при меньших напряжениях и с меньшими затратами энергии, чем на воздухе (испытания проводились по схеме консольного изгиба, трещина создавалась путем предварительных усталостных нагру-жений надрезанных образцов на воздухе). Накопленный к настоящему времени экспериментальный материал свидетельствует о том, что коррозионное растрескивание под напряжением свойственно главным образом сплавам с высоким содержанием алюминия, эвтектоидообразующих элементов, а также примесей внедрения и в наибольшей степени проявляется при наличии трещин или острых и глубоких надрезов. Основная причина коррозионного растрескивания титана под напряжением заключается, видимо, в том, что при испытании надрезанных образцов в вершине надреза возникает сильная пластическая деформация, нарушающая целостность пассивной пленки, и коррозионная среда начинает реагировать с титаном. Образующиеся продукты коррозии из-за застойной зоны в надрезе, а затем в трещине, усиливают агрессивность среды-понижается рН раствора. Анодное растворение активных участков металла в вершине трещины приводит к деаэрации внутрищелевого раствора, а это в свою очередь,-к снижению пассивирующей способности электролита; гидролиз продуктов коррозии вызывает подкисление внутрищелевого раствора. Эти факторы - глубокая деаэрация, нарушение сплошности пассивной пленки и подкисление внутрищелевого раствора - облегчают протекание в вершине трещины двух процессов: анодного растворения и сопряженного с ним катодного выделения водорода, а следовательно, и наводораживания активных участков металла. Наводораживание металла, вызывающее образование крупных гидридов титана в вершине острого надреза или трещины, является дополнительным фактором, способствующим ускоренному развитию трещины вследствие хрупкого разрушения гидридов.

В общем случае чувствительность к одновременному воздействию коррозионной среды и механических напряжений у надрезанных образцов определяется протеканием в вершине трещины двух конкурирующих процессов: скоростью развития трещины и скоростью восстановления пассивности. Наличие в структуре сплавов с высоким содержанием алюминия а-фазы, подвергающейся интенсивному анодному растворению, приводит к ускорению развития трещины. Кроме того, а-фаза или микросегрегты, обогащенные алюминием, могут играть роль микроэлектродов, уменьшающих анодную пассивность сплава.

Аналогичное влияние на повышение склонности к коррозионному растрескиванию под напряжением оказывает присутствие в сплаве большого количества примесей внедрения или эвтектоидообразующих Р-стабилизаторов (Fe, Мп, Сг). Добавление к сплавам с повышенным содержанием алюминия изоморфных Р-стабилизаторов, замедляющих процесс выделения а-фазы, уменьшает их склонность к коррозионному растрескиванию под напряжением. Технически чистый титан, сплавы с небольшим

(6% и менее) содержанием алюминия, имеющие достаточно гомогенную структуру и чистые по примесям, практически не склонны к коррозии под напряжением даже при наличии острых концентраторов. Так, уменьшение содержания алюминия в американском сплаве Ti-721 (7А1-2Nb-1Та) до 6% при одновременном долегировании его 0,8% молибдена привело к существенному повышению коррозионно-механической прочности сплава. Сплав Ti-6А1-4V до некоторой степени склонен к коррозионному растрескиванию под напр5Гжением в морской воде при содержании кислорода более 0,15%; тот же сплав с содержанием 0,06% кислорода отличается высокой сопротивляемостью коррозии под напряжением.

В соответствии с изложенным американскими исследователями проведено разграничение ряда лабораторных и промышленных сплавов титана rfo признаку их склонности к коррозионному растрескиванию под напряжением в морской воде [125].

Сплавы,

не склонные к растрескиванию:

Технически чистый титан

1 А1-2,5 Мо 6 А1-2 Мо

6 А1-2 Sn-1 Мо-1 V 6,5 А1-5 Zr-1 V 6 А1-4 V

6 А1-2 Sn-1 Мо-3 V

5 А1-2 Sn-2 Мо-2 V

6 А1-2 Nb-1 Та-0,8 Мо

Сплавы, склонные к растрескиванию:

А1-2 Nb-I А1-3 Nb AI-2,5 Sn Al-2,5 Sn Al-3 Nb-2 Al-3 Nb-2 Al-3 Nb-2

Sn Sn Sn

Существенного повышения коррозионно-механической прочности титановых сплавов, содержащих 6А! и более, можно достичь за счет нагрева до температур а + р или р-области, приводящего к растворению обогащенных алюминием микросегрегатов или з-фазы, с последующей закалкой в воду.

Горячесолевое растрескивание. Примером коррозионного растрескивания под напряжением титановых сплавов в чистом виде является горячесолевое растрескивание. Сущность этого явления сводится к тому, что на поверхности напряженных образцов, контактирующей с сухой солью при температурах более 250° С, возникают трещины, что приводит к значительному уменьшению долговечности под напряжением.

Условия, которые могут привести к горячесолевому растрескиванию, наблюдаются для многих узлов современных авиационных двигателей, работающих при достаточно высоких температурах и напряжениях, во время полетов над океаном, когда на конструкциях откладывается налет солей. Особенно жесткие условия могут быть созданы в судовых газотурбинных двигателях, работающих в условиях влажного морского воздуха, насыщенного морскими солями.

Поскольку авиационная промышленность - основной потребитель титана, многочисленные исследования, касающиеся механизма и причин горячесолевого растрескивания сплавов титана, проводились,- как правило, в условиях, имитирующих работу авиационных двигателей. С этой целью образцы с нанесенным на них слоем соли испытывались при различных условиях нагружения при 200-480° С во влажном и сухом воздухе, а в ряде случаев - в воздушном потоке. Наиболее подробно материал исследований излагается в работе [133]. В результате проведенных исследований была установлена группа наиболее агрессивных солей - LiCI, NaCl, KCI, AgCl, NaBr, Nal и наименее агрессивных-CaCl, CrCJa, MgC!4, NaF.

Установлено, что основной компонент, необходимый для поддержания коррозионного процесса - кислород в виде окисла, либо в виде газа. Кроме того, увеличивающим склоннссть к коррозии фактором является наличие влаги в воздухе. В работе [133] определен круг титановых сплавов, подверженных и не подверженных горячесолевому растрескиванию.

Наименее стойкие

5 А1-2,5 Sn (отжиг) 12 Zr-7 Al 8 Al-1 Мо-I V

5 Al-5 Sn-5 Zr

6 Al-6 V-2 Sn

5 Al-1 Fe-1 Cr-1 Mo

Наиболее стойкие

4 Al-3 Mo-1 V 10 Sn-5 Zr-2 Al-

1 Mo-0,2 Si 4 Mo-4 Zr-2 Al 11,5 Mo-6 Zr-4,5 Sn- 8 Mn

Средней стойкости

8 Мо-8 V-2 Fe-3 Al 5 Al-5 Sn-5 Zr- I Mo-1 V 6 Al-2 Sn-4 Zr-2 Mo 5 Al-2,5 Zr-l Fe 13 V-11 Cr-3 Al 8 Al-1 Mo-1 V

(закалка) 2 Fe-2 Cr-2 Mo 4 Al-4 Mn 6 Al-4 V

Технически чистый титан не склонен к горячесолевому растрескиванию. Специальная термическая обработка, в основном закалка из а- или а + р-области, может существенно повышать стойкость сплава против горячесолевого растрескивания. В общем случае склонность сплавов к горячесолевому растрескиванию так же, как и склонность к коррозионному растрескиванию под напряжением в водных растворах солей, возрастает при увеличении содержания алюминия в них (особенно при отсутствии р-стабилизаторов), а также при увеличении степени гетерофазности структуры, создаваемой легированием или термообработкой. Это позволяет сделать вывод, что рациональный выбор сплава или-специальная термообработка его могут позволить избежать горячесолевого растрескивания.

Стойкость сплавов против горячесолевого растрескивания может быть существенно повышена за счет поверхностного упрочнения деталей методом дробеструйной обработки или же использования плакирования. Практика показала, что в современной авиации многие узлы двигателя работают при достаточно высоких

температурах и напряженийх без разрушения, тогда как в лабораторных условиях при тех же температурах и напряжениях образцы разрушаются. Причина этого, по-видимому, заключается в том, что в натурных условиях двигатель не находится в непрерывной работе столь длительное время, как образцы прн лабораторных исследованиях. Во всяком случае, по мнению авторов [133], в настоящее время нет данных о разрушении в полете, которые препятствовали бы применению титана, из-за горячесолевого растрескивания.

ГЛАВА П. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

1. Механические свсйства нелегирсванногс титана

Механические свойства материалов, в том числе и титановых сплавов, не являются строго постоянной величиной. Уровень их зависит от ряда факторов, из которых для титана и его сплавов имеют существенное значение содержание примесей и структура полуфабриката. Поэтому характеристикой сплава является не только уровень механических свойств, но и диапазон их возможного изменения из-за структуры или примесей.

Обычно металлы с гексагональной кристаллической структурой имеют пониженную пластичность из-за ограниченного количества систем скольжения. Титан (а также цирконий) представляет исключение из этого правила. Одной из причин этого является благоприятное отношение осей с1а кристаллической решетки титана. Кроме того, у титана установлено по крайней мере 30 возможных систем скольжения и двойникования; в связи с этим по пластичности титан не уступает другим металлам с иными типами кристаллических решеток (табл. 10).

Имеющиеся в титане системы скольжения неравноценны между собой: на монокристаллах критическое напряжение сдвига по плоскости призмы равно 5 кгс/мм, а по плоскости базиса - 11 кгс/мм*. В мелкозернистых поликристаллических образцах обе указанные характеристики повышаются, а различие между ними уменьшается. Тем не менее, различные плоскости скольжения, по-видимому, неодновременно активизируются при нагружении и исчерпываются по мере деформирования. В результате этого деформационное (физическое) упрочнение у титана меньше, чем у ОЦК- и ГЦК-металлов, машфшая диаграмма растяжения имеет более пологий характер, а шейка разрывных образцов менее локализована. В крупнозернистых образцах, особенно когда диаметр образца соизмерим с размерами зерен, сопротивление малым пластическим деформациям (Oo,i; 00,2) существенно снижается. Из табл. 11 видно, что в весьма крупнозернистом (литом или перегретом) состоянии

Таблица 10. Механические свойства титана в сравнении со свойствами других металлов

Примечание Образцы с рабочей частью 0 5Х 25 мм, скорость движения захватов при испытании образца - 0,2 мм/мин

предел текучести титана может быть на 10-15 кгс/мм ниже, чем в мелкозернистом состоянии.

Важное значение в формировании механических свойств титана имеет двойникование, начинающееся обычно при напряжениях, несколько меньших предела текучести, и продолжающееся в значительной области пластической деформации. Наиболее активно

Таблица П. Механические свойства титана в разных структурных состояниях

процесс двойникования протекает в крупнозернистых, в меньшей мере - в мелкозернистых образцах 467]. Граница двойника, как препятствие сдвиговой деформации по плоскости скольжения, столь же эффективна как граница зерна, накопление двойников при деформировании можно уподобить дроблению зерен. Вследствие этого, деформация в крупнозернистых образцах постепенно приобретает характер, свойственный мелкозернистому состоянию, поэтому характеристики пластичности крупнозернистых и мелкозернистых образцов титана находятся на одинаковом уровне, а относительное удлинение у крупнозернистых образцов может быть даже выше, чем у мелкозернистых.

Данные в табл. 11 характеризуют титан как хорошо свариваемый материал, не склонный к охрупчиванию как в зоне термического влияния, так и в шве. Поскольку высокая пластичность у титана сохраняется как при медленном, так и быстром охлаждении, то режимы сварки (величины погонных энергий, толщины свариваемых изделий и т. п.) не имеют каких-либо ограничений.

Значительное изменение пластичности и прочности титана происходит под влиянием примесей. Минимальным содержанием примесей (около 0,05обладает титан, полученный йодидным способом. Из-за высокой стоимости и сложности получения в виде крупных слитков йодидный титан не нашел широкого применения и используется главным образом в лабораторных условиях. Промышленный титан производится из титановой губки, полученной магниетермическим способом. В качестве основных примесей в губке присутствуют кислород, азот, железо, хлор, магний, углерод, кремний, никель, хром, водород. Хлор, магний и водород могут быть удалены при последующем вакуумно-дуговом переплаве; остальные элементы переходят в слиток, причем содержание кислорода и азота может дополнительно увеличиваться за счет натека-ния воздуха в вакуумную систему плавильных агрегатов. Технически чистый титан, таким образом, представляет собой многокомпонентный сплав, свойства которого могут изменяться в широких пределах в зависимости от содержания примесей.

Основные элементы, присутствующие в титане как примеси, по характеру влияния на его механические свойства могут быть разделены на несколько групп. Кислород и азот - элементы внедрения, а-стабилизаторы - резко повышают температуры полиморфного превращения и плавления, образуют с титаном соединения типа оксидов, субоксидов и т. п., существенно искажают кристаллическую решетку а-титана. Из рис. 13 и 14 следует, что оба элемента являются сильными упрочнителями: так, каждая десятая доля процента (по массе) кислорода повышает прочностные свойства титана примерно на 13 кгс/мм [112, 120]. Соответственно росту прочности снижаются пластичность и вязкость. Однако концентрационные зависимости механических свойств имеют плавный характер, следовательно, поддаются в определенных пределах учету и регулированию.