Закалку a+b-сплавов во избежание сильного роста зерна производят от температур, соответствующих a+b-области. Структура сплавов после закалки будет a+a?+b (w), a+a? или a+a?. Кристаллические структуры a, a? и a? практически одинаковы, они имеют ГПУ-решетку. Однако решетка пересыщенных твердых растворов a? и a? более искажена при высокой скорости охлаждения, чем решетка a-фазного твердого раствора. При старении из a?- и a?-фаз выделяются b-фаза или интерметаллидная фаза (например, TiCr2).
В процессе старения закаленных сплавов происходит их упрочнение, обусловленное распадом a?-фаз и остаточной b-фазы. Повышение прочности при распаде a»-фазы невелико. Упрочнение, связанное с образованием w-фазы, использовать нельзя из-за возникновения высокой хрупкости сплавов. Чтобы избежать хрупкости, связанной с образованием w-фазы, применяют более высокую температуру старения (450-600 о С).
Упрочняющая термическая обработка для крупных деталей из титановых сплавов применяется редко. Это объясняется малой прокаливаемостью титановых сплавов, низким значением вязкости разрушения и короблением изделий. Прокаливаемость возрастает с увеличением содержания b-фазы, усложнением состава сплавов и применением регламентированной скорости охлаждения при закалке (для сплавов ВТ3-1, ВТ9 до 20 оС/с). Высокую конструктивную прочность обеспечивает «мягкая закалка», которая сводится к нагреву при температурах a+b-области, охлаждению со скоростью 50-150 оС/ч до 700-600 оС и последующему охлаждению на воздухе или в воде. После мягкой закалки производится старение при 450-500 оС. После такой обработки частицы a?-фазы в метастабильной b-фазе вместо пластинчатой имеют округлую форму, что и повышает надежность деталей в эксплуатации.
Для двухфазных титановых сплавов наиболее целесообразной является термомеханическая обработка, в результате которой их прочность повышается на 15-20%, причем при одновременном увеличении поперечного сужения. Для однофазных титановых сплавов термомеханическую обработку тоже применяют, прочность в этом случае практически не повышается, но получается более однородная структура по сечению и длине изделий и лучшая воспроизводимость свойств.
Титановые сплавы подвергаются также химико-термической обработке. Она проводится для повышения твердости и износостойкости, стойкости к «схватыванию» при работе в условиях трения, усталостной прочности, а также улучшения коррозионной стойкости, жаростойкости и жаропрочности. Практическое применение имеют азотирование, силицирование, оксидирование и некоторые виды диффузионной металлизации. Например, силицирование применяют для повышения жаростойкости. Заметного повышения износостойкости и коррозионной стойкости достигают оксидированием, т.е. нагреванием до 725- 850 оС на воздухе в течение 5-1 ч, с последующим вакуумным отжигом при 750-850 оС.
Титановые сплавы обладают низкими антифрикционными свойствами. Поэтому для титановых сплавов, работающих в узлах трения, для повышения их износостойкости проводят азотирование, которое вдобавок еще и значительно повышает прочность поверхностных слоев. Азотирование проводят при 850-900 о С в течение 30-60 ч в среде газообразного азота высокой чистоты (азотирование в аммиаке не применяется из-за увеличения хрупкости металла), после чего образуется азотированный слой толщиной 0,05-0,15 мм с твердостью 750-900 HV. Для устранения хрупкости азотированного слоя и улучшения его сцепления с основным материалом применяют отжиг при 800-900 о С в инертной атмосфере или в вакууме. При азотировании образуется верхний тонкий нитридный слой и твердый раствор азота в a-титане. Введение в сплав некоторых легирующих элементов (Al до 3, Zr 3-5% и др.) повышает скорость диффузии азота, увеличивая глубину азотированного слоя, а добавка хрома уменьшает скорость диффузии. Азотировавние титановых сплавов в разреженном азоте (100- 10 н/м2 (1-0,1 мм рт. ст.)) позволяет получать более глубокий слой без хрупкой нитридной зоны.
5. Основные направления совершенствования данного класса материалов
Развитие авиационно-космической техники во многом зависит от создания новых конструкционных материалов, направленных на обеспечение требований работоспособности конструкций летательных аппаратов. Одними из таких материалов являются титановые сплавы, которые широко используют в авиационно-космической технике.
Наибольшее применение титановые сплавы нашли в авиационных двигателях и агрегатах, где доля их потребления составляет 25-28%, в планерах доля потребления значительно ниже (на уровне 6-7% от общего веса планера). Основные требования, которые предъявляют разработчики новых авиационно-космических систем к титановым сплавам, сводятся к следующему: - высокопрочные сплавы (ув?1250 МПа) должны иметь прочность при 300°C не менее 1000 МПа; - жаропрочные сплавы при 500-600°C должны обладать высокой термической стабильностью и крипоустойчивостью; - создаваемые пожаробезопасные титановые сплавы должны иметь хорошие технологические свойства и возможность дальнейшего использования отходов в серийном производстве; - литейные сплавы должны обеспечить прочность не менее 1100 МПа, высокие характеристики надежности и технологичность; - создаваемые композиционные высокопрочные и интерметаллидные материалы должны обладать высоким модулем упругости и малым удельным весом.
6. Области применения данных материалов в промышленности
Американские космические корабли "Аполлон" содержали 60 т различных деталей и агрегатов, сделанных из титана и его сплавов. Каждый из них насчитывал около 40 титановых емкостей с различными химически активными компонентами. Цилиндры, хранящие под давлением 200 атм воздух для вентиляции кабины, тоже были сделаны из титана. Лунный модуль, отделявшийся от космического корабля "Аполлон" и опускавшийся на поверхность Луны, имел титановую камеру сгорания жидкостного ракетного двигателя. Почти полностью были сделаны из титана и его сплавов кабины первых космических кораблей США серии "Меркурий", запускавшихся в космос в 1961- 1963 гг., и "Джемини" - в 1964-1965 гг.
Очень широко используются титан и его сплавы в ракетах-носителях. Одна из самых крупных американских трехступенчатых ракет-носителей "Сатурн-5", осуществлявших запуски космических кораблей по программе "Аполлон" (1967-1973 гг.), имела большое количество узлов и деталей из титановых сплавов. Целиком из титана были сделаны корпуса ракеты-носителя серии "Титан" (1971-1983 гг.), которая выводила на орбиту корабли "Джемини", а впоследствии марсианские космические аппараты "Викинг", гелиоцентрические космические аппараты "Гелиос" и "Вояджер".
Сплавы титана используют вомногих отраслях техники, причем предпочтительно в тех случаях, когда требуется высокая коррозионная стойкость, по которой они значительно превосходят коррозионностойкие (нержавеющие) стали, и где главную роль играет высокая удельная прочность. В настоящее время титан широко используется в судостроении и транспортном машиностроении, химической и пищевой промышленности, в медицине и художественной обработке -- там, где важную роль играют малая плотность в сочетании с высокой прочностью и сопротивляемостью коррозии.
Так, титан и титановые сплавы в большинстве случаев превосходят коррозионно-стойкие Cr-Ni-стали. Наиболее широкое применение как коррозионностойкие получили серийные сплавы ВТ1-0, ОТ4-0, ОТ4-1, 0 Т4, которые хорошо зарекомендовали себя в промышленности (металлургической, химической, целлюлозно-бумажной и др.). Однако эти сплавы недостаточно стойки в ряде кислот (HF, HCl, H2SO4, H3PO4, H2C2O4 и Hac).
Опытные сплавы (b-фазные) 4200 (Тi + 0,2 % Pd) и 4201 (Ti + 33% Мо) являются особо коррозионно-стойкими и могут заменять тантал, сплавы на никелевой основе типа хастеллой, платину, золото. Основные преимущества, которые дает применение титановых сплавов для изготовления коррозионностойкого оборудования, заключаются в увеличении срока службы оборудования, экономии за счет сокращения простоев и затрат на ремонт, и интенсификации технологических процессов.
Особенно выгодно применять титановые сплавы в авиации и ракетостроении, где требуется высокая удельная жаропрочность при температурах 300-600 о С. В этом интервале температур алюминиевые и магниевые сплавы не могут работать, а стали и никелевые сплавы относительно тяжелы. Из титановых сплавов изготавливают диски и лопатки компрессоров и турбин реактивных двигателей, корпуса двигателей второй и третей ступеней ракет, обшивку фюзеляжа и крыльев сверхскоростных самолетов, панели и шпангоуты ракет. Применение для изготовления ряда узлов и деталей высокопрочных титановых сплавов вместо алюминиевых позволило создать самолеты, преодолевающие звуковой барьер. Титановые сплавы пригодны для изготовления планеров летательных аппаратов, имеющих скорость полета порядка 4000 км/ч. Температура на поверхности обшивки планера при сверхзвуковых скоростях существенно превышает допустимый уровень жаропрочности алюминиевых и магниевых сплавов:
Кроме того, лонжероны, шпангоуты, детали шасси, изготовленные из титановых сплавов, имеют на 40% легче массу по сравнению с массой стальных деталей. Поэтому с самого начала развития ракетно-космическая техника всех стран широко использует титановые сплавы. За рубежом из титановых сплавов делают корпуса двигателей второй и третьей ступеней, баллоны для сжатых и сжиженных газов и т.д. В ракетно-космической и авиационной технике в настоящее время используется до 75-80% от общего объема производства титана.
Благодаря высокой коррозионной стойкости вморской воде, хорошему сопротивлению эрозии икавитации титан иего сплавы относятся кматериалам, практически идеально подходящим для строительства судов и морских сооружений (рис. 2). Поэтому в судостроении из титановых сплавов делают гребные винты, обшивки морских судов, подводных лодок и торпед и т.д.
Титановые сплавы нашли применение для оборудования подводных лодок. В Норвегии, США, Японии и России ведутся работы по использованию титановых сплавов для морских платформ, предназначенных для добычи нефти и газа и железомарганцевых конкреций со дна мирового океана. Наряду с высокой коррозионной стойкостью в морской воде титан и его сплавы не обрастают водорослями и ракушками, что весьма важно в судостроении и для различных морских конструкций над- и подводного базирования.
Рис. 2. Диаграмма коррозионной стойкости титана в морской воде и рассолах: I -- питтинг и щелевая коррозия; II -- щелевая коррозия; III -- полный иммунитет к коррозии
В титановых сплавах высокая ударная вязкость и пластичность сохраняеются до температур жидкого водорода (-253оС), поэтому их применяют для изготовления криогенного оборудования и в холодильной промышленности.
В химической промышленности титановые сплавы применяют при изготовлении насосов для перекачки кислот (серной, соляной, лимонной). Устойчивость титана кхлорсодержащим окислительным средам обусловила его широкое использование при производстве хрома, хлоратов, диоксида хлора, для изготовления оборудования для целлюлозно-бумажной промышленности.
Благодаря высокой стойкости к хлоридному воздействию титановые контейнеры целесообразно использовать для захоронения радиоактивных отходов в специальных подземных шахтах и галереях, для изготовления оборудования, используемого при обработке ядерного горючего. При этом оборудование из титановых сплавов характеризуется высокой долговечностью и низкими затратами на текущий ремонт.
Высокая коррозионная стойкость в различных средах делает сплавы титана перспективными для применения в пищевой промышленности. Некоторые пищевые продукты могут портиться от контакта со сталью, тогда как титан не придает им постороннего запаха, цвета или вкуса. В пищевой промышленности титан и его сплавы применяют для наиболее ответственных деталей и узлов аппаратов, которые работают в условиях коррозионного контакта с пищевыми средами, кислотами, а также в мясоперерабатывающей, рыбной и других отраслях промышленности. Но следует иметь в виду, что алюминий в титановых сплавах повышает их склонность к солевой коррозии. Поэтому в пищевой промышленности, если имеется опасность контакта с солью при температурах 200-250оС, сплавы использовать нецелесообразно. Благодаря пластичности и вязкости при низких температурах титановые сплавы применяются в пищевой промышленности в холодильной и криогенной технике. Но широкое применение этих сплавов в пищевой промышленности пока ограничивается их высокой стоимостью.
Титан используется в медицине благодаря полной биологической совместимости с тканями человеческого организма. Титан не отторгается костной и мышечной тканями и легко обрастает ими. По своей биологической инертности он превосходит все известные коррозионностойкие стали и сплавы. В ортопедической хирургии титановые сплавы используют в качестве протезов плечевых, бедренных, коленных суставов, а также для соединения и сращивания переломов. Их применяют для изготовления сердечно-сосудистых клапанов и электронных стимуляторов, а также в качестве зубопротезных имплантатов.