Изучение микроструктуры сплавов на основе титана

Цель работы: изучить основные свойства и микроструктуру технического титана и титановых сплавов различных структурных групп; ознакомиться с особенностями термической обработки спла­вов титана иих применением в различных областях машиностро­ения.

Теоретические сведения

Титан является очень ценным конструкционным материалом для авиационной и космической техники. Он почти вдвое легче железа (γ =4500 кг/м³), имеет высокую температуру плавления (1668°С), обладает высокой удельной прочностью и коррозионной стойкостью во многих агрессивных средах. В отличие от многих металлов (алюминия, магния, меди, железа и др.) даже технически чистый титан может применяться для изготовления конструкций, работающих как при повышенных температурах до 400^о С, так и в условиях глубокого холода, например при температурах жидкого гелия (-253°С). Для повышения прочностных свойств титан легируют алюминием, хромом, марганцем, ванадием, цирконием, молибденом, ниобием, железом, кремнием, оловом.

При нагревании титана выше 500-550^о С он активно поглощает в больших количествах водород, кислород, азот и другие газы, образуя твердые растворы внедрения, а также гидриды, оксиды, нитриды и другие соединения. Они придают титану твердость и хрупкость, что является существенным недостатком для конструкционного материала. С другой стороны, способность титана поглощать газы используется в производстве электронно-вакуумных изделий (кинескопы, лампы и др.), где он используется как геттер.

Титан имеет две аллотропических формы: при температуре ниже 882°С существует α -титан с гексагональной плотноупакованной решеткой, а выше 882 С существует β -титан с объемно-центрированной кубической решеткой. Легирующие элементы способны снижать или повышать температуру полиморфного превращения. Так, например, алюминий повышает температуру превращения (рис. 12. 1), стабилизируя α-фазу, а марганец (рис. 12. 2) и молибден (рис. 12. 3) снижают температуру превращения, стабилизируя β - фазу. Стабилизаторами β-фазы являются также хром, железо, никель, медь, вольфрам, кремний, образующие диаграммы, подобные диаграмме «титан-марганец» и ванадий, тантал, ниобий, образующие диаграммы, подобные диаграмме «титан – молибден» Такие легирующие добавки, как цирконий, олово, гафний, торий практически не изменяют температуру полиморфного превращения и являются нейтральными.

 

 

Рис. 12.1 Диаграмма состояния сплавов «титан - алюминий»

 

Рис. 12.2. Диаграмма состояния сплавов «титан - марганец»

 

 

Рис. 12. 3. Диаграмма состояния сплавов«титан – «молибден»

 

Структура технически чистого титана марки ВТ1-0 в отожженном состоянии состоит из равноосных зерен (см. образец и альбом микроструктур), а после нагрева до 920°С и охлаждения в воде приобретает игольчатую структуру мартенсита. Для нелегированного титана свойства мартенсита почти не отличаются от свойств зернистой структуры.

В зависимости от типа и количества легирующих элементов, содержащихся в титановых сплавах, их подразделяют: по структуре в отожженном состоянии - на α, (α + β) и β -сплавы; по способности упрочняться при термообработке - на упрочняемые и не упрочняемые; по механическим свойствам - на сплавы повышенной пластичности, нормальной прочности, высокопрочные и жаропрочные; по технологии изготовления деталей - на деформируемые и литейные.

Практически все титановые сплавы содержат в своем составе алюминий, который не только делает их более легкими, но также более прочными, жесткими, менее склонными к водородной хрупкости. Сплавы титана, содержащие только алюминий (ОТ4, ВТ5) или алюминий с небольшими добавками β - стабилизаторов и нейтральных упрочнителей (ВТ4, ВТ18, ВТ20), относятся к группе α-сплавов, т.к. после отжига имеют структуру твердого раствора замещения легирующих элементов в α-титане. Эти сплавы высокопластичны в горячем состоянии, хорошо куются, прокатываются, штампуются, свариваются. Они термически не упрочняются, поэтому подвергаются только рекристаллизационному отжигу для снятия наклепа. Сплавы этой группы обладают наиболее высокой жаропрочностью, они могут длительно работать при температуре 700°С.

Наибольшее применение в машиностроении имеют α+β сплавы, в равновесной структуре которых количество β-фазы может колебаться в широких пределах от 5 до 50%, в зависимости от содержания β - стабилизаторов. Они обладают хорошим сочетанием технологических и механических свойств, упрочняются при термической обработке: закалка + старение. В отожженном, закаленном состояниях эти сплавы имеют хорошую пластичность, а после старения - высокую прочность, причем чем больше в структуре β - фазы, тем сплав прочнее в отожженном состоянии и сильнее упрочняется при старении.

Однофазные β - сплавы промышленного применения не имеют, т.к. должны содержать большое количество дорогих дефицитных легирующих элементов β-стабилизаторов, например ванадия, молибдена, ниобия, тантала (рис. 12. 3).

Химический состав и механические свойства основных титановых сплавов приведены в табл. 12.1.

Применение титановых сплавов очень эффективно в сверхзвуковой авиации, ракетной и космической технике, где требуется высокая удельная прочность и жаропрочность при температурах 300- 600°С. При этих температурах алюминиевые, магниевые сплавы уже неэффективны или не могут работать вовсе, а стали и никелевые сплавы тяжелы.

Из титановых сплавов изготавливают диски и лопатки компрессоров реактивных авиационных двигателей, корпуса двигателей второй и третьей ступеней ракет. Благодаря высокой коррозионной стойкости титановые сплавы применяют для изготовления гребных винтов и корпусов морских судов, насосов для перекачки кислот, ответственных деталей и узлов, работающих в контакте с пищевыми продуктами. Они хорошо сочетаются с живыми тканями человека, поэтому используются для изготовления искусственных суставов и различных приспособлений, вживляемых в организм. Титановые сплавы применяют в холодильной и криогенной технике.

Таблица 12. 1

Марка сплава	Содержание легирующих элементов, %	Механические свойства	Структура сплава
σв, МПа	σ0,2, МПа	δ, %
Al	V	Мo	Другие
ВТ1-0				Сумма примесей 0,6%				α-титан
ВТ5	4-6							α-сплав
ВТ5-1	4-6	—	—	2-3 Sn				α-сплав
ОТ4	4-5	—	—	1-2 Мn				α -сплав
ВТ6С	6.5	5.0	—	—				α+β-сплав
ВТ14	6.3	1.2	3.5	—				α+β-сплав
ВТ16	3.5	5.0	5.5	—				α+β-сплав
ВТ22	5.0	5.5	5.5	1. 0 Cr 1.0-Fе				α+β - сплав

 

Порядок выполнения работы и содержание отчета

 

 

1. Изучить и законспектировать основные сведения о титане и его сплавах.

2. Изучить и зарисовать микроструктуры следующих сплавов»:

технический титан ВТ1-0 в отожженном состоянии;

технический титан ВТ1-0 в закаленном состоянии;

α- сплав ВТ5 в отожженном состоянии;

α+β- сплав ВТ14 в отожженном состоянии;

сплав ВТ14 в закаленном и состаренном состоянии.

3. Составить отчет о работе.

Содержание отчета

1. Наименование и цель работы.

2. Основные сведения о титане и его сплавах.

3. Микроструктуры изученных сплавов с указанием фаз и структурных составляющих.

Контрольные вопросы

1. Какие свойства характеризуют титан как конструкционный материал?

2. Как влияют легирующие элементы на аллотропические формы титана?

3. По каким признакам и как классифицируются сплавы титана?

4. Каким видам термообработки подвергают сплавы титана?

5. Как происходит термическое упрочнение титановых сплавов?

6. Чем отличается мартенсит стали от мартенсита титана?

7. Где применяют сплавы титана?

Лабораторная работа №13