При сравнительной оценке различных легирующих добавок к титану, поставляемому ТПК «Вариант» для получения жаропрочных сплавов, основным вопросом является влияние добавляемых элементов на температуру полиморфного превращения титана.
Почему температура полиморфного превращения критична
Процесс полиморфного превращения любого металла, в том числе и титана, характеризуется повышенной подвижностью атомов и, как следствие, снижением в этот момент прочностных характеристик наряду с повышением пластичности.
На примере жаропрочного титанового сплава ВТ3-1 видно, что при температуре закалки 850 °C резко снижается предел текучести и меньше — прочность. Поперечное сужение и относительное удлинение при этом достигают максимума.
Объясняется это аномальное явление тем, что стабильность β-фазы, зафиксированной при закалке, может быть различной в зависимости от состава её, а последнее определяется температурой закалки.
При температуре 850 °C фиксируется настолько нестабильная β-фаза, что её распад можно вызвать приложением внешней нагрузки при комнатной температуре (т. е. в процессе испытания образцов на растяжение). В результате сопротивление металла действию внешних сил значительно снижается.
Исследованиями установлено, что наряду с метастабильной β-фазой в этих условиях фиксируется пластичная фаза, имеющая тетрагональную ячейку и обозначаемая α´´.
Аллотропическое превращение как «потолок» рабочей температуры
Из сказанного ясно, что температура аллотропического превращения — важный рубеж, в значительной мере определяющий максимальную рабочую температуру жаропрочного сплава.
Следовательно, при разработке жаропрочных титановых сплавов предпочтительно выбирать такие легирующие компоненты, которые бы не снижали, а повышали температуру превращения.
Эвтектоидное превращение и риск охрупчивания
Подавляющее большинство металлов образуют с титаном диаграммы состояния с эвтектоидным превращением. Поскольку температура эвтектоидного превращения может быть весьма низкой (например, 550 °C для системы Ti—Mn), а эвтектоидный распад β-твердого раствора всегда сопровождается нежелательным изменением механических свойств (охрупчивание), то эвтектоидообразующие элементы нельзя считать перспективными легирующими добавками для жаропрочных титановых сплавов.
Однако в концентрациях, мало превышающих растворимость этих элементов в α-титане, а также в совокупности с элементами, тормозящими развитие эвтектоидной реакции (молибден в случае хрома и др.), эвтектоидообразующие добавки могут входить в состав современных многокомпонентных жаропрочных титановых сплавов.
Но и в этом случае предпочтительнее элементы, имеющие с титаном наиболее высокие температуры эвтектоидного превращения. Например, в случае хрома эвтектоидная реакция протекает при температуре 607 °C, а в случае вольфрама — при 715 °C.
Можно считать, что сплавы, содержащие вольфрам, будут стабильнее и жаропрочнее сплавов с хромом.
Классификация легирующих элементов по влиянию на превращение
Поскольку для титановых сплавов, поставляемых нашей компанией, решающее значение имеет фазовое превращение в твердом состоянии, в основу приводимой ниже классификации положено подразделение всех легирующих элементов и примесей на три большие группы по их влиянию на температуру полиморфного превращения титана. Учитывается также характер образующихся твердых растворов (внедрения или замещения), эвтектоидного превращения (мартенситный или изотермический) и существование металлидных фаз.
Легирующие элементы могут повышать или понижать температуру полиморфного превращения титана, или же мало влиять на неё.
Раздел: Свойства и структура титана.
