Титан - полиморфный металл и может существовать в двух модификациях: аир. Полиморфное а:;гр-превращение титана при нагреве и охлаждении происходит при 882,5° С. Низкотемпературная а-модификация имеет гексагональную плотноупакован-ную кристаллическую решетку с параметрами а = 2,9503 ± ± 0,0003 А; с = 4,683 ± 0,0005 А

Высокотемпературная -модификация титана имеет объемно-центрированную кубическую кристаллическую решетку При экстраполяции легирующих элементов на нулевое содержание параметр а решетки р-титана при 25° С составляет 3,282 А.

Значение температуры полиморфного превращения у титана весьма стабильно: охлаждение со скоростью в несколько сотен или тысяч градусов в секунду не изменяет ее величины, и только при скорости охлаждения около 10 000° С/с обнаруживается снижение температуры превращения примерно на 30°.

Существенное изменение температуры полиморфного превращения может быть достигнуто за счет легирования. Все элементы, присутствующие в титане (примеси и специально вводимые для его легирования), могут быть сгруппированы по влиянию на полиморфизм. Элементы, повышающие температуру полиморфного а р-превращения и расширяющие область существования а-мо-дификации, относятся к группе а-стабилизаторов. В эту группу входят А1, Ga, La, Се, О, С, N. Типичные равновесные диаграммы состояния систем Ti-а-стабилизатор приведены на рис. 1, а, б. Обычно а-стабилизаторы подразделяются на две подгруппы: образующие с а-фазой титана твердые растворы замещения (рис. I, а) и растворы внедрения (рис. 1,6). По мере увеличения содержания а-стабилизирующего элемента повышается температура а jzl р-превращения, причем переохладить р-фазу до температур, лежащих ниже границы р -f а- а перевода, невозможно даже при значительных скоростях охлаждения. Все а-стабилизаторы обладают ограниченной растворимостью как в а-, так и в Р-модификациях титана. В сплавах, содержащих а-стабилизаторы в количестве, большем предела растворимости, в а-фазе наблюдается перитектоидное превращение р-твердого раствора с образованием либо упорядоченных фаз (системы Ti-А1, Ti-Ga), либо оксидных и карбонитридных соединений (системы Ti-О, Ti-С, Ti-N). К группе р-стабилизаторов относятся элементы, понижающие температуру полиморфного р-* а-f р-превращения титана и сужающие область существования а-фазы. В эту группу входит

большая часть металлических элементов (Hf, Zr, Nb, V, Mo, Та, Sn, Mn, Fe, Cr, Co, Ni и др.), a также водород. Все р-стабилизи-рующие элементы в свою очередь можно разделить на три подгруппы.

1. Элементы, образующие непрерывный ряд твердых растворов с а- и р-модификациями титана (рис. 1, б). К таким элементам относятся аналоги титана - цирконий и гафний. В относительно небольших количествах эти элементы мало снижают температуры Р - а + р а-превращения, что послужило основанием считать их нейтральными упрочнителями. В сплавах с большим

СИ,о

1г. Hf

VJa Cr,MnJe,Co.Ni,Cu,Si. т.Ш W. Re. (Ри. т, Pd), Ад. Pd

Рнс. 1. Двойные системы титана различных типов: а - перитектика - пери-тектоид; б - то же, с повышением линии ликвидуса - солидуса; в - непрерывный ряд твердых растворов са-и Р-фазами; г - непрерывный ряд твердых растворов с р-фазой при выклинивании -твердых растворов; д - эвтектика - эвтек-

тоид

(40-50%) содержанием Zr и Hf температура полиморфного превращения снижается весьма существенно (до 550°). Тем не менее, зафиксировать р-фазу в сплавах системы Ti-Zr или Ti-Hf при комнатной температуре не удается, так как превращение р -> а происходит быстро даже при значительных скоростях охлаждения.

2. Элементы, изоморфные р-модификации титана, образующие с ней непрерывный ряд твердых растворов и ограниченно растворяющиеся в а-модификации: Та, Nb, V, Мо (рис. 1, г).

3. Элементы, ограниченно растворимые как в р-, так и в а-мо-дификациях титана и при содержании сверх пределов растворимости образующие с титаном интерметаллидные соединения: Мп, Сг, Fe, Си, Ni, Si, Со (рис. 1, д). При охлаждении из р-области распад р-твердого раствора на а плюс интерметаллид происходит по эвтектоидной реакции, в связи с чем элементы такого типа получили название эвтектоидообразующих. У сплавов с наиболее высокой эвтектоидной температурой и минимальной эвтектоидной концентрацией, например сплавы с N1, Со, Си, Si (табл. 1), скорость эвтектоидного превращения настолько велика, что оно не подавляется даже при закалке. У сплавов с Мп, Fe, Сг вслед-

ствие замедленной эвтектоидной реакции превращение р а происходит таким же образом, как в сплавах титана с изоморфными р-стабилизаторами.

Как изоморфные, так и эвтектоидообразующие р-стабилиза-торы снижают температуру мартенситного превращения в титане

Таблица 1. Эвтектоидный состав

и эвтектоидиая температура для сплавов Ti-Р-стабилизатор [28] ( с

300,

Атомная нониентраиия, %

Рис. 2. Зависимость температуры мартенситного превращения титановых сплавов от содержания р-стабилизатора [110]

(оис 2) При определенной концентрации легирующих элементов, соответствующей примерно одинаковой электронной концентрации, независимо от вида легирования (табл. 2), температура мар-

Т а б л и ц а 2. Критическая концентрация р-стабилизирующего элемента, необходимая для стабилизации В-фазы

тенситного превращения снижается до комнатной. Указанная концентрация называется критической (Ср ,.). В сплавах, содержащих р-стабилизаторы в количестве менее критического, при закалке из р-области происходит мартенситное превращение с образованием разнообразных нестабильных и пересыщенных фаз (а, а , со) В сплавах с содержанием р-стабилизаторов более критического в результате закалки из р-области при комнатной температуре фиксируется р-фаза - титановый аустенит .

Несмотря на многообра-

Таблица 3. Максимальная растворимость р-стабилизирующих элементов в а-фазе титана и сплава Ti-6AI [1, 53]

зие стабильных и нестабильных фаз, могущих присутствовать в сплавах титана в зависимости от вида и количества легирующих элементов и режима термообработки, структурную классификацию их принято проводить, основываясь на соотношении основных фаз - а и р.

В соответствии с изложенным титановые сплавы можно подразделить на следующие группы: а-сплавы, бетированные а-сплавы, а 4- р-сплавы и р-сплавы.

Группа а-сплавов включает нелегированный титан, сплавы, содержащие только а-стабилизаторы, либо р-ста-билизаторы в количестве, не превышающем предел их растворимости в а-фазе. Значение концентраций р-стабилизаторов, соответствующих пределу их растворимости в а-фазе титана и сплаве с основой Ti-6А1, приведено в табл. 3. Структура таких сплавов после деформации и отжига, как правило, представляет собой только а-фазу. К а-сплавам относятся нелегированный титан марок ВТ 1-00, ВТ1-0, сплавы ВТ5 (Ti-5А1), BTS-1 (Ti-5А1-2,5Sn), 4200 (Ti-0,2Pd), ПТ-7Л1 (Ti-2,5A1-2Zr), ряд зарубежных сплавов (Ti-5A1-5Sn~5Zr), Ti-6A1-4Zr-IV) и др. Бетированные а-сплавы (или псевдо-а-сплаеы) содержат кроме а-стабилизаторов р-стабилизаторы в количестве, ненамного превышающем предел их растворимости в а-фазе. В структуре сплавов этой группы кроме а-фазы содержится, как правило, до ~2-4% р-фазы. К этой группе относятся отечественные сплавы марок ОТ4-0

-фаза - мартенситная фаза с ГПУ-решеткой; -фаза - мартенситная фаза с ромбической решеткой; м-фаза - фаза с ОЦК-решеткой в тетрагональных координатах.

(0,2-1,4А1; 0,2-1,ЗМп); ВТ4-1 (1,0-2,5А1; 0,4-2,0Мп); 0Т4 (3,5-5,0А1; 0,8-2,0Мп); ПТ-ЗВ (3,5-5,0А1; 1,2-2,5V); ВТ20 (5,5-7,5А1; 1,5-2,5Zr; 0,5-2,0V; 0,8-1,8Мо), а также зарубежные сплавы Ti-7А1-2Nb-1Та; Ti-6А1-2Nb-1Та- 0,8Мо и др. У а- и бетированных а-сплавов при закалке из Р- или верхней части (а + р)-области превращение р -> а происходит по мартенситному механизму, но возникающая при этом мартенситоподобная структура не является пересыщенным твердым раствором.

Двухфазные а + -сплавы мартенситного типа содержат значительное количество р-стабилизирующих элементов, но не выше критической концентрации. К этой группе относятся отечественные сплавы марок ВТ6С (5,3-6,8А1; 3,5-5,0V); ВТЗ-1 (5,5-7,0А1; 2,0-3,8Мо; 0,8-2,ЗСг); ВТ14 (3,5-6,ЗА1; 2,5-3,8Мо; 0,8-1,9V); ВТ16 (1,8-3,8А1; 4,5-5,5Мо; 4,0-5,5V); ВТ22 (4,4-5,9А1; 4,0-5,5Мо; 4,0-5,5V; 0,5-2,0Сг); зарубежные сплавы Ti-6А1-4V; Ti-4А1-ЗМо-lV; 4А1-4Мп и др.

В сплавах этой группы могут быть два основных структурных состояния:

1) после отжига при температуре меньшей, чем Ti-ра+э с последующим медленным охлаждением формируется равновесная смесь а- и р-фаз; 2) при закалке из р- или верхней части а + р-области образуются мартенситные структуры. При увеличении содержания р-стабилизаторов в сплаве увеличивается степень пересыщения мартенсита и становится возможной частичная фиксация р-фазы.

В зависимости от температуры закалки и содержания р-стабилизаторов фиксируется либо только мартенсит, либо а-фаза плюс мартенсит, мартенсит плюс р-фаза и т. п. Таким образом, если а-сплавы обеих групп независимо от температуры нагрева и скорости охлаждения находятся практически в равновесном состоянии, тоа + р-сплавы могут быть в самых различных состояниях: от равновесных твердых растворов до максимально пересыщенных и -неравновесных.

В -сплавах титана, содержащих р-стабилизаторы в количестве, равном или большем критической концентрации (см. табл. 2), мартенситное превращение отсутствует, а роль скорости охлаждения сводится к подавлению процессов диффузионного распада р-фазы. Сплавы околокритического состава механически нестабильны (т. е. р-фаза распадается при пластической деформации), а распад р-твердого раствора при нагреве происходит достаточно быстро. К таким быстро твердеющим при старении метастабильным р-сплавам относится, в частности, сплав Ti-2,5А1-16V. Более стабильными, но также дисперсионно-упрочняемыми являются сплавы ВТ15 (ЗА1-8Мо-ПСг); В120-VCA (ЗА1-10V-llCr); ТС6 (ЗА1-5,0Ma-6,0V-11,0Сг). Эти сплавы иногда именуются псевдо-р-сплавами, так как они закаливаются на р-фазу, но после старения имеют а + р-состав.