Термическая обработка титана и титановых сплавов (1）

Термическая обработка — это процесс, при котором контролируемый нагрев и охлаждение металлов осуществляется в очень точных условиях окружающей среды с целью изменения физических или механических характеристик металла без изменения формы изделия. Если термическая обработка проведена неправильно, металл может не достичь желаемых свойств, необходимых для соответствия проектным спецификациям инженеров.
Термическая обработка обычно связана с увеличением прочности материала, но ее также часто используют для улучшения обрабатываемости, улучшения формуемости, повышения пластичности или повышения коррозионной стойкости. Следовательно, это важнейший процесс, обеспечивающий достижение заданных характеристик металла.

Преимущества термообработки титановых сплавов:

Снижение остаточных напряжений, возникающих в процессе изготовления (снятие напряжений)
Обеспечивает оптимальное сочетание пластичности, обрабатываемости, стабильности размеров и структуры (отжиг).
Увеличение прочности (обработка раствором и старение)

Оптимизация специальных свойств, таких как вязкость разрушения, усталостная прочность и сопротивление ползучести при высоких температурах.

Снятие напряжений титана

Титан и титановые сплавы можно снимать без ущерба для прочности и пластичности.

Обработки для снятия напряжений уменьшают нежелательные остаточные напряжения, возникающие в результате, во-первых, неоднородной горячей штамповки или деформации в результате холодной штамповки и правки, во-вторых, асимметричной обработки листов или поковок и, в-третьих, сварки и охлаждения отливок. Удаление таких напряжений помогает поддерживать стабильность формы и устраняет неблагоприятные условия, такие как потеря предела текучести при сжатии, широко известная как эффект Баушингера.

Снятие напряжений, вероятно, является наиболее распространенной термообработкой титана и титановых сплавов. Он используется для уменьшения нежелательных остаточных напряжений, возникающих в результате неравномерной горячей штамповки, неравномерной холодной штамповки и правки, асимметричной механической обработки листов (хогаутов) или поковок, сварки деформируемых, литых или порошковых металлургических (P/M) деталей и охлаждение отливок.

Снятие напряжений помогает поддерживать стабильность формы, а также устраняет неблагоприятные условия, такие как потеря предела текучести при сжатии (эффект Баушингера), которые могут быть особенно серьезными для титановых сплавов. Снятие напряжений может быть выполнено без отрицательного воздействия на прочность или пластичность.

Отжиг

Отжиг титана и титановых сплавов служит, прежде всего, для повышения вязкости разрушения, пластичности при комнатной температуре, размерной и термической стабильности, а также сопротивления ползучести. Многие титановые сплавы поступают в эксплуатацию в отожженном состоянии. Поскольку улучшение одного или нескольких свойств обычно достигается за счет некоторых других свойств, цикл отжига следует выбирать в соответствии с целью обработки.
Обычными методами отжига являются:

Мельничный отжиг — это универсальная обработка, применяемая ко всем прокатным продуктам. Он не является полным отжигом и может оставлять следы холодной или теплой обработки в микроструктурах тяжело обработанных изделий, особенно листового.

Дуплексный отжиг изменяет форму, размеры и распределение фаз до тех, которые необходимы для улучшения сопротивления ползучести или вязкости разрушения. Например, при дуплексном отжиге сплава Corona 5 первый отжиг проводится вблизи трансуса для глобуляризации деформированного материала и минимизации его объемной доли. За этим следует второй отжиг при более низкой температуре для осаждения новых двояковыпуклых (игольчатых) между глобулярными частицами. Такое образование иголок связано с улучшением предела ползучести и вязкости разрушения.

Рекристаллизационный отжиг и отжиг используются для повышения вязкости разрушения. При рекристаллизационном отжиге сплав нагревают до верхней границы диапазона, выдерживают некоторое время, а затем очень медленно охлаждают. В последние годы рекристаллизационный отжиг заменил отжиг критически важных для разрушения компонентов планера.

(Бета) Отжиг. Как и рекристаллизационный отжиг, отжиг повышает вязкость разрушения. Бета-отжиг проводится при температурах выше температуры перехода отжигаемого сплава. Чтобы предотвратить чрезмерный рост зерен, температура отжига должна быть лишь немного выше трансуса. Время отжига зависит от толщины среза и должно быть достаточным для полной трансформации. Время пребывания при температуре после трансформации должно быть сведено к минимуму, чтобы контролировать рост зерна. Секции большего размера следует охлаждать вентилятором или закаливать водой, чтобы предотвратить образование фазы на границах зерен.

Лечение раствором и старение

Широкий диапазон уровней прочности можно получить в сплавах или сплавах путем обработки на раствор и старения. За исключением уникального сплава Ti-2.5Cu, причина реакции титановых сплавов на термообработку заключается в нестабильности высокотемпературной фазы при более низких температурах.
Нагревание сплава до температуры обработки на раствор приводит к более высокому соотношению фаз. Такое разделение фаз поддерживается закалкой; при последующем старении происходит распад нестабильной фазы, обеспечивающий высокую прочность. Коммерческие сплавы обычно поставляются в обработанном на раствор состоянии, и их необходимо только состарить. Обработка титановых сплавов на раствор обычно включает нагрев до температур немного выше или немного ниже температуры перехода.
(Бета)-сплавы обычно получают от производителей в обработанном растворе состоянии. Если требуется повторный нагрев, время выдержки должно быть столько, сколько необходимо для получения полного растворения. Температуры обработки сплавов на раствор выше температуры перехода; поскольку вторая фаза отсутствует, рост зерен может происходить быстро.
- (Альфа-бета) сплавы. Выбор температуры обработки сплавов на твердый раствор основан на сочетании желаемых механических свойств после старения. Изменение температуры обработки сплавов на раствор приводит к изменению количества фаз и, следовательно, к изменению реакции на старение.
Чтобы получить высокую прочность и достаточную пластичность, необходимо проводить обработку на раствор при высокой температуре в полевых условиях, обычно на 25–85 градусов (от 50 до 150 градусов F) ниже температуры перехода сплава. Если требуется высокая вязкость разрушения или повышенная стойкость к коррозии под напряжением, может быть желательным отжиг или обработка раствором. Однако термическая обработка сплавов в этом диапазоне приводит к значительной потере пластичности. Эти сплавы обычно подвергаются термообработке на твердый раствор ниже перехода для получения оптимального баланса пластичности, вязкости разрушения, ползучести и свойств разрушения под напряжением.

закалка

Если сплавы быстро охлаждаются закалкой водой из всей бета-области, тенденция к образованию альфа-фазы подавляется, а бета-фаза сохраняется. Однако некоторые составы сплавов демонстрируют своеобразное превращение при закалке. Этот механизм мартенситного или сдвигового превращения до конца не изучен. Образование этой структуры, так называемого альфа-простого числа, вызывает некоторое искажение решетки. В результате этого искажения и возникающей деформации получается материал, который является твердым и прочным и обладает лучшими усталостными свойствами, чем альфа. Этот процесс закалки также является начальной точкой отпуска.

Закалка

Когда титан закаливают при повышенной температуре, повторно нагревают до температуры ниже температуры бета-перехода, выдерживают в течение определенного периода времени и снова закаливают, говорят, что он подвергся отпуску. При отпуске существуют три переменные: наличие фаз, время выдержки и температура отпуска.

Когда исходная структура содержит альфа-штрих, происходят два изменения: альфа-штрих преобразуется в альфа, а с течением времени альфа становится зубчатой. Результатом является потеря твердости и прочности и увеличение пластичности и ударной прочности. Однако альфа-бета-структуры не следуют этой схеме. Альфа в основном остается неизменной; бета разлагается с образованием большего количества альфа за счет бета-фазы. При низких температурах будет образовываться больше альфа; таким образом, низкие температуры отпуска приводят к большему снижению прочности и твердости и большему увеличению пластичности, чем высокотемпературный отпуск за одинаковые промежутки времени.

Изотермическая трансформация

При горячей закалке сплава из полностью бета-области до температур в альфа-бета-поле и выдержке в течение некоторого времени, а затем дальнейшей закалке до комнатной температуры происходит изотермическое преобразование материала. Лечение таким способом вызывает выделение альфа-фазы из бета-фазы. При высоких температурах альфа выделяется сначала на границах зерен, а затем внутри самих бета-зерен.
Эта обработка при выдержке при температурах чуть ниже температуры превращения сначала дает очень твердый материал из-за образования бета-прайма. Если время выдержки увеличивается, твердость и прочность уменьшаются с сопутствующим увеличением пластичности и ударной вязкости. При более низких температурах происходит постепенное повышение твердости и хрупкости, и при длительном времени можно получить более высокую твердость, чем при кратковременной высокотемпературной обработке.

(Продолжение следует)