Альфа-титановые сплавы: строение, свойства, термическая обработка

Альфа-титановые сплавы содержат преимущественно альфа-фазу и классифицируются как полностью альфа-типовые или почти альфа-типовые. Поскольку в них бета-фаза отсутствует или присутствует в незначительных количествах, их невозможно упрочнить с помощью традиционной термической обработки; основными механизмами упрочнения являются твердое растворение и измельчение кристаллитов. Важными добавками являются Al, O, Zr, Sn и Si. Содержание алюминия обычно поддерживается на уровне ниже 6% для ограничения хрупкой упорядоченной фазы альфа2 (Ti3Al); кислород обеспечивает сильное интерстициальное упрочнение, но снижает пластичность, а в почти-альфа-сплавах кремний используется для повышения сопротивления ползучести.

Титан коммерческой чистоты

Коммерчески чистый титан (CP-титан) обычно классифицируется на международном уровне по маркам ASTM 1–4, однако эти марки служат лишь в качестве общей ориентировочной схемы, а не являются точными аналогами китайских марок.

Полностью альфа-микроструктуры

Сплавы с полностью альфа-фазой обладают свариваемостью, коррозионной стойкостью, пластичностью, ударной вязкостью с надрезом и температурой перехода от пластичного к хрупкому состоянию, достигающей −253 °C. Равноосные зерна образуются в результате альфа-бета-обработки с последующим отжигом рекристаллизации. Прочность зависит от уменьшения размера зерен; для марки CP с минимальным содержанием кислорода зависимость от источника выглядит следующим образом: предел текучести = 231 МПа + 10,5d^−1/2. При быстром охлаждении из бета-фазы образуется игольчатый или пластинчатый альфа-прайм-мартенсит, тогда как при медленном охлаждении образуются крупные ламеллярные колонии. Ламеллярные структуры характеризуются более низкой прочностью на разрыв и усталостной прочностью, а также меньшей пластичностью, но при этом обладают более высокой вязкостью разрушения и сопротивлением ползучести.

Сплав Ti-5Al-2,5Sn сочетает в себе высокую криогенную прочность и вязкость и используется для хранения жидкого азота при температуре около −253 °C.

Сплавы, близкие к альфа-состоянию

Сплавы, близкие к альфа-фазе, обладают стойкостью к ползучести и окислению, а также прочностью при температурах до примерно 600 °C, что позволяет использовать их в компрессорах газовых турбин. К ним относятся, например, Ti-1100, IMI 834 и BT18y. Небольшие добавки Mo, Nb или V улучшают ковкость за счет ограниченного содержания бета-фазы; Zr и Sn упрочняют альфа-фазу, а добавки Si, C и редкоземельных элементов могут повысить сопротивление ползучести.

В результате ковки и термообработки в альфа-бета-области может образоваться бимодальная структура, состоящая из первичного равноосного альфа-фазы и трансформированной бета-фазы, содержащей вторичную ламеллярную альфа-фазу. Такая структура обеспечивает оптимальный баланс между ползучестью, вязкостью разрушения и усталостной прочностью.

Более быстрое охлаждение после обработки раствором бета-фазы приводит к образованию более тонких альфа-пластинок, повышению прочности и снижению пластичности. Увеличение содержания бета-фазы может улучшить сопротивление ползучести у сплава IMI 834, но при этом снизить усталостные характеристики. Старение или длительное нахождение в среде могут привести к выделению упорядоченной альфа-2-фазы и силицидов Ti₅Si₃, что повышает прочность как при комнатной, так и при высокой температуре, одновременно снижая пластичность.