Титан ВТ6

Автор: Волков Семён

Дата публикации: 25 Августа 2024

Характеристики термической обработки титана ВТ6 (а также схожих по составу ВТ14 и других): термическая обработка является ключевым методом модификации структуры титановых сплавов и достижения требуемого комплекса механических параметров, которые необходимы при эксплуатации изделий. Она обеспечивает высокую прочность при достаточной пластичности и вязкости, а также сохраняет эти свойства стабильными в процессе эксплуатации, что делает её столь же важной, как и легирование.

Основные типы термической обработки титановых сплавов включают: отжиг, закалку и старение. Также используются термомеханические методы обработки.

В зависимости от температурных условий, отжиг титановых сплавов может быть сопряжён с фазовыми превращениями (отжиг с фазовой перекристаллизацией при температуре выше α→β-превращения) или протекать без фазовых изменений (например, рекристаллизационный отжиг ниже температуры α→β-превращения). Рекристаллизационный отжиг титана и его сплавов приводит к снижению прочности или устранению внутренних напряжений, что может быть связано с изменением механических свойств. Легирующие добавки и газовые примеси существенно влияют на температуру рекристаллизации титана. Как видно из рисунка, углерод, кислород, алюминий, бериллий, бор, рений и азот значительно повышают температуру рекристаллизации. Некоторые элементы (хром, ванадий, железо, марганец, олово) оказывают влияние при введении их в больших количествах – не менее 3%. Различное влияние этих элементов объясняется их химическим взаимодействием с титаном, различием атомных радиусов и структурным состоянием сплавов.

Отжиг имеет наибольшую эффективность для нестабильных по структуре и деформированных титановых сплавов. В отожженном состоянии прочность двухфазных α+β-сплавов титана не является простой суммой прочностей α- и β-фаз, но также зависит от гетерогенности структуры. Максимальную прочность в отожженном состоянии демонстрируют сплавы с наиболее гетерогенной структурой, содержащие примерно равное количество α- и β-фаз, что обусловлено уменьшением микроструктуры. Отжиг способствует улучшению пластических характеристик и технологических свойств сплавов.

Процессы отжига титановых сплавов (листовых материалов и деталей из них) [7]

Частичный (низкотемпературный) отжиг используется для снятия внутренних напряжений, возникающих в результате сварочных операций, механической обработки, листовой штамповки и других процессов.

Помимо процессов рекристаллизации, в титансодержащих сплавах могут происходить и другие превращения, влекущие изменения конечной структуры. Важнейшие из них включают:

а) мартенситное превращение твердого раствора β;

б) изотермическое превращение в-твердого раствора;

в) эвтектоидное или перитектоидное превращение в-твердого раствора с образованием интерметаллидных фаз;

г) изотермическое превращение нестабильного а-твердого раствора (например, аʺ в а+в).

Упрочняющая термическая обработка возможна лишь при наличии в сплаве в-стабилизирующих элементов. Она включает закалку сплава и последующее старение. Свойства титанового сплава, формирующиеся в результате термической обработки, зависят от состава и количества метастабильной в-фазы, сохраняющейся при закалке, а также от типа, количества и распределения продуктов распада, возникающих в процессе старения. На стабильность в-фазы существенно влияют примеси внедрения — газы. По данным И. С. Полькина и О. В. Каспаровой, азот снижает стабильность в-фазы, изменяет кинетику распада и конечные свойства, повышает температуру рекристаллизации. Аналогичный эффект оказывает кислород, однако влияние азота более выраженное. Например, на кинетику распада в-фазы в сплаве ВТ15 содержание 0,1% N2 эквивалентно 0,53% 0₂, а 0,01% N₂ — 0,2% 0₂. Азот, так же как и кислород, подавляет процесс образования ω-фазы.

М. А. Никаноровым и Г. П. Дыковой было предложено, что увеличение содержания кислорода (O₂) ускоряет деградацию β-фазы из-за его взаимодействия с вакансиями в закаленном β-твердом растворе. Это, в свою очередь, создает условия для формирования α-фазы.

Водород стабилизирует β-фазу, повышая количество остаточной β-фазы в закаленных сплавах, увеличивая эффект старения сплавов, закаленных из β-области, а также снижает температуру нагрева перед закалкой, что обеспечивает максимальный эффект старения.

В α+β- и β-сплавах водород влияет на интерметаллидное разрушение, способствуя образованию гидридов и потере пластичности β-фазы при старении. Основная концентрация водорода находится в β-фазе.

Ф. Л. Локшином, изучавшим фазовые превращения при закалке двухфазных титановых сплавов, были получены зависимости структуры после закалки из β-области и концентрацией электронов.

Сплавы ВТ6С, ВТ6, ВТ8, ВТЗ-1 и ВТ14 обладают средней концентрацией электронов на атом в диапазоне 3,91-4,0. После закалки из в-области эти сплавы характеризуются структурой аʺ. При концентрации электронов в пределах 4,03-4,07 после закалки образуется а"-фаза. Сплавы ВТ15 и ВТ22 с концентрацией электронов 4,19 после закалки из в-области имеют структуру в-фазы.

Свойства закалённого сплава и процессы его упрочнения при старении в значительной степени зависят от температуры закалки. При фиксированной температуре старения, с повышением температуры закалки T_зак в (а + в)-области возрастает прочность сплава, однако его пластичность и вязкость снижаются. При переходе T_зак в область в-фазы прочность уменьшается, не улучшая при этом пластичность и вязкость. Это объясняется увеличением размера зерен.

С. Г. Федотов и др., исследуя многокомпонентный сплав а + в (7% Мо; 4% Al; 4% V; 0,6% Cr; 0,6% Fe), продемонстрировали, что при закалке из в-области формируется грубозернистая игольчатая структура, что приводит к снижению пластичности сплава. Во избежание этого явления для двухфазных сплавов рекомендуется проводить закалку в пределах области а + в-фаз. В большинстве случаев эти температуры находятся на границе или в непосредственной близости к переходу а + в→в. Прокаливаемость является одной из ключевых характеристик титановых сплавов.

С. Г. Глазунов определил количественные показатели прокаливаемости некоторых титановых сплавов. Например, плиты из сплавов ВТЗ-1, ВТ8, ВТ6 прокаливаются насквозь при толщине до 45 мм, а плиты из сплавов ВТ14 и ВТ16 - при толщине до 60 мм; листы из сплава ВТ15 прокаливаются при любой толщине.

В последние годы проведены исследования по поиску оптимальных практических методов и режимов упрочняющей термической обработки промышленных титановых сплавов. Обнаружено, что после закалки двухфазных сплавов ВТ6, ВТ14, ВТ16 их предел прочности и предел текучести снижаются. Схожую прочность после закалки демонстрирует и сплав ВТ

Свойства и характеристики сплава

Во-первых, механические свойства ВТ6 делают его идеальным материалом для применения в аэрокосмической и медицинской отраслях. Сплав обладает высокой прочностью на растяжение, которая может достигать до 1000 МПа. Важным преимуществом является и значительная устойчивость к коррозии, что делает его наилучшим выбором для агрессивных сред.

Температурные характеристики ВТ6 позволяют использовать его при температурных режимах от -253 до 400 градусов Цельсия. Это свойство делает сплав особенно ценным материалом для компонентов ракетной и космической техники. Высокая термостойкость и устойчивость к окислению при высоких температурах обеспечивают надежную эксплуатацию в экстремальных условиях.

Неотъемлемой чертой ВТ6 является его биологическая совместимость, что позволяет применять его в медицине, особенно в ортопедии и имплантологии. Титановые сплавы, такие как ВТ6, хорошо срастаются с костной тканью и минимизируют риск отторжения имплантатов.

Кроме того, ВТ6 характеризуется низкой плотностью, составляющей около 4.43 г/см³. Это обеспечивает конструкциям, изготовленным из этого сплава, высокое отношение прочности к весу, что особенно ценно в авиа- и ракетостроении, где каждый грамм на вес золота.

Химический состав сплава ВТ6 включает примерно 90% титана, 6% алюминия и 4% ванадия, что придает ему уникальные свойства. Небольшое количество алюминия увеличивает прочность и жесткость, в то время как ванадий улучшает пластичность и твердость.

Таким образом, совокупность представленных свойств и характеристик делает ВТ6 одним из наиболее востребованных материалов в высокотехнологичных отраслях, где требуется сочетание легкости, прочности и устойчивости к агрессивной среде.

Преимущества и недостатки ВТ6

Сплав ВТ6 (известный также под обозначением Ti-6Al-4V в международной номенклатуре) представляет собой титан-алюминиевый сплав, обладающий уникальными свойствами, которые делают его востребованным в различных отраслях промышленности и технологий. Однако, несмотря на множество положительных качеств, он также имеет и свои недостатки. Рассмотрим основные преимущества и недостатки данного сплава более детально.

Преимущества ВТ6:

1. Высокая прочность и устойчивость к растяжению. Сплав ВТ6 обладает высокой удельной прочностью, что делает его подходящим для использования в конструкциях, где требуются легкость и прочность одновременно.

2. Отличная коррозионная стойкость. Титановые сплавы, включая ВТ6, демонстрируют высокую стойкость к коррозии в различных агрессивных средах, таких как морская вода, кислотные и щелочные растворы, что особенно важно для морской и химической промышленности.

3. Стабильность при высоких температурах. Свойства сплава ВТ6 сохраняются при эксплуатации в высокотемпературных условиях, что делает его востребованным в аэрокосмической и авиационной промышленности.

4. Биосовместимость. Один из важных аспектов применения сплава ВТ6 в медицине – его отличная совместимость с живыми тканями организма, что позволяет эффективно использовать его для изготовления медицинских имплантатов и протезов.

Недостатки ВТ6:

1. Высокая стоимость. Производство и обработка титановых сплавов, включая ВТ6, являются дорогостоящими процессами, что ограничивает его использование в массовом производстве и делает продукцию из этого материала доступной не для всех отраслей.

2. Трудности механической обработки. Титановые сплавы, включая ВТ6, сложны в обработке и требуют применения специализированного оборудования и технологий, что может увеличить производственные затраты и временные затраты на изготовление конечных изделий.

3. Чувствительность к водородной хрупкости. Как и другие титановые сплавы, ВТ6 подвержен водородной хрупкости, когда металл насыщается водородом и теряет свои механические свойства, становясь хрупким. Это требует ответственного подхода к условиям эксплуатации и хранения изделий из данного материала.

Таким образом, сплав ВТ6 сочетает в себе ряд уникальных свойств и характеристик, которые делают его незаменимым в ряде высокотехнологичных областей. Однако при выборе его в качестве материала следует учитывать как преимущества, так и его недостатки, чтобы обеспечить максимальную эффективность и безопасность эксплуатации готовых изделий.