Ч л и ц а 8.7. Химический состав и механические свойства алюминиевых сплавов

	Содержание легирующих элементов, мае. %	Режим	Механические
,<йва		техноло­гической обработки	свойства
	Си	Mg	Мп	Si	Zn	другие элементы	а„МПа	5,%
АМц	—	—	1,3	—	—	—	П
АМгб	<0,1		0,65	<0,4	<0,2	Fe<0,4, Ti < 0,06	HI
АВ	0,3	0,7	0,25	0,85	<0,2	Fe < 0,5, Ti<0,15	TI
АДЗЗ	0,28	1,0	<0,15	0,6	<0,25	Fe<0,7, Cr = 0,25, Ti<0,15	TI
Д18	2,6	0,35	<0,2	<0,5	<0,1	Fe<0,5, Ti < 0,1	T
Д16	4,35	1,5	0,6	<0,5	<0,3	Ni < 0,1, Fe<0,5	TI
В96Ц1	2,3	2,65	0,55	<0,3	8,5	Zr = 0,13, Fe<0,3	T2
	------	5,5	<0,3	0,2	-----	Li = 2,1, Zr = 0,12	TI
АК8	4,35	0,6	0,7	0,9	<0,3	Fe<0,7, Ni < 0,1, Ti < 0,1	TI
АК4-1	2,3	1,5	<0,2	<0,35	<0,3	Ni = U, Fe = 1,1, Cr<0,l	TI
Д20	6,5	—	0,6	—	—	Ti = 0,15	TI
САП-2						0,25 Fe, 10%Al2O3	H
САС1-50	—	—	—	27,5	—	Ni = 6,0	H
	—	—	—	—	—	Zr = l,5, Cr = l,5	TI
ПВ90	1,5	2,5	<1,0	—		Co = 1,5, Zr = 0,3	TI
АЛ2	<0,6	<0,1	<0,5	11,5	<о,з	Fe < 1,5, Zr<0,l	—
АЛ34	<0,3	0,45	<0,1	7,5	<0,2	Ti = 0,2, Be = 0,27, B<0,1, Zr<0,2	T5

Продолжение табл. 8.7

Марка	Содержание легирующих элементов, мае. %	Режим	Механические
сплава			техноло­гической обработки	свойства
Си	Mg	Мп	Si	Zn	другие элементы	ог„МПа	5,%
АЛ32	1,25	0,4	0,4	8,0	<0,3	Ti = 0,2, Zr<0,l, Fe<0,9	TI		2,5
АЛ 19	4,9	<0,05	0,8	<0,3	<0,2	Ni < 0,1, Ti = 0,25, Zr<0,2	T5
АЛ5	1,25	0,48	<0,5	5,0	<0,3	Be, Zr, Ti < 0,15, Pb<0,01	T7		1,5
АЛЗЗ	5,8	<0,05	0,8	<0,3		Ni = l, Zr = 0,12, Се = 0Д2	Т6		1,0
АЛ27	<0,15		<0,1	<0,2	<0,1	Ti = 0,1, Be = 0,1, Zr = 0,12	Т4
АЛ24	<0,2	1,75	0,35	<0,3	4,0	Be, Zr<0,l, Ti = 0,15	Т5

Примечание. Приведен ориентировочный состав алюминиевых сплавов.

а) сплавы на основе систем А1—Мп (АМц) и А1—Mg (АМгб), не упроч­
няемые термической обработкой. Их используют в отожженном (М), нагар-
тованном (Н) или полунагартованном (П) состояниях. Эти сплавы хорошо
свариваются. Их применяют для изготовления коррозионностойких изделий,
получаемых методами глубокой вытяжки и сварки (например, сварных бен­
зобаков, трубопроводов для масла и бензина, корпусов и мачт судов);

б) сплавы системы А1—Mg—Si (АВ, АД31, АДЗЗ), упрочняемые закал­
кой (520—530 °С) и искусственным старением (150—170 °С, 10—12 ч). Эти
сплавы, вне зависимости от состояния материала, не склонны к коррозион­
ному растрескиванию под напряжением. Они удовлетворительно обрабаты­
ваются резанием в закаленном и состаренном состоянии, а также сваривают­
ся с помощью точечной, шовной и аргонодуговой сварки. Большей коррози­
онной стойкостью обладают сплавы АД31 и АДЗЗ, работающие в интервале
-70 до +50 °С; сплав авиаль АВ из указанной группы сплавов характеризует­
ся большей прочностью. Из сплавов АВ, АД31 и АДЗЗ изготавливают лопа­
сти и детали кабин вертолетов, барабаны колес гидросамолетов.

Хорошим сочетанием прочности и пластичности отличаются сплавы

системы А1—Си—Mg — дуралюмины Д1, Д16, Д18, Д19, ВД17 и др. Они упрочняются термической обработкой, (Д16, Т1: зак.494 °С, стар. 190 "С,

68 ч), хорошо свариваются точечной сваркой, удовлетворительно

обрабатываются резанием (в термоупрочненном состоянии); однако склонны к

межкристаллической коррозии после нагрева (особенно Д1, Д16 и В65).

Значительное повышение коррозийной стойкости сплавов достигается

плакированием (покрытием их техническим алюминием А7, А8). Сплавы Д19 и

ВД17 работают при нагреве до 200—250 °С (например, из сплава ВД17

изготовляют лопатки компрессора двигателя). В авиации дуралюмины

применяют для изготовления лопастей воздушных винтов (Д1), силовых

элементов конструкций самолетов (Д16, Д19), заклепок (В65, Д18) и др.

Высокопрочные сплавы системыА1—Zn—Mg—Cu(B93, В95, В96Ц) характеризуются большими значениями временного сопротивления (до 700 МПа). При этом достаточная пластичность, трещиностойкость и со­противление коррозии достигаются режимами коагуляционного ступенчато­го старения (В96Ц, Т2: зак. 470 °С, стар. 115 °С, 3-10 ч, зак. 175 °С, 3-20 ч), а также применением сплавов повышенной (В95пч) и особой (В95оч) чистоты. В данном случае сплавы обладают лучшей коррозионной стойкостью, чем дуралюмины. Рабочая температура высокопрочных сплавов не превышает 120 °С, ибо они не являются теплопрочными. Сплавы используют для изготовления высоконагруженных изделий, как правило, работающих в условиях сжатия (стрингеры, шпангоуты, лонжероны и др.).,

Высокомодульный сплав 1420 обладает за счет легирования алюминия литием и магнием (система Al—Mg—Li) пониженной (на 11%) плотностью и одновременно повышенным (на 4%) модулем упругости по сравнению со свойствами сплава Д16. Сплав 1420 характеризуется коррозийной стойкостью (аналогичной сплаву АМгбМ) после закалки с искусственным старением (Т1, зак. 450 °С, стар. 170 °С, 8—24 ч), а также после сварки. Сплав может быть использован для замены в изделиях сплава Д16, обеспечивая при этом снижение их массы на 10—15%.

Высокой пластичностью при горячей обработке давлением обладают ковочные сплавы АК6 и АК8 (система А1—Mg—Si—Си). Они удовлетвори­тельно свариваются, хорошо обрабатываются резанием, но склонны к корро­зии под напряжением. Для обеспечения коррозионной стойкости детали из сплавов АК6 и АК8 анодируют (электрохимически оксидируют) или наносят лакокрасочные покрытия. Из ковочных сплавов изготавливают ковкой и штамповкой детали самолетов, работающие под нагрузкой (рамы, пояса лонжеронов, крепежные детали). Эти сплавы способны работать при крио­генных температурах.

Жаропрочные алюминиевые сплавы системы А1—Си—Мл (Д20, Д21) и А1—Си—Mg—Fe—Ni (АК4-1) применяют для изготовления деталей

(поршни, головки цилиндров, диски и лопатки компрессоров), работающих при повышенных температурах (до 300 °С). Жаропрочность достигается за счет легирования сплавов никелем, железом и титаном, затормаживающими диффузионные процессы и образующими сложнолегированные мелкодис­персные упрочняющие фазы, устойчивые к коагуляции при нагреве (АКЧ-1, Т1: зак. 530 °С, стар. 190 °С, 8—12 ч). Сплавы обладают высокой пластичностью и технологичностью в горячем состоянии, хорошо (Д201 или удовлетворительно (Д21, АК-1) свариваются^ однако отличаются пониженной коррозионной стойкостью; из защищают от коррозии анодированием и лакокрасочными

покрытиями. При 250 °С большей жаропрочностью обладают сплавы Д21 (а£=130 МПа) и Д20 (ст**'=125 МПа) по сравнению со сплавом АК4-1

.(а £=90 МПа).

Литейные алюминиевые сплавы. Основные требования к сплавам для фасонного литья — это сочетание хороших литейных свойств (высокой жид-котекучести, небольшой усадки, малой склонности к образованию горячих трещин и пористости) с оптимальными механическими и химическими (со­противление коррозии) свойствами. Лучшими литейными свойствами обла­дают сплавы эвтектического состава. Больше распространены сплавы на ос­нове систем А1—Si, А1—Си, А1—Mg.

Конструкционные герметичные сплавы систем А1—Si (АЛ2) и А1—Si—Mg (АЛ4, АЛ9, АЛ34) получили название силумины. АЛ2 близок к эвтектическому составу (10—13% Si) и отличается высокими ли­тейными свойствами, коррозионной стойкостью, большой плотностью отли­вок. В то же время структура сплава АЛ2, представляющая собой игольча­тую грубую эвтектику с включениями кристаллов первичного кремния, не обеспечивает требуемых механических свойств материала. Повышение пла­стичности сплава за счет изменения структуры (измельчение структуры эв­тектики, появление избыточных кристаллов а-твердого раствора вместо кремния) достигается модифицированием АЛ2 натрием (0,065%) посредст­вом введения в расплав смеси солей (67% NaF + 33% NaCl) (рис. 8.3). Тер­мической обработкой сплав АЛ2 не упрочняется. Легированные силумины АЛ4, АЛ9, АЛ34 упрочняются термической обработкой по режимам Tl, Т4, Т5, Т6 (АЛ34, Т5: зак. 535 °С, стар. 75 °С, 6 ч). Силумины обладают хорошими

литейными свойствами, удовлетворительной обрабатываемостью резанием, свариваемостью и коррозийной стойкостью, для повышения которой детали анодируют и защищают лакокрасочными покрытиями. Сплав АЛ2 используют для изготовления мелких, а АЛ4 и АЛ9 — средних и крупных литых деталей (корпусов компрессоров, картеров двигателей внутреннего сгорания). Сплав АЛ34 (ВАЛ5) превосходит сплавы АЛ4 и АЛ9 по прочности на 25—50%. Сплав АЛ34 применяется для отливок, получаемых литьем под давлением (блоков цилиндров автомобильных двигателей), и отличается хорошим комплексом технологических свойств.

а

1414°С

Z 11 N |l. «?i: ii

иг

«V,

м

j:

е.

/

""«

V

,й""

^*

V

Жидкость

М

Ь 1000 я

1Л-

\ —

к—

VS

1Z *

\ Ч ч

£900

v*»«,

•н*

Ч

2// //1

'

б

1 5

9 И13 15 SSI

I

660-С Ч^Кидк

' Ж

идкость-

•p

■577°С

2-

)/, л

500 400

<yl,32_

♦V-1 1 1 1

564«С

.,-1?

Ьвт(а+| | 11,

\ \ 1\ и

($(81)+Эет(а+Р) 1 I

i •

1

0 1С

1 21

) 3

) 4(

> Сод

;ржа

HHcSi,

> %

7(

8(

»

100 Si

Рис. 8.3. Влияние модифицирования на вид диаграммы состояния Л1—Si (а) и ме­ханические свойства сплавов этой системы (б): / — после модифицирования; 2 — до модифицирования

Высокопрочные и жаропрочные литейные сплавы. В эту группу входят сплавы систем А1—Си—Mn (AJ119), А1—Си—Mn—Ni (АЛЗЗ) и А1—Si—Си—Mg (АЛЗ, АЛ5).

Легирование сплава АЛ 19 титаном обеспечивает ему высокие механические свойства (в том числе при динамическом нагружении) при комнатной и низких температурах, а дополнительное легирование церием и цирконием — жаро-

прочность при температурах до 300 °С. Сплав отличается хорошей обраба­тываемостью резанием и свариваемостью, но пониженной коррозионной стойкостью. Сплав АЛ 19 упрочняется термообработкой по режимам Т4, Т5, Т7 (Т5: зак. 545 °С, 12 ч, стар. 175 °С, 3—6 ч); он широко используется для литья крупногабаритных отливок в песчанные формы.

Сплав АЛЗЗ характеризуется высокой жаропрочностью (су'™ = 90 МПа), хорошей обрабатываемостью резанием, однако имеет пониженные литейные свойства и коррозионную стойкость. Он термически упрочняется по режи­мам Т5—Т7. Температура работы сплава АЛЗЗ — до 350 °С.

Сплавы АЛЗ и АЛ5 отличаются повышенной жаропрочностью при тем­пературах до 250—270 °С, но пониженной коррозионной стойкостью. Спла­вы упрочняют по режимам Т5—Т8, из них изготавливают корпуса приборов, головки цилиндров двигателей, работающие при повышенных температурах (250—270 °С).

Коррозионностойкие литейные алюминиевые сплавы. Сплавы систем А1—Mg (АЛ8, АЛ27) и Al—Mg—Zn (АЛ24) обладают высо­кой коррозионной стойкостью во многих агрессивных средах, обрабатыва­ются резанием и свариваются. Дополнительное легирование сплавов систе­мы Al—Mg бериллием, титаном и цирконием вызывает измельчение зерна и затормаживание процесса естественного старения, приводящего к снижению пластичности и коррозионной стойкости. Поэтому сплавы системы Al—Mg упрочняются только закалкой в масле без последующего старения (АЛ27, Т4:

зак. 435 °С,10 ч). Сплавы АЛ8, АЛ27 и АЛ27-1 характеризуются невысокими литейными свойствами и низкой жаропрочностью (рабочие температуры до 80 °С). Сплавы способны работать в условиях коррозии морской воды вместо дефицитных бронз, латуней и нержавеющих сталей.

Сплавы системы Al—Mg—Zn (АЛ24) обладают стабильными механиче­скими свойствами, хорошей жаропрочностью (до 150 °С) и удовлетвори­тельными литейными свойствами. Сплав АЛ24 упрочняется естественным или искусственным старением без предшествующей закалки (Т1) либо за­калкой с 550 °С (на воздухе или в кипящей воде) с последующим искусст­венным старением (165 °С, 22 ч) для повышения прочности.

Спеченные алюминиевые сплавы (порошковые и гранулированные) характеризуются повышенными механическими и физическими свой­ствами.

Спеченный алюминиевый порошок (САП) — это матери­ал, полученный холодным, а затем горячим брикетированием (прессованием под давлением 700 МПа при 500—600 °С) предварительно окисленной алю­миниевой пудры (чешуек толщиной до 1 мкм). Потом из горячепрессован-ных брикетов ковкой, прокаткой или прессованием изготавливают изделия или полуфабрикаты. /Поскольку каждая частичка пудры покрыта тонким сло-

ем оксида алюминия, то чем тоньше пудра, тем больше в САПе оксида алю­миния, выше его прочность, но ниже пластичность; в САПе содержится А1₂0₃ от 6 до 22%. САП характеризуется высокой прочностью и жаропроч­ностью при повышенных температурах (350—500 °С). Так, временное со­противление САПа при 500 °С колеблется в интервале 80—120 МПа (в зави­симости от содержания А1₂0₃). Разновидностью САПа является сплав СПАК-4 (системы А1—Си—Mg—А1₂0з), в котором впервые использовано, совместное упрочнение алюминиевой матрицы оксидами (А1₂0₃) и интерме-таллидами (например, Al₉FeNi и др.). Обладая высокой длительной прочно­стью при 350 °С (в 2—2,5 раза большей, чем у сплава АК4-1), сплав СПАК4 может применяться для работающих на форсированных режимах поршней.

Спеченные алюминиевые сплавы систем А1—Si—Ni (САС-1) и Al—Si—Fe (САС-2), отличающиеся низким коэффициентом тер­мического расширения, изготавливают из порошков, полученных пульвери­зацией жидких сплавов. Это обеспечивает сплавам достаточно равномерную дисперсную структуру, содержащую мелкие включения кремния и интерме-таллидов.

В настоящее время получили распространение гранулируемые алюми­ниевые сплавы, отличающиеся высоким содержанием легирующих элемен­тов (Mn, Cr, Zr, Ti, V), нерастворимых или малорастворимых в алюминии. Гранулирование (получение гранул — литых частиц с диаметром от не­скольких миллиметров до десятых долей миллиметра) осуществляют распы­лением расплава с высокими скоростями охлаждения (10⁴—10⁸ °С/с) в воде. При этом образуются пересыщенные переходными металлами твердые рас­творы на основе алюминия; одновременно изменяется структура: грубые первичные и эвтектические включения интерметаллидов (присущие слиткам, получаемым по обычной технологии) становятся более тонкими и равномер­но распределенными, что повышает механические свойства сплавов. Из гра­нул изготавливают прессованные полуфабрикаты и листы любых алюминие­вых сплавов. В процессе горячей деформации при получении полуфабрика­тов аномально пересыщенные твердые растворы распадаются с выделением дисперсных частиц интерметаллидов. Таким образом, технологический на­грев до 400—450 °С при изготовлении полуфабрикатов является упрочняю­щим старением сплава. Роль закалки для таких сплавов играет кристаллиза­ция при больших скоростях охлаждения.

Дисперсионно твердеющим гранулируемым является сплав 01419 сис­темы А1—Сг—Zr, который упрочняется вследствие выделения фаз Al₃Zr, А1₇Сг при прессовании прутков. Сплав обладает повышенной жаропрочно­стью до 350 °С.

Другой группой гранулируемых сплавов являются высокопрочные спла­вы типа В95, В96Ц системы А1—Zn—Mg—Си (например, ПВ90), упрочняе-

мые термической обработкой. Сплав ПВ90Т1 превосходит по прочности и температуре рекристаллизации все серийные деформируемые алюминиевые сплавы. Сплав ПВ90 хорошо полируется и обрабатывается резанием. Обла­дая размерной стабильностью, он перспективен для изготовления зеркал, узлов трения и других ответственных деталей высокоточных приборов.

Композиционные алюминиевые сплавы. Волокнистые ком­позиционные материалы получают, армируя алюминиевые сплавы АД1, АДЗЗ борными волокнами (ВКА-1, ВКА-2). Эти материалы использу­ют для изготовления стрингеров, труб. Для композиционных материалов ВКА-1 и ВКА-2 характерны высокие значения циклической прочности. Алюминиевые сплавы, армированные стальной проволокой (КАС-1, КАС-1А, см. табл. 8.6), могут подвергаться гибке, обладают высокой ударной вязко­стью и жаропрочностью, большим сопротивлением распространению уста­лостной трещины и значительной прочностью. Применение накладок (стоп-перов) из материала КАС уменьшает скорость распространения трещины более чем в пять раз по сравнению с накладками из титановых сплавов.

8.1.3. Титан и его сплавы

Титан и сплавы на его основе обладают высокой коррозионной стойко­стью (сопротивлением межкристаллитной, щелевой и другим видам корро­зии), удельной прочностью. Недостатками титана являются его активное взаимодействие с атмосферными газами, склонность к водородной хрупко­сти. Азот, углерод, кислород и водород, упрочняя титан, снижают его пла­стичность, сопротивление коррозии, свариваемость. Титан плохо обрабаты­вается резанием, удовлетворительно — давлением, сваривается в защитной атмосфере; широко распространено вакуумное литье, в частности вакуумно-дуговой переплав с расходуемым электродом. Титан имеет две аллотропиче­ские модификации: низкотемпературную (до 882,5 °С) — а-титан с ГПУ ре­шеткой, высокотемпературную — р-титан с ОЦК решеткой. Легирующие элементы подразделяют в зависимости от их влияния на температуру поли­морфного превращения титана (882,5 °С) на две основные группы: а-стаби-лизаторы (элементы, расширяющие область существования а-фазы и повы­шающие температуру превращения — Al, Ga, Ge, La, С, О, N) и Р-стабилиза-торы (элементы, суживающие а-область и снижающие температуру поли­морфного превращения, — V, Nb, Та, Zr, W, Mo, Cr, Mn, Fe, Co, Si, Ag и др.), рис. 8.4. В то же время легирующие элементы (как а-, так и Р-стабилизато-ры) можно разделить на две основные группы: элементы с большой (в пре­деле — неограниченной) и ограниченной растворимостью в титане. Послед­ние могут образовывать с титаном интерметаллиды, силициды и фазы вне-

Таблица 8.7. Химический состав и механические свойства алюминиевых сплавов

Марка	Содержание легирующих элементов, мае. %	Режим	Механические
сплава		техноло­гической обработки	свойства
Си	Mg	Мп	Si	Zn	другие элементы	о„МПа	5,%
АМц	—	—	1,3	—	—	—	П
АМгб	<0,1		0,65	<0,4	<0,2	Fe < 0,4, Ti < 0,06	HI
АВ	0,3	0,7	0,25	0,85	<0,2	Fe < 0,5, Ti<0,15	TI
АДЗЗ	0,28	1,0	<0,15	0,6	<0,25	Fe<0,7, Cr = 0,25, Ti < 0,15	TI
Д18	2,6	0,35	<0,2	<0,5	<0,1	Fe<0,5, Ti < 0,1	T
Д16	4,35	1,5	0,6	<0,5	<0,3	Ni < 0,1, Fe<0,5	TI
В96Ц1	2,3	2,65	0,55	<0,3	8,5	Zr = 0,13, Fe < 0,3	T2
	—	5,5	<0,3	0,2	—	Li = 2,1, Zr 4 0,12	TI
АК8	4,35	0,6	0,7	0,9	<0,3	Fe<0,7, Ni < 0,1, Ti < 0,1	TI
АК4-1	2,3	1,5	<0,2	<0,35	<0,3	Ni = 1,1, Fe = l,l, Cr<0,l	TI
Д20	6,5	—	0,6	—	—	Ti = 0,15	TI
САП-2						0,25 Fe, 10%Al2O3	H
САС1-50	—	—	—	27,5	—	Ni = 6,0	H
						Zr = l,5, Cr=l,5	TI
ПВ90	1,5	2,5	<1,0	—		Co = 1,5, Zr = 0,3	TI
АЛ2	<0,6	<0,1	<0,5	11,5	<0,3	Fe<l,5, Zr<0,l	—
АЛ34	<0,3	0,45	<0,1	7,5	<0,2	Ti = 0,2, Be = 0,27, B<0,1,	T5
		!			Zr<0,2

Классификация титановых сплавов. Структура промышленных спла­вов титана — это твердые растворы легирующих элементов в а- и (J-модифи-кациях титана. Поскольку легирующие элементы влияют на стабилизацию той или иной аллотропической модификации титана, то сплавы титана в за­висимости от их стабильной структуры (после отжига) при комнатной тем­пературе подразделяют на три основные группы: а-сплавы, (а+Р)-сплавы (двухфазные) и Р-сплавы.

Титановые сплавы классифицируют также по технологии производства (деформируемые, литейные, порошковые), по физико-химическим, в том числе механическим, свойствам (высокопрочные, обычной прочности, высо­копластичные, жаропрочные, коррозионностойкие).

Термическая обработка титановых сплавов. Ниже приводятся сле­дующие основные виды термической обработки титановых сплавов.

Ре кристаллизационный (простой) отжиг холоднодеформиро-ванных сплавов (650—850 °С).

Изотермический отжиг (нагрев до 780—980°С с последую­щим охлаждением в печи до 530—680 °С, выдержка при этой температуре и охлаждение на воздухе), обеспечивающий высокую пластичность и термиче­скую стабильность (а+Р)-сплавов.

Двойной ступенчатый отжиг (отличается от изотермическо­го тем, что переход от первой ступени ко второй осуществляется охлаждени­ем сплава на воздухе с последующим повторным нагревом до температуры второй ступени), приводящий к упрочнению сплава и некоторому снижению пластичности за счет частичного протекания процессов закалки и старения.

Неполный отжиг при 500—680 °С с целью снятия возникающих при механической обработке остаточных напряжений.

Упрочняющая термическая обработка (закалка с после­дующим искусственным старением или отпуском), применяемая для (а+Р)- и псевдо-Р-сплавов. Если концентрация р-стабилизаторов в двухфазных спла­вах меньше С\, то при закалке из температурной области существования Р-фазы они претерпевают (в интервале температур М_и и М_к) мартенситное пре­вращение с образованием а'- и а"- фаз (пересыщенных твердых растворов замещения легирующих элементов в а-титане соответственно с гексагональ­ной и ромбической решетками). При этом в сплавах концентрационного ин­тервала с[с_х фиксируется а"- фаза, а при меньшем содержании Р-стабилиза­торов — а'- фаза. Приведенная на рис. 8.5 диаграмма позволяет проанали­зировать структурные превращения, протекающие при отжиге и закалке ти­тановых сплавов с возрастанием содержания легирующих элементов — Р-стабилизаторов. Точка с_а — предельная концентрация Р-стабилизатора в а-твердом растворе, ср — минимальная концентрация в титане Р-стабилизато­ра, обеспечивающая существование устойчивого во всем интервале темпе-

% л.э.

Рис. 8.5. Влияние скорости охлаждения (из (3-области) и концентрации (3-стаби-лизатора на структуру титановых сплавов:

t„„ — температура полиморфного превращения 882,5 °С; закалка — быстрое охлаждение в воде; отжиг — медленное охлаждение (с печью или на воздухе)

ратур Р-твердого раствора. Температурам начала (М„) и окончания (А/_к) мар-тенситного превращения соответствуют критические концентрации с_к и с\ на оси абсцисс. В этом концентрационном интервале (с\ —cj при закалке спла­вов из Р-области наряду с образованием а"- фазы сохраняется остаточная Р-фаза, внутри которой формируется ю-фаза мартенситного типа, когерентно связанная с матричной Р-фазой. В сплавах с содержанием Р-стабилизаторов, большим с_к, мартенситное превращение не протекает и при закалке фикси­руется метастабильная, неустойчивая Р-фаза (Р„_еу_Ст)- Для этой концентрации условно можно определить критическую температуру Г_к. В сплавах с содер­жанием легирующего элемента в пределах концентраций (с_к—с₂) при закалке из Р-области фиксируется двухфазная структура (Р„еусг + со). Метастабильная га-фаза имеет гексагональную решетку и образуется в процессе частичного распада Р-твердого раствора. В интервале концентраций (с₂—ср) при закалке фиксируется структура метастабильного Р-твердого раствора (Р„_еуст). При концентрациях, превышающих ср, сохраняется структура стабильного, ус-

тойчивого Р-твердого раствора (Р_уст). При закалке а-сплавов из Р-области (р -> а)-превращение протекает сдвиговым путем с образованием зерен

пластинного, мартенситного типа. При этом образующийся мартенсит — а' — не пересыщен легирующими элементами.

Закалку (а+Р)-сплавов, как правило, проводят из (а+Р)-области (720— 930 °С) во избежание сильного роста зерна при нагреве. Тогда в процессе ох­лаждения а-фаза не изменяется, а Р-фаза испытывает превращения, которые характерны для сплава аналогичного ей состава, закаленного из Р-области. Предполагаемый состав продуктов распада р-фазы можно определить по структурной схеме (рис. 8.5) с учетом того, что концентрация легирующего элемента в а- и р-фазах при нагреве сплава до разных температур в (а+Р)-области определяется соответственно точками а и б, лежащими на пересече­нии изотерм с кривыми (/_пп— с_а) и А₃. Анализ показывает, что при нагреве (а + Р)-сплава до температур, лежащих в интервале (t₂ —/_к)> ^и последующей закалке наряду с а-фазой фиксируется неустойчивая р-фаза (Р_неуст) с выделе­ниями со-фазы, а при нагреве сплава выше температуры t_K и его закалке Р-фаза претерпевает (полностью или частично) мартенситное превращение, так как концентрация в ней Р-стабилизаторов будет меньше с_к. Таким обра­зом, структура сплава в зависимости от его химического состава после за­калки из (а+Р)-области с температур, превышающих /_к, может быть пред­ставлена следующими вариантами: 1) а + а'; 2) а + а"; 3) а + а" + р + со.

Старение при 450—550 °С и выше вызывает распад а'-, а"-, Р„еу_СТ- и со- фаз. Упрочнение обусловлено прежде всего выделением мелкодисперсной а-фазы, возникающей в результате распада а'-, а"- и Рне^-фаз: а'(а")-»ос + Р_уст;

Рнеуст -> «+ Р_Уст • Выделение дисперсного интерметаллидд (Ti^Z,,) при старении легированных эвтектоидобразующими элементами титановых сплавов вызывает их охрупчивание (см. рис. 8.4). Наибольшее упрочнение достигается в (а + Р)-сплавах с высоким содержанием р-стабилизаторов.

Титановые сплавы подвергают химико-термической обработке, напри­мер азотированию, для повышения износостойкости.

Деформируемые титановые сплавы. Большинство титановых сплавов легировано алюминием, повышающим жесткость, прочность, жаропрочность и жаростойкость материала, а также снижающим его плотность (табл. 8.8).

а-Титановые сплавы (с чисто а-структурой) термической обра­боткой не упрочняются; их упрочнение достигается посредством легирования твердого раствора и пластической деформацией. Широкое применение нашел сплав ВТ5-1, обладающий хорошей свариваемостью, жаропрочностью, кислото-стойкостью, пластичностью при криогенных температурах; он обрабатывается давлением в горячем состоянии, термически стабилен до 450 °С. Добавки олова

Таблица 8.8. Усредненный химический состав (%) и механические свойства деформируемых титановых сплавов

Сплав	А1
ВТ5-1
ОТ4	4,2
ВТ6
ВТ8	6,4
ВТ14	4,9
ВТ15

Sn	а„МПа	5,%
2,5	800—1000	10—15
	700—900	10—12
—	1100—1250
—	1000—1250	9—11
—	1150—1400	6—10
—	1300—1500

Примечание. Свойства сплавов ВТ5-1, ОТ4 приведены в отожженном состоянии, ВТ6, ВТ8 и ВТ 14 — после закалки и старения, ВТ 15 — после старения.

в сплав улучшают его технологические и механические свойства. Из сплава ВТ5-1 изготавливают листы, поковки, трубы, проволоку, профили. Псевдо-а-сплав ОТ4 (наряду с ос-фазой в структуре присутствует (J-фаза в количестве 1—5%) хорошо сваривается, обрабатывается давлением (как в горячем, так и в холодном состояниях), однако склонен к водородной хрупкости.

(а+Р)-Титановые сплавы характеризуются смешанной струк­турой (а- и р-твердые растворы) и упрочняются термической обработкой, состоящей из закалки и старения. Они хуже свариваются, чем а-сплавы.

Типичный представитель (а+Р)-сплавов — это сплав ВТ6, характери­зующийся оптимальным сочетанием технологических и механических свойств. Он упрочняется термической обработкой. Уменьшение содержания алюминия и ванадия в сплаве (модификация ВТбС) позволяет его использо­вать в сварных конструкциях. Сплав ВТ 14 системы Ti—А1—Mo—V облада­ет высокой технологичностью в закаленном состоянии (хорошо деформиру­ется) и высокой прочностью — в состаренном; он удовлетворительно свари­вается всеми видами сварки. Сплав ВТ 14 способен длительно работать при 400 °С и кратковременно при 500 °С.

Сплав ВТ8 относится к жаропрочным (а+р)-сплавам: он предназначен для длительной работы при 450—500 °С под нагрузкой. Сплав хорошо де­формируется в горячем состоянии, но плохо сваривается. Из него изготавли­вают поковки, штамповки, прутки.

Псевдо-Р-титановые сплавы характеризуются высоким со­держанием Р-стабилизаторов и вызванным этим отсутствием мартенситного превращения. В процессе закалки в сплавах подавляется диффузионный рас­пад р-фазы, но он частично реализуется при последующем старении, вызы­вая упрочнение сплава. Сплавы характеризуются высокой пластичностью в закаленном состоянии и высокой прочностью — в состаренном; они удовле­творительно свариваются аргонодуговой сваркой. Широкое распространение получил псевдо-р-сплав ВТ 15 (содержит в равновесном состоянии неболь-

шое количество а-фазы), обладающий большой пластичностью (5 = 20%) и невысокой прочностью (ст, = 900 МПа) в закаленном состоянии. Однако после старения при 450 °С его прочность достигает 1500 МПа (при пластичности 6 = 6%). Сплав ВТ15 предназначен для работы при температурах до 350 °С. Из него изготавливают прутки, поковки, полосы, листы. (5-Сплавы (имеют стабильную р-фазу) большого применения не нашли.

Литейные титановые сплавы. По сравнению с деформируемыми ли­тейные сплавы имеют меньшую прочность, пластичность и выносливость, но более дешевы. Сложность литья титановых сплавов обусловлена активным взаимодействием титана с газами и формовочными материалами. Литейные сплавы ВТ5Л, ВТ14Л и ВТЗ-1Л по составу в основном совпадают с анало­гичными деформируемыми сплавами (в то же время сплав ВТ14Л дополни­тельно содержит железо и хром).

Высокими технологическими свойствами обладает сплав ВТ5Л: он пласти­чен, не склонен к образованию трещин при литье, хорошо сваривается. Фасон­ные отливки из сплава ВТ5Л работают при температурах до 400 °С. Недостатком сплава является его невысокая прочность (800 МПа). Двухфазный литейный сплав ВТ14Л подвергают отжигу при 850 °С вместо упрочняющей термической обработки, резко снижающей пластичность отливок. ВТ14Л по литейным свой­ствам уступает ВТ5Л, но превосходит его по прочности (а.=950 МПа).

Порошковые сплавы титана. Применение методов порошковой ме­таллургии для производства титановых сплавов позволяет при тех же экс­плуатационных свойствах, что и у литого или деформируемого материала, добиться снижения до 50% стоимости и времени изготовления изделий. Ти­тановый порошковый сплав ВТ6, полученный горячим изостатическим прес­сованием (ТИП), обладает теми же механическими свойствами, что и дефор­мируемый сплав после отжига (ст, = 970 МПа, 8 = 16%). Закаленному и со­старенному деформируемому сплаву ВТ6 порошковый сплав уступает в прочности, но превосходит в пластичности.

Применение сплавов титана. Из сплавов титана изготавливают: об­шивку самолетов, морских судов, подводных лодок; корпуса ракет и двига­телей; диски и лопатки стационарных турбин и компрессоров авиационных двигателей; гребные винты; баллоны для сжиженных газов; емкости для аг­рессивных химических сред и др.