Титан, подобно железу, является полиморфным металлом и претерпевает фазовое превращение при температуре около 882 °C. Ниже этой температуры устойчива гексагональная плотноупакованная кристаллическая решётка α-титана, а выше — объёмно-центрированная кубическая решётка β-титана. Эти особенности лежат в основе формирования структуры и свойств титановых сплавов.
Механические, жаропрочные и технологические характеристики титановых сплавов в значительной степени определяются типом структуры, который формируется в результате легирования и термической обработки.
α-структура титановых сплавов
Упрочнение титана достигается легированием элементами, стабилизирующими α- и β-фазы, а также термической обработкой двухфазных (α+β)-сплавов. К элементам, стабилизирующим α-фазу титана, относятся прежде всего алюминий, а также в меньшей степени олово и цирконий.
α-стабилизаторы упрочняют титан за счёт образования твёрдого раствора с α-модификацией титана, повышая прочность и жаропрочность материала.
Алюминий и α-стабилизаторы
Алюминий практически применяется во всех промышленных титановых сплавах и является наиболее эффективным упрочняющим элементом, улучшая прочностные и жаропрочные свойства титана. Однако повышение жаропрочности сплавов системы Ti–Al ограничено содержанием алюминия на уровне 7–8% вследствие образования хрупкой α2-фазы.
В последние годы установлено, что наряду с алюминием существуют и другие элементы, стабилизирующие α-модификацию титана и представляющие интерес в качестве легирующих добавок. К ним относятся галлий, индий, сурьма и висмут.
Особый интерес представляет галлий, обладающий высокой растворимостью в α-титане. Его добавление позволяет повысить жаропрочность предельно легированных алюминием сплавов без образования хрупкой α2-фазы.
Свойства и ограничения α-сплавов
Основные преимущества титановых сплавов с α-структурой — высокая термическая стабильность, хорошая свариваемость и повышенное сопротивление окислению. Вместе с тем такие сплавы чувствительны к водородной хрупкости вследствие низкой растворимости водорода в α-титане и не поддаются упрочнению термической обработкой.
Высокая прочность, получаемая за счёт легирования, часто сопровождается снижением технологической пластичности, что усложняет промышленное изготовление полуфабрикатов и деталей.
β-стабилизаторы и двухфазная структура
Для повышения прочности, жаропрочности и технологической пластичности титановых сплавов наряду с α-стабилизаторами применяются элементы, стабилизирующие β-фазу. β-стабилизаторы упрочняют титан, образуя α- и β-твёрдые растворы.
В зависимости от содержания этих элементов формируются сплавы с α+β- и β-структурой, обладающие иным комплексом свойств по сравнению с α-сплавами.
Классификация сплавов по структуре
Таким образом, по типу структуры титановые сплавы условно подразделяются на три основные группы: сплавы с α-структурой, (α+β)-структурой и β-структурой. В структуре сплавов каждой группы могут присутствовать интерметаллидные фазы.
Существенным преимуществом двухфазных (α+β)-сплавов является их способность упрочняться термической обработкой (закалкой и старением), что позволяет получить значительный прирост прочности и жаропрочности при сохранении приемлемой технологичности.
Раздел: Свойства и структура титана.
