β титановый сплав

β титановый сплав

Обзор

β-титановый сплав основан на β-стабилизирующих элементах (таких как Mo, V, Nb, Cr, Fe и т. д.) в качестве основных легирующих элементов. Он имеет высокую стабильность β-фазы и может сохранять структуру одной β-фазы при определенных условиях. Он имеет высокую прочность даже без термической обработки. Сплав дополнительно упрочняется после закалки и старения, а прочность при комнатной температуре может достигать 1372~1666 МПа; но его термическая стабильность плохая, и он не подходит для использования при высоких температурах.

• α-фаза : α-фаза титана представляет собой гексагональную плотноупакованную решетку (структура ГПУ), которая характеризуется высокой прочностью, твердостью, хорошими высокотемпературными характеристиками и коррозионной стойкостью. α-титановый сплав обычно состоит в основном из чистого титана или α-фазы титанового сплава, а его решеточная структура позволяет ему демонстрировать превосходные эксплуатационные характеристики при высоких температурах и суровых условиях.

• β-фаза : β-фаза титана представляет собой объемно-центрированную кубическую решетку (ОЦК-структура), которая обладает лучшей пластичностью, но ее прочность при высоких температурах несколько ниже, чем у α-фазы.

Что такое β-стабилизирующий элемент?

Элементы, которые преимущественно растворяются в β-фазе, понижают температуру аллотропного превращения и расширяют область β-фазы, являются β-стабилизирующими элементами. По особенностям взаимодействия с титаном их делят на два типа: β-изоморфные и B-эвтектоидные.

(1) β-изоморфные стабилизирующие элементы неограниченно растворяются в β-титане, причем по мере увеличения растворенных элементов температура аллотропного превращения постепенно понижается, включая молибден, ванадий, тантал и ниобий.

(2) Помимо снижения температуры превращения подобных гетероморфов, эвтектоидные стабилизирующие элементы также оказывают эффект эвтектоидного превращения. Фаза β разлагается на эвтектику с образованием фазы α и интерметаллических соединений. По разнице в скорости реакции эвтектоида его можно разделить на два типа: медленные эвтектоидные элементы (железо, хром и марганец); активные эвтектоидные элементы (медь и кремний). Эвтектоидное превращение происходит чрезвычайно быстро и не может быть подавлено закалкой, поэтому β-фаза не может быть стабилизирована при комнатной температуре.

По сравнению с α- и α+β-титановыми сплавами, β-титановый сплав имеет следующие существенные характеристики:

• Высокая прочность и высокая вязкость : β-титановый сплав может приобретать высокую прочность (более 1400 МПа) посредством термической обработки, сохраняя при этом хорошую пластичность и вязкость.

• Отличные характеристики при горячей обработке : β-титановый сплав обладает хорошей пластичностью при высоких температурах и может обрабатываться методами горячей ковки, горячей прокатки, экструзии, волочения и т. д., а также подходит для изготовления крупных и сложных деталей.

• Хорошие сварочные характеристики : по сравнению со сплавами α и α+β, сплав β-титана менее чувствителен к сварке и подходит для лазерной сварки, электронно-лучевой сварки, сварки вольфрамовым электродом в среде инертного газа и т. д.

• Высокая прокаливаемость и способность к термической обработке : может подвергаться закалке на твердый раствор и старению для получения превосходных механических свойств.

• Более низкий модуль упругости : ниже, чем у стали и α+β-титанового сплава, подходит для использования в биологических имплантационных материалах, эластичных компонентах и других областях.

Распространенные β-титановые сплавы и их составы

В β-титановые сплавы обычно добавляют β-стабилизирующие элементы для поддержания стабильности β-фазы. Распространенные сплавы включают:

Микроструктура и термическая обработка β-титанового сплава

β-титановый сплав может приобретать различные структуры и свойства при различных условиях термической обработки.

(1) Метод термической обработки

• Обработка раствором (ST) :

• Назначение: Улучшение пластичности и прокаливаемости.

• Температура: 750~900℃ (немного отличается для разных сплавов)

• Структура: Однородная структура β-фазы

• Старение :

• Цель: Повышение прочности за счет упрочнения осаждением

• Температура: 450~650℃

• Организация: Вторичная α-фаза осаждается на β-матрице, повышая прочность

• Двойная термическая обработка (DHT )

• Сначала высокотемпературная обработка на твердый раствор, затем низкотемпературное старение для получения наилучших комплексных характеристик

(2) Типичные организации

Структура β-титанового сплава существенно меняется в зависимости от скорости охлаждения и условий термической обработки, в основном следующим образом:

• Полная β-структура : получается после охлаждения раствора, с высокой пластичностью, пригодна для переработки пластмасс.

• Структура β+α″ : после быстрого охлаждения (например, закалки в воде) часть β превращается в мартенсит α″, который имеет высокую твердость.

• Структура β+α+ω : фазы α и ω выделяются после старения, повышая прочность.