Титан ВТ22

Марка: ВТ22	Класс: Титановый деформируемый сплав
Использование в промышленности: детали, длительно работающие при температуре 350°С (2000 ч) ; класс по структуре α+β

Химический состав в % сплава ВТ22
Fe	0,5 - 1,5
C	до 0,1
Si	до 0,15
Cr	0,5 - 2
Mo	4 - 5,5
V	4 - 5,5
N	до 0,05
Ti	78,485 - 86,6
Al	4,4 - 5,9
Zr	до 0,3
O	до 0,2
H	до 0,015

Дополнительная информация и свойства

Термообработка: Закалка и старение

Твердость материала: HB 10 -1 = 285 МПа

Механические свойства сплава ВТ22 при Т=20oС
Прокат	Размер	Напр.	σв(МПа)	sT (МПа)	δ5 (%)	ψ %	KCU (кДж / м2)
Пруток			1100		10	20	400
Пруток			1400

Физические свойства сплава ВТ22
T (Град)	E 10- 5 (МПа)	a 10 6 (1/Град)	l (Вт/(м·град))	r (кг/м3)	C (Дж/(кг·град))	R 10 9 (Ом·м)
20			8.32	4600		1530
100		8	9.21
200		8.2	10.5		0.565
300		8.4	11.7		0.586
400		8.6	13.4		0.649
500		8.8	14.6		0.712
600			15.9

Особенности термообработки сплава ВТ22: высокопрочный титановый сплав критического состава - ВТ22. На примере этого сплава рассмотрим основные предпосылки термической обработки сплавов этой группы.

Сплав ВТ22 создан на основе системы Ti-А1-Mo-V с добавками Fe и Сr. Имеются модификации сплава с добавками других элементов. Температура мартенситного превращения его близка к комнатной, температура полиморфного превращения находится в интервале 820-870° С. Отжиг для сплава ВТ22 проводят из двухфазной области (750-800°С), что является упрочняющей термической обработкой. После медленного охлаждения с температуры отжига сплав имеет сравнительно равновесную a + в - структуру с примерно одинаковым количеством а- и ß - фаз (максимальная гетерогенность).

По данным В. Н. Моисеева, оптимальным режимом отжига сплава ВТ22 является: Т_отж = 700-800° С, охлаждение с печью со скоростью 2-4° С/мин до 400° С, далее на воздухе. Влияние температуры отжига и скорости охлаждения с различных температур на механические свойства сплава представлено на рисунке справа.

При исследовании термической обработки сплава ВТ22 И. С. Полькин и О. В. Каспарова предложили более технологичный режим отжига-двойной отжиг: первый отжиг при температуре 750-850° С, охлаждение на воздухе, второй (фактически старение для дисперсионного твердения) - при 600-800° С в течение 3 ч с последующим охлаждением на воздухе.

Повышение температуры первого отжига сопровождается ростом в-зерна, а повышение температуры второго отжига - уменьшением дисперсности вторичных выделений а-фазы. Структура сплава ВТ22 после двойного отжига по режиму 750° С 1 ч, охлаждение на воздухе с последующей второй ступенью аналогична структуре этого сплава после отжига при 750° С в течение 1 ч с последующим охлаждением в печи.

Сравнение механических свойств сплава ВТ22 после различных режимов отжига (таблица ниже) показало возможность применения более технологичного двойного режима отжига.

Механические свойства сплава ВТ22 после выдержки в течение 1 ч при 750° С. Охлаждение на воздухе (1) и с печью (2); повторный нагрев до различных температур, выдержка в течение 3 ч и охлаждение на воздухе.

№ плавки	Режим	σв, кгс/мм²	δ, %	ψ, %	aн, кгс⋅м/см²
1 2 3	750 °C 1 ч, охлаждение печью до + 400 °C, далее на воздухе	122,1 121,0 125,3	15,7 15,0 14,2	49,8 54,0 49,4	3,8 3,1 3,7
1 2 3	750 °C 1 ч, охлаждение на воздухе до + 600 °C 3 ч, охлаждение на воздухе	124,5 131,0 128,1	11,2 13,0 12,1	50,8 48,2 50,1	3,6 2,9 3,5
1 2 3	750 °C 1 ч, охлаждение на воздухе До + 650 °C 3 ч, охлаждение на воздухе	120,2 119,1 123,5	16,4 16,9 14,8	54,6 55,4 51,2	4,0 3,5 3,7

Сплав ВТ22 может эффективно упрочняться путем термической обработки, состоящей из закалки и последующего старения. При изучении влияния режимов термической обработки на структуру и механические свойства сплава ВТ22 установлено, что с повышением температуры с 600 до 800° С прочность его понижается, а пластичность повышается. При охлаждении сплава ВТ22 в воде и на воздухе с температур более 800° С понижаются характеристики прочности и пластичности (рисунок слева). После охлаждения из а + в-области в воде и на воздухе структура сплава ВТ22 представляет смесь а- и в - фаз. С повышением температуры нагрева в двухфазной области наблюдается рост в - зерна, количество в - фазы увеличивается, а а-фазы уменьшается. В итоге с повышением температуры нагрева в а + в - области прочность понижается, а кривые пластичности проходят через максимум.

После закалки в воде из в - области фиксируется мета-стабильная в - фаза, после охлаждения на воздухе наблюдается выделение а-фазы по границам и телу в - зерна.

При охлаждении с разных температур с печью сплав имеет двухфазную а + в - структуру корзиночного типа.

Электронно-микроскопические исследования структур образцов, закаленных с 900 до 1000°С на воздухе, обнаружили по границам и внутри зерен в - фазы грубые выделения а-фазы, а поверхность некоторых зерен имеет вид, характерный для ω - фазы. Рентгеноструктурный анализ подтвердил наличие ω - фазы. О. В. Каспарова предположила образование ω - фазы в сплаве ВТ22 в случае промедления при закалке из в - области, а также при закалке массивных изделий.

На основании полученных результатов сделано заключение о высокой чувствительности сплава ВТ22 как к режиму охлаждения, так и к изменению химического состава. Отмечено влияние повышенного содержания алюминия на подавление образования ω - фазы.

Оптимальным режимом закалки следует считать закалку из области температур 700-800 С в воду (см таблицу ниже).

Механические свойства сплава ВТ22 после различных режимов термической обработки.

Термиче- ская обработка	Температура, °С		Время старения, ч	σв, кгс/мм²	δ, %	ψ, %	aн, кгс⋅м/см²
	закалки или отжига	старения
Закалка и старение	700	Без старения	‒	114,8 115,6	8,0 11,2	35,5 28,9	1,8 2,0
		540	8	121,4 125,2	12,0 6,0	23,0 23,0	2,0 1,8
			16	122,5 124,6	9,2 6,0	21,5 25,9	2,0 1,8
		560	8	122,4 123,9	8,8 8,8	25,5 22,0	2,4 2,0
			16	123,7 126,0	8,0 7,2	19,7 22,7	2,3 2,2
	750	Без старения	‒	106,5 107,1	11,2 8,4	34,6 31,6	1,9 2,3
		540	8	127,5 130,5	6,0 6,4	23,0 10,3	1,6 1,3
			16	135,5 136,2	5,6 4,0	6,1 7,7	1,3 1,1
		560	8	136,5 132,9	4,0 4,0	7,7 11,7	1,2 1,4
			16	132,1 129,4	4,4 5,6	10,1 7,1	1,3 1,6
Отжиг	750 °C 1 ч, охлаждение с печью до 350 °C, далее на воздухе	‒	‒	113,1 115,6	12,0 11,2	24,7 28,4	2,8 3,1

Закалка из в-области приводит к пониженной пластичности сплава ВТ22 и его чрезмерному охрупчиванию после старения в широком диапазоне температур.

Было опробовано ступенчатое старение (рис. справа выше). Образцы после закалки с 750° С в воде и старения при температуре 450° С 5 ч переносили в печь с температурой 560, 600° С. Это привело к значительному понижению прочности и повышению пластичности. Сводные данные о применяемых режимах термической обработки для некоторых а +в-сплавов титана приведены в табл. ниже.

Режимы упрочняющей термической обработки некоторых титановых сплавов

Сплав	Температура закалки, °С	Старение		σв, кгс/мм²
		Температура, °С	Время, ч
ВТ6	900‒ 940	500‒540	4‒6	108‒119
BT14	850‒ 890 850‒ 880	480‒520 540‒600	12‒16 4‒6	110‒130 105‒115
BT16	750‒830 770‒790	480‒520 490‒510	8‒16 8‒12	125‒140 115‒125
BT22	740‒760	480‒500	14‒16	140‒145

Особенности сварки титана ВТ22: представителем титановых а+в-сплавов критического состава является высоколегированный сплав ВТ22. По составу этот сплав близок к критическому и весьма чувствителен к термическому циклу сварки. Литой металл шва и околошовная зона сварных соединений его отличаются пониженной пластичностью. После отжига фазовый состав сплава представляет смесь а- и в-фаз приблизительно в равном количестве. Известно, что сплавы с наиболее гетерогенной структурой обладают максимальной прочностью в отожженном состоянии.

Использование методов сварки без применения присадочных материалов (ЭЛС, погруженной и сжатой дугой) для сплава ВТ22 не позволяет получать сварные соединения с необходимыми свойствами. Поэтому для сварки сплава ВТ22 применяют в основном методы с использованием присадочных материалов - аргонодуговую сварку плавящимся электродом, неплавящимся электродом с присадкой, электрошлаковую сварку. Ведутся работы по электронно-лучевой сварке с присадочным металлом.

Наиболее опасной зоной сварного соединения, определяющей работоспособность всей конструкции из сплава ВТ22, является околошовная зона. Именно в ней происходят наиболее резкие изменения структуры и свойств основного металла, которые и оказываются решающими при оценке его свариваемости.

Для сплавов критического состава характерна резкая зависимость фазового состава и, как следствие, механических свойств от скорости охлаждения с температуры выше конца а + в→в-превращения.

По методике ИМЕТ-1 была исследована зависимость механических свойств и структуры околошовной зоны сплава ВТ22 от скорости охлаждения в интервале 900-700°С. Температура нагрева образцов 1300°С. Скорости охлаждения изменяли путем обдува образцов аргоном. Работу проводили на образцах размером Зх7х100 мм. Результаты испытаний получены в виде зависимости механических свойств σ_в, а_н, δ, а и HRC от ω_охл (рис. 32). Анализ этих данных позволяет сделать следующие выводы. Характеристики прочности незначительно изменяются в зависимости от ω_oxл в исследованном интервале (1-600°С/с). Показатели пластичности металла околошовной зоны очень чувствительны к значениям ω_охл.

При скоростях 1 - 15°С/с металл околошовной зоны имеет низкие показатели пластичности: а_н~ 1 кгс•м/см², а=0°, σв=8%. Исследование термических циклов при сварке металла толщиной 15- 20 мм в обычных условиях показало, что в интервале 900-600°С ω_охл= 1 - 15°С/с. Таким образом, реальные скорости охлаждения соответствуют интервалу низкой пластичности металла околошовной зоны.

Проверка свойств сварных соединений, выполненных плавящимся электродом и неплавящимся электродом с присадочным металлом, подтвердила резкое понижение пластичности металла околошовной зоны в сравнении с пластичностью металла до сварки (рис. 33).

Рентгеноструктурным анализом на установке ДРОН-1 обнаружено, что в околошовной зоне сплава ВТ22 независимо от значения в_охл в интервале 10-600°С/с фиксируется в основном метастабильная структура в с параметром а_в=3,24-3,25. Лишь после охлаждения со скоростью в_охл= 1°С/с электромеханическим методом удалось изолировать небольшое количество а-фазы, образовавшейся вследствие частичного в→а-распада.

Однако при металлографических исследованиях с помощью оптического микроскопа МИМ-8 при косом освещении обнаружено различие в в-структуре, полученной при различных скоростях охлаждения. Поверхность зерен в-фазы, образующейся при ω_охл = 1-15°С/с, неровная, с «рябью». Видимо, при таких режимах охлаждения с высокой температуры в структуре происходит подготовительный процесс к перестройке решетки. Возможно также образование небольшого количества дисперсных метастабильных промежуточных фаз, которые не выявляются рентгеноструктурным анализом, но в то же время оказывают отрицательное влияние на пластичность сплава.

в-структура, фиксируемая при больших значениях ω_охл (150- 600°С/с), отличается характерной для в-фазы высокой пластичностью. Однако использовать такое состояние практически невозможно, так как в-структура, фиксируемая в сплаве ВТ22, является метастабильной не только термически, но и механически.

Упрочняющая термическая обработка титана ВТ22 после сварки: имеются экспериментальные данные по применению упрочняющей термической обработки для сварных конструкций из сплава ВТ22. Применение упрочняющей термической обработки сварных соединений ограничено из-за недостаточно хорошего сочетания прочности и пластичности околошовной зоны после закалки и старения. Перегретый металл плохо воспринимает упрочняющую термическую обработку. При незначительном повышении предела прочности существенно понижается его пластичность. С целью некоторого повышения прочности рекомендуется сварные конструкции подвергать «мягкой» упрочняющей термической обработке, повышающей предел прочности основного металла не более, чем на 15-20%. В зависимости от требований, предъявляемых к конструкции, проводится закалка с 700-750° С в воду с последующим старением по режиму перестаривания (540-560° С в течение 8- 14 ч). При этом независимо от последовательности операций сварки и термической обработки (сварка-закалка-старение; закалка-сварка-старение; закалка-старение-сварка) сварное соединение имеет следующие свойства: σ_в= 107-115 кгс/мм² (разрушение по металлу шва), для металла шва a_н=3-4 кгс•м/см², для металла околошовной зоны (2 мм от линии сплавления) а_н в 1 кгс•м/см².

Сварное соединение сплава ВТ22 после упрочняющей термической обработки характеризуется низкой работоспособностью, особенно при циклической нагрузке, поэтому для сварных конструкций, работающих при длительном ресурсе в случае применения упрочняющей термической обработки, рекомендуется сварное соединение подвергать локальному полному отжигу с местным конструктивным усилением.

Изыскание методов повышения свойств сварных соединений до уровня основного металла после упрочняющей термической обработки - актуальная проблема в области сварки высокопрочных а + в-сплавов титана. Это сложная задача, решение которой требует детального и глубокого изучения особенностей поведения металла с различной структурой и фазовым составом в процессе термической обработки и в условиях эксплуатации. Исследований в этом направлении недостаточно. Намечены в основном два пути совершенствования сплавов с целью улучшения их свариваемости: создание комплексно-легированных материалов, что должно уменьшить химическую неоднородность сварных соединений, и разработка высоколегированных сплавов, обладающих высокой прочностью после отжига.