Титан ВТ22

Автор: Волков Семён

Дата публикации: 25 Августа 2024

Особенности термообработки сплава ВТ22: ВТ22 является высокопрочным титановым сплавом с критическим составом. На примере этого сплава рассмотрим ключевые принципы термической обработки подобных сплавов.

Сплав ВТ22 базируется на системе Ti-Аl-Mo-V с примесями Fe и Cr. Существуют модификации с добавлением других элементов. Температура мартенситного превращения близка к комнатной, а температура полиморфного превращения лежит в диапазоне 820-870°C. Отжиг проводят из двухфазной зоны (750-800°C), что служит упрочняющим термическим процессом. После медленного охлаждения с температуры отжига сплав демонстрирует сравнительно равновесную α + β - структуру с примерно равным содержанием α- и β-фаз (максимальная гетерогенность).

По информации от В. Н. Моисеева, оптимальный режим отжига сплава ВТ22 выглядит следующим образом: Т_отж = 700-800°C, охлаждение с печью со скоростью 2-4°C/мин до 400°C, затем на воздухе. Влияние температуры отжига и скорости охлаждения с различных температур на механические свойства сплава можно увидеть на рисунке справа.

В ходе исследования термической обработки сплава ВТ22 И. С. Полькин и О. В. Каспарова предложили более технологичный режим отжига — двойной отжиг: первый отжиг при температуре 750-850°C, охлаждение на воздухе, второй (фактически старение длительного дисперсионного твердения) — при 600-800°C в течение 3 часов с последующим охлаждением на воздухе.

Когда повышается температура первого отжига, увеличивается зерно, а повышение температуры второго отжига ведёт к снижению дисперсности вторичных выделений α-фазы. После двойного отжига по режиму 750°C в течение 1 часа с охлаждением на воздухе и последующей второй ступенью структура сплава ВТ22 похожа на структуру этого сплава после отжига при 750°C в течение 1 часа и последующим охлаждением в печи.

Сравнение механических характеристик сплава ВТ22 после различных режимов отжига (таблица ниже) продемонстрировало возможность использования более технологичного двойного режима отжига.

Механические свойства сплава ВТ22 после выдержки в течение 1 часа при 750°C с охлаждением на воздухе (1) и в печи (2); с повторным нагреванием до различных температур, выдержкой 3 часа и охлаждением на воздухе.

Сплав ВТ22 можно успешно укрепить через термообработку, включающую закалку с последующим старением. В ходе исследования влияния различных режимов термообработки на структуру и механические свойства сплава ВТ22 установлено, что при увеличении температуры с 600 до 800°C его прочность снижается, а пластичность возрастает. При охлаждении сплава ВТ22 в воде и на воздухе с температур свыше 800°C параметры прочности и пластичности ухудшаются (см. рисунок слева). После охлаждения из α + β-области в воде и на воздухе структура сплава ВТ22 представляет собой смесь α- и β-фаз. С ростом температуры нагрева в двухфазной области происходит увеличение β-зерна; β-фаза становится преобладающей, а содержание α-фазы уменьшается. В итоге, с повышением температуры нагрева в α + β-области, прочность снижается, а кривые пластичности достигают максимума.

После закалки в воде из β-области фиксируется метастабильная β-фаза, однако при охлаждении на воздухе наблюдается выделение α-фазы по границам и в теле β-зерен.

При охлаждении с различных температур вместе с печью, сплав демонстрирует двухфазную α + β-структуру корзиночного типа.

Исследования структур образцов, закаленных с температур 900 до 1000°C на воздухе с помощью электронного микроскопа, выявили крупные выделения α-фазы по границам и внутри зерен β-фазы, а также поверхности некоторых зерен имеют вид, характерный для ω-фазы. Рентгеноструктурный анализ подтвердил наличие ω-фазы. О. В. Каспарова предположила образование ω-фазы в сплаве ВТ22 в случае замедленной закалки из β-области и при закалке массивных изделий.

На базе анализов сделан вывод о значительной чувствительности сплава ВТ22 к режиму охлаждения и изменениям в химическом составе. Установлено, что увеличение содержания алюминия подавляет образование ω-фазы.

Оптимальным режимом закалки рекомендуется считать закалку из температурного диапазона 700-800°C в воду (см. таблицу ниже).

Механические свойства сплава ВТ22 после различных режимов термической обработки:

Термическая обработка	Температура, °C		Время старения, ч	σв, кгс/мм²	δ, %	ψ, %	aн, кгс·м/см²
	Закалки или отжига	Старения
Закалка и старение	700	Без старения	‒	114,8 115,6	8,0 11,2	35,5 28,9	1,8
		540	8	121,4 125,2	12,0 6,0	23,0 23,0	2,0
			16	122,5 124,6	9,2 6,0	21,5 25,9	2,0
		560	8	122,4 123,9	8,8 8,8	25,5 22,0	2 Химический состав и характеристики Химический состав сплавов может значительно варьироваться в зависимости от их предназначения и технических требований. Основные элементы, входящие в состав сплавов, включают: Железо (Fe) Алюминий (Al) Медь (Cu) Никель (Ni) Цинк (Zn) Титан (Ti) Хром (Cr) Помимо основных элементов, в состав сплавов могут быть добавлены различные легирующие элементы с целью придания материалу специфических свойств. К таким элементам относятся: Марганец (Mn) Молибден (Mo) Кобальт (Co) Ванадий (V) Вольфрам (W) Селен (Se) Сплавы обладают особыми физико-химическими характеристиками, которые делают их привлекательными для различных промышленных и бытовых применений. Важнейшие характеристики включают: Прочность на растяжение: Сплавы, как правило, имеют высокую прочность на растяжение, что делает их пригодными для использования в конструкциях, подверженных большим механическим нагрузкам. Твердость: Твердость сплава значительно влияет на его износостойкость, что особенно важно в машиностроении и металлургии. Устойчивость к коррозии: Наличие легирующих элементов, таких как хром и никель, обеспечивает высокую устойчивость к коррозии, что увеличивает срок службы материала. Электрическая и теплопроводность: Некоторые сплавы, содержащие медь и алюминий, обладают хорошей проводимостью, что делает их незаменимыми в электротехнической промышленности. Пластичность и ковкость: Эти свойства позволяют производить сложные изделия из сплавов методом ковки и штамповки. Жаропрочность: Сплавы, содержащие элементы, такие как титан и вольфрам, могут сохранять свои свойства при высоких температурах, что делает их востребованными в авиационной и космической промышленности. Каждая из этих характеристик может быть оптимизирована путем точного регулирования химического состава и технологии производства сплава, что позволяет создавать материалы с заданными свойствами для конкретных целей. Автор: Волков Семён Эксперт в области металлопроката и металловедения