ГлавнаяПредложенная А.А. Бочваром классификация видов термической обработки, основанная на рассмотрении структурных и фазовых превращений, протекающих в металле при тепловом воздействии, может быть использована и применительно к термообработке титана и его сплавов.
На рис. 140 представлена классификация видов термической обработки титановых сплавов и терминология, принятая в настоящее время.
Рассмотрение первого вида термообработки или собственно термической обработки показывает, что для титановых сплавов применяются отжиги первого и второго рода, закалка с полиморфным превращением и без полиморфного превращения, а также старение и отпуск.
Термины «закатка без полиморфного превращения» «закалка с полиморфным превращением» для титановых сплавов означают независимо от температурной области нагрева под закалку в первом случае — возможность получения мартенсита а' или а' и во втором — возможность фиксации при низкой температуре состояния или фазы, свойственных более высокой температуре. Термины «старение» и «отпуск» следует понимать так: при распаде мартенситных а'- и а''-фаз происходит отпуск, а при распаде в-твердого раствора — старение.
Предлагаемая терминология предусматривает четкое разделение этих понятий: если закалка была проведена с полиморфным превращением, последующий распад метастабильных фаз предлагается называть отпуском, если закалку проводили без полиморфного превращения, что наиболее распространено для титановых сплавов, то предлагается применять термин «старение». При закалке титановых сплавов с определенной концентрацией в-стабилизаторов фиксируются мартенситная a'- или a"-фаза и пересыщенная в-фаза. При последующем нагреве происходит распад и мартенситной фазы, и в-фазы, и, таким образом, имеет место смешанный процесс отпуска и старения. Роль оставшейся а' (а'')-фазы в процессах упрочнения незначительна. В этом случае основное упрочнение происходит вследствие распада в-фазы. Такой процесс, вероятно, лучше отнести к старению.
Химико-термическая обработка, как правило, на полуфабрикатах не проводится, поэтому здесь не рассматривается.
Рассмотрим общие характеристики и цели применения каждого вида термической обработки полуфабрикатов из титановых сплавов.
Отжиг 1-го рода
Основной отличительной особенностью его является отсутствие фазовых превращений при его проведении. Основными технологическими параметрами при его осуществлении являются температура нагрева и время выдержки. Скорости нагрева и охлаждения не являются определяющими. Целью отжига 1-го рода является устранение отклонений от равновесного состояния, полученного в результате таких технологических операций, как литье, обработка давлением, сварка. К разновидностям отжига 1-го рода относятся следующие.
Гомогенизационный отжиг, основное назначение которого — устранить или ослабить вредное влияние дендритной ликвации. Наибольшее практическое применение он находит в производстве алюминиевых сплавов и сталей. Применение его к титановым сплавам малоэффективно.
Дорекристаллизационный отжиг или возврат, как правило, применяют после обработки металла давлением. Основной целью проведения этого отжига является восстановление свойств металла, подвергавшегося обработке с нагартовкой. Сущность этого процесса сводится к уменьшению общего количества дефектов кристаллической решетки Эти процессы происходят при нагреве и в тех случаях, когда отсутствуют видимые изменения размеров деформированных зерен, а наблюдается лишь изменение ряда физических и механических свойств, такие процессы принято называть возвратом.
Возврат 1-го рода, или отдых, характеризуется отсутствием миграций и образования субграниц, при этом происходит миграция вакансий к границам зерна, их перегруппировка и взаимная аннигиляция дислокаций разного знака, при этом плотность дислокаций существенно не уменьшается.
Возврат 2 го года, или полигонизация, характеризуется образованием границ субзерен и их миграцией. Полигонизация, как и отдых является дорекристаллизационным процессом, но отличается от отдыха температурой отжига. В последние годы процессам полигонизации в титановых сплавах придается большое значение, так как их роль в формировании оптимальной структуры и свойств сплавов достаточно велика.
Рекристаллизационный отжиг характеризуется видимым изменением микроструктуры и широко применяется для снятия напряжения и выравнивания структуры деформированных титановых сплавов.
Отжиг 2-го рода
При отжиге 2-го рода в сплаве происходят фазовые превращения. Основными технологическими параметрами при его проведении являются температуры нагрева, время выдержки и скорость охлаждения.
При отжиге 2 го рода происходит полное или частичное изменение фазового состава как количественное, так и качественное. Например, для сплава 1 (рис. 141) возможно проведение полной фазовой перекристаллизации при нагреве его выше Tпр, когда полностью исчезает a-фаза, и проведение частичной перекристаллизации при температуре ниже Tпр, когда происходит изменение количества а- и в-фаз и степени их легированности. Поскольку при фазовой перекристаллизации происходят превращения в основном за счет диффузионных процессов, то скорость охлаждения в этом процессе весьма важна, так как она должна обеспечивать возможность про хождения фазовых превращений в процессе охлаждения. На титановых сплавах аналогично стали следует различать следующие разновидности отжига 2-го рода. Полный отжиг характеризуется нагревом сплава выше температуры Tпр (см. рис. 141), т. е. в в-области, и последующим медленным охлаждением. Применяется, как правило, для полуфабрикатов, деформированных в в-области, и служит для повышения некоторых специальных характеристик сплавов.
Неполный отжиг характеризуется нагревом титановых сплавов ниже температуры Tпр (см. рис. 141). Охлаждение после этого нагрева проводят с печью или изотермически, т. е осуществляют перенос металла в печь с более низкой температурой или в некоторых случаях проводят охлаждение печи до заданной температуры с определенной выдержкой при ней. Изотермический отжиг имеет два преимущества перед обычным отжигом: 1) получение более стабильного фазового состава после завершения процесса термообработки независимо от скорости охлаждения, на которую может влиять сечение изделия и инерционность печного оборудования; 2) сокращение времени процесса.
Особо следует рассматривать еще одну разновидность неполного отжига ступенчатый отжиг, который проводится при двух понижающихся температурных ступенях. После первой и второй ступени обычно проводят охлаждение металла на воздухе. Особенность этого вида отжига состоит в том, что если полный и изотермический отжиги обычно приводят к разупрочнению металла, то при проведении ступенчатого отжига на ряде высоколегированных сплавов возможно прохождение процессов упрочнения за счет распада метастабильных фаз, которые фиксируются при охлаждении на воздухе после первой ступени и претерпевают распад при выдержке на второй ступени. Возможность упрочнения и величина эффекта зависят от сечения отжигаемой детали, температуры второй ступени, типа сплава и др. Поэтому в ряде случаев ступенчатый отжиг может быть отнесен к процессу так называемой «мягкой закалки» и старения.
Закалка. Закалку в титановых сплавах следует разделять наследующие два вида: закалку без полиморфного превращения и закалку с полиморфным превращением. Основными технологическими параметрами этого процесса являются температура нагрева, время выдержки и, что особенно важно, скорость охлаждения, которая должна быть достаточно высокой, чтобы подавить прохождение обратных фазовых превращений.
Сущность процесса закалки без полиморфного превращения состоит в фиксации при низкой температуре состояния, свойственного металлу при более высоких температурах, и образовании вследствие этого пересыщенного твердого раствора. Закалка без полиморфного превращения в титановых сплавах может проводиться как из в-области (для титановых в-сплавов), так и из а+в-области.
Закалка с полиморфным превращением на титановых сплавах или закалка на мартенсит может быть проведена как из в-области, так и из a+в-области и основной ее особенностью является прохождение мартенситного превращения в титановых сплавах с образованием а'- или а"-фаз.
Основная задача закалки в титановых сплавах состоит в получении твердого раствора, способного распадаться с упрочнением при последующем старении или отпуске. Как правило, на практике в титановых сплавах применяется закалка без полиморфного превращения, поскольку она обеспечивает лучшее сочетание прочностных и пластических характеристик после старения.
Старение и отпуск. Основным процессом, происходящим при старении или отпуске, является распад метастабильных фаз. Этот процесс проходит с понижением свободной энергии системы. Основными технологическими параметрами процесса старения и отпуска являются температура нагрева и время выдержки. Как было сказано выше, старение применяют на сплавах, прошедших закалку без полиморфного превращения, что для титановых сплавов означает фактически распад метастабильной в-фазы. Отпуск или распад мартенситных фаз, полученных в результате закалки с полиморфным превращением, не находит широкого практического применения на промышленных титановых сплавах. Целью проведения старения титановых сплавов является повышение прочности. Для различных типов титановых сплавов прочность может повышаться от 10 до 90—100% и на ряде в-титановых сплавов были получены абсолютные значения предела прочности 180—200 кгс/мм2.
Фазовые и структурные превращения, происходящие при старении, в основном и определяют уровень механических свойств.
Изменение механических свойств в зависимости от температуры и времени старения. В настоящее время отсутствуют прямые экспериментальные данные, которые давали бы количественную связь между характером выделяющихся частиц, их строением, свойствами, размерами, расстоянием между ними, количеством, типом решетки и другими параметрами. Однако в общем виде качественные зависимости соответствуют существующим для других сплавов зависимостям, позволяющим установить взаимодействие частиц с дислокациями. Величина упрочнения будет зависеть от способности выделяющихся частиц или полей упругих напряжений вокруг когерентных или полукогерентных выделений тормозить продвижение дислокаций.
Поэтому с увеличением размера частиц и расстояния между ними дислокации легче будут проходить через матрицу и, естественно, прочность сплава будет уменьшаться. На этом основаны возможности управления прочностью сплава при старении. На рис. 142 приведены кривые старения сплава Ti—15% Mo при разных температурах. Из рис. 142 видно, что кривые имеют восходящие ветви, которые соответствуют процессу упрочняющего старения, и нисходящие, соответствующие разупрочняющему старению или перестариванию. Перестаривание зависит как от температуры, так и от времени старения и, следовательно, при повышении температуры наступает за более короткое время. Перестаренное состояние широко используется при термической обработке титановых сплавов.
Старение титановых сплавов может быть одноступенчатым и двухступенчатым. Наиболее часто применяют одноступенчатое старение. При двухступенчатом старении, как правило, температура второй ступени старения выше, чем первой. Целью первой ступени служит создание большого числа центров зарождения второй фазы, выделение ее в более дисперсном виде и тем самым обеспечение повышенной прочности.
На второй ступени происходят частичное растворение и коагуляция мелкодисперсных частиц, что приводит к существенному повышению пластических характеристик. Старение на второй ступени фактически обозначает нагрев выше температуры сольвуса для ряда метастабильных фаз, выделение которых приводит к пониженным характеристикам пластичности. В промышленных условиях ступенчатое старение применяют только на сплавах ВТ15 и Ti—2,4% Cu.