|
|
|
|
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=2,9503+0,0003 ? и с=4,6830+0,0005 ? и соотношением с/а=1,5873+0,0007 ? и высокотемпературную ? - 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 ?-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 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