Ковочные материалы: титановые сплавы 

Ковочные материалы: титановые сплавы 

 

Разумеется, титан является основным компонентом титановых сплавов, но они могут содержать значительное количество других элементов, которые добавляются по ряду металлургических причин. Прочность титановых сплавов часто может быть сопоставима со сталью, но они имеют преимущество иметь только около 60% веса. Более низкая плотность титана позволяет использовать эти сплавы в изделиях, где более низкий вес является предпочтительным.

Как и железо, чистый титан имеет две твердые кристаллические формы. При низких температурах кристаллическая фаза называется альфа, и она имеет гексагональную структуру с закрытой упаковкой (HCP). При высоких температурах твердая фаза называется бета и имеет структуру с кубическим центром (BCC). Температура, при которой твердое вещество становится полностью бета, называется температурой бета-перехода. С добавлением легирующих элементов к титану температура бета-транссуса может изменяться от примерно 1250 ° F до примерно 1925 ° F в зависимости от конкретного состава сплава.

Химия и марки

Титан содержит 70-100% состава титановых ковочных сплавов. Основными элементами, добавляемыми к титану, являются алюминий (0-6%), который стабилизирует альфа-фазу; олово (0-6%), которое также стабилизирует альфа-фазу; ванадий (0-13%), который является стабилизатором бета-фазы; молибден (0-11%), который также стабилизирует бета-фазу; и хрома (0-11%), который стабилизирует бета-фазу. Из всех этих легирующих элементов только алюминий способствует снижению плотности сплава. Все остальные общие легирующие элементы приводят к увеличению плотности, а небольшая цена за их использование с точки зрения добавленной массы. Бета-переход для чистого титана составляет 1675 ° F. Альфа-стабилизирующие элементы вызывают увеличение температуры бета-транссуса, тогда как бета-стабилизирующие элементы вызывают снижение бета-транссуса.

Титановые сплавы часто подразделяются на три основные категории: альфа / около альфа, бета / вблизи бета и альфа плюс бета. Каждая из этих категорий требует специальных температур и соображений.

Наиболее распространенными титановыми сплавами являются коммерчески чистый титан (Ti-CP), который находится в альфа-классификации, и титан с 6% алюминием и 4% ванадием (Ti-6Al-4V или просто Ti-6-4), который является альфа-плюс-бета. В отличие от сталей и алюминиевых сплавов, нет систематического обозначения марки для титановых сплавов, которые часто упоминаются как Ti-, сопровождаемые строкой чисел. Цифры указывают весовой процент различных легирующих элементов. Например, Ti-13-11-3 представляет собой титан с 13% ванадием, 11% хромом и 3% алюминием, который представляет собой бета-сплав с температурой бета-транссуса 1250 ° F.

Микроструктура

Рисунок 1. Сплав Ti 8Al-1Mo-1V (почти альфа), выкованный при 1650 ° F (ниже нормальной температуры ковки). Белый - альфа-фаза, черный - бета-фаза. Используется с разрешения ASM Handbook, Volume 2, 1990, pp. 592-633.  Рисунок 2. Сплав Ti 8Al-1Mo-1V (почти альфа), выкованный при 1840 ° F (нормальная температура ковки). Белый - альфа-фаза, черный - бета-фаза. Используется с разрешения ASM Handbook, Volume 2, 1990, pp. 592-633.  Рисунок 3. Сплав Ti 8Al-1Mo-1V (почти альфа), выкованный при 2000 ° F (быстрое охлаждение на воздухе). Белый - альфа-фаза, черный - бета-фаза. Используется с разрешения ASM Handbook, Volume 2, 1990, pp. 592-633.
Рисунок 1. Сплав Ti 8Al-1Mo-1V (почти альфа), выкованный при 1650 ° F (ниже нормальной температуры ковки). Белый — альфа-фаза, черный — бета-фаза. Используется с разрешения ASM Handbook, Volume 2, 1990, pp. 592-633.
Рисунок 2. Сплав Ti 8Al-1Mo-1V (почти альфа), выкованный при 1840 ° F (нормальная температура ковки). Белый — альфа-фаза, черный — бета-фаза. Используется с разрешения ASM Handbook, Volume 2, 1990, pp. 592-633.
Рисунок 3. Сплав Ti 8Al-1Mo-1V (почти альфа), выкованный при 2000 ° F (быстрое охлаждение на воздухе). Белый — альфа-фаза, черный — бета-фаза. Используется с разрешения ASM Handbook, Volume 2, 1990, pp. 592-633.

Микроструктура многих титановых сплавов представляет собой смесь альфа- и бета-фаз. Температура ковки и охлаждение после ковки оказывают сильное влияние на морфологию двух фаз в микроструктуре. Например, на рисунке 1 показан сплав Ti-8Al-1Mo-1V, который был подделан при температуре 1650 ° F (ниже нормальной температуры кузнечного сплава для этого сплава) и охлаждался на воздухе. Бета-переход для этого сплава составляет 1900 ° F. Белая фаза — альфа, а черная фаза — бета. Обратите внимание, что альфа доминирует в этих условиях. На рисунке 2 показан тот же сплав, кованый при 1840 ° F и с воздушным охлаждением. Обратите внимание, что основной фазой в этих условиях является бета. На рисунке 3 показан тот же сплав, кованый при 2000 ° F, с очень быстрым воздушным охлаждением, отображающим основную бета-фазу, но альфа-фаза удлиняется до того, что часто называют структурой переплетения корзин. Температура ковки в этом случае была выше бета-перехода, и альфа-фаза произошла в структуре во время быстрого охлаждения. Каждое условие ковки производит различные микроструктуры и, следовательно, различные свойства в кованом компоненте.

Ковка титановых сплавов

В общем, бета-сплавы легче поддаются ковке, чем альфа-плюс-бета-сплавы и альфа-сплавы. Начальные температуры ковки для пробоя слитка выше, чем температуры промежуточной ковки, которые выше, чем температуры окончательной ковки. То, что называется обычной ковкой, происходит при температурах ниже бета-перехода, обычно в области альфа-плюс-бета сплава. Бета-ковка происходит при температурах выше бета-перехода.

Рисунок 4. Титановые сплавы используются для широкого спектра критически важных и высокопроизводительных компонентов. Высокая прочность и малый вес имеют решающее значение для конструкций самолетов. Способность выдерживать относительно высокие температуры делает титан идеальным для вентиляторных и компрессорных секций авиационных турбинных двигателей. Коррозионная стойкость важна для энергетических и биомедицинских применений. Высококачественные спортивные товары - отличное приложение.
Рисунок 4. Титановые сплавы используются для широкого спектра критически важных и высокопроизводительных компонентов. Высокая прочность и малый вес имеют решающее значение для конструкций самолетов. Способность выдерживать относительно высокие температуры делает титан идеальным для вентиляторных и компрессорных секций авиационных турбинных двигателей. Коррозионная стойкость важна для энергетических и биомедицинских применений. Высококачественные спортивные товары — отличное приложение.

Титановые сплавы более сложны, чем большинство стальных и алюминиевых сплавов, благодаря требуемому контролю процесса. Контроль температуры ковки необходим для достижения хорошей производительности и для получения микроструктуры, необходимой для достижения механических свойств при эксплуатации. Температура не ограничена установкой печи, но должна учитывать адиабатическое нагревание, охлаждение и потерю тепла в окружающую среду. Титан может быстро размягчаться при высоких температурах и скоростях деформации, что приводит к (иногда сильной) локализации потока. Этот тип дефекта может казаться коленом или даже ковка трещины. Таким образом, обычным является ковка титана при более низких скоростях деформации на гидравлических или винтовых прессах. В случае ковки титана молотом,  требуется  особая осторожность и аккуратность.

Рисунок 5. Типичные диапазоны температур для титановых сплавов приведены для срока службы, ковки и термообработки.
Рисунок 5. Типичные диапазоны температур для титановых сплавов приведены для срока службы, ковки и термообработки.


Титан будет передавать тепло в холодные штампы и окружающую среду быстрее, чем сталь из-за более низкой теплоемкости и меньшей плотности. Таким образом, наилучшая практика титановой штамповки требует нагревания штампов или изотермической ковки. Этот процесс ковки является более дорогостоящим, но может обеспечить лучший кованый продукт этого дорогостоящего материала. Кузнечная штамповка и изотермическая ковка позволяют ковать компонент ближе к его окончательной форме, что приводит к снижению стоимости обработки и отходов этого дорогостоящего материала. На рисунке 6 показано напряжение потока типичного титанового сплава.

Рисунок 6. Типичное напряжение течения для титановых сплавов демонстрирует значительную чувствительность к размягчению и скорости деформации в диапазоне горячей ковки. Пунктирные линии представляют более высокие скорости деформации. Пониженная пластичность наблюдается вблизи или при комнатной температуре.
Рисунок 6. Типичное напряжение течения для титановых сплавов демонстрирует значительную чувствительность к размягчению и скорости деформации в диапазоне горячей ковки. Пунктирные линии представляют более высокие скорости деформации. Пониженная пластичность наблюдается вблизи или при комнатной температуре.

При штамповке титана можно быстро устанавливать штампы, особенно при использовании кованых деталей. При ковке титана выше 1100 ° F в воздухе может образовываться поверхностно-оксидная окалина, и кислород может диффундировать в компонент. Это условие поверхности называется альфа-корпусом, и его следует удалить до того, как компонент может быть введен в эксплуатацию. Во многих сплавах альфа-корпус имеет более низкую пластичность и подвержен среднему или тяжелому растрескиванию поверхности. Ряд покрытий коммерчески доступен для облегчения смазки и создания кислородного барьера. Контроль процесса покрытия, включая предварительный нагрев и очистку поверхности, является еще одной сложностью, которую следует учитывать, или покрытие может оказаться бесполезным.

Обработка титановых сплавов


В этой второй статье по цветным ковочным материалам мы изучили титановые сплавы. Подобно алюминию, эти типы сплавов используются в компонентах, где важны высокая прочность и малый вес, часто с коррозионной стойкостью и устойчивостью к высоким рабочим температурам. Титан — это высокопроизводительный и универсальный материал, используемый в многочисленных приложениях с критическим сервисом. Коммерчески доступные сплавы титана необходимо ковать и штамповать с осторожностью.

 

Яндекс.Метрика Metalweb.ru