Сварные соединения титановых сплавов
Моисеев В.Н., Куликов Ф.Р. и др.
Металлургия, 1979 г.
ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ
Количество элементов, используемых для легирования титановых сплавов, сравнительно невелико и исчерпывается полутора десятками.
Рассмотрим применяемые легирующие элементы в следующем порядке: алюминий — типичный α-стабилизирующий элемент; цирконии и олово — элементы, оказывающие незначительное влияние на температуру полиморфного превращения; тантал, ниобий, ванадий, молибден — β-стабилизирующие элементы изоморфного типа; железо, хром, марганец — эвтектоидообразующие β-стабилизирующие элементы.
Объединенные по таким группам легирующие элементы имеют много общего по влиянию па структуру и свойства сварных соединений титановых сплавов,
В отличие от представленного выше влияния примесей влияние легирующих элементов на структуру и свойства титановых сплавов рассматривается в более широких концентрационных интервалах, что сопряжено со значительным изменением фазового состава сварного соединения, включая и зону термического влияния, в результате воздействия термического цикла сварки.
Поэтому на диаграмму механические свойства — состав сплавов нами нанесено фазовое поле для зоны шва. Это позволяет более наглядно связать фазовый состав и механические свойства сварного соединения непосредственно после сварки.
Основной характеристикой оценки пластичности сварного соединения выбрано нами испытание на загиб, позволяющее достаточно объективно оценить свойства шва. Здесь же приводится к пределу прочности сварного соединения непосредственно после сварки, а также после сварки и отжига по сравнению с аналогичными свойствами основного металла.
Алюминий.
Алюминий является одним из наиболее распространенных элементов, используемых при легировании титановых сплавов. Он существенно упрочняет α-твердый раствор титана (примерно в 2,5 раза при содержании 7%А1) без образования новых фазовых составляющих.
Алюминий также эффективно упрочняет и β-твердый раствор. Принято считать, что каждый процент вводимого алюминия повышает предел прочности титана на 5 кгс/мм2.
Алюминий является эффективным α-стабилизирующим элементом. При добавке алюминия к титану температура превращения повышается от 882° С для чистого титана до 1050°С для сплава, содержащего 12% А1. Интересной особенностью является то, что добавки 1,0—1,5% А1 практически не влияют на температуру полиморфного превращения титана, но дальнейшее увеличение содержания алюминия вызывает прогрессивное повышение температуры полиморфного превращения.
В то же время тенденция к максимальному введению алюминия при легировании многих промышленных титановых сплавов ставит задачу четкого ограничения его содержания в каждом отдельном случае.
С повышением содержания алюминия до 7% в сплавах Ti—Al пределы прочности как основного металла, так и сварного соединения непрерывно повышаются. Дальнейшее повышение алюминия также ведет к увеличению предела прочности, но темп повышения прочности резко снижается. Это может быть объяснено насыщением α-твердого раствора алюминием и выделением α2 фазы.
Последующий отжиг сварного соединения не приводит к заметному изменению предела прочности сплавов Ti—ΑΙ, как с α-, так и с а+а2-структурой.
Сплавы Ti—А1, содержащие до 3—4% А1, обладают хорошей пластичностью при испытании на загиб.
Дальнейшее увеличение содержания в сплавах алюминия сопровождается непрерывным снижением пластичности и сплавы, содержащие 9% Аl в отожженном состоянии (как основной металл, так и сварное соединение) t являются хрупкими.
Интересно отметить, что сварное соединение непосредственно после сварки у сплавов, содержащих свыше 5—6% А1, отличается более высокой пластичностью по сравнению со сварным соединением в отожженном состоянии. Это особенно заметно у сплава, содержащего 9% А1. У отожженного сварного соединения или у отожженного сварного металла при содержании алюминия более 6,5—7,0% не исключено присутствие того или иного количества а-фазы, охрупчивающей металл.
Как правило, у промышленных конструкционных свариваемых титановых сплавов содержание алюминия не должно превышать 6% во избежание охрупчнвания, связанного с образованием α-фазы.
Цирконий.
Цирконий используется как легирующий элемент в титановых сплавах главным образом для повышения их жаропрочности. Кроме того, есть указания в литературе, что цирконий может несколько повышать прокаливаемость титановых сплавов, а также модифицировать структуру, повышая физико-механические свойства сплавов. Цирконий служит слабым упрочнителем титана.
Цирконий представляет собой аналог титана и входит в IV группу периодической системы элементов. Цирконий, подобно титану, претерпевает аллотропические превращение, при котором гексагональная плотноупакованная структура α-циркония при температуре 862° С превращается в объемноцентрированную при высоких температурах.
Разница в атомных диаметрах α-циркония и α-титана составляет 8,8%, что обусловливает образование непрерывных твердых растворов между титаном и цирконием обеих модификаций.
Цирконий незначительно влияет на температуру полиморфного превращения титана. По мере увеличения концентрации циркония температура превращения сплавов в твердом состоянии постоянно снижается до минимума, который соответствует эквиатомному соотношению компонентов (6% Zr) и температуре 545° С, а затем вновь повышается до температуры полиморфного превращения циркония.