Научная статья на тему 'ЛЕГИРОВАНИЕ, ФАЗОВЫЙ СОСТАВ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ'

ЛЕГИРОВАНИЕ, ФАЗОВЫЙ СОСТАВ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
337
79
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
титановые сплавы / классификация / фазовый и химический составы / механические свойства / назначение / titanium alloys / classifi cation / phase and chemical composition / mechanical properties / purpose

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Игорь Степанович Полькин, Юлия Борисовна Егорова, Людмила Владимировна Давыденко

Изложены современные представления о классификации титановых сплавов по различным признакам: фазовому составу в отожженном состоянии, уровню прочности и назначению. Освещены вопросы легирования титановых сплавов и их применения в различных отраслях промышленности. Рассмотрена связь механических свойств с химическим и фазовым составом титановых сплавов в отожженном состоянии. Предложено использовать в качестве универсальной характеристики, отражающей тот или иной класс сплава, соотношение долей эквивалентов по алюминию и молибдену.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Игорь Степанович Полькин, Юлия Борисовна Егорова, Людмила Владимировна Давыденко

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Alloying, Phase Composition and Mechanical Properties of Titanium Alloys

Modern ideas about the classification of titanium alloys are presented in view of various criteria: phase composition in the annealed state, strength level and application areas. The problems of alloying of titanium alloys and their application in various industries are covered. The relationship between mechanical properties and the chemical and phase composition of titanium alloys in the annealed state is considered. It is proposed to use the ratio of the proportions of equivalents for aluminum and molybdenum as a universal characteristic specifying the class of an alloy.

Текст научной работы на тему «ЛЕГИРОВАНИЕ, ФАЗОВЫЙ СОСТАВ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ»

_ МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ _

Научный редактор раздела докт. техн. наук В.В. Захаров

УДК 669.295

001: 10.24412/0321-4664-2022-2-4-13

ЛЕГИРОВАНИЕ, ФАЗОВЫЙ СОСТАВ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Игорь Степанович Полькин1, докт. техн. наук, Юлия Борисовна Егорова2, докт. техн. наук, Людмила Владимировна Давыденко3, канд. техн. наук

всероссийский институт легких сплавов, Москва, Россия 2МАИ (национальный исследовательский университет), Москва, Россия, egorova_mati@mail.ru

3Московский политехнический университет, Москва, Россия

Аннотация. Изложены современные представления о классификации титановых сплавов по различным признакам: фазовому составу в отожженном состоянии, уровню прочности и назначению. Освещены вопросы легирования титановых сплавов и их применения в различных отраслях промышленности. Рассмотрена связь механических свойств с химическим и фазовым составом титановых сплавов в отожженном состоянии. Предложено использовать в качестве универсальной характеристики, отражающей тот или иной класс сплава, соотношение долей эквивалентов по алюминию и молибдену

Ключевые слова: титановые сплавы, классификация, фазовый и химический составы, механические свойства, назначение

Alloying, Phase Composition and Mechanical Properties of Titanium Alloys.

Dr. of Sci. (Eng.) Igor S. Polkin1, Dr. of Sci. (Eng.), Yuliia B. Egorova2, Cand. of Sci. (Eng.) Lyudmila V. Davydenko3

1 All-Russian Institute of Light Alloys, Moscow, Russia

2 MAI (National Research University), Moscow, Russia, egorova_mati@mail.ru

3 Moscow Polytechnic University, Moscow, Russia

Abstract. Modern ideas about the classification of titanium alloys are presented in view of various criteria: phase composition in the annealed state, strength level and application areas. The problems of alloying of titanium alloys and their application in various industries are covered. The relationship between mechanical properties and the chemical and phase composition of titanium alloys in the annealed state is considered. It is proposed to use the ratio of the proportions of equivalents for aluminum and molybdenum as a universal characteristic specidying the class of an alloy.

Key words: titanium alloys, classification, phase and chemical composition, mechanical properties, purpose

За годы исследования титана и его сплавов было разработано несколько видов классификации титановых сплавов по различным признакам [1-5]. Основным недостатком ряда

классификаций является то, что в них или не указаны марки сплавов, или для примера приведено очень ограниченное число применяемых в настоящее время титановых сплавов.

Хотя только в нашей стране разработано несколько сотен опытных титановых композиций, а в промышленности применяется более 50 марок титановых сплавов. Так как данные, приведенные в различных литературных источниках, носят разрозненный и далеко неполный характер, в настоящей статье мы постарались восполнить этот пробел, а также проанализировать различные виды классификации титановых сплавов.

К настоящему времени современная отечественная промышленность располагает большой номенклатурой титановых сплавов различного типа и назначения. Отечественные титановые сплавы обычно маркируют буквой, отражающей наименование организации-разработчика, и цифрой, соответствующей порядковому номеру сплава. Марка ВТ означает «ВИАМ титан» (г. Москва); ОТ - «Опытный титан» - сплавы, разработанные совместно ВИА-Мом и ВСМПО (г. Верхняя Салда); ПТ - «Прометей титан» - сплавы, разработанные НПО «Прометей» (г. Санкт-Петербург); АТ - сплавы,

разработанные в ИМЕТ им. А.Н. Байкова (г. Москва), VST - ВСМПО (г. Верхняя Салда). Иногда марка содержит дополнительные буквы: У - улучшенный; М - модифицированный; Л -литейный; П - порошковый; И - специального назначения; к, К или кт - криогенного назначения; ч или Ч - повышенной чистоты; с, С - специально предназначенный для сварных соединений, св - для сварочной проволоки.

Классификация легирующих элементов в титановых сплавах

Легирующие элементы в титановых сплавах можно классифицировать следующим образом: А - а-стабилизаторы; ВЭП - эвтек-тоидообразующие p-стабилизаторы, представленные сильными р-стабилизирующими переходными элементами; ВЭА - активные эв-тектоидообразующие p-стабилизаторы; ВИ -изоморфные p-стабилизаторы; Н - нейтральные упрочнители (табл. 1) [3, 5].

Таблица 1 Классификация легирующих элементов в титановых сплавах

Класс Подкласс Обозначение Элемент Эквивалентное отношение элемента к Al или Мо*

а-стабилизаторы - А Al C N O 1 10 20 10

Нейтральные упрочнители - Н Zr Sn 0,17 0,33

Изоморфные р-стабилизаторы Ви Mo V W Nb Ta 1 0,7 0,5 0,3 0,2

р-стабилизаторы Эвтектоидообразующие р-стабилизаторы, представленные сильными р-стабилизирующими переходными элементами ВЭП Fe Cr Mn Ni Co 2,5 1,7 1,7 1,3 1,1

Активные эвтектоидообразующие р-стабилизаторы ВЭА Si Cu Pd 0,8 2,0

* Пояснения в тексте.

Эвтектоидообразующие элементы разбиты на две группы потому, что в сплавах титана с сильными р-стабилизирующими переходными элементами эвтектоидное превращение протекает чрезвычайно медленно и при обычных скоростях охлаждения не реализуется. В сплавах этой группы р-фаза легко фиксируется при комнатной температуре. В сплавах с активными р-стабилизирующими элементами эвтектоидное превращение реализуется довольно быстро, и р-фаза непременно испытывает эвтектоидный распад в процессе охлаждения или изотермической обработки.

Легирующие элементы одного типа действуют сходным образом, поэтому один элемент можно заменить другим в эквивалентных количествах. Тогда системы легирования промышленных титановых сплавов сводятся к следующим основным группам: Т1-Д; Т1-Д-Н

Т1-А-Ви; Т1-Д-ВЭп;

Т'—Д—ВИ—ВЗП;

Т1-Ви-Н; Т1-Д-Взп-Вз

Т1-Д-Ви-Н;

■>ЗП-|-,ЗА Т|-Д-Ви-ВзА-Н

Т|-Д-ВИ-ВЗП-ВЗА; Т|-Д-ВИ-ВЗП-ВЗА-Н.

Для интегральной количественной характеристики сплавов по химическому составу (системам легирования) были введены понятия коэффициента р-стабилизации ^з и эквивалента по молибдену [Мо]ЭКВ [1-3]. Для расчета этих характеристик применяют понятие второй критической концентрации элемента 0Кр, свыше которой при закалке из р-области подавляется мартенситное превращение и фиксируется метастабильная р-фаза (с ©-состоянием внутри нее). При определении эквивалента по молибдену содержание р-стабилизаторов заменяют таким количеством молибдена, при котором количество р-фазы, ее стабильность и способность к превращениям в двойном сплаве Т1-Мо будут такими же, как и в рассматриваемом сплаве:

[Мои = £ х0 Mo/0],

(1)

где О■ и ОMo - вторая критическая концентрация легирующего элемента и молибдена соответственно; хI - концентрация легирующего элемента в сплаве.

На основе анализа опубликованных данных в монографии [1] установлены наиболее достоверные значения О" для различных ле-

гирующих элементов (в % мас.): 4,5 Ре; 6,5 Мп; 6,5 Сг; 8,5 N1; 9,5 Со; 11 Мо; 13 Си; 15 V; 22 W; 36 N6; 45 Та. В итоге с учетом данных, приведенных в табл. 1, оценивать эквивалент легирующих элементов по молибдену можно следующим образом (в % мас.):

[Мо]экв

(2)

= %Mo + %Ta/4 + %Nb/3,3 +

+ %W/2 + %V/1,4 + %Cr/0,6 +

+ %Мп/0,6 + %Fe/0,4 + %М/0,8 +

+ %Со/0,9+%СиЛ,2+%Рс1/0,5. Коэффициент р-стабилизации kp и эквивалент по молибдену исходят из одного и того же принципа и связаны соотношением:

kp = [Мо]Экв/11.

(3)

Таким образом, вторая критическая концентрация в перерасчете на коэффициент Р-стабилизации равна 1,0, а на эквивалент по молибдену 11 %. С увеличением kp и [Мо]экв снижаются температуры полиморфного и мар-тенситного превращений, повышается стабильность р-фазы, растет прокаливаемость и длительность старения до получения заданной степени распада р-фазы, уменьшается критическая скорость охлаждения.

В 1960-х гг. Розенберг при разработке жаропрочных псевдо-а-сплавов ввел понятие эквивалента а-стабилизаторов и нейтральных упрочнителей по алюминию Д1ес1 [6, с. 851]. Эквивалент Д1ес использован для характеристики потери термической стабильности сплавов из-за выделения а2-фазы (Т13Д1). За критерий термической стабильности Розен-берг принял сохранение образцами 5 = 10 % и у = 20 % после их выдержки под напряжением 246 МПа при температуре 540 °С. При дополнительном легировании сплавов Т1-Д1 оловом и цирконием содержание алюминия, при котором термическая стабильность становится неудовлетворительной, смещается к меньшим концентрациям, причем действие 1 % Д1 эквивалентно 3 % Бп и 6 % 2г, как указано в табл. 1. Кислород в десять раз эффективнее, чем алюминий, уменьшает термическую стабильность. Поэтому эквивалент по алюминию Розенберг описал соотношением:

А!еч = %А1 + %Бп/3 + %7г/6 +10[%0]. (4)

Розенберг установил, что двойные сплавы И-Д! теряют термическую стабильность при АЦ 1 9 %. Однако при оценке Д!ес1 Розенберг не учитывал влияния азота и углерода на термическую стабильность сплавов. В 1980-х гг. К. Хэймонд и Дж. Наттинг установили, что углерод и азот также влияют на условия образования а2-фазы, при этом 1,0 % С эквивалентен 1,0 % О, а 1,0 % N эквивалентен 2,0 % О (см.табл. 1) [7]. В результате обобщения этих данных представление об эквиваленте по алюминию [Д!]экв было распространено на (а + Р)-, псевдо-р- и р-титановые сплавы [1] (в % мас.):

[А1]зкв = %Al + %Sn/3 + %Zr/6 + + 10[%0 + %С + 2%Ы].

(5)

Можно ввести также понятие о коэффициенте а-стабилизации для оценки близости сплава к критической концентрации а-стабили-заторов и нейтральных упрочнителей, равной 9 % в перерасчете на эквивалент по алюми-

нию и свыше которой в сплаве возможно образование алюминида титана а2:

[А|]экв

к а =

9

(6)

где [Д!]экв - эквивалент по алюминию сплава.

Из соотношения (6) следует, что при коэффициенте а-стабилизации более 1,0 в сплаве возможно образование алюминида титана, приводящее к существенному ухудшению свойств сплавов.

Классификация по фазовому составу в отожженном состоянии

Наиболее распространена классификация по фазовому составу в отожженном состоянии [1-4], которая включает в себя (табл. 2):

I. а-сплавы, структура которых представлена а-фазой.

II. Псевдо-а-сплавы, структура которых представлена а-фазой и небольшим количеством р-фазы (не более 5 %) или интерметаллидов.

Таблица 2 Классификация титановых сплавов по фазовому составу в стабильном состоянии (после отжига) [1-5, 8]

Класс сплава по фазовому составу кв ка [Д!]экв, % мас. [М0]экв, % мас. Среднее отношение долей* [Д!]:[Мо], %:% Марки сплавов

I. а-сплавы 0 0,1-0,7 1,0-6,0 <0,3 90:10 ВТ1-00, ВТ1-0, ВТ1Л, ВТ5, ВТ5-1, ВТ5-1К, 3М, ПТ-1М, ПТ-7М

II. Псевдо-а-сплавы <0,2-0,25 0,1-1,0 -1,0-9,0 <2,5-3,0 75:25 ОТ4-0, ОТ4-1, ОТ4, ОТ4-1В, ОТ4В, ПТ-3В, ПТ-3Вкт, ВТ20, ВТ20Л, АТ3, АТ6, ВТ18, ВТ18У,5В, ВТ21Л, ВТ38, ВТ41, 4200, 4204, 4205, 4207

III. (а + р)-сплавы -0,25-1,0 0,6-1,0 -5,0-9,0 -2,5-8,0 60:40 ВТ6, ВТ6с, ВТ6кт, ВТ6ч, ВТ6к, ВТ6Л, ВТ14, ВТ14Л, ВТ16, ВТ8, ВТ8М, ВТ8Л, ВТ8-1, ВТ8-1М, ВТ9, ВТ9Л, ВТ25, ВТ25У, ВТ36, ВТ3-1, ВТ23, ВТ43, ВТ46

IV. Сплавы переходного класса -1,0-1,2 0,2-0,8 -2,0-7,0 -8,0-12,0 30:70 ВТ22, ВТ22И, ВТ22ч, ВТ22М, ВТ37, ВТ30

V. Псевдо-р-сплавы -1,2-2,5 0,2-0,7 -2,0-6,0 -12,0-27,0 20-80 ВТ35, ВТ35Л, ВТ19, ВТ15-1, VST5553, ВТ32, ВТ15

VI. р-сплавы >2,5-3,0 0,1-0,7 -1,0-6,0 >27-30 5:95 4201, 4206

* Пояснение в тексте.

III. (a+ß)-сплавы, структура которых представлена а- и ß-фазами (5-50 % ß-фазы); сплавы этого типа также могут содержать небольшое количество интерметаллидов.

IV. Сплавы переходного класса, которые по структуре и протекающим в них превращениям занимают промежуточное положение между (а + ß)- и псевдо^-сплавами. Это сплавы, в которых в зависимости от колебаний их химического состава в пределах ТУ после закалки из ß-области может сформироваться ß-структура (возможно с ю-фазой внутри нее) или структура, представленная ß-фазой и мартенситом. В отожженном состоянии сплавы переходного класса содержат 50-60 % ß-фазы.

V. Псевдо-ß-сплавы со структурой, представленной в отожженном состоянии ß-фазой (>65-70 %) и небольшим количеством а-фазы. Структура этих сплавов после закалки или отжига из ß-области представлена одной ß-фазой.

VI. ß-сплавы, структура которых представлена термодинамически стабильной ß-фазой.

135,0 30,0 Д

/зо,о

12,0/ „„ 1/12 ,0

Е

* 8

н 4

Г)

9 0 9

6,0 7 0 6,0 6,0

5 0 >

1 0 1 2 0 0 2 0 1 0

I П Ш IV V VI Класс сплава

90:10 75:25 60:40 30:70 20:80 5:95 [А1]:[Мо]

Рис. 1. Эквиваленты по алюминию [А1]экв и молибдену [Мо]экв (в % по мас.) и отношение их долей [А1]:[Мо] (%:%) для различных классов титановых сплавов (см. табл. 2)

По коэффициенту р-стабилизации титановые сплавы принято распределять в следующей последовательности [1]: а-сплавы - кр = 0; псевдо-а-сплавы - кр < 0,2-0,25; (а + Р)-сплавы -0,25-0,3 < кр< 0,9-1,0; сплавы переходного класса - 0,9-1,0 < кр < 1,1-1,2; псевдо-р-сплавы -1,2-1,4 < кр < 2,4-2,5; р-сплавы - кр > 2,5-3,0 (см. табл. 2). В соответствии с монографией [1] для а-сплавов принято (в % мас.): [Мо]экв ~ 0, для псевдо-а-сплавов [Мо]экв < 2,5-3,0 %, для (а + р)-сплавов [Мо]экв - 2,5-8,0 %, для сплавов переходного класса [Мо]^ - 8-12 %, для псевдо-р-сплавов [Мо]экв > 12 % и для р-сплавов [Мо]экв > 27-30 % (см. табл. 2, рис. 1).

Необходимо отметить, что во всех титановых сплавах неизменно присутствуют примеси, относящиеся к р-стабилизаторам, которые могут растворяться в а-титане. В итоге типичное содержание р-примесных элементов по теоретической оценке эквивалентно [Мо]экв - 0,2-0,3 %.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Значения [А1]экв для разных классов промышленных титановых сплавов изменяются в интервале от 1,0 до 9,0 % (см. рис. 1), так как при [А1]экв > 9,0 % в соответствии с соотношением Розенберга сплавы теряют термическую стабильность из-за образования алю-минида титана. Для псевдо-а-сплавов [А1]экв может принимать все значения из интервала 1,0-9,0 %, поэтому их принято различать в зависимости от содержания алюминия и других а-стабилизаторов и нейтральных упрочнителей: малолегированные малопрочные сплавы с [А1]экв = 2-7 % и жаропрочные с [А1]экв = 8-9 % [1, 2]. Для остальных классов промышленных титановых сплавов эквивалент по алюминию лежит в интервале [А1]экв ~ 1-6 % для а-сплавов, -5-9 % для (а + р)-сплавов, -2-7 % для сплавов переходного класса, -1-6 % для псевдо-р- и р-сплавов.

Предложенная выше классификация титановых сплавов по фазовому составу не позволяет однозначно определить класс сплава в зависимости от эквивалентов по алюминию и молибдену. Это связано с тем, что на стадии разработки было создано большое число титановых сплавов разного назначения, призванных обеспечить разный уровень эксплуатационных свойств. Это, в свою очередь, привело к высокой вариативности комбинаций содер-

жаний легирующих элементов. Так что эквиваленты по алюминию и молибдену промышленных титановых сплавов могут изменяться в довольно широких пределах (см. рис. 1).

В качестве более универсальной характеристики, отражающей тот или иной класс сплава, можно рассмотреть соотношение долей эквивалентов по алюминию и молибдену [Д!]:[Мо]. Если суммарное содержание эквивалентов в сплаве принять за 100 %, тогда долю а-стабилизаторов и нейтральных упрочните-лей (в перерасчете на эквивалент по алюминию) можно оценить:

[Д!] = [Д!]экв • 100 %/([Д!]экв + [Мо]Экв), %.

Соответственно доля р-стабилизаторов (в перерасчете на эквивалент по молибдену) равна:

[Мо] = [Мо]экв • 100 %/([Д!]экв + [Мо]экв)

или [Мо] = 100 % - [Д!], %.

Тогда на основе проведенного анализа было установлено, что для а-сплавов соотношение долей в среднем равно 90 %:10 %; для псевдо-а-сплавов - 75 %:25 %; для (а + р) - 60 %:40 %; для сплавов переходного класса - 30 %:70 %; для псевдо-р - 20 %:80 %; для р-сплавов -5 %:95 % (см. табл. 2).

Следует отметить условный характер показателей [Д!]экв, [Мо]экв, [Д!]:[Мо], определяющих при-

надлежность сплава к различным классам, что связано с колебаниями марочного состава и примесей. Поэтому тот или иной сплав может относиться к соседним классам по фазовому составу.

Классификация титановых сплавов по уровню прочности

Применительно к производственным задачам титановые сплавы целесообразно делить по уровню прочности (табл. 3): 1) низкой прочности; 2) сплавы средней прочности; 3) высокопрочные.

К низкопрочным относят сплавы с временным сопротивлением разрыву менее 650 МПа; к сплавам средней прочности - от 650 до 1000 МПа, к высокопрочным - сплавы с временным сопротивлением разрыву более 1000 МПа [2]. С нашей точки зрения среди высокопрочных сплавов целесообразно выделить сплавы, имеющие высокую прочность после отжига, и сплавы, приобретающие высокую прочность после упрочняющей термической обработки (закалки и старения).

На рис. 2 сопоставлены среднестатистические значения химического состава и предела прочности при комнатной температуре различных классов промышленных титановых сплавов в отожженном состоянии. Максимум прочности достигается для сплавов переход-

Таблица 3 Классификация титановых сплавов по уровню прочности при комнатной температуре

Класс сплава Состояние Марка сплава

Низкопрочные сплавы с пределом прочности ств < 650 МПа После отжига ВТ1-00, ВТ1-0, ОТ4-0, ОТ4-1, ОТ4-1В, ПТ-1М, ПТ-7М, 4200, 4204, 4207

Сплавы средней прочности с 650 < ств < 1000 МПа После отжига ВТ5, ВТ5-1, ВТ5-1к, АТ3, АТ6, 3М, ПТ-3В, 5В, ОТ4, ОТ4В, ВТ20, ВТ6, ВТ6с, ВТ6кт, ВТ6ч, ВТ6к, ВТ16, ВТ23*, ВТ14*, ВТ30, ВТ32, ВТ35, ВТ37, ВТ38, ВТ15, 4201, 4205, 4206

Высокопрочные сплавы с пределом прочности ств > 1000 МПа После отжига ВТ14*, ВТ23*, ВТ22, ВТ22И, ВТ22М, ВТ22ч, ВТ3-1, ВТ8, ВТ8М, ВТ8-1, ВТ8-1М; ВТ18, ВТ18У, ВТ9, ВТ25, ВТ25У, ВТ36, ВТ19, ВТ41, ВТ43, ВТ46

После закалки и старения ВТ6, ВТ6с, ВТ6кт, ВТ6ч, ВТ6к, ВТ14, ВТ3-1, ВТ9, ВТ8, ВТ8М, ВТ8-1, ВТ8-1М, ВТ16, ВТ23, ВТ30, ВТ22, ВТ22И, ВТ22М, ВТ22ч, ВТ35, ВТ19, ВТ32, ВТ37, ВТ15, VST5553

* Сплавы ВТ14 и ВТ23 в зависимости от конкретного химического состава могут относиться к двум классам.

1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400

30:70 .

60:40

ав ^ 20:801

ГМпТ

75:25 ( / 5:95

90:10 [А1]экв

Ш IV Класс сплава

VI

0 в

СП

Рис. 2. Сопоставление предела прочности при комнатной температуре эквивалентов по алюминию ^^^ и молибдену [Mo]зKB (в % мас.) и соотношения их долей [Al]:[Mo] (%:%) для титановых сплавов разных классов: I - а-сплавы, II - псевдо-а-сплавы, III - (а + р)-сплавы, IV - сплавы переходного класса, V - псевдо-р-сплавы, VI - р-сплавы (отожженное состояние)

1400 1200

£ 1000

о

§ 800

&

и

Ч" 600

и!

Й*

400

200

60 30 40 ^ 70

\ 20 80

75 25/ ] °С 5: 95

90:10 л

^600 °С

т

Ш IV Класс сплава

VI

Рис. 3. Сопоставление предела прочности при температурах 20, 300, 600 °С и соотношения долей [Al]:[Mo] (%:%) для титановых сплавов разных классов:

I - а-сплавы, II - жаропрочные псевдо-а-сплавы, III - (а + р)-сплавы, IV - сплавы переходного класса, V - псевдо-р-сплавы, VI - р-сплавы (отожженное состояние)

ного класса с [Мо]экв = 11 % и соотношением их долей в сплаве [А1]:[Мо] ~ 30 %:70 %.

Для двухфазных сплавов в отожженном состоянии упрочняющее действие легирующих элементов, стабилизирующих а- и р-фазы, складывается из упрочнения этих

фаз и их соотношения в структуре. По мере увеличения доли р-стабилизаторов и, соответственно, количества р-фазы в а-матрице повышается прочность сплавов, достигает максимума у сплавов с примерно одинаковым количеством а- и р-фаз. С дальнейшим ростом содержания р-стабилизаторов в сплаве уменьшается количество а-фазы в р-матрице и прочность снижается от максимальной до прочности сплавов с р-структурой.

На рис. 3 сопоставлены среднестатистические значения предела прочности различных классов промышленных титановых сплавов в зависимости от соотношения долей а- и р-стабилизаторов при температурах 20, 300, 600 °С. При 20 °С максимум прочности характерен сплавам с соотношением долей [А1]:[Мо] = 30 %:70 %, при 300 °С максимум смещается в сторону сплавов с большей долей а-стабилизаторов и нейтральных упроч-нителей [А1]:[Мо] = 60 %:40 %, а при 600 °С он сдвигается в сторону жаропрочных псевдо-а-сплавов с [А1]:[Мо] ~ 75 %:25 %. Это обусловлено тем, что сплавы разупрочняются в меньшей степени из-за более высокого содержания алюминия и нейтральных упрочнителей ([А1]экв = 8-9 %) по сравнению со сплавами других классов.

Классификация по назначению (условиям эксплуатации)

По условиям эксплуатации титановые сплавы можно разделить на различные группы: конструкционные (общего назначения), жаропрочные, криогенные, особо коррозионно-стойкие, пожаробезопасные, с эффектом запоминания формы (табл. 4) [2, 9-27]. В свою очередь, конструкционные сплавы целесообразно рассматривать по уровню прочности [2]. Жаропрочные сплавы можно разделить на сплавы на основе твердых растворов и на основе химического соединения (например, алюминида титана) [2]. Жаропрочные сплавы разрабатывались преимущественно на основе а-фазы с небольшим количеством р-фазы (<10 %), поэтому по фазовому составу они относятся к псевдо-а- и (а + р)-классам.

Титановые сплавы широко используют в различных областях техники (рис. 4) [28].

Таблица 4 Классификация титановых сплавов по назначению (условиям эксплуатации) [9-27]

Класс сплава Подкласс сплава Марка сплава

Конструкционные (общего назначения) Низкой прочности ВТ1-00, ВТ1-0, ОТ4-0, ОТ4-1, ОТ4-1В, ПТ-1М, ПТ-7М

Средней прочности ВТ5, ВТ5-1, ВТ5-1к, АТ3, АТ6, 3М, ПТ-3В, 5В, ОТ4, ОТ4В, ВТ20, ВТ6, ВТ6с, ВТ6кт, ВТ6ч, ВТ6к, ВТ16, ВТ23*, ВТ14*, ВТ30, ВТ32, ВТ35, ВТ15, 4201

Высокой прочности ВТ14, ВТ23, ВТ22, ВТ22И, ВТ22М, ВТ22ч, ВТ3-1, ВТ19, ВТ6, ВТ16, ВТ30, ВТ35, ВТ19, ВТ32, ВТ37, ВТ15, VST5553

Жаропрочные На основе а- и р-твердых растворов ВТ18, ВТ18У, ВТ8, ВТ8М, ВТ8-1, ВТ8П, ВТ8-1М, ВТ9, ВТ3-1, ВТ25, ВТ25У, ВТ8Л, ВТ9Л, ВТ3-1Л, ВТ36, ВТ38, ВТ41, ВТ46

На основе алюминидов титана ВТИ-1, 4822

Криогенные а-, псевдо-а-, (а + р)-сплавы ПТ-3Вкт, ВТ5-1кт, ВТ6кт, сплавы серий АТ, ОТ и др.

Особо коррозионно-стойкие а-, псевдо-а и р-сплавы 4200, 4201, 4204, 4205, 4206, 4207

С эффектом памяти формы (а + р)-сплавы переходного класса и близкие к нему ВТ16, ВТ23, ВТ22

Сплавы на основе никелида титана ТН1, ТН1К, ТНМ3

Пожаробезопасные Сплавы на основе эвтектоида ТЮи ВТТ-1, ВТТ-3

(-20 %) и другие области, к которым можно отнести медицину, архитектуру, строительство, спорт, товары народного потребления (-9 %). Поэтому возможно также деление титановых сплавов по областям их применения.

Заключение

В работе показано, что для различных классов титановых сплавов соотношение долей эквивалентов по алюминию и молибдену изменяется начиная от 90 % для эквивалента по алюминию и 10 % эквивалента по молибдену, что характерно для а-сплавов (класс I), до 5 % и 95 % соответственно для р-сплавов (класс VI).

Различное соотношение долей алюминиевых и молибденовых эквивалентов в каждом классе титановых сплавов приводит к прогнозируемому изменению свойств. Максималь-

Это - авиастроение (-23 %); двигателестро-ение (-32 %); энергетика (-9 %); металлургия, химическая промышленность и машиностроение (-7 %); промышленное применение

Цветмет, маш. строй, химия 7 %

г ,

Авиастроение V

| Промышленное 23% 1

применение

20%

к Двнгателестроение Л

32 % Л

Рис. 4. Потребление титана и его сплавов в РФ в 2020 г. [28]

ную прочность при комнатной температуре имеют (а + р)-сплавы переходного класса с [А1]:[Мо] - 30 %:70 %, а максимальная кратковременная жаропрочность наблюдается для жаропрочных псевдо-а-сплавов с [А1]:[Мо] -

~ 75 %:25 %. Это способствует тому, что сплавы II, III, IV классов занимают около 40-50 % в доле мирового потребления титанового проката для авиакосмической и военной промышленности.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ильин А.А., Колачев Б.А., Полькин И.С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства. Справ. М.: ВИЛС-МАТИ, 2009. 520 с.

2. Машиностроение. Энциклопедия. Т. II-3. Цветные металлы и сплавы / Под ред. Фриндляндера И.Н. Раздел 2. Титан и титановые сплавы / Моисеев В.Н. М.: Машиностроение, 2001. С. 272-353.

3. Белов С.П., Брун М.Я., Глазунов С.Г. и др. Металловедение титана и его сплавов / Под общ. ред. Глазунова С.Г., Колачева Б.А. М.: Металлургия, 1992. 352 с.

4. Колачев Б.А., Елагин В.И., Ливанов В.А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. 4-е изд. М.: МИСиС, 2005. 432 с.

5. Колачев Б.А., Лясоцкая В.С. О системах легирования титановых сплавов // Известия вузов. Цветная металлургия. 1984. № 2. С. 92-98.

6. The Science, Technology and Applications of Titanium / Ed. by R.I. Jaff^ and N.E. Promisel. Pergamon Press Oxford e.a. 1970. 1202 p.

7. Хэмонд К., Наттинг Дж. Металловедение жаропрочных и титановых сплавов. Деформация и свойства материалов для авиационной и космической техники. М.: Металлургия, 1982. С. 73-111.

8. Ильин А.А., Полькин И.С., Егорова Ю.Б., Да-выденко Л.В. Об использовании эквивалентов легирующих элементов и примесей по алюминию и молибдену в производстве титановых сплавов // Титан. 2018. № 4. С. 11-19.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

9. Глазунов С.Г., Ясинский К.К. Титановые сплавы для авиационной техники и других отраслей промышленности // Технология легких сплавов. 1993. № 6-7. https://www.viam.ru/public/

10. Павлова Т.В., Кашапов О.С., Ночовная Н.А. Титановые сплавы для газотурбинных двигателей // Все материалы. Энциклопедический справочник. 2012. № 5. С. 8-14.

11. Кашапов О.С., Новак А.В., Ночовная Н.А., Павлова Т.В. Состояние, проблемы и перспективы создания жаропрочных титановых сплавов для деталей ГТД // Труды ВИАМ. 2013. № 3. http:// viam-works.ru/ru/articles?year=2013&num=3

12. Каблов Е.Н., Кашапов О.С., Павлова Т.В., Ночов-ная Н.А. Разработка опытно-промышленной технологии изготовления полуфабрикатов из псевдо-а-титанового сплава ВТ41 // Титан. 2016. № 2. С. 33-38.

13. Кашапов О.С., Павлова Т.В., Истракова А.Р., Калашников В.С. Влияние железа на механические свойства поковок из жаропрочного титанового сплава ВТ41 // Труды ВИАМ. 2015. http://viam-works. ru/plugins/content/journal/uploads/articles/pdf/869.pdf

14. Кашапов О.С., Павлова Т.В., Калашников В.С., Кондратьева А.Р. Исследование влияния содер-

жания легирующих элементов на свойства высокопрочного жаропрочного псевдо-а-сплава ВТ46 // Труды ВИАМ. 2016. № 9 (45). С. 44-52.

15. Хорев А.И. Теоретические и практические основы повышения конструкционной прочности современных титановых сплавов // Технология легких сплавов. 2007. № 2. С. 144-153.

16. Хорев А.И. Комплексное легирование и микролегирование титановых сплавов // Сварочное производство. 2009. № 6. С. 21-30.

17. Шарова Н.А., Живушкин А.А., Васильев А.В. и др. Использование новых титановых сплавов при формировании конструкционного облика компрессора перспективного авиационного двигателя. Современные титановые сплавы и проблемы их развития / Под ред. Каблова Е.Н. М.:ВИАМ, 2010. 106 с.

18. Моисеев В.Н. Высокопрочные титановые сплавы для крупногабаритных деталей авиационного двигателя // МиТОМ. 2000. № 2. С. 34-36.

19. Полькин И.С. Интерметаллиды на основе титана // Технология легких сплавов. 2010. № 2. С. 5-15.

20. Ночовная Н.А., Исаичев А.В., Анташев В.Г. Проблемы создания экономичных титановых сплавов и пути их решения // Все материалы. Энциклопедический справочник. 2008. № 5. С. 10-15.

21. Кудрявцев А.С., Карасев Э.А., Молчанова Н.Ф. Титановые сплавы для гражданского судостроения // Технология легких сплавов. 2010. № 1. 85-91.

22. Ильин А.А., Скворцова С.В., Мамонов А.М., Карпов В.Н. Применение материалов на основе титана для изготовления медицинских импланта-тов // Металлы. 2003. № 3. С. 97-104.

23. Аношкин Н.Ф., Огинская Е.И., Лебедева Е.С. Титановые сплавы для изделий, работающих в агрессивных средах // Титан.1993. № 2. С. 73-75.

24. Борисова Е.А., Скляров Н.М. Пожаробезопасные титановые сплавы // Титан. 1993. № 3. С. 21-24.

25. Пат. RU 2 425 164 С1. Вторичный титановый сплав и способ его изготовления / Тетюхин В.В., Левин И.Г., Пузаков И.Ю., Таренкова Н.Ю. Заявл. 20.10.2010; опубл. 27.07.2011.

26. Пат. RU 2 436 858 С2. Вторичный титановый сплав и способ его получения / Тетюхин В.В., Левин И.Г., Пузаков И.Ю., Таренкова Н.Ю. Заявл. 24.02.2010; опубл. 20.12.2011.

27. Коллеров М.Ю., Ильин А.А. Особенности производства и применения биологически и механически совместимых имплантатов из никелида титана // Титан. 2018. № 2. С. 19-25.

28. Курочкин Д.А. Рынок титана России и ближнего зарубежья // XIX Международная конференция «Ti-2022 в СНГ». Самара. 20-23 апреля 2022. https://www.titan-association.com

REFERENCES

1. Ilin A.A., Kolachev B.A., Polkin I.S. Titanovyye splavy. Sostav, struktura, svoystva. Sprav. M.: VILS-MATI, 2009. 520 s.

2. Mashinostroyeniye. Entsiklopediya. T. II-3. Tsvetnyye metally i splavy / Pod red. Frindlyandera I.N. Razdel 2. Titan i titanovyye splavy / Moiseyev V.N. M.: Mashinostroyeniye, 2001. S. 272-353.

3. Belov S.P., Brun M. Ya., Glazunov S.G. i dr. Metallo-vedeniye titana i yego splavov / Pod obshch. red. Glazu-nova S.G., Kolacheva B.A. M.: Metallurgiya, 1992. 352 s.

4. Kolachev B.A., Yelagin V.I., Livanov V.A. Metallo-vedeniye i termicheskaya obrabotka tsvetnykh metal-lov i splavov. 4-ye izd. M.: MISiS, 2005. 432 s.

5. Kolachev B.A., Lyasotskaya V.S. O sistemakh legi-rovaniya titanovykh splavov // Izvestiya vuzov. Tsvet-naya metallurgiya. 1984. № 2. S. 92-98.

6. The Science, Technology and Applications of Titanium / Yed. by R.I. Jaffee and N.E. Promisel. Perga-mon Press Oxford e.a. 1970. 1202 p.

7. Khemond K., Natting Dzh. Metallovedeniye zharo-prochnykh i titanovykh splavov. Deformatsiya i svoystva materialov dlya aviatsionnoy i kosmicheskoy tekhniki. M.: Metallurgiya, 1982. S. 73-111.

8. Ilin A.A., Polkin I.S., Yegorova Yu.B., Davydenko L.V. Ob ispolzovanii ekvivalentov legiruyushchikh elemen-tov i primesey po alyuminiyu i molibdenu v proizvod-stve titanovykh splavov // Titan. 2018. № 4. S. 11-19.

9. Glazunov S.G., Yasinskiy K.K. Titanovyye splavy dlya aviatsionnoy tekhniki i drugikh otrasley pro-myshlennosti // Tekhnologiya lyogkikh splavov. 1993. № 6-7. https://www.viam.ru/public/

10. Pavlova T.V., Kashapov O.S., Nochovnaya N.A. Titanovyye splavy dlya gazoturbinnykh dvigateley // Vse materialy. Entsiklopedicheskiy spravochnik. 2012. № 5. S. 8-14.

11. Kashapov O.S., Novak A.V., Nochovnaya N.A., Pavlova T.V. Sostoyaniye, problemy i perspektivy sozdaniya zharoprochnykh titanovykh splavov dlya detaley GTD // Trudy VIAM. 2013. № 3. http://viam-works.ru/ru/articles?year=2013&num=3

12. Kablov Ye.N., Kashapov O.S., Pavlova T.V., No-chovnaya N.A. Razrabotka opytno-promyshlennoy tekhnologii izgotovleniya polufabrikatov iz psevdo-a-titanovogo splava VT41 // Titan. 2016. № 2. S. 33-38.

13. Kashapov O.S., Pavlova T.V., Istrakova A.R., Ka-lashnikov V.S. Vliyaniye zheleza na mekhaniches-kiye svoystva pokovok iz zharoprochnogo titanovogo splava VT41 // Trudy VIAM. 2015. http://viam-works. ru/plugins/content/journal/uploads/articles/pdf/869.pdf

14. Kashapov O.S., Pavlova T.V., Kalashnikov V.S., Kondratyeva A.R. Issledovaniye vliyaniya soder-zhaniya legiruyushchikh elementov na svoystva

vysokoprochnogo zharoprochnogo psevdo-a-splava VT46 // Trudy VIAM. 2016. № 9 (45). S. 44-52.

15. Khorev A.I. Teoreticheskiye i prakticheskiye osnovy povysheniya konstruktsionnoy prochnosti sovremen-nykh titanovykh splavov // Tekhnologiya lyogkikh splavov. 2007. № 2. S. 144-153.

16. Khorev A.I. Kompleksnoye legirovaniye i mikrolegi-rovaniye titanovykh splavov // Svarochnoye proizvod-stvo. 2009. № 6. S. 21-30.

17. Sharova N.A., Zhivushkin A.A., Vasilyev A.V. i dr. Ispolzovaniye novykh titanovykh splavov pri formirovanii konstruktsionnogo oblika kompressora perspektivnogo aviatsionnogo dvigatelya. Sovremen-nyye titanovyye splavy i problemy ikh razvitiya / Pod red. Kablova Ye.N.M.:VIAM, 2010. 106 s.

18. Moiseyev V.N. Vysokoprochnyye titanovyye splavy dlya krupnogabaritnykh detaley aviatsionnogo dvi-gatelya // MiTOM. 2000. № 2. S. 34-36.

19. Polkin I.S. Intermetallidy na osnove titana // Tekhnologiya lyogkikh splavov. 2010. № 2. S. 5-15.

20. Nochovnaya N.A., Isaichev A.V., Antashev V.G. Problemy sozdaniya ekonomichnykh titanovykh splavov i puti ikh resheniya // Vse materialy. Entsiklopedicheskiy spravochnik. 2008. № 5. S. 10-15.

21. Kudryavtsev A.S., Karasev E.A., Molchanova N.F. Titanovyye splavy dlya grazhdanskogo sudostroye-niya // Tekhnologiya legkikh splavov. 2010. № 1. 85-91.

22. Ilin A.A., Skvortsova S.V., Mamonov A.M., Kar-pov V.N. Primeneniye materialov na osnove titana dlya izgotovleniya meditsinskikh implantatov // Metally. 2003. № 3. S. 97-104.

23. Anoshkin N.F., Oginskaya Ye.I., Lebedeva Ye.S. Titanovyye splavy dlya izdeliy, rabotayushchikh v agressivnykh sredakh // Titan.1993. № 2. S. 73-75.

24. Borisova Ye.A., Sklyarov N.M. Pozharobezopas-nyye titanovyye splavy // Titan. 1993. № 3. S. 21-24.

25. Pat. RU 2 425 164 S1. Vtorichnyy titanovyy splav i sposob yego izgotovleniya / Tetyukhin V.V., Levin I.G., Puzakov I.Yu., Tarenkova N.Yu. Zayavl. 20.10.2010; opubl. 27.07.2011.

26. Pat. RU 2 436 858 S2. Vtorichnyy titanovyy splav i sposob yego polucheniya / Tetyukhin V.V., Levin I.G., Puzakov I.Yu., Tarenkova N.Yu. Zayavl. 24.02.2010; opubl. 20.12.2011.

27. Kollerov M.Yu., Ilin A.A. Osobennosti proizvodstva i primeneniya biologicheski i mekhanicheski sovmes-timykh implantatov iz nikelida titana // Titan. 2018. № 2. S. 19-25.

28. Kurochkin D.A. Rynok titana Rossii i blizhnego zarubezh'ya // XIX Mezhdunarodnaya konferentsiya «Ti-2022 v SNG». Samara. 20-23 aprelya 2022. https://www.titan-association.com

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.