Термическая обработка титана и титановых сплавов

Назначение термической обработки титана и титановых сплавов

• Снижение остаточного напряжения при термообработке титана, возникающего в процессе производства (снятие напряжения)
• Обеспечивает наилучшее сочетание пластичности, обрабатываемости, стабильности размеров и структуры (отжиг).
• Повышение прочности (лечение растворами и старение)
• Оптимизация специальных свойств, таких как вязкость разрушения, усталостная прочность и сопротивление ползучести при высоких температурах

Для получения выбранных механических свойств необходимо проводить различные виды обработки отжигом (например, однократный отжиг, двойной отжиг и рекристаллизационный отжиг), а также обработку на твердый раствор и обработку старением.

Снятие напряжения и отжиг могут быть использованы для предотвращения преимущественного химического воздействия в определенных коррозионные средыпредотвращает деформацию (стабилизирующая обработка) и подгоняет металл для последующих операций формовки и производства.

Реакция на термическую обработку и типы сплавов

Реакция титана и титановых сплавов на термическую обработку зависит от состава металла и влияния легирующих элементов на α-β кристаллическое превращение титана.

Имейте в виду, что не все циклы термообработки применимы ко всем титановым сплавам, потому что цели проектирования различных сплавов различны.

• Сплавы Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr и Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo предназначены для прочности в тяжелых сечениях.
• Сплавы Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo и Ti-6Al-5Zr-0,5Mo-0,2Si для сопротивления ползучести.
• Сплавы Ti-6Al-2Nb-1 Ta-1Mo и Ti-6Al-4V для устойчивости к коррозии под напряжением в водных солевых растворах и высокой вязкости разрушения.
• Сплавы Ti-5Al-2.5Sn и Ti-2.5Cu на свариваемость; а также
• Ti-6Al-6V-2Sn, Ti-6Al-4V и Ti-10V-2Fe-3Al для высокой прочности при низких и умеренных температурах.

Влияние легирующих элементов на α-β превращение.

Нелегированный титан - аллотроп. Его плотноупакованная гексагональная структура (α-фаза) становится объемно-центрированной кубической структурой (β-фаза) при 885 ° C (1625 ° F), и структура остается неизменной при температурах вплоть до точки плавления.

По влиянию на аллотропное превращение легирующие элементы в титане классифицируются как альфа-стабилизаторы или бета-стабилизаторы. Альфа-стабилизаторы (такие как кислород и алюминий) повышают температуру перехода от α к β. Азот и углерод также являются стабилизаторами, но эти элементы обычно не добавляют в сплавы намеренно. Бета-стабилизаторы (такие как марганец, хром, железо, молибденванадий и ниобий) может снизить температуру перехода α в β и, в зависимости от количества добавленного вещества, может привести к тому, что некоторые β-фазы останутся при комнатной температуре.

Тип сплава. В зависимости от типа и количества легирующих элементов, содержащихся в титановом сплаве, титановый сплав классифицируется как сплав, близкий к α, α-β или β. Реакция этих типов сплавов на термическую обработку кратко описывается ниже.

Альфа- и почти альфа-титановые сплавы могут снимать напряжение и подвергаться отжигу, но любой тип термообработки (например, бета-обработка раствора и обработка старением после закалки) не может обеспечить высокую прочность этих сплавов.

Коммерчески доступные бета-сплавы на самом деле являются метастабильными бета-сплавами. Когда эти сплавы подвергаются воздействию определенных высоких температур, оставшаяся β-фаза разлагается и упрочняется. Для β-сплавов снятие напряжения и старение можно использовать в комбинации, а отжиг и обработка раствором могут быть одной и той же операцией.

Сплав α-β представляет собой двухфазный сплав, как следует из названия, при комнатной температуре содержит как α-, так и β-фазы. Они являются наиболее распространенными и универсальными из трех типов титановых сплавов.

Уровни кислорода и железа оказывают значительное влияние на механические свойства после термообработки. Следует понимать, что:

• Кислород и железо должны быть близки к указанным максимальным значениям, чтобы соответствовать уровням прочности в определенных коммерчески чистых сортах.
• Кислород должен быть близок к указанному максимуму, чтобы соответствовать уровням прочности в растворе, обработанном и состаренном Ti-6Al-4 V.
• Уровни кислорода должны быть как можно более низкими, чтобы оптимизировать вязкость разрушения. Однако уровень кислорода должен быть достаточно высоким, чтобы соответствовать требованиям прочности на разрыв.
• Содержание железа должно быть как можно более низким, чтобы оптимизировать свойства ползучести и разрушения при напряжении. Для большинства жаропрочных сплавов требуется уровень железа 0,05wt% или ниже.

Снятие стресса

Титан и титановые сплавы могут снимать напряжение.

Процедура снятия стресса снижает нежелательный остаточный стресс:
Во-первых, деформация, вызванная неравномерной горячей штамповкой или холодной штамповкой и правкой,
Во-вторых, асимметричная обработка стальных листов или поковок, в-третьих, сварка и охлаждение отливок.

Снятие этого напряжения помогает поддерживать стабильность формы и устраняет недостатки, такие как потеря предела текучести при сжатии, обычно известная как эффект Баушингера.

Отжиг титана и титановых сплавов

Отжиг в основном используется для повышения вязкости разрушения, пластичности при комнатной температуре, размерной и термической стабильности, а также сопротивления ползучести.

Многие титановые сплавы используются в отожженном состоянии. Поскольку одно или несколько улучшений характеристик обычно достигаются за счет некоторых других характеристик, цикл отжига следует выбирать в соответствии с целью обработки.

Распространенными методами обработки отжигом являются:

• Отжиг мельниц
• Дуплексный отжиг
• Рекристаллизационный отжиг
• Бета-отжиг

Решение для лечения и старения

Посредством обработки раствором и старением можно получить различные уровни прочности в α- или β-сплавах. Помимо уникального сплава Ti-2.5Cu, реакция термообработки титанового сплава происходит из-за нестабильности высокотемпературной β-фазы при низкой температуре.

Нагревание α-β-сплава до температуры обработки на твердый раствор приведет к более высокому соотношению β-фаз. Распределение фаз поддерживается закалкой; в последующем процессе старения нестабильная β-фаза будет разлагаться, чтобы обеспечить высокую прочность. Коммерчески доступные бета-сплавы обычно поставляются в условиях обработки раствора и требуют только обработки старением.

После очистки титановые компоненты следует установить в приспособление или стойку, чтобы обеспечить свободный доступ к средствам нагрева и закалки. Толстые и тонкие компоненты одного и того же сплава можно обрабатывать в растворе вместе, но время выдержки при температуре зависит от самой толстой части.

В таблице 1 показаны сочетания времени и температуры, использованные для обработки раствора.

Рекомендуемые решения и методы старения для титанового сплава

Загрузку можно загружать непосредственно в печь, работающую при температуре обработки раствора. Хотя предварительный нагрев не требуется, его можно использовать для минимизации деформации сложных деталей.

Бета-сплавы обычно получают от производителей в условиях твердого раствора. Если требуется повторный нагрев, время замачивания должно быть только временем, необходимым для полного растворения. Температура обработки раствора β-сплава выше температуры β-превращения; поскольку второй стадии нет, рост зерна может происходить быстро.

α-β сплав. Выбор температуры обработки раствора сплава α-β основан на сочетании механических свойств, необходимых после старения. Изменение температуры обработки раствора сплава α-β приведет к изменению содержания β-фазы, тем самым изменяя реакцию на старение.

Чтобы получить высокую прочность и достаточную пластичность, обработка раствором должна проводиться при более высокой температуре в поле α-β, обычно на 25–85 ° C (50–150 ° F) ниже переходной линии β сплава. Если требуется более высокая вязкость разрушения или повышенная стойкость к коррозии под напряжением, может потребоваться бета-отжиг или обработка бета-раствором. Однако термическая обработка сплавов α-β в диапазоне β приведет к значительному снижению пластичности. Эти сплавы обычно подвергаются термообработке на раствор до температуры ниже температуры β-превращения для достижения наилучшего баланса пластичности, вязкости разрушения, ползучести и свойств разрушения под напряжением.

Сообщение от поставщик трубной арматуры из нержавеющей стали KAYSUNS