Титановые сплавы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Общие сведения

Деформируемые титановые сплавы

Деформируемые титановые сплавы

Деформируемые ?-титановые сплавы

Деформируемые псевдо-?-титановые сплавы

Сплавы (? + в)

Физические и механические свойства

Термомеханическая обработка

Химико-термическая обработка

Фазовые превращения в титане и его сплавах

Область применения титановых сплавов ВТ 16 и ВТ 23

Научно-экспертное исследование с использованием неразрушающих методов контроля

Дефекты термически обработанных изделий и полуфабрикатов

Неразрушающий контроль качества методами дефектоскопии

Литература

Приложение

Общие сведения

титан механический термический дефектоскопия

Открытый в 1789 г. Клапротом титан долгое время не находил практического применения из-за его хрупкости. Полученный в 1925 г. Ван Аркелем и де Буром иодидным методом чистейший титан оказался пластичным и технологичным металлом со многими ценными свойствами, которые привлекли к нему внимание широкого круга конструкторов и инженеров. В 1940 г. Кролль предложил магниетермический способ извлечения титана из руд, который является основным и в настоящее время.

Первая промышленная партия массой 2 т была получена в 1948 г., и этот год считается началом практического применения титана. Мировое производство (без СССР) составило 2100 т в 1953 г., 22000 т в 1966 г., 55000 т в 1981 г. и примерно 44000 т в 1988 г., 66000 т в 1996 г., 42000 т в 2002 г. Производство титана в нашей стране началось в 1950 г. и нарастало довольно быстро. В 1960-1990 гг. в СССР было создано крупнейшее в мире производство титана . В конце 80-х годов объем промышленного производства в СССР превышал объем его производства во всех остальных странах мира, вместе взятых. С1990 г. производство титана в нашей стране начало сокращаться и в 1993 г. общий выпуск титановой губки составил немногим более 30% выпуска 1989 г. В последующие годы производство титана в России сократилось в еще большей степени из-за уменьшения выпуска, главным образом, авиационной техники. Следует отметить, что в этот период происходило существенное снижение объема производства слитков и проката в США и Японии, хотя и не столь сильное, как у нас. Вместе с тем нет сомнений в том, что этот спад производства носит временный характер, поскольку титан и его сплавы по многим показателям превосходят другие материалы.

Титан обладает малой плотностью, большой удельной прочностью, необычайно высокой коррозионной стойкостью, значительной прочностью при повышенных температурах. Титан -- ценный материал в тех отраслях техники, где выигрыш в массе играет доминирующую роль, в частности, в ракетостроении и авиации. Применение титановых сплавов в авиационной и ракетной технике наиболее целесообразно в интервале температур 250...600 °С, когда легкие алюминиевые и магниевые сплавы уже не могут работать, а стали и никелевые сплавы уступают им по удельной прочности. Благодаря высокой коррозионной стойкости во многих химически активных средах титан имеет большие перспективы применения в химической промышленности и на предприятиях первичной металлургии.

Важное значение имеет также большая распространенность титана в природе. В земной коре содержится около 0,60% титана. Среди конструкционных металлов титан по распространенности занимает четвертое место, уступая лишь алюминию, железу и магнию.

К недостаткам титана следует отнести:

высокую стоимость производства;

активное взаимодействие титана при высоких температурах, особенно в жидком состоянии, со всеми газами атмосферы;

трудности вовлечения в производство титановых отходов;

невысокие антифрикционные свойства, обусловленные налипанием титана на многие материалы;

высокую склонность титана и многих его сплавов к водородной хрупкости и солевой коррозии;

плохую обрабатываемость титана резанием, аналогичную обрабатываемости нержавеющих сталей аустенитного класса.

Между стружкой титана и инструментом имеется очень небольшая контактная поверхность, в результате чего в зоне резания возникают высокие удельные давления и температуры. К тому же титан обладает очень низкой теплопроводностью, что затрудняет отвод тепла из зоны резания. В результате титан легко налипает на инструмент и быстро изнашивает его.

При сварке титана возникают трудности, обусловленные его большой химической активностью, склонностью к росту зерна при высокой температуре и фазовыми превращениями при сварочном цикле. При сварке необходимо защищать от взаимодействия с газами не только расплавленный металл шва, но и все сильно нагретые части. Несмотря на эти трудности, в настоящее время успешно применяют дуговую сварку в атмосфере аргона, электроннолучевую сварку и контактные методы сварки.

Титановые сплавы

Использующаяся в настоящее время классификация, предложенная С.Г. Глазуновым, основана на структуре титановых сплавов, которая формируется по принятым в промышленности режимам термической обработки (прил.табл. 1).

Выделяют также сплавы переходного класса: по структуре они занимают промежуточное положение между (б + в)- и псевдо-в-сплавами.

По структуре в закаленном состоянии титановые сплавы делят на следующие классы:

1) сплавы мартенситного класса;

2) сплавы переходного класса;

3) в-сплавы.

Различают также термически не упрочняемые и термически упрочняемые, а также деформируемые, литейные и порошковые (гранулированные) сплавы.

По назначению титановые сплавы делят:

? на конструкционные общего назначения;

? жаропрочные;

? коррозионно-стойкие;

? криогенного назначения;

? сплавы морского применения.

В зависимости от формы структурных составляющих, все наблюдаемые разновидности структур в титановых сплавах можно отнести к одному из четырех типов: так называемая превращенная в-структура, которая получается при малых скоростях охлаждения из в-области; в структуре присутствует бывшее в-зерно, в котором расположены б-колонии (прил.рис. 2, а); смешанная, или дуплексная, структура, которая получается при нагреве в (б + в)-области и последующем медленном охлаждении; структура состоит из первичной б-фазы и в -превращенной матрицы (прил.рис. 2, б); равноосная, или глобулярная, структура, которая формируется при деформации в (б + в)-области с последующим рекристаллизационным отжигом при температурах ниже в-области (прил.рис 2, в); так называемая структура корзиночного плетения, которая образуется при деформации вблизи температуры Ас3 или при комбинированной деформации, когда она начинается в в-, а заканчивается в (б + в)-области (прил.рис. 2, г).

Деформируемые титановые сплавы

Деформированные титановые сплавы делят на б-сплавы, псевдо-б-сплавы, (б + в)-сплавы, сплавы переходного класса, псевдо-в-сплавы, в-сплавы.

Химический состав деформируемых титановых сплавов приведен в табл.2.1., а механические свойства - в табл. 2.2.

Деформируемые ?-титановые сплавы

Применяемые в настоящее время промышленные б-титановые сплавы можно разбить на четыре группы.

К первой группе относятся двойные сплавы системы Тi-А1. Из сплавов этой группы в промышленном масштабе применяется лишь один сплав ВТ5, содержащий, помимо титана, 5 % алюминия. Он отличается более высокими прочностными свойствами по сравнению с титаном, но его технологичность невелика. Сплав деформируется только в горячем состоянии. В настоящее время он применяется только для фасонного литья, в этом случае его маркируют как ВТ5Л. Сплав ВТ5-1 (вторая группа) считают наилучшим для применения при криогенных температурах и рекомендуют для изготовления деталей, работающих до температуры жидкого водорода.

Для работы при криогенных температурах содержание примесей внедрения в этом сплаве должно быть сведено к минимуму, так как они вызывают хладноломкость. Состав сплава с пониженным содержанием примесей внедрения обозначают ВТ5-1кт.

Сплав ПТ-7М, легированный в среднем 2,25 % А1 и 2,5 % Zr, предназначен в основном для производства труб.

К третьей группе относят сплавы АТ2, АТ2-2, АТ2-3. При понижении температуры до жидкого азота эти сплавы сохраняют б-фазу и высокую пластичность.

Четвертую группу составляют дисперсионно твердеющие б-сплавы.

К этой группе относится английский сплав Тi + 2,5 % Сu, в котором снижение меди соответствует ее предельной растворимости в б-Тi. Сплав сваривают.

Деформируемые псевдо-?-сплавы

Псевдо-б-сплавы в зависимости от вида легирующих элементов, можно разделить на четыре группы.

К первой группе относятся сплавы, в которые помимо алюминия введены эвтектоидообразующие в-стабилизаторы в количествах, близких к их предельной растворимости. Структура этих сплавов при комнатной температуре представлена б-фазой и небольшим количеством (1-5 %) в- фазы. Эту группу представляют сплавы системы Тi-А1-Mn (ОТ4-0; ОТ4-1; ОТ4), образующие своеобразную цепочку составов. При близком оптимальном содержании марганца в этих сплавах меняется концентрация алюминия, что позволяет получить большой диапазон свойств. Вместе с тем такая цепочка облегчает шихтовку сплавов и использование отходов.

Высокое сочетание механических свойств характерно для комплекснолегированных сплавов пятикомпонентной системы Тi-А1-Сr-Fе-Si (сплавы серии АТ). Эти сплавы также образуют цепочку составов; при постоянной концентрации суммы элементов Сr, Fе, Si (примерно 1,5 %) они имеют переменное содержание алюминия. Сплав АТЗ содержит 3 %, АТ4 - 4 %, АТ6 - 6 % А1. В сплавах этой серии нет дефицитных легирующих элементов. Сплавы серии АТ обладают достаточно высоким временным сопротивлением разрыву при удовлетворительной пластичности; они более жаропрочны, чем сплавы системы Тi-А1-Мn, но менее технологичны.

Вторую группу составляют сплавы, легированные алюминием и небольшими добавками изоморфных в-стабилизаторов, в частности ПТЗВ и сплавы серии ОТ4В (ОТ4-1В; ОТ4В), отличающиеся от сплавов типа ОТ4 заменой марганца на ванадий. Содержание ванадия в сплавах серии ОТ4В выбрано большим, чем марганца в ОТ4, потому что первый элемент оказывает менее интенсивное в-стабилизирующее действие, чем второй. Сплавы системы Тi-А1-V отличаются от сплавов Тi-А1-Mn меньшей склонностью к водородной хрупкости и вместе с тем обладают такой же высокой технологичностью при обработке давлением, как и сплавы серии ОТ4.

К третьей группе можно отнести комплексно-легированные сплавы, содержащие алюминий, в-стабилизаторы и нейтральные упрочнители.

К этой группе принадлежат сплавы ВТ20 и ВТ18У. Сплав ВТ20 разрабатывали как более прочный листовой сплав по сравнению с ВТ5-1. Гарантированное временное сопротивление разрыву листов из сплава ВТ20 составляет 950 вместо 750 МПа для сплава ВТ5-1 при практически одинаковом относительном удлинении и поперечном сужении. Сплав ВТ18У относится к наиболее жаропрочным титановым сплавам; он может длительно работать при температурах 550-600 °С. Высокая жаропрочность сплава обусловлена большим содержанием в нём алюминия, циркония и олова с эквивалентом по алюминию, близким к оптимальному значению (~9 %). Повышению характеристик жаропрочности способствуют также небольшие количества молибдена и ниобия. Сплав легирован небольшим количеством кремния, существенно повышающим жаропрочность. В отличие от других псевдо-б-сплавов, сваривается сплав ВТ18У плохо.

К четвертой группе можно отнести сплавы, легированные нейтральными упрочнителями (обычно цирконием) и в-стабилизаторами (Nb,

V, Mo) в количествах, близких к их предельной растворимости в б-фазе (сплав АТ2-1).

Большинство псевдо-б-титановых сплавов применяют в отожженном состоянии.

Сплавы (? + в)

По типу легирующих элементов б + в сплавы можно разбить на три группы.

К первой группе можно отнести сплавы, легированные алюминием и изоморфными в-стабилизаторами. К классическим сплавам этого типа относятся ВТ6 и родственные ему зарубежные сплавы титана с 6 % А1 и 4 %V.

Сплавы типа ВТ6 (Тi-6А1-4V) наиболее распространены за рубежом. Сплав Тi-6А1-4V используется для изготовления крупногабаритных сварных и сборных конструкций летательных аппаратов, для изготовления баллонов, работающих под внутренним давлением в широком интервале температур от (-196) до (+450) °С, и целого ряда других конструктивных элементов. По данным зарубежной печати, около 50 % используемого в авиакосмической промышленности титана приходится на сплав Тi-6А1-4V, аналогом которого являются отечественные сплавы типа ВТ6. Благодаря высокому содержанию в-фазы отожженный сплав ВТ16 обладает высокой пластичностью и технологичностью). Он хорошо деформируется как в горячем, так и в холодном состоянии, что обусловлено не только большим количеством в-фазы, но и малым содержанием алюминия.

Сплав ВТ16 предназначается главным образом для изготовления деталей крепления - болтов, винтов, заклепок и т.п. Основным видом полуфабриката, изготавливаемого из этого сплава, является пруток диаметром от 4 до 20 мм, полученный прокаткой или волочением.

Вторую группу составляют сплавы, легированные алюминием, изоморфными в-стабилизаторами, кремнием и иногда нейтральными упрочнителями (в частности, цирконием). Сплавы этой группы содержат довольно много алюминия (6-7 %), а также кремний и цирконий, которые, как и алюминий, повышают сопротивление ползучести и длительную прочность, и поэтому относятся к жаропрочным.

Сплав этой группы ВТ8 легирован молибденом, алюминием и небольшими количествами кремния и циркония.

К третьей группе относятся сплавы, легированные алюминием, изоморфными и эвтектоидообразующими в-стабилизаторами, представленными как переходными, так и непереходными элементами (обычно кремнием). Отличие сплавов этой группы от предыдущей заключается в том, что при повышенных температурах в-фаза в них может распадаться по эвтектоидной реакции, что вызывает их охрупчивание. Высоколегированные сплавы этой группы содержат много в-фазы (до 50 % в отожженном состоянии). Структура и свойства сплава ВТ22 сильно зависят от колебания химического состава в пределах, установленных техническими условиями.

Сплав применяют в основном в виде поковок и штамповок.

Он предназначен для получения высоконагруженных деталей и конструкций, длительно работающих до температур 350-400 °С.

Физические и механические свойства

Титан расположен в IVA подгруппе первого большого периода Периодической системы Д.И.Менделеева, он относится к переходным элементам. Физические свойства титана приведены в табл. 3. Титан плавится при высокой температуре (1668 ± 4 °С); скрытая теплота плавления и испарения титана почти в два раза больше, чем у железа.

Известны две аллотропические модификации титана. Низкотемпературная ?-модификация, существующая до 882,5 °С , обладает гексагональной плотноупакованной решеткой. При температуре 25 °С периоды решетки ?-титана составляют : а = 0,29503 нм, с = 0,46831 нм, с/а = 1,5873; кратчайшие межатомные расстояния равны 0,2894 и 0,2951 нм.

Высокотемпературная в-модификация, устойчивая от 882,5 °С до температуры плавления, имеет объемно-центрированную кубическую решетку. Период решетки в-титана при комнатной температуре, полученный путем экстраполяции данных для в-сплавов, равен 0,3282 нм.

По плотности титан занимает промежуточное место между двумя основными конструкционными металлами: алюминием и железом. Плотность ?-титана при комнатной температуре равна 4,505 г/смі. При переходе ?-титана в в-титан объем металла несколько уменьшается. Скрытая теплота аллотропического превращения в титане близка к 4100 Дж/г - атом. Это значение в пять раз превосходит теплоту полиморфного превращения ? <=> г в железе. По удельной теплоемкости титан занимает промежуточное место между алюминием и железом. Титан обладает низкой теплопроводностью, которая в 13 раз меньше теплопроводности алюминия и в 4 раза - железа. Коэффициент термического расширения титана при комнатной температуре сравнительно мал; с повышением температуры он возрастает.

Модули упругости титана невелики и обнаруживают существенную анизотропию. При измерении в направлении оси с модуль Юнга равен 146 ГПа, а в перпендикулярном направлении - 106 ГПа. Для поликристаллического титана среднее значение модуля Юнга 103 ГПа. Небольшое значение модулей упругости титана - существенный его недостаток, так как в некоторых случаях для получения достаточно жестких конструкций приходится применять большие сечения изделий по сравнению с теми, которые следуют из условий прочности.

Титан имеет высокое удельное электросопротивление. При температурах 0,45 К титан становится сверхпроводником.

Титан - парамагнитный металл.

Чистейший иодидный титан обладает высокими пластическими свойствами при сравнительно низкой прочности(ув = 220…260 МПа; у0,2 = 100…125 МПа; д = 50…70 %; ш = 60…90 %). Высокие пластические свойства титана по сравнению с другими гексагональными металлами (магнием, цинком, кадмием) объясняют различием в соотношении осей с/a.Соотношение с/a для идеальной гексагональной плотноупакованной решетки равно 1,633. Поскольку плотноупакованные плоскости являются преимущественными плоскостями скольжения, возможности пластической деформации указанных металлов ограничены.

У титана соотношение с/a, равное 1,587, на 2,9 % меньше, чем у идеальной решетки. Сближение плоскостей базиса в плотноупакованной структуре может быть достигнуто лишь увеличением межатомных расстояний. По этой причине плотность упаковки атомов в плоскости базиса титана меньше теоретической, и она уже не является единственной плоскостью скольжения. Скольжение в титане протекает по призматическим плоскостям {1 0 -1 0} и в меньшей степени по пирамидальным плоскостям {1 0 -1 1} и плоскости (0001) (см.рис.4). Скольжение во всех случаях происходит в направлении наибольшей плотности упаковки атомов < 1 1 -2 0 >.

Помимо этого пластическая деформация в титане осуществляется путем двойникования по плоскостям {1 0 -1 2}; {1 1 -2 1}; {1 1 -2 2}; {1 1 -2 3} и {1 1 -2 4}. В отличие от других металлов с гексагональной структурой в титане может происходить поперечное скольжение по тем же самым плоскостям, что и первичное скольжение {1 0 -1 0}.

В в-титане механизм скольжения такой же, как и в других металлах с объемноцентрированной решетой. Скольжение протекает по плоскостям {1 1 0} и {1 1 2} в направлении наибольшей плотности упаковки < 1 1 1 >.

Термомеханическая обработка

Термомеханическую обработку (ТМО) титановых сплавов применяют ограниченно. ТМО б- и псевдо-б-титановых сплавов не приводит к существенному повышению их прочности по сравнению со сталью, однако резко повышает однородность структуры и свойств по сечению и длине изделий. ТМО (б + в)-сплавов приводит к повышению их прочности на 5-30 % по сравнению с прочностью после стандартной закалки и старения при одновременном увеличении поперечного сужения.

Высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО) титановых сплавов заключается в горячей деформации сплава в (б + в)- или в-области, закалке и старении (рис. 5).

В результате закалки, осуществляемой сразу после окончания горячей деформации, в металле подавляются рекристаллизационные процессы и сохраняются, хотя бы частично, особенности структуры и тонкого строения горячедеформированного металла. Старение сплава с такой структурой обеспечивает повышенные механические свойства, по сравнению с упрочняющей термической обработкой, включающей стандартную закалку и старение.

За счет применения НТМО (рис. 5, б) удалось получить большую прочность, но меньшую пластичность, чем при ВТМО. Положительные результаты достигнуты при предварительной (ПТМО) и комбинированной ТМО. Однако считают , что большее применение найдет ВТМО, которая успешно используется при прессовании, прокатке и штамповке.

Химико-термическая термическая обработка

Из всех видов химико-термической обработки (ХТО) наиболее широко для титана и его сплавов применяют азотирование и оксидирование.

В последнее время создан новый способ - термоводородная обработка (ТВО), которая основана на обратном легировании водородом.

Азотирование в десятки раз повышает износостойкость и жаростойкость титановых изделий. Вместе с тем существенно снижаются такие характеристики пластичности, как относительное удлинение и особенно поперечное сужение; предел выносливости на базе 107 циклов уменьшается на 10-25 %. К тому же азотированный слой тонок, и поэтому доводка азотированных деталей до нужных размеров встречает существенные затруднения. В связи с этим азотирование титана и его сплавов, хотя и является наиболее распространенным видом химико-термической обработки, применяется в ограниченных масштабах.

Поверхностного упрочнения титана и его сплавов достигают также оксидированием. Окисные слои большой толщины, образующиеся в результате окисления при температурах выше 850-900 °С, отрицательно влияют на механические и служебные свойства титана и его сплавов.

В настоящее время в промышленности применяют три технологические схемы оксидирования:

? на воздухе при 700-800 °С с последующим медленным охлаждением с печью.

? на воздухе при 850 °С с последующим охлаждением в воде для удаления слоя окалины.

? в засыпке графитом или песком при 700-850 °С с последующим охлаждением вместе с засыпкой на воздухе.

При выборе режимов оксидирования для того или иного конкретного применения учитывают, что с понижением температуры уменьшается вредное влияние диффузионного слоя на циклическую прочность сплава, но вместе с тем уменьшается толщина оксидированного слоя.

Изделия из титановых сплавов, полученные с использованием технологий фасонного литья, имеют низкий уровень механических и эксплуатационных свойств, что определяется пористостью, микроликвацией, неблагоприятной микроструктурой (крупное зерно, крупнопластинчатое внутрезеренное строение). Устранить пористость возможно, используя высокотемпературную газостатическую обработку (ВГО). Однако ВГО практически не влияет на структуру литого металла в тех зонах отливки, где поры отсутствуют. Применение отжига для устранениия остаточных литейных напряжений не приводит к повышению прочности сплавов.

Создан новый эффективный способ управления структурой титановых сплавов - термоводородная обработка (ТВО), которая основана на обратимом легировании водородом. Разработаны научные основы ТВО, которая способствует улучшению структуры сплавов различных классов.

Одним из наиболее перспективных направлений применения ТВО является преобразование литой структуры с целью повышения комплекса механических свойств отливок. В работе А.А.Ильина с сотрудниками, опубликованной в 2002 г. был предложен метод повышения комплекса механических свойств литых псевдо-б- и (б + в)-титановых сплавов, основанный на сочетании ВГО и ТВО.

Цель обработки литых сплавов - получение мелкодисперсной внутрезеренной (б + в)-структуры (при сохранении размеров исходного в-зерна), которая обеспечивает высокие кратковременную прочность и сопротивление усталости. Исследования провели на литом псевдо-б-сплаве ВТ20Л, высокопрочном литом (б + в)-сплаве ВТ23Л и жаропрочном псевдо-б-сплаве Ti-6242 (широко используют за рубежом: Ti -6 % Al-2 % Mo-4 % Zr-2 % Sn).

Разработка режимов ТВО основана на анализе взаимодействия сплавов с водородом, фазовых равновесий в системе сплав-водород, влияния термического воздействия на фазовый состав и структуру сплавов, исследовании процессов, происходящих при вакуумной обработке и т.д.

Одной из проблем повышения качества фасонных отливок и уровня их свойств является устранение пористости. ВГО повышает плотность литого материала, устраняя (частично или полностью) пористость. Исходная литая структура сплавов при ВГО практически не меняется. Введение в титановые сплавы определенного количества водорода приводит к эффекту водородного пластифицирования, который обусловлен снижением предела текучести сплава при температурах деформации. Поэтому проведение ВГО предварительно наводороженного металла может оказаться эффективным как для устранения пор, так и для улучшения конечной структуры.

Предложены два способа сочетания термоводородной и газостатической обработки: 1 - проведение ТВО после ВГО; 2 - проведение ВГО предварительно наводороженного сплава. Окончательный вакуумный отжиг отливок после обработки по способам 1 и 2 для удаления водорода проводили при 750 °С.

Для устранения микроликвации литые образцы сплавов ВТ20Л и ВТ23Л перед дальнейшей обработкой подвергали гомогенизирующему отжигу (ГО) в вакууме при температурах 1000 °С (ВТ20Л) и 970 °С (ВТ23Л) в течение 1 ч.

ВГО заготовок сплава Ti-6242 проводили при 920 °С. Режим ТВО включал наводороживание до концентрации 0,8 % в интервале температур 900-820 оС и вакуумный отжиг при 750 °С в течение 4 ч.

Часть заготовок с целью укрупнения структурных составляющих и повышения пластичности после ТВО подвергали отжигу при 950 °С в течение 1 ч с последующим охлаждением на воздухе.

Все заготовки (в состояниях: литье + ВГО; ТВО; ТВО + отжиг) подвергали окончательному старению при 590 °С, 8 ч для достижения равновесного состояния и выделения дисперсной б2-фазы.

Было установлено, что максимальное измельчение б-пластин в теле в-зерна достигают при концентрации водорода 0,5-0,9 %. Рекомендуется выбирать концентрацию водорода равной 0,8 %. Оптимальной температурой вакуумного отжига считают 750 °С. Параметры ВГО: давление в газостате 155 МПа, температура 950 °С.

Структура образцов после обработки по обоим способам однородная по сечению и представляет собой мелкодисперсную пластинчатую б-фазу в в-матрице и тонкую б-оболочку по границе исходного в-зерна. Степень дисперсности структуры при обработке по способу 1 несколько выше, чем по способу 2, что обусловлено большей концентрацией вводимого водорода: 1-й способ - 0,8 % водорода; 2-й способ - 0,5 и 0,3 % водорода.

После обработки по двум способам конечное содержание водорода в образцах, определенное спектральным методом, не превышало 0,006 % (мас.).

Механическим испытаниям подвергали образцы в исходном литом состоянии после ВГО, а также после обработки по способам 1 и 2 (табл. 6).

Установлено, что обработка по обоим предложенным способам приводит к повышению прочности на 15-20 % по сравнению с исходным литым состоянием.

Сочетание ВГО и ТВО по способу 1 приводит к увеличению предела выносливости в два раза по сравнению с исходным литым состоянием.

Достигнутый уровень сопротивления усталости превышает даже характеристики этих сплавов в деформированном состоянии. Это объясняют как дополнительным повышением плотности отливок, так и благоприятным изменением структуры. Полученная мелкодисперсная внутрезеренноя структура обладает повышенным сопротивлением усталостному разрушению.

Предложенные способы обработки приводят также и к стабилизации свойств сплавов.

Исследовали сплав Ti-6242, который широко используют за рубежом в качестве жаропрочного материала для изготовления лопаток и дисков компрессора авиадвигателей с рабочей температурой до 500 °С. В результате обработки по рекомендуемому режиму в сплаве Ti-6242 была получена структура, представляющая собой чрезвычайно мелкие пластины б-фазы толщиной менее 1 мкм в объеме исходного в-зерна. Зерно имеет тонкую, частично фрагментированную б-оболочку. Такая структура очень эффективно препятствует генерации и движению дислокаций, что способствует повышению прочности и работы зарождения усталостной трещины, но при этом снижается пластичность. Проведение после ТВО отжига при 950 °С (б +в)-область, приводит к укрупнению частиц б-фазы в теле в-зерна до 2-3 мкм и увеличению толщины б-оболочки. В процессе охлаждения от 950 °С со скоростью около 10 °С/с происходит распад в-фазы с выделением очень мелких пластин «вторичной» б-фазы толщиной менее 1 мкм.

Заключительное старение при 590 °С в течение 8 ч должно приводить к дополнительному выделению мелкодисперсной б-фазы, достижению равновесного состава б- и в-фаз и частичному упорядочению в микрообъемах б-частиц (образованию когерентной б2-фазы).

Результаты механических испытаний на растяжение сплава Ti-6242 при нормальной температуре приведены в табл. 7.

Фазовые превращения в титане и его сплавах

В титане основным превращением является полиморфное: Тiб -Тiв

При небольших скоростях охлаждения это превращение идет путем образования зародышей новой фазы и роста зерен. При быстром охлаждении переход Тiв -Тiб происходит по типу мартенситных превращений.

Полиморфное превращение в титане происходит в соответствии с принципом ориентационного и размерного соответствия. Согласно этому принципу, форма и ориентация зародышей новой фазы при кристаллизации в анизотропной среде должны соответствовать принципу минимальной поверхностной энергии в данном объеме, а минимум поверхностной энергии достигается при максимальном сходстве в расположении атомов на соприкасающихся гранях старой и новой фаз. Хотя при охлаждении зерна в-фазы разбиваются при полиморфном превращении в > б на несколько более мелких кристаллов б-фазы, но в соответствии с ориентационным принципом: каждое б-зерно имеет общность в ориентировке с соседними зернами б-фазы, в результате чего возникает своеобразная текстура внутри каждого зерна, которую называют внутризеренной текстурой.

Типичная микроструктура сплавов со структурой б', б' + в(щ) и в на примере системы Тi-Cr приведена на рис. 8.

Зависимость механических свойств сплавов титана с эвтектодообразующими в-стабилизаторами от состава после закалки с температур, соответствующих в-области, иллюстрируется рис. 9 на примере сплавов системы Тi-Сr, закаленных с 950 °С. С увеличением содержания хрома в б'-мартенсите сильно повышаются характеристики прочности, а характеристики пластичности и модули упругости сплавов резко снижаются. Временное сопротивление разрыву достигает максимума в сплавах со структурой б' + в(щ). Высокая прочность и полное отсутствие пластичности обусловлено большим количеством щ-фазы. При увеличении содержания хрома свыше 6 % количество щ-фазы уменьшается, что приводит к повышению прочности и повышению пластичности. Модули упругости закаленных сплавов с эвтектоидообразующими легирующими элементами наименьшие у сплавов с максимально пересыщенным б'-мартенситом и наибольшие при максимальном количестве щ-фазы.

Сплавы титана с изоморфными и квазиизоморфными в-стабилизаторами отличаются от сплавов титана с эвтектоидообразующими в-стабилизаторами тем, что при закалке с температур, соответствующих в-области, мартенситная фаза до некоторой концентрации (С1) имеет гексагональную структуру (ее называют б'-мартенситом), а при больших концентрациях начинается ромбическое ее искажение, тем более сильное, чем больше содержание легирующих элементов: такую фазу называют б"-мартенситом (прил.рис. 9).

Поскольку переход от б'- к б"-мартенситу происходит путем одновременного постепенного смещения атомов по всему объему, его можно рассматривать как фазовый переход II рода.

Зависимость механических свойств закаленных с температур в-области (например 1000 °С) сплавов титана с изоморфными в-стабилизаторами (например молибдена) принципиально отличается от аналогичных зависимостей для в-эвтектоидных систем (прил.рис. 10).

Прочностные свойства закаленных сплавов с увеличением содержания легирующего элемента сначала возрастают из-за повышения степени легированности б'-мартенсита, а затем, при смене б'-мартенсита на б"-мартенсит, начинают падать и достигают минимума при максимально легированном б"-мартенсите. При концентрациях в-стабилизирующего элемента выше первой критической С'кр прочностные свойства возрастают из-за увеличения доли в-фазы, упрочненной щ-фазой и достигают максимума при второй критической концентрации С''кр, когда количество щ-фазы максимально. Дальнейшее увеличение содержания легирующего элемента приводит к снижению прочностных свойств сплавов в результате уменьшения количества щ-фазы. Прочностные свойства сплавов достигают минимума при третьей критической концентрации, когда количество щ-фазы становится равным нулю, а затем возрастают из-за увеличения степени легированности в-фазы. При эквиатомном составе можно ожидать максимума прочностных свойств.

Для пластических свойств характерны обратные зависимости: максимуму прочностных свойств соответствуют минимум пластических, минимуму прочностных - максимум пластических характеристик (прил.рис. 10).

Модули упругости закаленных из в-области сплавов с изоморфными в-стабилизаторами меняются в зависимости от состава качественно так же, как и в сплавах с эвтектоидообразующими в-стабилизаторами.

Область применения титановых сплавов ВТ 23 и ВТ 16

Сплав ВТ23М является модификацией высокопрочного титанового сплава ВТ23 и имеет суженый диапазон легирования, что повышает стабильность механических свойств и характеристик работоспособности, а также снижает дисперсию механических свойств в 1,5 раза.

Усовершенствование высокопрочного хорошо свариваемого титанового сплава, обеспечивающего не менее ув = 100МПа, усв.соед не менее 0,9 от уВосн.мат и удельную прочность основного материала ув/ф ? 24 км, что позволило:

- снизить массу конструкции на 40-50% по сравнению с конструкциями из сплава ОТ4;

- значительно повысить технологичность изготовления листовых конструкций в холодном и горячем состоянии.

Сплав ВТ23М является высокопрочным свариваемым - титановым сплавом + универсального применения:

- из него изготавливают все виды полуфабрикатов, полученных прокаткой, ковкой, прессованием;

- из него изготавливают все типы конструкций - монолитные, сварные и паяные.

Температура применения сплава - от минус 196 °С до плюс 400 °С. Сплав может быть применен в отожженном и термически упрочненном состоянии: либо после одного старения, либо после двойного отжига с охлаждением на воздухе, либо после закалки в воде и старения. Таким образом, имеются широкие возможности по применению различных схем термообработки, обеспечивающих получение широкого диапазона прочностных характеристик.

Сплав обладает сочетанием высокой прочности и высоких характеристик трещиностойкости (К1с) основного материала и сварных соединений, значительно превосходящим по уровню этих характеристик зарубежные аналоги. Сплав ВТ23М находится в области легирования сплавов, в которых при закалке из в - фаза (пластичный мартенсит). Поэтому закаленные или быстро - области фиксируется охлажденные в процессе изготовления полуфабрикаты будут иметь высокий комплекс механических свойств, что предотвратит их растрескивание и разрушение, имеющее место у другого класса сплавов.

Из высокопрочного свариваемого титанового сплава ВТ23М универсального применения изготавливают различного типа и назначения силовые конструкции: лонжероны, шпангоуты, обшивка, емкости (шаровые и цилиндрические), баллоны, сотовые панели, закладные элементы композиционных конструкций и др.

Из сплава ВТ23М изготавливают практически все виды полуфабрикатов: фольгу 0,08 мм; ленту 0,1 мм; листы (0,6 - 10) мм; плиты до 250 мм; поковки и штамповки массой до 3,5 т; трубы горячекатаные, холоднокатаные и переменного сечения; прессованные профили; прутки. Полуфабрикаты поставляют по техническим условиям с гарантированным уровнем механических свойств.

Серийное изготовление из сплава ВТ23М фольги, ленты и листов свидетельствует о высокой технологической пластичности.

Этот универсальный комплекснолегированный сплав нового поколения может быть применен как для широкой номенклатуры полуфабрикатов, так и для различного типа конструкций.

Комплексное легирование сплава ВТ23М при уменьшенной концентрации молибдена и ванадия и отсутствии олова и циркония (по сравнению со сплавами США Trans X206, Trans 134) обеспечивает более низкую стоимость и меньшую плотность (4,57 г/смі).

Сплав ВТ23М является сплавом «мартенситного» типа (как и известные отечественные сплавы ВТ6, ВТ14 и сплавы США: 6-4, 6-6-2, Corona 5, Trans X206, Trans134), что позволяет использовать уже существующее оборудование для его термической обработки, деформации, сварки, механической обработки. Сплав ВТ23М с (+) - структурой обладает хорошей обрабатываемостью резанием, превосходящей сплавы с в-структурой.

Высокопрочный свариваемый титановый сплав ВТ23М обладает на (200-300 МПа уВ = 1100-1300 МПа) и на 25 % более высокой вязкостьюболее высокой прочностью разрушения (К1с ? 93 МПа.мЅ ), чем аналогичные зарубежные сплавы, а по стоимости ниже на 20 %, благодаря комплексному легированию с использованием недорогих легирующих элементов.

Применение сплава ВТ23М для изготовления такой различной по своему назначению номенклатуры деталей из одного вида полуфабрикатов стало возможным во многом благодаря применению технологии высокотемпературной термомеханической обработки (ВТМО) и технологии термической обработки. Указанные технологии позволяют варьировать, например, предел прочности листовых полуфабрикатов толщиной 1,5-3,5 мм от 980 до 1250 МПа. Достоинством сплавов этого класса является возможность варьирования температур как деформационной, так и термической обработки в достаточно широком интервале без риска снижения эксплуатационных характеристик и получения заданного комплекса свойств, отвечающих требованиям к различным деталям конструкции.

Высокопрочный титановый сплав ВТ23М планируется применять в перспективном истребителе нового поколения «ОКБ Сухого» взамен сплава ВТ23. Общий вес конструкций, изготовленных из сплава, составляет 17,66% от веса планера. Именно в изготовлении узлов и конструкций истребителя пятого поколения полностью реализованы возможности широкого варьирования свойств сплава для достижения наиболее оптимальных эксплуатационных характеристик, обеспечивающих заданный ресурс работы изделия.

Сплав ВТ16 применяется для изготовления деталей крепления в таких самолетах, как Ту-160, Ту-144,Ту-154, Ту-204, Ту-334. Из него изготовляют болты методом холодной высадки в отожженном состоянии на высокопроизводительных автоматах. Накатка резьбы осуществляется также в холодном состоянии. Организовано массовое производство холодно-высаженного нормализованного крепежа из сплава ВТ16.

Сплав ВТ22 (Ti-5Al-5V-5Mo-1Cr-1Fe) - первый из рассматриваемых сплавов закритической концентрации (количество в - стабилизаторов эквивалентно 11,5% Мо). Он эффективно упрочняется при термической обработке и обладает достаточными эксплуатационными свойствами, позволяющими применять его в конструкциях шасси самолета ИЛ-86,ИЛ-96, ИЛ-76. Наличие в сплаве большого количества в - стабилизаторов обеспечивает ему хорошую прокаливаемость и эффективное упрочнение в сечениях до 150 мм. Это позволяет проводить упрочняющую термообработку в заготовке, а затем изготовлять деталь путем механической обработки. В отличие от других в - сплавов он имеет повышенное содержание алюминия и применяется в виде поковок, штамповок, прутков при температуре до 350°С.Сплав ВТ22 используется для изготовления стенок и баков в самолете Ту-154, а также фитингов и арматуры в Ту-204.

Сплав ВТ23 - высокопрочный свариваемый титановый сплав с температурой применения от -196 до +400°С. Из этого сплава изготовляются практически все виды полуфабрикатов: фольга 0,08 мм; лента 0,1 мм; листы 0,6 - 10 мм; плиты до 250 мм; поковки и штамповки массой до 3,5 т; трубы горячекатаные, холоднокатаные и переменного сечения; прессованные профили; прутки. В конструкции космического аппарата "Буран" практически все нагруженные узлы выполнены из сплава ВТ23 в состоянии после одного старения. Это позволило исключить на машиностроительном заводе высокотемпературное с защитной атмосферой закалочное оборудование и снизить расход электроэнергии в 2 - 3 раза. Для эффективного упрочнения достаточна температура 450-500°С. Использование сплава ВТ23 и разработанных процессов позволило получить экономию сырьевых и энергетических ресурсов.

Сплав ВТ23 успешно применен в силовых конструкциях космического аппарата «Астрон». Из него изготовлены шаровые сварные баллоны, работающие под высоким внутренним давление, с уровнем прочности уВ ? 1200 МПа. В конструкциях гидросамолета Бе-200 сплав ВТ23 применен для изготовления сварных и монолитных конструкций, в том числе для изготовления гидроаккумуляторов (прил.рис.11).

Титановый высокопрочный свариваемый успешно применен в конструкциях Як-55, Су-31, Су-26М и других. Ресурсные и циклические испытания узлов конструкций показали высокую надежность сплава в работе и его малую чувствительность к колебаниям параметров технологического процесса - термообработки, механической обработки и др.

Научно-экспертное исследование с использованием неразрушающих методов контроля

В сентябре 2002 года потерпел катастрофу вертолет. Он упал с высоты 300 м на дачный участок. В ходе расследования было установлено, что в полете произошло разрушение рычага поворота лопасти несущего винта. Это привело к возникновению самопроизвольных маховых движений лопасти, удару лопастью по хвостовой балке, разрушению лопастей и хвостовой балки. Разрушение рычага произошло по усталостному механизму. Очагом разрушения послужила поверхностная трещина протяженностью 3 мм, глубиной 1 мм, образовавшаяся в процессе изготовления рычага на этапе термомеханической или термической обработки. Рядом с изломом была выявлена еще одна трещина такого же происхождения протяженностью 12 мм. Наличие этих трещин, не обнаруженных из-за отсутствия неразрушающего дефектоскопического контроля или его некачественного выполнения, привело к потере людей и техники.

Неразрушающий дефектоскопический контроль представляет собой комплекс методов и средств, основанных на использовании различных физических явлений и принципов, с помощью которых обеспечивается обнаружение скрытых опасных дефектов сплошности (трещин различного происхождения, волосовин, расслоений, непроклеев, коррозионных поражений и т.п.) материала деталей и узлов авиационной техники без нарушения пригодности этих деталей и узлов к использованию по назначению. Накопленный в авиации опыт свидетельствует, что грамотное применение методов и средств контроля позволяет во многих случаях предотвратить разрушения конструкций воздушных судов благодаря своевременному выявлению потенциально опасных дефектов. Это способствует поддержанию авиационной техники в исправном состоянии и безопасности полетов, дает возможность на основе объективной инструментальной оценки технического состояния принимать обоснованные решения по продлению ресурса и срока службы длительно эксплуатируемых воздушных судов.

Среди дефектов материала деталей и узлов большую опасность представляют трещины усталости. Они возникают на деталях, испытывающих в работе многократные знакопеременные нагрузки. Эти трещины появляются вследствие снижения долговечности материала деталей в результате периодических воздействий сжимающих и растягивающих механических напряжений. Чаще всего они развиваются поперек оси деталей, перпендикулярно действующим нагрузкам. Источниками их возникновения могут быть конструктивные недостатки, например наличие концентраторов напряжений, резких переходов в сечении деталей. Трещины могут возникать в местах, в которых допущено несоблюдение требований чертежа при изготовлении или ремонте, например существенное уменьшение радиусов галтелей. Развитие трещин усталости могут инициировать дефекты металлургического происхождения в материале деталей (волосовины, шлаковые включения, флокены и др.) или дефекты, возникающие при различных способах обработки деталей (шлифовочные, ковочные, закалочные, сварочные трещины, трещины в гальванических покрытиях, подрезы, глубокие риски и т. д.).

Опасность трещин усталости обусловлена тем, что, возникнув, они постепенно развиваются и углубляются в деталь, пока ослабление сечения не приведет к завершающему хрупкому разрушению детали. Так, например, причиной усталостного разрушения стальной оси передней стойки шасси явились знакопеременные нагрузки при взлете и посадке самолета. Трещина возникла по впадине резьбы оси, постепенно развивалась, а затем произошел долом -- полное разрушение оси.

Методы неразрушающего контроля позволяют выявлять разнообразные дефекты материала деталей и узлов, в том числе в начальной стадии их развития. Для обнаружения дефектов при изготовлении, эксплуатации и ремонте авиационной техники применяют различные физические методы контроля: магнитопорошковый, капиллярные (цветной и люминесцентный), акустический импедансный, вихретоковый, рентгенографический. В связи с различием физических принципов, положенных в их основу, эти методы контроля отличаются по техническим возможностям.

Дефекты термически обработанных изделий и полуфабрикатов

При обработке изделий и полуфабрикатов могут возникать дефекты чисто термического происхождения. Рассмотрим наиболее типичные из них.

Нежелательная крупнозернистость может образоваться из-за перегрева металла выше точки Ас3 или вследствие слишком больших выдержек при температурах, соответствующих верхней части (б + в)-области.

Отклонение механических и служебных свойств от заданных техническими условиями возникает из-за нарушения технологических параметров термической обработки. Недопустимое сильное газонасыщение может быть обусловлено термической обработкой в атмосфере с повышенным содержанием активных по отношению к титану газов. Испарение легирующих элементов из поверхностного слоя или по границам зерен происходит в процессе вакуумного отжига при слишком высоких температурах. Коробление изделий или полуфабрикатов возможно из-за недопустимо больших скоростей нагрева и охлаждения при термической обработке. Нельзя допускать появления трещин, обусловленных термическими и фазовыми напряжениями.

Основные способы борьбы с первыми пятью типами дефектов - это строгое соблюдение режимов термической обработки. Эти дефекты могут наблюдаться независимо от класса и уровня прочности сплава. Последний тип дефектов - трещины, обусловленные термическими и фазовыми напряжениями - характерен для сплавов с недостаточным запасом пластичности. Трещины возникают при неблагоприятных схемах укладки изделий в печах, в частности в дисках из сплавов ВТ3-1 и ВТ9. При старении в закаленных заготовках из высокопрочных сплавов ВТ22 и Ti6Al3Mo2Fe0,5Cr0,5Mn (опытный сплав) образуются тонкие трещины, направленные от поверхности к центру заготовок, причем это разрушение происходит без приложения внешних нагрузок. Температурно-временные условия начала самопроизвольного растрескивания описывают С-образными кривыми. Наиболее интенсивное растрескивание наблюдается при температуре старения, равной 400 °С. При температурах старения выше 500 и ниже 200 °С трещины в закаленных сплавах при старении не образуются.

Самопроизвольное растрескивание развивается под совместным воздействием термических (закалочных) и фазовых напряжений в условиях, когда затруднена релаксация напряжений. Наиболее эффективны следующие способы борьбы с растрескиванием:

а) снижение температуры нагрева под закалку;

б) повышение температуры старения до 500-550 °С,

причем скорость нагрева до этих температур должна быть достаточно велика, чтобы не произошло растрескивание при нагреве; в) применение изотермической закалки;

г) введение предварительного высокотемпературного старения (выше 500 °С) перед окончательным низкотемпературным.

Неразрушающий контроль качества методами дефектоскопии

Дефектоскопия-комплекс методов и средств неразрушающего контроля материалов и изделий с целью обнаружения дефектов. Дефектоскопия включает разработку методов и аппаратуру (дефектоскопы и др.), составление методик контроля, анализ и обработку показаний дефектоскопов. В основе методов дефектоскопии лежит исследование физических свойств материалов при воздействии на них рентгеновских, инфракрасных, ультрафиолетовых лучей, гамма-лучей, радиоволн, ультразвуковых упругих колебаний, магнитного и электрического полей и др.

Дефектоскоп устройство для обнаружения дефектов в изделиях методами неразрушающего контроля. Различают дефектоскопы магнитные, рентгеновские, ультразвуковые, электроиндуктивные и др. Они выполняются в виде переносных, лабораторных приборов или стационарных установок. Переносные дефектоскопы обычно имеют простейшие индикаторы для обнаружения дефектов (стрелочный прибор, световой или звуковой сигнализатор и т, Д.); лабораторные дефектоскопы более чувствительны, часто оснащаются осциллоскопическими и цифровыми индикаторами. В стационарных дефектоскопах - наиболее универсальных - предусмотрены самозаписывающие устройства для регистрации показаний и их объективной оценки.

Некоторые дефектоскопы позволяют проверять изделия, движущиеся со значительной скоростью (например, трубы в процессе прокатки), или сами способны двигаться относительно изделия (например, рельсовые дефектоскопы). Существуют дефектоскопы для контроля изделий, нагретых до высокой температуры.

Наиболее простым методом дефектоскопии является визуальный, осуществляемый невооруженным глазом или с помощью оптических приборов (например, лупы). Для осмотра внутренних поверхностей, глубоких полостей и труднодоступных мест применяют специальные трубки с призмами и миниатюрными осветителями (диоптрийные трубки) и телевизионные трубки. Для контроля, например, качества поверхности тонкой проволоки используют лазеры. Визуальная дефектоскопия позволяет обнаружить только поверхностные дефекты (трещины, плены, закаты и др.) в изделиях из металла и внутренние дефекты в изделиях из стекла или прозрачных для видимого света пластмасс. Минимальный размер дефектов, обнаруживаемых невооруженным глазом, составляет 0,1-0,2 мм, а при использовании оптических систем - десятки микрон.

Более широкое распространение получил метод оптического контроля в связи с созданием оптического квантового генератора (ОКГ). С его помощью можно производить контроль геометрических размеров изделий со сложной конфигурацией, несплошностей, неоднородностей, деформаций, вибраций, внутренних напряжений прозрачных объектов, концентраций, чистоты газов и жидкостей, толщины пленочных покрытий, шероховатости поверхности изделий, Первым ОКГ был рубиновый генератор, активным элементом которого являлся цилиндрический стержень из кристалла рубина с внедренными в его решетку ионами хрома. Возбуждение активных частиц в ОКГ осуществлялось воздействием на активный элемент светового излучения высокой интенсивности с помощью газоразрядных ламп-вспышек и ламп непрерывного горения серийного производства (оптическая накачка). Управление излучением частиц (создание обратной связи) производилось с помощью зеркал., одно из которых полупрозрачно на длине волны генерации. В резонаторе (системе из двух зеркал и помещенного между ними активного элемента) устанавливаются стоячие волны. Типы колебаний (или моды) отличаются друг от друга.

Широкое распространение получили газовые оптические квантовые генераторы. В них активным элементом является газ или смесь газов. Наибольшее распространение получил ОКГ на смеси гелия и неона. Возбуждаются газовые генераторы в основном электрическим разрядом в газовой среде. Основным элементом гелий-неонового ОКГ (как и других. ОКГ) является газоразрядная трубка, выполненная из стекла или кварца. Почти все ОКГ работают в непрерывном режиме. Для создания обратной связи, так же как и в твердотельных 1 ОКГ, используются зеркала, образующие резонатор.

...