов с хромом.

Посколькудля титановых сплавов решающее значение имеет фазовое превращение в твердомсостоянии, в основу приводимой ниже классификации положено подразделение всехлегирующих элементов и примесей на три большие группы по их влиянию на температуруполиморфного превращения титана. Учитывается также характер образующихсятвердых растворов (внедрения или замещения), эвтектоидного превращения (мартенситныйили изотермический) и существование металлидных фаз.

Легирующиеэлементы могут повышать, или понижать температуру полиморфного превращениятитана  или же мало  влиять на нее.    

        Схема классификации легирующих элементов для титана.

Легирующие добавки и примеси

α-стабилизаторы

Нейтральные

элементы

β-стабилизаторы

Эл-ты

внедрения

Эл-ты

замещения

C            N

O

AL

Эл-ты

замещения

Zr         Sn

Hf         Ge

Эл-ты

замещения

Эл-ты

внедрения

Изоморфные β

V    Nb

Mo Ta

Эвтектоидный распад

β-фаза,

фиксируемая

закалкой

β-фаза, не фиксируемая

закалкой

     H

Si                Cu

Ag               Au

Эл-ты

внедрения

Эл-ты

внедрения

Эл-ты

внедрения

Эл-ты

внедрения

Эл-ты

внедрения

Эл-ты

внедрения

Эл-ты

внедрения

Эл-ты

внедрения

Повышениежаропрочности и ресурса деталей двигателей – одна из важнейших проблем, дляуспешного решения которой необходимо постоянное повышение жаропрочностисплавов, улучшение их качества и усовершенствовании технологии изготовлениядеталей.

Дляповышения ресурса необходимо знать величины длительной прочности, ползучести иусталости материалов для соответствующих рабочих температур и срока их службы.

Стечением времени, как известно, прочность деталей, работающих под нагрузкой приповышенных температурах, понижается, а следовательно, снижается и запас прочностидеталей. Чем выше температура эксплуатации деталей, тем быстрее уменьшается длительнаяпрочность, а следовательно, и запас прочности.

Увеличениересурса означает и увеличение числа запусков и остановок. Поэтому при выборематериалов необходимо знать их длительную прочность и усталость при циклическомнагружении.

Наресурс также сильно влияет технология изготовления деталей, например наличиеостаточных растягивающих напряжений может снижать усталостную прочность в 2 – 3раза.

Улучшениеметодов термической и механической обработки, позволяющее получать детали сминимальными остаточными напряжениями, является важным фактором в повышении ихресурса.

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

Прииспользовании методов поверхностного упрочнения  (наклеп), создающих вповерхностном слое напряжения сжатия и увеличивающих твердость, повышаются прочностьи долговечность деталей, особенно их усталостная прочность.

Титановыесплавы для деталей компрессоров начали применяться в отечественной практике с1957 г в небольшом количестве главным образом на ТРД военного назначения, гдетребовалось обеспечить надежную работу деталей с ресурсом 100 – 200 ч.

Запоследние годы увеличился объем применения титановых сплавов в компрессорахавиадвигателей гражданских самолетов длительного ресурса. При этом потребовалосьобеспечение надежной работы деталей в течение 2000 ч и более.

Увеличениересурса 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 однороднойструктуры;

В)применения упрочняющих режимов термической или термомеханической обработкидеталей;

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

Д)использования стабилизирующего отжига деталей;

Е)поверхностного упрочнения деталей;

Всвязи с увеличением ресурса деталей из титановых сплавов повышаются требованияк качеству полуфабрикатов, в частности к чистоте металла в отношении примесей.Одна из наиболее вредных примесей в титановых сплавах – кислород, так какповышенное содержание его может привести к охрупчиванию. Наиболее яркоотрицательное влияние кислорода проявляется при изучении термическойстабильности титановых сплавов: чем выше содержание кислорода в сплаве, тембыстрее и при более низкой температуре наблюдается охрупчивание.

Некотораяпотеря прочности за счет снижения вредных примесей в титане с успехомкомпенсируется повышением в сплавах содержания легирующих элементов.

Дополнительноелегирование сплава ВТ3-1 (в связи с повышением чистоты губчатого титана)позволило значительно повысить характеристики жаропрочности сплава послеизотермического отжига: предел длительной 100-ч прочности при 400° С повысился60·/> до 78·/> Па и предел ползучести с 30·/> до 50·/> Па, а при 450° С на 15 и65% соответственно. При этом обеспечено повышение термической стабильностисплава.

Внастоящее время при выплавке сплавов ВТ3-1, ВТ8, ВТ9, ВТ18 и др. применяетсятитановая губка марок ТГ-100, ТГ-105, в то время как ранее для этой целииспользовалась губка ТГ-155-170. В связи с этим содержание примесей значительноснизилось, а именно: кислорода в 2,5 раза, железа в 3 – 3,5 раза, кремния,углерода, азота в 2 раза. Можно предположить, что при дальнейшем повышениикачества губки твердость по Бринеллю ее в ближайшее время достигнет 80·/> – 90·/> Па.

Былоустановлено, что для повышения термической стабильности указанных сплавов прирабочих температурах и ресурсе 2000 ч и более содержание кислорода не должнопревышать 0,15% в сплаве ВТ3-1 и 0,12% — в сплавах ВТ8, ВТ9, ВТ18.

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

Установлено,что микроструктуры равноосного типа (I тип) и типа корзиночногоплетения (II тип)имеют неоспоримое преимущество перед структурой игольчатого типа (III тип) потермической стабильности и усталостной прочности.

Однакопо характеристикам жаропрочности микроструктура  I  типа уступает микроструктурам II  и III типа.

 Поэтомув зависимости от назначения полуфабриката оговаривается тот или иной типструктуры, обеспечивающий оптимальное сочетание всего комплекса свойств длятребуемого ресурса работы деталей.

Посколькудвухфазные (α+β)-титановые сплавы могут упрочняться термическойобработкой, имеется возможность дополнительно повысить их прочность.

Оптимальнымирежимами упрочняющей термической обработки с учетом ресурса 2000 ч являются:

длясплава ВТ3-1 закалка в воду с температуры 850 – 880° С и последующее старениепри 550° С в течение 5 ч с охлаждением на воздухе;

длясплава ВТ8 – закалка в воду с температуры 920° С и последующее старение при 550°С в течение 6 ч с охлаждением на воздухе;

длясплава ВТ9 закалка в воду с температуры 925° С и последующее старение при 570°С в течение 2 ч и охлаждение на воздухе.

Былипроведены исследования по влиянию упрочняющей термической обработки намеханические 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 стабильностьпосле выдержки до 2000 ч.

Эффектупрочнения от термической обработки при кратковременных испытаниях сплава ВТ3-1сохраняется до 500° С и составляет 25 – 30% по сравнению с изотермическимотжигом, а при 600° С предел прочности закаленного и состаренного материала равенпределу прочности отожженного материала.

Применениеупрочняющего режима термической обработки также повышает и пределы длительнойпрочности за 100 ч на 30% при 300° С, на 25% при 400° С и 15% при 450° С.

Сувеличением ресурса от 100 до 2000 ч длительная прочность при 300° С почти неизменяется 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 узакаленных и состаренных образцов выше, чем у отожженных. Наиболее резкоснижается длительная прочность при 450° С, и при испытании в течение 2000 чпреимуществ от термического упрочнения не остается.

Аналогичнаякартина наблюдается и при испытании сплава на ползучесть. После упрочняющейтермической 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.

Такжеповышается выносливость гладких образцов при 20 и 400° С на 15 – 20%. При этомпосле закалки и старения отмечена большая вибрационная чувствительность кнадрезу.

Последлительной выдержки ( до 30000 ч) при 400° С и испытания образцов при 20° Спластические свойства сплава в отожженном состоянии сохраняются на уровне исходногоматериала. У сплава, подвергнутого упрочняющей термической обработке, несколькоснижаются поперечное сужение и ударная вязкость, однако абсолютное значениепосле 30000-ч выдержки остаются достаточно высокими. С повышением температурывыдержки до 450° С снижается пластичность сплава в упрочненном состоянии после20000 ч выдержки, поперечное сужение падает с 25 до 15%. Образцы, выдержанные30000 ч при 400° С и испытанные при той же температуре, имеют более высокиезначения прочности по сравнению с исходным состоянием (до нагрева) присохранении пластичности .

Спомощью рентгеноструктурного фазового анализа и электронноструктурногомикроисследования установлено, что упрочнение при термической обработке двухфазных(α+β)-сплавов достигается за счет образования  при закалкеметастабильных β-, α´´- и α´-фази распада их при последующем старении с выделением дисперсных частиц α-и β- фаз.

Установленовесьма интересное явление существенного повышения длительной прочности  сплаваВТ3-1 после предварительной выдержки образцов при меньших нагрузках. Так, принапряжении 80·/> Па и температуре400° С образцы разрушаются уже при нагружении, а после предварительной 1500-чвыдержки при 400° С под напряжением 73·/> Паони выдерживают напряжение 80·/> Па втечении 2800 ч. Это создает предпосылки для разработки специального режиматермической обработки под напряжением для повышения длительной прочности.

Дляповышения жаропрочности и ресурса титановых сплавов применяется легирование.При этом очень важно знать при каких условиях и в каких количествах следуетдобавлять легирующие элементы.

Дляповышения ресурса сплава ВТ8 при 450 – 500° С, когда снимается эффект упрочненияот термической обработки, было использовано дополнительное легирование егоцирконием (1%).

Легированиесплава ВТ8 цирконием (1%), по данным позволяет значительно повысить его пределползучести, причем действие добавки циркония при 500 более эффективно, чем при450° С. С введением 1% циркония при 500° С предел ползучести сплава ВТ8 за 100ч 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.

Стабилизирующийотжиг широко применяется для лопаток турбин ГТД с целью снятия напряжений, возникающихна поверхности деталей при механической обработке. Этот отжиг проводят наготовых деталях при температурах, близких к эксплуатационным. Аналогичнаяобработка была опробована на титановых сплавах, применяемых для лопатоккомпрессора. Стабилизирующий отжиг проводили в воздушной атмосфере при 550° С втечении 2 ч и изучали его влияние на длительную и усталостную прочность сплавовВт3-1, ВТ8, ВТ9, и ВТ18. Было установлено, что стабилизирующий отжиг не влияетна свойства сплава ВТ3-1.

Выносливостьсплавов ВТ8 и ВТ9 после стабилизирующего отжига повышается на 7 – 15%;длительная прочность этих сплавов не изменяется. Стабилизирующий отжиг сплаваВТ18 позволяет повысить его жаропрочность на 7 – 10%, при этом выносливость неизменяется. То, что стабилизирующий отжиг не влияет на свойства сплава ВТ3-1,можно объяснить устойчивостью β-фазы вследствие применения изотермического отжига. Всплавах ВТ8 и ВТ9, подвергаемых двойному отжигу, из-за меньшей устойчивости β-фазыпроисходит достаривание сплавов (при стабилизирующем отжиге), что повышает прочность,а следовательно, и выносливость. Так как механическую обработку лопаток компрессоровиз титановых сплавов, на финишных операциях проводят вручную, на поверхностилопаток возникают напряжения, разные по знаку и величине. Поэтому рекомендуетсявсе лопатки подвергать стабилизирующему отжигу. Отжиг проводят при температурах530 – 600° С. Стабилизирующий отжиг обеспечивает повышение выносливости лопатокиз титановых сплавов не менее чем на 10 – 20 %.

1.  О. П. Солонина, С. Г. Глазунов.«Жаропрочные титановые сплавы». Москва «Металлургия» 1976 г.

2.  

www.ronl.ru

Реферат – Титановые сплавы. Особенности их плавки

1.1Титановые сплавы.В настоящее время титан - один из важнейших конструкционных металлических материалов. Для этого титану в течение 200 лет пришлось пройти путь от признания его непригодным в конструкционных целях до всеобщего поклонения как перед одним из самых перспективных и вечных металлов.Промышленный способ производства титана состоит в обогащении и хлорировании титановой руды с последующим восстановлением из четыреххлористого титана металлическим магнием. Полученная при этом титановая губка маркируется по твердости специально выплавленных из нее образцов. Полученный в результате последовательного дробления губки, прессования, спекания и переплавки брикетов технический титан маркируется в зависимости от содержания примесей.Механические свойства титана в большой степени зависят от содержания примесей, особенно Н, О, N и С, образующих с титаном твердые растворы внедрения и промежуточные фазы: гидриды, оксиды, нитриды и карбиды. Небольшое содержание кислорода, азота, углерода повышает твердость и прочность, но при этом значительно уменьшается пластичность, снижается коррозионная стойкость, ухудшается свариваемость, способность к пайке и штампуемость. Поэтому отличительными особенностями титана являются высокие механические свойства, небольшая плотность и поэтому высокая удельная прочность при 20—25 °С и криогенных температурах, хорошая коррозионная стойкость.Достоинством титановых сплавов по сравнению с титаном являются более высокие прочность и жаропрочность при достаточно хорошей пластичности, высокой коррозионной стойкости и малой плотности.По влиянию на полиморфизм титана все легирующие элементы подразделяются на три группы: а-стабилизаторы, в-стабилизаторы и нейтральные элементы.а-стабилизаторы (А1, О, N) повышают температуру полиморфного превращения, расширяя область твердых растворов на основе Tia. Практическое значение для легирования титана имеет только алюминий, так как остальные вызывают снижение пластичности и вязкости титановых сплавов. Алюминий уменьшает плотность и склонность к водородной хрупкости, повышает прочность, жаропрочность, модуль упругости титановых сплавов.Р-стабилизаторы снижают температуру полиморфного превращения титана, расширяя область твердых растворов на основе Tig. Они образуют с титаном диаграммы состояния двух типов.Изоморфные в-стабилизаторы Mo, V, Та, Nb, имеющие, как и Ti, кристаллическую решетку объемно-центрированного куба, неограниченно растворяются в Ti. Сг, Мп, Fe, Ni, W, Си и другие образуют с титаном диаграммы состояния с эвтектоидным распадом. В некоторых сплавах (Ti—Mn, Ti—Cr, Ti—Fe) при охлаждении в условиях, отличающихся от равновесных, эвтектоидного распада не происходит, а превращение идет по штриховой линии. Большинство в-стабилизаторов, особенно V, Мо, Мп, Сг, повышают прочность при 20—25 °С и отрицательных температурах, жаропрочность и термическую стабильность титановых сплавов, несколько снижая их пластичность.Нейтральные элементы (Sn, Zr, Hf) мало влияют на температуру полиморфного превращения. Наибольшее практическое значение имеют олово и цирконий. Олово упрочняет титановые сплавы без заметного снижения пластичности, повышает жаропрочность; цирконий увеличивает предел ползучести и длительную прочность.По технологии изготовления титановые сплавы подразделяются на деформируемые, литейные и порошковые, по механическим свойствам — на сплавы нормальной прочности, высокопрочные, жаропрочные, повышенной пластичности. По способности упрочняться с помощью термической обработки они делятся на упрочняемые и неупрочняемые термической обработкой; по структуре в отожженном состоянии они классифицируются на а-, псевдо-а, а + р, псевдо-р и р-сплавы.Сплавы с а-структурой. К этой группе сплавов относят и технический титан. Это сплавы нормальной прочности при 20—25 °С, обладающие высоким сопротивлением разрушению при повышенных (350—500 °С) и криогенных температурах. Сплавы имеют высокую термическую стабильность свойств и обладают отличной свариваемостью. Они свариваются аргонодуговой, всеми видами контактной и электронно-лучевой сварки. При этом прочность сварного шва составляет 90 % прочности основного сплава. Обрабатываемость резанием удовлетворительная.

refbox.org

Титановые сплавы - Реферат

Реферат - Экономика

Другие рефераты по предмету Экономика

Содержание

Содержание- 1 -

Титан и его модификации.- 2 -

Структуры титановых сплавов.- 2 -

Особенности титановых сплавов.- 3 -

Влияние примесей на титановые сплавы.- 4 -

Основные диаграммы состояния.- 5 -

Пути повышения жаропрочности и ресурса.- 7 -

Повышение чистоты сплавов.- 8 -

Получение оптимальной микроструктуры.- 8 -

Повышение прочностных свойств термической обработкой.- 8 -

Выбор рационального легирования.- 10 -

Стабилизирующий отжиг.- 10 -

Используемая литература.- 12 -

Титан и его модификации.

Титан является переходным металлом и имеет недостроенную d-оболочку. Он находится в четвертой группе Периодической таблицы Менделеева, имеет атомный номер 22, атомную массу 47,90 (изотопы: 46 - 7,95%; 48 - 73,45%; 49 - 5,50% и 50 - 5,35%). Титан имеет две аллотропические модификации: низкотемпературную ?-модификацию, имеющую гексагональную атомную ячейку с периодами а=2,95030,0003 ? и с=4,68300,0005 ? и соотношением с/а=1,58730,0007 ? и высокотемпературную ? - модификацию с объемно центрированной кубической ячейкой и периодом а=3,2830,003 ?. Температура плавления титана, полученного методом иодидного рафинирования, равна 16655С.

Структуры титановых сплавов.

Титан подобно железу является полиморфным металлом и имеет фазовое превращение при температуре 882С. Ниже этой температуры устойчива гексагональная плотноупакованная кристаллическая решетка ?-титана, а выше объемно центрированная кубическая (о. ц. к.) решетка ?-титана.

Титан упрочняется легированием ?- и ?-стабилизирующими элементами, а также термической обработкой двухфазных (?+?)-сплавов. К элементам, стабилизирующим ?-фазу титана, относятся алюминий, в меньшей степени олово и цирконий. ?-стабилизаторы упрочняют титан, образуя твердый раствор с ?-модификацией титана.

За последние годы было установлено, что, кроме алюминия, существуют и другие металлы, стабилизирующие ?-модификацию титана, которые могут представлять интерес в качестве легирующих добавок к промышленным титановым сплавам. К таким металлам относятся галлий, индий, сурьма, висмут. Особый интерес представляет галлий для жаропрочных титановых сплавов благодаря высокой растворимости в ? - титане. Как известно повышение жаропрочности сплавов системы Ti Al ограничено пределом 7 8% вследствие образования хрупкой фазы. Добавкой галлия можно дополнительно повысить жаропрочность предельнолегированных алюминием сплавов без образования ?2-фазы.

Алюминий практически применяется почти во всех промышленных сплавах, 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.

Цирконий положительно влияет на свойства сплавов при повышенных температурах, образует с титаном непрерывный ряд твердых растворов на основе ? титана и не участвует в упорядочении твердого раствора.

Олово, особенно в сочетании с алюминием и цирконием, повышает жаропрочные свойства сплавов, но в отличие от циркония образует в сплаве упорядоченную фазу .

Преимущество титановых сплавов с ?-структурой в высокой термической стабильности, хорошей свариваемости и высоком сопротивлении окислению. Однако сплавы типа ? чувствительны к водородной хрупкости ( вследствие малой растворимости водорода в ?-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 сплавов типа ? в качестве легирующих элементов наряду с ?-стабилизаторами применяются элементы, стабилизирующие ?-фазу.

Элементы из группы ?-стабилизаторов упрочняют титан, образуя ?- и ?-твердые растворы.

В зависимости от содержания указанных элементов можно получить сплавы с ?+?- и ?-структурой.

Таким образом, по структуре титановые сплавы условно делятся на три группы: сплавы с ?-, (?+?)- и ?-структурой.

В структуре каждой группы могут присутствовать интерметаллидные фазы.

Преимущество двухфазных (?+?)-сплавов способность упрочняться термической обработкой (закалкой и старением), что позволяет получить существенный выигрыш в прочности и жаропрочности.

Особенности титановых сплавов.

Одним из важных преимуществ титановых сплавов перед алюминиевыми и магниевыми сплавами является жаропрочность, которая в условиях практического применения с избытком компенсирует разницу в плотности (магний 1,8, алюминий 2,7, титан 4,5). Превосходство титановых сплавов над алюминиевыми и магниевыми сплавами особенно резко проявляется при температурах выше 300С. Так как при повышении температуры прочность алюминиевых и магниевых сплавов сильно уменьшается, а прочность титановых сплавов остается высокой.

Титановые сплавы по удельной прочности (прочности, отнесенной к плотности) превосходят большинство нержавеющих и теплостойких сталей при температурах до 400С 500С. Если учесть к тому же, что в большинстве случаев в реальных конструкциях не удается полностью использовать прочность сталей из-за необходимости сохранения жесткости или определенной аэродинамической

geum.ru

Титановые сплавы — реферат

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

МИНИСТЕРСТВО  СЕЛЬСКОГО  ХОЗЯЙСТВА

ФГБОУ ВПО

«ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  АГРАРНЫЙ АНИВЕРСИТЕТ»

                                            кафедра химии

                                                Реферат

                                             на тему:

                «Титановые сплавы»

                                                                                                                   Выполнил:Филин

Алексей

Николаевич

АИБ 113-5

                                                                                                                Проверил:

                                                                                                                доцент 

Ермакова Н. В.

                                   Орёл 2011 год

Титан является переходным металлом и имеет недостроенную d-оболочку. Он находится в четвертой  группе Периодической таблицы Менделеева, имеет атомный номер 22, атомную  массу 47,90 (изотопы: 46 - 7,95%; 48 - 73,45%; 49 - 5,50% и 50 - 5,35%). Титан имеет две аллотропические  модификации: низкотемпературную б-модификацию, имеющую гексагональную атомную  ячейку с периодами а=2,9503±0,0003 ? и с=4,6830±0,0005 ? и соотношением с/а=1,5873±0,0007 ? и высокотемпературную в - модификацию с объемно центрированной кубической ячейкой и периодом а=3,283±0,003 ?. Температура плавления титана, полученного методом иодидного рафинирования, равна 1665±5°С.

Структуры титановых  сплавов

Титан подобно железу является полиморфным металлом и имеет фазовое превращение при температуре 882°С. Ниже этой температуры устойчива гексагональная плотноупакованная кристаллическая решетка б-титана, а выше - объемно центрированная кубическая (о. ц. к.) решетка в-титана.

Титан упрочняется легированием б- и в-стабилизирующими элементами, а также термической обработкой двухфазных (б+в)-сплавов. К элементам, стабилизирующим б-фазу титана, относятся алюминий, в меньшей степени олово и цирконий. б-стабилизаторы упрочняют титан, образуя твердый раствор с б-модификацией титана.

За последние годы было установлено, что, кроме алюминия, существуют и другие металлы, стабилизирующие  б-модификацию титана, которые могут  представлять интерес в качестве легирующих добавок к промышленным титановым сплавам. К таким металлам относятся галлий, индий, сурьма, висмут. Особый интерес представляет галлий для жаропрочных титановых сплавов благодаря высокой растворимости в б - титане. Как известно повышение жаропрочности сплавов системы Ti - Al ограничено пределом 7 - 8% вследствие образования хрупкой фазы. Добавкой галлия можно дополнительно повысить жаропрочность предельно легированных алюминием сплавов без образования б2-фазы.

Алюминий практически применяется почти во всех промышленных сплавах, 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.

Цирконий положительно влияет на свойства сплавов при повышенных температурах, образует с титаном непрерывный ряд твердых растворов на основе б - титана и не участвует в упорядочении твердого раствора.

Олово, особенно в сочетании с алюминием и цирконием, повышает жаропрочные свойства сплавов, но в отличие от циркония образует в сплаве упорядоченную фазу .

Преимущество титановых  сплавов с б-структурой - в высокой  термической стабильности, хорошей  свариваемости и высоком сопротивлении  окислению. Однако сплавы типа б чувствительны  к водородной хрупкости ( вследствие малой растворимости водорода в б-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 сплавов  типа б в качестве легирующих элементов  наряду с б-стабилизаторами применяются  элементы, стабилизирующие в-фазу.

Элементы из группы в-стабилизаторов упрочняют титан, образуя б- и в-твердые растворы.

В зависимости от содержания указанных элементов можно получить сплавы с б+в- и в-структурой.

Таким образом, по структуре  титановые сплавы условно делятся  на три группы: сплавы с б-, (б+в)- и в-структурой.

В структуре каждой группы могут присутствовать интерметаллидные фазы.

Преимущество двухфазных (б+в)-сплавов - способность упрочняться термической обработкой (закалкой и старением), что позволяет получить существенный выигрыш в прочности и жаропрочности.

1.  Методы    получение титановых сплавов:

Все методы получения металлического титана основаны на использовании рутила в качестве основного продукта сырья. В настоящее время известны следующие, главные методы получения титана:

1. Магниетермический метод, заключающийся в хлорировании ТiO2, получении TiCl4 и восстановлении его магнием. Для получения губки титана с малым содержанием кислорода и азота и некоторых других вредных примесей TiCl4 перед восстановлением подвергается тщательной очистке путем многократной фракционной перегонки с одновременной химической очисткой. Восстановление ТiCl4 производится в специальных реакторах в атмосфере аргона при температуре 700—950°. Губка титана затем очищается от MgCl2 и Mg методом вакуумной дисцилляции или путем выщелачивания. Второй способ значительно дешевле, но приводит к насыщению губки титана водородом до 0,05%. Водород удаляется при последующей плавке губки в вакууме. Вместо магния в качестве восстановителя применяется также и натрий. Это позволяет получать титан в виде порошка и облегчает производство гомогенных сплавов титана.

2. Гидридно-кальциевый метод, основанный на получении гидрида титана и последующем разложении его на Ti и Н2 путем нагрева в высоком вакууме. Образующийся СаО отмывается разбавленными кислотами.

3. Электролизный метод, заключающийся в разложении электрическим током ТiO2 или ТiСl4, (растворенных в расплавленных солях хлоридов и фторидов щелочных и щелочно-земельных металлов, при 700—800° в атмосфере инертных газов.

4. Иодидный метод, основанный на термической диссоциации иодида титана TiJ4, который предварительно получают путем реакции металлического титана низкой чистоты с парами иода.

Первые три метода применяются  для производства технического титана, а иодидный для получения титана высокой чистоты, практически свободного от газов и содержащего весьма малое количество других примесей. Основные способы производства технического титана заключаются в использовании магние- или натрие-термического методов.

В 1956 г. в США было произведено 15 тыс. т титановой губки и около 8 тыс. т заготовок, в то время как  в 1953 г. выпуск составлял 2 тыс. т. В 1957 г. намечалось получить 30 тыс. т губки. В СССР производство титана резко  возрастает с каждым годом.

Для заготовок компактного  титана применяют метод иодидного осаждения чистого титана, порошковой металлургии, горячего прессования или прокатки, выплавки в индукционных и дуговых печах. Основным методом в настоящее время является метод однократной выплавки или двойной переплавки в дуговых печах в медной охлаждаемой изложнице плавящимся прессованным титановым электродом под вакуумом или в атмосфере инертных газов. Этот метод позволяет получать слитки металла диаметром до 500 мм и весом до 2,7 т. При двойной переплавке существенно снижается содержание водорода и повышается химическая однородность сплавов. Перспективным является также способ порошковой металлургии, который при производстве проката и изделий сложной конфигурации может оказаться наиболее экономичным и производительным. Этот метод включает прессование, спекание, ковку или прокатку.

Титан и его а + в-сплавы подвергаются ковке при температурах 850—1000°, а а-сплавы при 1100—1150°. Для нагрева применяют муфельные газовые или электрические печи с нейтральной или слегка восстановительной сухой атмосферой для предотвращения водородной хрупкости. Нагрев под ковку желательно производить в две стадии: медленный нагрев до 700° и затем быстрый до температуры ковки. Ковку титана заканчивают при температурах не ниже 780—790°.

Из-за высокой чувствительности титана к надрывам ковку желательно вести постепенно при малых степенях деформации. После ковки рекомендуется  производить отжиг при температуре 600—650° в течение 1 часа с последующим  охлаждением на воздухе.

В настоящее время производится листовой прокат толщиной от 0,3 мм и  выше. В последнее время начался  выпуск титановой фольги толщиной до 0,013 мм методом холодной прокатки с  последующим отжигом в вакуумных  печах. Начинает также широко внедряться горячее прессование различных  титановых профилей. Прессование  титана рекомендуется вести при  более низких температурах и с  более высоким удельным давлением, чем сталь, из-за опасности загрязнения  титана газами. Титан и некоторые  его сплавы можно подвергать также  холодной прокатке со ступенчатым обжатием до 50%, горячей и холодной штамповке, гибке, растяжке, высадке и т. д.

Механическую обработку  титана и его сплавов по трудности  можно сравнить с обработкой нержавеющих  хромоникелевых сталей. Применение кислородной  резки ограничено из-за сильного окисления  кромок, что исключает возможность  сварки без последующей механической обработки.

Наряду с механической обработкой одним из перспективных  методов резки и подготовки кромок под сварку является дуговая резка  в защитных газах. При производстве полуфабрикатов (проката, профилей и  т. д.) и изделий из титана и его  сплавов необходимо производить  очистку поверхности от пленки окислов  и пораженного газами поверхностного слоя, резко снижающего способность  титана к деформации, особенно при  изгибе. Окислы удаляют механическим путем или травлением в расплавленных  солях и некоторых растворах  кислот.

Механическая очистка (проволочными щетками, дробеструйная, пескоструйная  и наждачным кругом) применима  для поковок, отливок и листов большой толщины.

В 1956 г. на отечественный  листовой технический титан ВТ1 разработаны технические условия ЦМТУ-4754-56. Сортамент технических условий предусматривает поставку листов толщиной от 0,6 до 6,0 мм и размерами от 600 X 1500 до 1000—2000 мм. Слитки, предназначенные для прокатки на лист, выплавляют в дуговой печи методом двойной переплавки. Листы поставляются, мягкими и в протравленном состоянии. Отжиг листов производят при 500—550°. Допускается холодная правка листов после их последнего отжига и травления. На поверхности листов не допускаются трещины и инородные включения, видимые невооруженным глазом. Листы должны быть ровно обрезаны по кромкам и не должны иметь грубых заусенцев. Листовой титан поставляется двух сортов: ВТ1-1 и ВТ1-2. Угол загиба листов толщиной от 0,6 до 1,5 мм и более для ВТ1-1 должен составлять, не менее 130—80° и для ВТ1-2— 120—70°.

При приемке листов обязательно  производят наружный осмотр и обмер  каждого листа. Механическим испытаниям на растяжение и загиб подвергают каждый лист, из которого вырезают одному образцу поперек прокатки. Для  проверки химического состава отбирают пробу от одного листа из группы листов одной плавки (слитка). На поверхность  каждого листа наносят марку  сплава толщину листа, номер плавки, номер листа и номер партии, клеймо ОТК завода-изготовителя и  номер браковщика. Каждая партия листов имеет сертификат.

2.Особенности  и свойства титановых сплавов

Одним из важных преимуществ  титановых сплавов перед алюминиевыми и магниевыми сплавами является жаропрочность, которая в условиях практического  применения с избытком компенсирует разницу в плотности (магний 1,8, алюминий 2,7, титан 4,5). Превосходство титановых  сплавов над алюминиевыми и магниевыми сплавами особенно резко проявляется  при температурах выше 300°С. Так как при повышении температуры прочность алюминиевых и магниевых сплавов сильно уменьшается, а прочность титановых сплавов остается высокой.

Титановые сплавы по удельной прочности (прочности, отнесенной к  плотности) превосходят большинство  нержавеющих и теплостойких сталей при температурах до 400°С - 500°С. Если учесть к тому же, что в большинстве случаев в реальных конструкциях не удается полностью использовать прочность сталей из-за необходимости сохранения жесткости или определенной аэродинамической формы изделия (например, профиль лопатки компрессора), то окажется, что при замене стальных деталей титановыми можно получить значительную экономию в массе.

Еще сравнительно недавно  основным критерием при разработке жаропрочных сплавов была величина кратковременной и длительной прочности  при определенной температуре. В  настоящее время можно сформулировать целый комплекс требований к жаропрочным  титановым сплавам, по крайней мере, для деталей авиационных двигателей.

В зависимости от условий  работы обращается внимание на то или  иное определяющее свойство, величина которого должна быть максимальной, однако сплав должен обеспечивать необходимый  минимум и других свойств, как  указано ниже.

1. Высокая кратковременная  и длительная прочность во  всем интервале рабочих температур. Минимальные требования: предел  прочности при комнатной температуре  100· Па; кратковременная и 100-ч  прочность при 400° С - 75· Па. Максимальные требования: предел прочности при комнатной температуре 120· Па, 100-ч прочность при 500° С - 65· Па.

2. Удовлетворительные пластические  свойства при комнатной температуре:  относительное удлинение 10%, поперечное  сужение 30%, ударная вязкость 3·  Па·м. Эти требования могут быть  для некоторых деталей и ниже, например для лопаток направляющих аппаратов, корпусов подшипников и деталей, не подверженных динамическим нагрузкам.

3. Термическая стабильность. Сплав должен сохранять свои  пластические свойства после  длительного воздействия высоких  температур и напряжений. Минимальные  требования: сплав не должен охрупчиваться после 100-ч нагрева при любой температуре в интервале 20 - 500°С. Максимальные требования: сплав не должен охрупчиваться после воздействия температур и напряжений в условиях, заданных конструктором, в течение времени, соответствующего максимальному заданному ресурсу работы двигателя.

referat911.ru

Смотрите также

• 
  Реферат осип мандельштам
• 
  Осип мандельштам реферат
• 
  Реферат философия спинозы
• 
  Реферат массаж лица
• 
  Жан кальвин реферат
• 
  Иероним босх реферат
• 
  Босх иероним реферат
• 
  Бунин иван реферат
• 
  Реферат физическая рекреация
• 
  Философия спинозы реферат
• 
  Самоопределение личности реферат