Как легирующие элементы влияют на свойства титановых сплавов?

Титан имеет две аллотропные формы: альфа-титан с плотноупакованной гексагональной решёткой устойчив при температуре ниже 882 °C, а бета-титан с кубической решёткой с центром в объёме — при температуре выше 882 °C. Плотность титана составляет 4,51 г/см³, он сохраняет высокую удельную прочность примерно до 550–600 °C, устойчив к коррозии благодаря стабильным пленкам оксидов и нитридов и сохраняет полезную прочность, пластичность и ударную вязкость при температуре жидкого азота. Его теплопроводность составляет примерно четверть от теплопроводности железа, а модуль упругости — примерно 54% от модуля упругости железа.

Цель легирования титана

Легирование определяет состав, стабильность и свойства альфа- и бета-фаз. Элементы с концентрацией электронов ниже 4, как правило, способствуют стабилизации альфа-фазы, с концентрацией выше 4 — стабилизации бета-фазы, а те, у которых концентрация близка к 4, могут стабилизировать обе фазы. К важным добавкам относятся Al, Sn, Zr, V, Mo, Mn, Fe, Cr, Cu и Si.

• Альфа-стабилизаторы, такие как Al, повышают температуру фазового перехода и расширяют область альфа-фазы.
• Бета-стабилизаторы, такие как Mo, снижают температуру фазового перехода и расширяют область бета-фазы.
• Нейтральные элементы практически не влияют на температуру превращения и практически полностью растворяются в обеих фазах.

Четыре типичных типа двоичных систем

1. Перитектоидные и системы, образующие соединения: Ti-Al, Ti-Sn, Ti-Ga, Ti-B, Ti-C, Ti-N и Ti-O. Обширные области альфа-твердых растворов Ti-Al, Ti-Sn и Ti-Ga имеют важное значение для жаропрочных сплавов.
2. Непрерывная бета-растворимость и ограниченная альфа-растворимость: Ti-V, Ti-Nb, Ti-Ta и Ti-Mo. Эти элементы с кубической решёткой с центрированными атомами стабилизируют бета-фазу. При достижении критической концентрации быстрое охлаждение позволяет полностью сохранить бета-фазу до комнатной температуры.
3. Эвтектоидные системы: Ti-Cr, Ti-Mn, Ti-Fe, Ti-Co, Ti-Ni, Ti-Cu, Ti-Si, Ti-Bi и Ti-W. Cu, Si и H являются активными стабилизаторами эвтектоидной бета-фазы и могут обеспечивать старение; Fe, Mn и Cr превращаются достаточно медленно, благодаря чему альфа-бета-структуры могут сохраняться после обычного охлаждения.
4. Непрерывные альфа- и бета-растворы в твёрдом состоянии: Ti-Zr и Ti-Hf. Zr упрочняет альфа-фазу и широко используется; Hf отличается высокой плотностью, является дефицитным и менее практичным.

Таким образом, эффективное проектирование сплава заключается в выборе типов элементов и добавок для обеспечения необходимого фазового баланса, механических свойств и технологических характеристик.