Найбільш поширений вид термічної обробки титанових сплавів - отжиг всіх різновидів. Загартування і старіння застосовуються в меншій мірі; термомеханічна обробка знаходиться в стадії промислового впровадження, до хімікотерміческой обробці вдаються в окремих випадках.
Відпал першого роду, що включає рекрісталлізаціонний, дорекрісталлізаціонний отжиг і отжиг для зменшення залишкових напруг, в чистому вигляді можна застосовувати лише для # 945; -сплавов і # 946; -сплавов з термодинамічно стійкою # 946; + фаза. У псевдо- # 945; -, типових # 945; + # 946; -і # 946; -сплавах з термодинамічно нестійкою # 946; -фаз на рекрісталлізаціонний процеси можуть накладатися фазові перетворення. Внесок фазових перетворення в формування структури і властивостей сплавів найбільший при рекрісталлізаціонном і Дорекрісталлізаціонний відпалі і найменший при відпалі з метою зняття залишкових напруг. Якщо температура відпалу для зменшення залишкових напруг досить низька, то фазові перетворення можуть не розвиватися і не впливати на структуру і властивості псевдо- # 945 ;, # 945; + # 946; - і # 946; -сплавов (з термодинамічно нестійкою # 946; фаза). Гомогенізаціонний отжиг для титанових сплавів не застосовують за його малої ефективності.
Дорекрісталлізаціонний отжиг заснований на явищах повернення I роду (відпочинку) і II роду (полігонізацні). Егo проводять з метою, якщо не для повного, то хоча б часткового зняття нагартовки, внесеної в метал попередньої пластичної деформацією. У титані і малолегованих сплавах на його основі при Дорекрісталлізаціонний відпалі нагартована метал істотно разупрочняется, що пов'язано з досить великою в них енергією дефектів упаковки. Внаслідок цього легко розвивається полігонізації, в ході якої істотно знижується середня щільність дислокацій.
У термічно зміцнюючих сплавах, зокрема в # 946; -сплавах, полігонізації розвивається при тих жетемпературах, при яких розпадається метастабільна # 946; + фаза. У тих випадках, коли температура деформації і швидкості охолодження після деформації були досить високими, в деформованих напівфабрикатах. фіксується термодинамічно нестабільна # 946; + фаза. При нагріванні деформованих напівфабрикатів до 500-700 ° С в них відбуваються не тільки процеси повернення і полігонізації, але і розпад метастабільною # 946; -фази. Властивості відпалених титанових сплавів істотно залежать від того, що станеться раніше - полігонізації або розпад # 946; -фази.
У неполігонізованних титанових # 946; -сплавах розпад # 946; -фази при старінні зазвичай протікає дуже неоднорідний за обсягом зерна, що призводить до низьких пластичних характеристикам. Після полігонізації метастабільна # 946; фаза розпадається рівномірно, що обумовлює підвищений комплекс механічних властивостей сплаву і велику їх однорідність.
На рис. 61 приведена діаграма рекристалізації технічного титану (99,5%). При рекристалізації технічного титану в інтервалі температур, відповідних # 945; -фазі, утворюється поліедріческіх структура, характер якої не залежить від швидкості охолодження після відпалу. При малих ступенях деформації # 949; (2,5-5%) після відпалу в області існування # 945; -фази спостерігається максимум величини зерна d3. Відпал при температурах, відповідних # 946;-області, не дає яскраво вираженого максимуму величини зерна відповідного критичної ступеня деформації. Це пояснюється тим що зміни структури, пов'язані з невеликими ступенями пластичної деформації # 945; -тітана, придушуються об'ємними змінами, зумовленими поліморфним перетворенням # 945; ⇔ # 946 ;.
В процесі рекристалізації при температурах вище Ac3 утворюється велике зерно # 946; -тітана. При подальшому охолодженні відбувається поліморфний перетворення # 946; → # 945 ;. Зерно # 946; -тітана при цьому розбивається на колонії витягнутих зерен # 945; -фази, число яких збільшується з підвищенням швидкості охолодження.
Легуючі і домішкові елементи, як правило, підвищують температуру рекристалізації іодідним титану. Їх можна розбити на три групи: а) сильно підвищують температуру рекристалізації (N, С, О, Al, Be, Re, В); б) значно підвищують температуру рекристалізації лише при введенні їх в кількості більше 2-3% (Cr, V, Fe, Mn, Sn); в) маловліяющіе на температуру рекристалізації (Nb, Co).
Всі промислові титанові сплави мають більш високу температуру рекристалізації в порівнянні з титаном (табл. 22).
Цей отжиг складається з нагріву металу при порівняно високих температурах, достатніх для полігонізації або рекристалізації, охолодження до температур, що забезпечують високу стабільність # 946; -фази (ці температури зазвичай нижче температури рекристалізації), і витримки при цій температурі з подальшим охолодженням на повітрі. Для переходу від першого ступеня до другої напівфабрикати і вироби або охолоджують з піччю до температури другого ступеня, або переносять в іншу піч. Ізотермічний отжиг забезпечує більш високу пластичність, термічну стабільність і тривалу міцність, ніж простий отжиг. Тому ізотермічний отжиг широко застосовують для жароміцних сплавів, таких як ВТЗ-1, ВТ8, ВТ9.
Подвійний ступінчастий отжиг відрізняється від ізотермічного тим, що після відпалу на першому місці сплав охолоджують до кімнатної температури на повітрі, а потім знову нагрівають до температури другого ступеня вона нижче, ніж на першому місці (табл. 23).
При подвійному відпалу в деформованих сплавах при температурі першого ступеня відбуваються ті ж процеси, що і на першому місці ізотермічного відпалу, т. Е. Полігонізації і рекристалізація. В результаті рекристалізаційних процесів знімається нагартовка і підвищується однорідність структури і властивостей сплаву. При охолодженні на повітрі частково протікає перетворення # 946; → # 945 ;, але # 946; фаза не набуває рівноважного складу і при подальшому нагріванні при температурі другого ступеня в # 946; -фазі відбуваються процеси розпаду. У підсумку на відміну від простого і ізотермічного відпалу, що призводять до знеміцнення сплавів, подвійний отжиг, навпаки, викликає підвищення міцності при деякому зниженні пластичності.
Для сплаву ВТ22 розроблений складний режим термічної обробки, що дозволяє обробляти всі види напівфабрикатів незалежно від їх перетину і технології виробництва. Ця обробка включає нагрів при 830- 850 ° С протягом 1-3 год, охолодження з піччю до 750 ° С, 1-2-ч витримку при цій температурі, охолодження на повітрі (в воді), потім нагрівання при 480-630 ° З протягом 2-4 год, охолодження на повітрі. Першу сходинку термічної обробки проводять при температурах трохи нижче точки Aс3 з метою усунення нагартовки. При повільному охолодженні до 750 ° С з наступною витримкою при цій температурі # 946; фаза збагачується # 946; -стабілізатори в такій мірі, що при охолодженні на повітрі вона не відчуває перетворень. Потім слід високотемпературне старіння (перестаріваніе) при 480-630 ° С. Температуру останнього ступеня вибирають в залежності від рівня міцності, що міститься у вимогах до даного напівфабрикату. Таким чином, зазначена обробка включає елементи ізотермічного відпалу, загартування і старіння.
Тривалість простого відпалу і першого ступеня ізотермічного і подвійного відпалу визначає перетином деталі або напівфабрикату і дорівнює:
При перетинах більше 50 мм рекомендують збільшувати витримку до 2 ч.
Для зменшення залишкових напрузі, що утворюються в результаті механічно обробки деталей, в ряді випадків застосовують неповний відпал при температурах нижче температури початку рекристалізації тривалістю 0,5-2 год з наступним охолодженням на повітрі для зняття напруги, що виникли під час зварювання, тривалість неповного відпалу повинна складати 2 -12 ч.
Нижче наведені температури неповного відпалу титану і його сплавів, С.
Грубозернисту структуру титану і його сплавів в принципі можна виправити термообробкою, подібної до тієї, яку застосовують для стали, а саме подвійною фазовою перекристалізацією. Зерно при такій термообробці подрібнюється внаслідок внутріфазного наклепу при фазових перетвореннях і подальшої рекристалізації при повторному нагріванні. На жаль, при практичному впровадженні фазової перекристалізації для подрібнення зерна титану і його сплавів зустрічаються труднощі, обумовлені в основному двома причинами:
а) при нагріванні до # 946;-області (що необхідно для повної фазової перекристалізації) настільки укрупнюється вихідне зерно, що подальша термообробка часто не може зменшити його навіть до вихідних розмірів;
б) об'ємний ефект при # 945; ⇔ # 946; -перетворення невеликий, що не дає достатньо сильного внутріфазного наклепу.
За фазовим складом сплавів при температурі витримки отжиг можна розділити на # 945; -, # 945; + # 946; - і # 946; -отжіг. На рис. 65 приведена схема політермічні розрізу системи титан-алюміній - # 946; -стабілізатори. простий отжиг # 945; -сплавов, а також отжиг для зменшення залишкових напрузі проводять при температурах відповідних # 945; -фазі; це # 945; -отжіг. Ці ж види відпалу, # 945; + # 946; - і # 946; -сплавов відповідають # 945; + # 946; -отжігу. Ізотермічний і подвійний зміцнюючий отжиг # 945; + # 946; -сплавов проводять при температурах, відповідних # 945; + В області. Верхня ступінь ізотермічного і подвійного зміцнюючого відпалу зміщена до більш високих температур у порівнянні з простим відпалом і відповідає умовам, в яких розвивається рекристалізація. Низькотемпературна щабель цих видів відпалу приблизно збігається з температурним інтервалом відпалу для зменшення залишкових напружень.
Температурні інтервали всіх видів відпалу знижуються зі збільшенням вмісту # 946; -стабілізатори при незмінному вмісті алюмінію.
Разом з тим слід мати на увазі, що відпал при температурах, відповідних # 946;-області, істотно знижує поперечне звуження і подовження (див. Рис. 64) Ступінь зниження поперечного звуження і подовження при # 946; -отжіге для різних сплавів різна. У деяких сплавів (ВТЗ-1, ВТ8) ці характеристики при # 946; -отжіге зменшуються до таких низьких значень, що цей вид термічної обробки для них навряд чи можна рекомендувати. Сплави типу ВТ5-1 і ВТ6 менш чутливі до перегріву і після # 946; -отжіга мають цілком прийнятні значення поперечного звуження і відносного подовження. Найбільш суттєві заперечення проти застосування # 946; -отжіга для відповідальних конструкцій пов'язані з тим, що відбувається в результаті цього виду термічної обробки зниженням циклічної міцності, а також посиленням схильності до водневої крихкості.
У зв'язку з обговорюваної проблемою особливий інтерес представляють роботи М. Я. Бруна, Н. З. Перцовського і Г. В. Шаханова, в яких показано, що шкідливий вплив # 946; -отжіга на характеристики пластичності можна послабити, регулюючи за допомогою термічної обробки параметри мікроструктури титанових сплавів (розмір # 946; -Зерно, # 945; -Колони, товщину # 945; -пластини). При оптимальних розмірах # 945; -Колони (25-30 мкм) і товщині # 945; -пластини (2,5-3,5 мкм) поперечне звуження сплавів ВТЗ-1 і ВТ9 наближається до рівня пластичності цих сплавів при дрібнозернистої равноосной структурі і становить 30-40%. На жаль, в даний час неясно чи відповідають розміри # 945; -Колони і # 945; -пластини, що забезпечують найбільшу поперечне звуження і подовження, оптимальним їх розмірами щодо в'язкості руйнування.
В'язкість руйнування істотно зростає і з ростом температури відпалу в # 945; + # 946;-області (рис. 66) при збереженні високих значень циклічної міцності, відносного подовження і поперечного звуження. З підвищенням температури відпалу зростає число перетвореної # 946; -фази пластинчастого будови і разом з тим збільшується в'язкість руйнування.
Виливки з ливарних сплавів BT1Л і ВТ5Л зазвичай термічній обробці не беруть під. При лиття в цих однофазних # 945; -сплавах не виникає високих залишкових напрузі, так що відпал не потрібно. Виливки на ливарних # 945; + # 946; -сплавов отжигают для зменшення залишкових напруг і стабілізації структури. Відпал ливарних сплавів проводять за тими самими режимами, які рекомендовані для деформуються титанових сплавів.