Титановые сплавы серии «Альфа-Бета»: термическая обработка и свойства

Альфа-бета-титановые сплавы содержат обе фазы при комнатной температуре и сочетают в себе технологичность бета-фазы со стабильностью и прочностью альфа-фазы. Их конечные свойства в значительной степени зависят от температуры растворения, истории деформации, скорости охлаждения и старения. Наиболее известным примером является сплав Ti-6Al-4V.

Бета-отжиг и ламеллярные структуры

Нагрев выше бета-трансуса приводит к удалению первичного альфа-мартенсита. При охлаждении альфа-мартенсит зарождается на границах зерен, ранее находившихся в бета-фазе, и растёт внутрь в виде колоний параллельных пластин. Медленное охлаждение приводит к образованию крупных альфа-пластин; более быстрое охлаждение утончает эти пластины и может привести к образованию альфа-прайм-мартенсита. Более грубые пластинчатые структуры, как правило, повышают вязкость разрушения и сопротивление ползучести, тогда как более мелкие структуры увеличивают прочность и усталостную прочность, но могут снижать пластичность.

Скорость охлаждения и фазовые превращения

Скорость охлаждения определяет, будет ли бета-фаза диффузионно распадаться на альфа-фазу и остаточную бета-фазу или превратится в мартенситные продукты. Она также влияет на размер колоний и толщину альфа-пластинок. Поэтому необходимо подбирать оптимальное соотношение прочности и пластичности с учётом размеров сечения и возможностей закалки.

Альфа-бета-отжиг и бимодальные структуры

В результате отжига в альфа-бета-поле сохраняется контролируемая доля равноосного первичного альфа-фазы. Остальная бета-фаза трансформируется в процессе охлаждения, образуя вторичную ламеллярную альфа-фазу в матрице бета-фазы. Такая бимодальная структура сочетает в себе усталостную прочность и пластичность равноосного альфа-фазы с вязкостью разрушения и сопротивлением ползучести трансформированной бета-фазы.

Двухступенчатый отжиг позволяет сначала сформировать долю первичного альфа-фазы и морфологию, а затем стабилизировать преобразованную бета-фазу. Термообработка в растворе и старение упрочняют сплав за счет контролируемого выделения, однако чрезмерная температура, время выдержки или медленное охлаждение могут привести к укрупнению структуры. Поэтому при разработке технологического процесса следует указывать температуру относительно транссуса бета-фазы, схему охлаждения и реакцию на старение, а не полагаться исключительно на обозначение термической обработки.

Компромиссы между свойствами

• Равноосные структуры способствуют повышению пластичности и сопротивляемости многоцикловой усталости.
• Ламеллярные структуры способствуют повышению сопротивления распространению трещин, вязкости разрушения и сопротивлению ползучести.
• Двухмодальные конструкции обеспечивают оптимальный баланс для многих деталей авиакосмической промышленности.
• Продукты, полученные методом мелкодисперсного измельчения, повышают прочность, но могут снижать относительное удлинение при растяжении.
• Размер зерен приора-бета, доля первичного альфа-фазы и расстояние между альфа-пластинками являются ключевыми регулирующими параметрами.