Термическая обработка является одним из ключевых способов повышения прочностных характеристик титановых сплавов. Для двухфазных (α+β) сплавов, таких как Grade 5 (ВТ6), ВТ9 и Grade 9, правильно подобранные режимы закалки и старения позволяют существенно увеличить прочность, длительную прочность и сопротивление ползучести. Ниже рассмотрено, как упрочняющая термическая обработка влияет на механические свойства этих сплавов при различных температурах и сроках эксплуатации.
Режимы упрочняющей термообработки
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.
Влияние термообработки на свойства
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.
Длительная прочность (100–2000 ч)
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.
Ползучесть и выносливость
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.
Термическая стабильность
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.
Механизм упрочнения
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.
Повышение прочности после выдержки
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.
Термообработка труб Grade 9 (ASTM B338)
Трубы из титанового сплава Grade 9 (Gr.9, Gr9) поставляются в соответствии с ASTM B338 в двух режимах термообработки:
-
Grade 9A — в отожженом состоянии, предел прочности от 620 МПа;
-
Grade 9D (в ранних версиях ASTM B338 был указан как Grade 9B) — неполный отжиг (термообработка при минимальной температуре 300°C в течение не менее 30 мин.), предел прочности от 860 МПа.
Раздел: Производство титана.
