Бета-титановые сплавы: термическая обработка, структура и свойства

Бета-титановые сплавы содержат достаточное количество элементов, стабилизирующих бета-фазу, чтобы сохранять значительную долю бета-фазы при комнатной температуре. Они отличаются низким напряжением текучести, глубокой закаливаемостью, формуемостью в холодном состоянии и хорошей реакцией на растворительную обработку и старение. Их плотность и стоимость легирования могут быть выше, чем у альфа-бета-сплавов, а сплавы со стабильной бета-фазой могут уступать в прочности за счет повышенной пластичности.

Стабильность бета-фазы и деформация

Метастабильные бета-сплавы могут претерпевать фазовые превращения или выделение фаз в процессе деформации и термообработки. В зависимости от степени стабильности под действием напряжений или охлаждения могут образовываться продукты, связанные с альфа-прайм, альфа-дабл-прайм или омега-фазами. Повышение стабильности бета-фазы приводит к изменению механизма активной деформации и зависимости «напряжение-деформация» при растяжении.

Бета-отжиг

Отжиг при температуре выше транссуса бета-фазы приводит к образованию равноосных зерен, ранее находившихся в бета-фазе. Размер зерен зависит от температуры, времени и предшествующей обработки; крупные зерна могут ухудшать пластичность и усталостную прочность даже при повышении вязкости разрушения.

Альфа-бета-отжиг

Отжиг при температуре ниже транссуса бета-фазы позволяет сохранить первичную альфа-фазу и рекристаллизовать бета-фазу, что способствует утончению структуры и достижению баланса между прочностью, пластичностью и характеристиками разрушения.

Обработка на твердый раствор и старение

Бета-фаза, прошедшая растворную обработку, является относительно мягкой и поддается формовке. В результате старения в бета-фазе образуются мелкие альфа-преципитаты, что и обеспечивает основной эффект упрочнения. Одноэтапное старение происходит по одной температурно-временной траектории: более низкие температуры, как правило, повышают плотность зародышеобразования и приводят к утончению преципитатов, тогда как более высокие температуры ускоряют их рост и укрупнение.

Двухэтапное старение может привести к образованию альфа-фазы с двумя масштабами. На этапе низкой температуры образуются мелкие зародыши или промежуточные продукты, а на этапе более высокой температуры формируется более стабильное распределение альфа-фазы. Необходимо контролировать последовательность этапов и скорость нагрева, поскольку они влияют на процесс зародышеобразования, зоны, свободные от осадков, и конечный размер пластин.

Ключевые параметры старения

• Температура старения: определяет зарождение альфа-фазы, её рост, объемную долю и расстояние между кристаллами.
• Время удержания: увеличивает прочность, но со временем может привести к упрочнению альфа-фазы и снижению пластичности.
• Скорость нагрева: влияет на промежуточные превращения и количество точек альфа-зарождения.
• Предварительная деформация: приводит к появлению дефектов и границ, способствующих гетерогенному зародышеобразованию.
• Размер и состав бета-зерна: определить кинетику осаждения и конечную однородность свойств.

Оптимальная обработка обеспечивает баланс между пределом текучести, пластичностью при растяжении, вязкостью разрушения, усталостной прочностью и стабильностью размеров. При принятии решения о закупке или сертификации необходимо руководствоваться действующими спецификациями на сплав и изделие, а не общим описанием микроструктуры.