Как легирующие элементы повышают прочность титановых сплавов?

Титановые сплавы упрочняются за счет добавления определённых элементов, которые изменяют поведение твёрдого раствора, стабильность фаз, процесс выделения осадков и реакцию на термическую обработку. Алюминий в первую очередь упрочняет α-фазу; ванадий и молибден стабилизируют и упрочняют β-фазу титана, а олово и цирконий повышают термостойкость сплавов. В приведенных ниже разделах эти эффекты сравниваются с эффектами марганца, хрома, кремния, меди и редкоземельных элементов.

Алюминий

Практически каждый титановый сплав, за исключением коммерчески чистого титана, содержит алюминий, в первую очередь для упрочнения за счет твердого раствора. Каждый 1% алюминия по массе повышает предел прочности при растяжении при комнатной температуре примерно на 50 МПа. Растворимость алюминия в титане ограничена значением 7,5%. При превышении этого предела упорядоченный Ti₃Ал (α₂) приводит к образованию деформаций и негативно сказывается на пластичности, ударной вязкости и коррозионной стойкости под напряжением, поэтому в качестве алюминия, как правило, используется только марка 7%.

Алюминий повышает стойкость к окислению, снижает плотность и повышает температуру рекристаллизации. Добавление 5% позволяет повысить температуру рекристаллизации с 600 °C для чистого титана до 800 °C. Это укрепляет атомные связи в твёрдом растворе титана и повышает прочность при высоких температурах. В термообрабатываемых β-сплавах алюминий 3% способен подавлять появление ослабляющей прочность ω-фазы, образующейся в результате распада метастабильной β-фазы. Алюминий также увеличивает растворимость водорода в α-Ti, снижая склонность к гидридному охрупчиванию.

Цирконий и олово

Олово, как и цирконий, является нейтральным элементом и эффективно укрепляет α-твердый раствор, не снижая при этом существенно пластичность. Оно повышает сопротивление ползучести и играет важную роль в жаропрочных титановых сплавах.

Цирконий обладает высокой растворимостью как в α-Ti, так и в β-Ti и обычно добавляется вместе с другими элементами для дополнительного упрочнения. Цирконий и олово способствуют тому, что моно-α жаропрочные сплавы демонстрируют более высокую термостойкость и сопротивление ползучести при меньшей потере пластичности по сравнению с алюминием, что обеспечивает хорошую формуемость и свариваемость. Олово также снижает чувствительность к водородному охрупчиванию. При чрезмерной концентрации упорядоченный Ti₃Сн образует отложения и снижает пластичность и термическую стабильность.

Ванадий и молибден

Ванадий является β-изоморфным элементом, обладающим неограниченной растворимостью в β-титане и некоторой растворимостью в α-титане. Он обеспечивает более эффективное упрочнение, чем олово, сохраняя при этом хорошую пластичность, и способен повысить сопротивление ползучести и термическую стабильность.

Молибден также является β-изоморфным элементом. Он обеспечивает упрочнение за счет твердого раствора, улучшает обрабатываемость в горячем состоянии, сопротивление ползучести и термическую стабильность, а также снижает склонность к водородному охрупчиванию. Ванадий и молибден являются наиболее широко используемыми стабилизаторами β-фазы. Они упрочняют β-фазу, понижают температуру фазового перехода, повышают закаливаемость и улучшают реакцию на термообработку. Титановые сплавы, содержащие любой из этих элементов, не подвергаются эвтектоидной реакции и сохраняют хорошую высокотемпературную структурную стабильность. Ванадий сам по себе обеспечивает сопротивление ползучести лишь до температуры около 400 °C. Молибден более эффективен, но увеличивает плотность, а также повышает коррозионную стойкость, в частности стойкость к щелевой коррозии в растворах хлоридов.

Марганец и хром

Марганец и хром значительно укрепляют и стабилизируют β-фазу и обладают меньшей плотностью, чем молибден или вольфрам. Они широко используются в высокопрочных метастабильных β-сплавах. Их медленные эвтектоидные реакции с титаном могут снижать долговременную высокотемпературную стабильность и сопротивление ползучести. Добавление β-изоморфного элемента, особенно молибдена, подавляет эти реакции.

Медь

Часть меди растворяется в α-фазе, а часть образует TiCu₂, что способствует повышению термической стабильности и прочности при высоких температурах. При превышении предела растворимости старение может привести к дисперсионному упрочнению и существенно повысить прочность как при комнатной, так и при повышенных температурах.

Кремний

Кремний повышает прочность при высоких температурах. При содержании выше примерно 0,21 TP33T по массе он образует Ti₅Si₃ в сплавах, не содержащих циркония, и (Ti₂Zr)₅Si₃ в цирконийсодержащих сплавах. Эти силициды повышают сопротивление ползучести, но снижают термическую стабильность. Высокая температура эвтектоида кремния (860 °C) способствует повышению термостойкости, поэтому термостойкие сплавы часто содержат около 0,25% кремния, не превышая при этом максимальную растворимость в α-фазе. Поскольку атомы кремния и титана значительно различаются по размеру, кремний сегрегирует в дислокациях и затрудняет их движение. Он также повышает растворимость водорода в β-фазе и снижает склонность к водородному охрупчиванию.

Редкоземельные элементы

Добавки редкоземельных элементов повышают термостойкость и термическую стабильность. В результате внутреннего окисления образуются мелкие, стабильные частицы редкоземельных элементов_xO_y частицы, обеспечивающие дисперсионное упрочнение. Этот процесс снижает концентрацию кислорода в матрице и приводит к переносу олова в оксиды редкоземельных элементов, что способствует подавлению хрупкости α-фазы₂ осаждение. Редкоземельные элементы также значительно замедляют рост β-зерен и способствуют их утоньшению, улучшая общие свойства материала.

Разработка титановых сплавов движется в направлении создания высоколегированных многокомпонентных систем. Легирующие добавки обеспечивают упрочнение за счет твердого раствора, стабилизируют α- или β-фазы, улучшают реакцию на термическую обработку, подавляют вредные эффекты и повышают термостойкость и коррозионную стойкость.