ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТИТАНА И ЕГО СПЛАВОВ

Титан и его сплавы представляют собой один из наиболее распространенных классов материалов, используемых в современной промышленности, начиная от микроскопических ортопедических имплантатов и заканчивая массивными элементами авиационной и космической техники. Такой широкий спектр использования титана порождает интенсивное развитие методов модифицирования его структурно-фазового состояния, позволяющих придать обрабатываемым изделиям необходимые свойства. В связи с этим данная глава посвящена общему описанию структуры и физико-механических свойств титана и его сплавов, что позволит в дальнейшем провести анализ роли воздействия на него компрессионными плазменными потоками и легирования атомами металлов.

Титан представляет собой металл, принадлежащий к четвертой группе Периодической системы элементов (порядковый номер - 22) и относится к переходным металлам с недостроенной iJ-оболочкой. Атом титана имеет следующее электронное строение: ls22s22p63s23p63cP4s2. Третий и четвертый уровни электронной оболочки полностью недостроены (ЗсГ-Ав2), что позволяет отнести титан к переходным металлам и объясняет многие особенности его физико-химических свойств. В соответствии со строением двух внутренних оболочек атома титана наиболее характерны для него соединения, в которых он четырехвалентен, хотя есть соединения, где он имеет меньшую валентность. Атомный радиус изолированного атома титана равен 0,146 нм.

Ближайшими аналогами титана являются цирконий, гафний и торий, относящиеся к той же группе Периодической системы элементов и имеющие сходное электронное строение и кристаллическую структуру.

Титан может существовать в двух аллотропических модификациях - низкотемпературной (a-фаза) и высокотемпературной (P-фаза) (рис. 1.1) [1—3]. Низкотемпературная a-фаза титана имеет гексагональную кристаллическую решетку (пространственная группа симметрии Р6/ттт), параметры которой, как было определено на титане высокой чистоты (иодидном титане) при температуре 25 °С, имеют следующие значения: а = 0,295 нм, с = 0,468 нм, параметр гексагональное™ с/а = 1,58 и является несколько меньше величины 1,633, характерной для плотноупако- ванных гексагональных структур. При повышении температуры параметры а и с линейно возрастают [4, 5].

С точки зрения упругих свойств гексагональная решетка титана обладает определенной анизотропией, которая проявляется в зависимости упругих модулей от направления приложенной силы внешнего воздействия. Так, модуль упругости (модуль Юнга) имеет максимальное значение 145 ГПа вдоль оси с и составляет 100 ГПа в перпендикулярном направлении. Аналогичную зависимость от направления проявляет модуль сдвига, который изменяется от 46 до 34 ГПа [4].

Деформация низкотемпературной фазы титана может осуществляться как за счет скольжения, так и за счет двойникования [1]. Вследствие того, что параметр гексагональности элементарной

Элементарные ячейки низкотемпературной

Рис. 1.1. Элементарные ячейки низкотемпературной (гексагональной) а-фазы (а) и высокотемпературной (кубической) (3-фазы (б) титана ячейки a-фазы титана меньше, чем 1,633, пластическая деформация скольжением осуществляется преимущественно по плоскостям {1010} и {10 11} с направлением скольжения <1120>. Базисные плоскости {0001} являются плоскостями скольжения с направлением скольжения < 1120 > только в монокристаллах титана высокой чистоты. Скольжение по плоскости {1011} начинается прежде всего тогда, когда затрудняется скольжение по плоскости {1010} вследствие наличия примесных атомов, располагающихся преимущественно в октаэдрических пустотах.

Аналогично плоскостям скольжения в титане выявлены плоскости двойникования, число которых больше, чем у других гексагональных металлов. В монокристаллических образцах титана были обнаружены следующие плоскости двойникования: {1012}, {1121}, {1122}, {1123} и {1124}.

Из-за сильного химического сродства к различным элементам титан даже высокой чистоты содержит небольшое количество примесей, в основном кислорода, которые оказывают сильное влияние на его механические свойства. Эксперименты, проведенные на титановых сплавах высокой чистоты, позволили определить основные прочностные параметры, характеризующие пластическое деформирование низкотемпературной фазы титана. Так, предел пропорциональности для титана, вплоть до которого решетка деформируется упруго, составляет около 20 МПа, предел текучести (а) находится в диапазоне 100-130 МПа, предел прочности (ав) - 200-300 МПа [1]. Предел прочности титана может быть повышен до уровня, соответствующего пределу прочности нелегированной стали, введением примесей. Элементы внедрения, содержащиеся в технически чистом титане, - кислород, азот, углерод и водород - оказывают наиболее сильное влияние на его механические свойства. Кислород и азот, обладая высокой растворимостью в a-фазе титана, могут в большей степени повышать предел прочности, уменьшая при этом пластичность.

При температуре выше 882 °С стабильной является |3-фаза титана, имеющая объемно-центрированную кубическую структуру (ОЦК) (пространственная группа симметрии m3rri). Значение параметра кубической решетки (3-фазы титана было определено в результате экстраполяции до нулевой концентрации легирующих элементов кривых изменения параметра решетки от состава для ряда титановых сплавов, содержащих остаточную (3-фазу. Соответствующее этим экспериментам значение параметра решетки (3-фазы титана составляет 0,328 нм. Путем высокотемпературной рентгенографической съемки было установлено, что при температуре 900 °С параметр кубической решетки составляет 0,332 нм [6]. Скрытая теплота а—»р перехода составляет 3330 Дж/моль.

Фазовый переход из высокотемпературной ((З-Ti) в низкотемпературную (a-Ti) модификацию может происходить как по мартенситному механизму, связанному с коллективным движением атомов на небольшие по сравнению с межатомными расстояния, так и по диффузионному механизму, заключающемуся в зарождении и росте зародышей второй фазы. Преимущественная реализация того или иного механизма, как правило, определяется скоростью охлаждения и наличием легирующих элементов. При фазовом переходе, реализующемся по мартенситному механизму, сохраняется кристаллографическая корреляция структур двух фаз согласно соотношению Бюргерса [1,4, 6]:

Пластическая деформация титановых сплавов на основе p-фазы происходит по таким же механизмам, как и во всех металлах с ОЦК структурой. Скольжение происходит по плоскостям {ПО}, {112} и {123} в направлении < 111 >, двойникова- ние осуществляется по системе {112} <111 > [1].

Упругие параметры непосредственно p-фазы титана определить достаточно сложно ввиду того, что наблюдение этой фазы происходит при легировании атомами других металлов, которые в зависимости от типа элемента и его концентрации могут изменяться в широких пределах.

С точки зрения электрических свойств титан представляет собой проводник, величина удельного электросопротивления которого определяется наличием в нем примесей, в особенности содержанием кислорода и азота, которые легко в нем растворяются. При комнатной температуре удельное электросопротивление титана составляет 42-70 мкОм • см, что практически в четыре раза выше, чем у железа, и в 25 раз выше, чем у меди. До температуры 350-400 °С электросопротивление титана линейно возрастает, а затем эта зависимость отклоняется от прямой линии тем в большей степени, чем выше температура. При переходе титана из a-фазы в p-фазу происходит снижение его удельного электросопротивления до значений 10-15 мкОм см. Следует заметить, что наличие примесей в стабилизированной p-фазе существенно влияет на величину электросопротивления [2, 5-7].

Во внешних магнитных полях титан проявляет себя как парамагнитный материал. Его магнитная восприимчивость при комнатной температуре составляет + 3,16-10 6, магнитная проницаемость 1,00004 [7].

Тепловое расширение титана при его нагреве от 20 °С происходит практически линейно, причем коэффициент линейного расширения титана также увеличивается от 8,8 • 10_6 °С-1 (при 100 °С) до 9,8 • 10_6 °С-1 (при 400 °С). Коэффициент теплового линейного расширения титана может существенным образом изменяться в зависимости от наличия легирующих элементов и текстуры. При анализе эффекта теплового расширения легированных сплавов титана необходимо учитывать, что ввиду изменения температуры их полиморфного превращения по сравнению с нелегированным титаном характер изменения коэффициента теплового расширения может скачкообразно изменяться [2, 3].

В области рабочих температур 20-400 °С коэффициент теплопроводности титана составляет 20-25 Вт/(м • К), что примерно в 3 раза меньше теплопроводности железа, в 16 раз меньше теплопроводности меди и близко к теплопроводности нержавеющих сталей аустенитного класса. Относительно низкая теплопроводность титана оказывает свое влияние на процесс изменения температуры при термических воздействиях, которое сказывается в преимущественном нагреве поверхностного слоя, а не в переходе теплоты к нижележащим слоям. Примеси и легирующие элементы, как правило, понижают теплопроводность титановых сплавов [2, 3].

Титан обладает относительно низкой плотностью - 4500 кг/м3, которая в сочетании с высокой прочностью позволяет использовать титан в качестве основного элемента при производстве деталей авиационной и космической техники [8]. Более того, относительно высокая коррозионная стойкость титана делает его перспективным материалом для судостроительной промышленности [9].

Исследования последних лет показали перспективность применения титана и его сплавов в качестве основного материала при изготовлении искусственных имплантатов и хирургических инструментов [10, 11]. Все это связано с биосовместимостью титана к живым тканям организма, а также созданием сплавов с эффектом памяти формы на основе титана.

Несмотря на все это титан обладает достаточно низкими механическими свойствами, к числу которых в первую очередь следует отнести низкую твердость и, как следствие, низкий предел текучести, а также высокие трибологические параметры. Все это в совокупности не позволяет использовать титан в качестве материала при изготовлении деталей и механизмов, функционирующих при длительных повышенных нагрузках.

Эффективность применения титана можно существенно повысить за счет легирования и термической обработки, которые определяют его полиморфные превращения. По влиянию на температуру полиморфного превращения и стабильность структуры С. Г. Глазунов разделил все легирующие элементы на три основные группы (рис. 1.2) [3-7, 12-15].

Первая группа - а-стабилизаторы - элементы, повышающие температуру полиморфного превращения и расширяющие тем самым область существования a-фазы титана. По мере увеличения содержания a-стабилизирующего элемента повышается температура ос <-» (3-превращения, причем переохладить (3-фазу до температур, лежащих ниже границы (3 —»а перехода, невозможно даже при значительных скоростях охлаждения. Все а-ста-

Классификация легирующих элементов в титане

Рис. 1.2. Классификация легирующих элементов в титане

билизаторы обладают ограниченной растворимостью как в а-, так и в р-модификациях титана. В сплавах, содержащих а-стаби- лизаторы в количестве, большем предела растворимости в а-фазе, наблюдается перитектоидное превращение P-твердого раствора с образованием либо упорядоченных фаз (система Ti-Al), либо оксидных и нитридных соединений (системы Ti-N, Ti-O). К числу основных а-стабилизаторов относятся такие металлы, как Al, Ga, In, а также неметаллы - N, О, С, В.

Вторая группа - р-стабилизаторы - элементы, понижающие температуру полиморфного превращения, сужающие тем самым область существования a-фазы. Все р-стабилизаторы можно разделить на три подгруппы. В сплавах титана с легирующими элементами первой подгруппы при достаточно большой их концентрации твердый раствор на основе p-фазы титана сохраняется при охлаждении до комнатной температуры, не претерпевая эвтектоидного распада. К числу таких элементов принадлежат Mo, Nb, V, W, Та, которые способны образовывать непрерывные ряды твердых растворов на основе p-Ti, ввиду чего они называются изоморфными Р-стабилизаторами. Тем не менее в сплавах этой подгруппы может происходить монотектоид- ное превращение pj—»а+Р2, где р, - исходный твердый раствор на основе p-фазы титана, Р2 - твердый раствор на основе р-фазы титана при меньшей концентрации легирующего элемента, a - твердый раствор на основе a-Ti, причем концентрация легирующего элемента в нем не превышает предела растворимости.

В сплавах второй подгруппы р-стабилизаторов равновесная p-фаза также стабилизируется при комнатной температуре в виде твердого раствора, однако непрерывных рядов твердых растворов с данными элементами не образуется, так как не соблюдается принцип изоморфности структур элементов. Их называют квазиизоморфными Р-стабилизаторами, и к их числу относят такие металлы, как Re, Ru, Os, Rh.

В сплавах титана с легирующими элементами из третьей подгруппы при низких температурах может происходить эвтек- тоидный распад твердого раствора на основе P-фазы: р—кх+у, где a - твердый раствор на основе низкотемпературной а-фазы титана, у может представлять собой твердый раствор титана в решетке легирующего элемента, а также интерметаллидное соединение. К числу таких элементов относят Cr, Ni, Mn, Si, Си, Fe, Со, Ag, Аи, и их называют эвтектоидообразующими Р-стабилизаторами. В сплавах с эвтектоидообразующими р-стаби- лизаторами, представленными переходными металлами, р-фаза достаточно устойчива и может сохраняться в течение длительного времени при температуре ниже эвтектоидной. В сплавах титана с непереходными элементами p-фаза слабо устойчива, и ее не удается зафиксировать даже закалкой с температуры выше эвтектоидной.

Третья группа - нейтральные элементы - представлена элементами, слабо влияющими на температуру полиморфного превращения в титане. К ним принадлежат Zr, Hf, Th, Sn, Ge. Элементы этой группы образуют непрерывный ряд твердых растворов как с а-, так и с p-модификациями титана.

Ввиду того что фазовый переход из высокотемпературной фазы титана в низкотемпературную осуществляется преимущественно по мартенситному механизму, стабилизация P-фазы титана с термодинамической точки зрения обусловлена уменьшением температуры такого мартенситного превращения. Основной причиной изменения этой температуры может служить размерный фактор, связанный с различием атомных радиусов титана и легирующих элементов. В этом случае их присутствие в решетке титана приводит к ее деформированию и, как следствие, к изменению межплоскостных расстояний, особенно между теми кристаллографическими плоскостями, по которым происходит скольжение. Деформирование решетки, вызванное легирующими элементами, затрудняет скольжение, сохраняя при этом высокотемпературную фазу при пониженных температурах. Для стабилизации высокотемпературной фазы концентрация легирующего элемента должна быть выше определенного предела, называемого критической концентрацией. Критические концентрации для некоторых наиболее распространенных легирующих добавок в титане представлены в табл. 1.1.

Таблица 1.1. Критические концентрации легирующих элементов в титане

Элемент

Концентрация, ат.%

[1]

[2]

[3]

[4]

V

13,5-18,4

15

18,4

14,2

Nb

23

-

23,0

22,5

Та

17,8-21

15-21

21,0

20,9

Сг

5,8-8,4

7,5

8,4

7,4

Мо

5,8

7,2-7,4

5,8

5,2

W

7,0-8,7

7

8,7

8

и

10

-

-

-

Мп

5,0-5,6

5,5-8

5,0

5,3

Re

4,5-6

6,0

Fe

3,0-4,9

6-8

4,5-4,9

3,4

Со

4,9-5,9

5,7-7,5

4,9

4,9

Ni

5,8-7,5

7-8

5,8-6,8

6,6

Ru

4

-

-

-

Rh

12

-

-

-

Pd

10

-

-

-

Os

3,0

-

-

-

Cu

10,1

В соответствии с изложенным среди титановых сплавов выделяют а-сплавы, «бетированные» а-сплавы, (а+(3)-сплавы и р-сплавы [1-3, 5-7, 12-15].

Группа а -сплавов включает в себя нелегированный титан, сплавы, содержащие только а-стабилизаторы либо р-стабили- заторы в количестве, не превышающем предел их растворимости в a-фазе. Кристаллическая структура таких сплавов, как правило, представлена плотноупакованной гексагональной решеткой. Сплавы этой группы характеризуются удовлетворительными величинами прочности и пластичности, высоким сопротивлением ползучести и хорошей свариваемостью. Кроме того, отсутствие вязко-хрупкого перехода, присущего обычно структурам с ОЦК решеткой, делает а-сплавы пригодными для применения в криогенной технике. К а-сплавам относятся сплавы марок ВТ1-0 и ВТ1-00 (нелегированные титановые сплавы), а также ВТ5 (Ti-5A1), ВТ5-1 (Ti-5Al-2,5Sn) и др.

«Бетированные» а-сплавы содержат в себе кроме а-стаби- лизаторов р-стабилизаторы в количестве, немного превышающем предел их растворимости в a-фазе. В структуре сплавов этой группы кроме a-фазы содержится, как правило, до 2-4% p-фазы. К числу таких сплавов относятся сплавы типа ОТ4-0 (Ti-0,2Al-0,2 Mn), ВТ4-1 (Ti-lAl-0,4 Мп) и др.

Двухфазные (а+р)-сплавы содержат значительное количество Р-стабилизирующих элементов, но не выше критической концентрации, позволяющей полностью стабилизировать высокотемпературную p-фазу при комнатной температуре. Структура таких сплавов представляется совокупностью двух фаз титана: гексагональной низкотемпературной и кубической высокотемпературной. Их соотношение в сплаве определяется концентрацией Р-стабилизирующего элемента. К числу таких сплавов относятся сплавы ВТ6С (Ti-5,3A1-3,5V), ВТЗ-1 (Ti-5,5Al-2,0Mo-0,8Cr), ВТ6 (T-6A1-4V) и др.

В р-сплавах титана содержатся p-стабилизирующие элементы, концентрация которых превосходит критическое значение. При охлаждении таких сплавов р —> а переход полностью подавляется, и их структура характеризуется лишь кубической высокотемпературной фазой. К числу таких сплавов относятся сплавы типа ВТ15 (Ti-3Al-8Mo-l 1Сг), ТС6 (Ti-3Al-5Mo-6V-llCr) и др.

Таким образом, контролируя содержание легирующих элементов в титане, представляется возможным формировать сплавы различного фазового состава с требуемыми физико-механическими свойствами. В то же время принадлежность сформированного сплава к той или иной группе позволяет определить перспективные области его практического использования.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >