Как определяются микроструктуры титановых сплавов?

Титан и титановые сплавы сочетают в себе низкую плотность, высокую удельную прочность, коррозионную стойкость, термостойкость, немагнитные свойства и нетоксичность. Они широко используются в аэрокосмической и судостроительной отраслях, нефтяной промышленности, химической промышленности, легкой промышленности, металлургии, машиностроении, медицине и энергетике.

Титановые сплавы обычно подразделяются на альфа-, альфа-бета- и бета-сплавы. Их основные фазы относительно просты, однако в зависимости от условий обработки могут возникать различные морфологии и распределения, а также переходные фазы и фазы примесей.

Металлографические структуры титановых сплавов

Коммерчески чистый титан (CP-титан) относится к семейству альфа-сплавов. Другие альфа-сплавы, как правило, содержат около 6% алюминия плюс небольшие количества нейтральных элементов и после отжига почти полностью состоят из альфа-фазы. Эта общая классификация включает CP-титан и альфа-титановые сплавы. Почти-альфа-сплавы дополнительно содержат не более примерно 4% бета-стабилизирующих элементов; примерами являются Ti-8Al-1Mo-1V (Ti-811) и Ti-4Al-2V.

Альфа-титановые сплавы и их микроструктуры

Альфа-титановые сплавы состоят почти полностью из альфа-фазы, хотя при относительно высоком содержании железа или марганца могут появляться следы бета-фазы. Альфа-фаза встречается в двух основных формах: равноосных и пластинчатых или игольчатых. Механическая обработка и отжиг в области одноальфа-фазы приводят к образованию равноосных зёрен альфа-фазы, аналогичных тем, что встречаются в чистом титане.

Если отжиг проводится при температуре выше точки перехода альфа/альфа-бета (примерно 955 °C) или точки перехода альфа-бета/бета (примерно 1040 °C), высокотемпературная бета-фаза при последующем печном или воздушном охлаждении трансформируется в пластинчатую или игольчатую альфа-фазу с характерными чертами структуры Видманштеттена. При печном охлаждении образуются более крупные, округлые пластинки; при воздушном охлаждении — более тонкие, остроконечные иголки. По сравнению с равноосной альфа-фазой эти морфологии практически не влияют на прочность при растяжении, но снижают пластичность.

Титановые сплавы серии «альфа-бета» и их микроструктуры

Альфа-бета-сплавы содержат алюминий в количестве менее 6% по массе, а также различные стабилизаторы бета-фазы и нейтральные элементы. После отжига в них содержатся альфа- и бета-фазы в различных пропорциях. Как правило, они хорошо свариваются и могут быть упрочнены термической обработкой, однако их холодная формуемость и обрабатываемость при холодной деформации оставляют желать лучшего. К ним относятся, например, Ti-6Al-4V, Ti-6,5Al-3,5Mo-1,5Zr-0,3Si и TC21 (приблизительно сопоставимый с Ti-62222).

Ti-6Al-4V — наиболее широко используемый титановый сплав альфа-бета-типа. Обычно он подвергается горячей обработке и отжигу, но может также подвергаться закалке и старению. Соотношение альфа-фазы к бета-фазе, а также морфология, размер и распределение обеих фаз в значительной степени зависят от условий горячей обработки.

В процессе закалки или изотермической обработки осаждение альфа-фазы из бета-фазы может сопровождаться образованием переходной омега-фазы — неравновесной субмикроскопической фазы, образующейся в результате зародышеобразования и роста.

Бета-титановые сплавы и их микроструктуры

Бета-сплавы подразделяются на сплавы со стабильной бета-фазой, метастабильной бета-фазой и квазибета-сплавы. К важным металлографическим параметрам относятся размер бета-зерен, количество и морфология первичной и вторичной альфа-фазы, а также распределение альфа-фазы вдоль границ зерен.

Сплавы стабильной бета-фазы

Сплавы со стабильной бета-фазой содержат достаточное количество стабилизаторов бета-фазы, чтобы подавлять мартенситное превращение при закаливании до комнатной температуры. Их отжигаемая и закаленная матрица представляет собой равноосную бета-фазу, а при высокотемпературной ползучести могут образовываться твинны. Эти сплавы обладают относительно низкой прочностью при комнатной температуре, хорошей холодной формованностью и хорошей коррозионной стойкостью в восстановительных средах.

Метастабильные бета-сплавы

Метастабильные бета-сплавы содержат стабилизаторы бета-фазы в количестве, превышающем критическую концентрацию; их молибденовый эквивалент составляет около 10%, содержание алюминия — не более 3%, а также небольшие количества нейтральных элементов. Термическая обработка в бета-области приводит к формированию практически полностью метастабильной бета-структуры; старение вызывает осаждение альфа-фазы. Эти сплавы сочетают хорошую обрабатываемость при холодной деформации с высокой прочностью после старения. К типичным составам относятся Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al, Ti-10Mo-8V-1Fe-3,5Al и Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al (Ti-15-3).

Около-бета-сплавы

Сплавы «near-beta» содержат стабилизаторы бета-фазы в количестве, близком к критической концентрации, наряду с нейтральными элементами и алюминием. Растворительная обработка в бета-поле приводит к образованию большого количества метастабильной бета-фазы и других метастабильных альфа- или омега-компонентов; после старения преобладают альфа- и бета-фазы. Эти сплавы хорошо подходят для поковки и обеспечивают оптимальный баланс прочности и вязкости. Типовым примером такого сплава является Ti-10V-2Fe-3Al (Ti-10-2-3).