Новости

Новости

Обезводороживающий вакуумный отжиг титановых сплавов


Распределение водорода в металле. Листы титановых сплавов после горячей и теплой прокатки ввиду значительного окисления обязательно должны подвергаться травлению, приводящему, несмотря на принимаемые меры, к значительному наводороживанию титановых листов. Водород, диффундирующий с поверхности в титан, распределяется в объеме металла неравномерно. Распределение его можно описать с помощью второго закона Фика
dC/dt = D (d2C/dx2).

Рассчитывая из уравнения Фика кривую проникновения водорода, можно определить количество абсорбированного газа- Для упрощения задачи предположим, что распределение водорода в титане определяется прямой линией, проведенной пунктиром на рис. 151. Исходя из этого, количество абсорбированного газа w в зависимости от времени должно выражаться параболическим уравнением типа w = KVt, где К — константа.
Отсюда следует, что скорость абсорбции при постоянной температуре определяется уравнением dw/dt =KVt.

В соответствии с этим уравнением скорость проникновения водорода в металл при постоянной температуре со временем должна уменьшаться В обратном случае при дегазации водорода скорость этого процесса будет определяться диффузией водорода. Кроме того, большое влияние будет оказывать состояние поверхности образцов и скорость откачки системы.
Поскольку процесс дегазации водорода в первую очередь определяется диффузией его к поверхностным слоям, то распределение водорода пи всему сечению неравномерно и описывается кривой, подобной приведенной на рис. 152. Расстояние а соответствует величине, которую называют кажущейся глубиной дегазации. Найти ее можно из соотношения
а = 4VDt/Vп.

Влияние водорода на механические свойства титановых сплавов. Повышение содержания водорода в титановых сплавах, даже до небольших концентраций, может оказывать существенное влияние на механические свойства. Этот вопрос достаточно подробно рассмотрен в работах.
Повышение концентрации водорода снижает пластические характеристики всех металлов. Характер проявления водородной хрупкости зависит от многих факторов. По мнению Б.А. Колачева и других, классификацию видов водородной хрупкости целесообразно проводить по вызывающим ее источникам. На основе данных зарубежных и советских исследователей, а также на основе собственных наблюдений Б.А. Колачев предлагает все виды водородной хрупкости разделить на две основные группы.
1) хрупкость первого рода, обусловленную повышенным содержанием водорода в исходном металле,
2) хрупкость второго рода, развивающуюся в металле при повышении содержания водорода в процессе пластической деформации.
Для титана и его сплавов при реально существующих в полуфабрикатах концентрациях водорода наиболее типична хрупкость второго рода.
Рассмотрение возможных видов водородной хрупкости в а-, а+в- и в-титановых сплавах нашло достаточно полное отражение в работах и др.
Наиболее радикальным средством борьбы против водородной хрупкости, безусловно, следует считать вакуумный отжиг. Отсюда наиболее рациональным, на первый взгляд, должно было явиться проведение обезводороживающего вакуумного отжига на всех полуфабрикатах. Работы, выполненные Б.А. Колачевым, С.А. Вигдорчиком и Ю.В. Горшковым показали, что на технологических операциях сварки, размерного травления, термической обработки может происходить локальное повышение концентрации водорода, которое приведет к замедленному разрушению деталей Поэтому было предложено вакуумный отжиг делать на реальных конструкциях. В работах приводятся допустимые концентрации водорода в конструкциях из отожженных титановых полуфабрикатов и даются рекомендации по режимам вакуумного отжига конструкций.
В настоящее время в отечественной практике установлены следующие допустимые нормы по содержанию водорода: для сплавов BT1-00 0,008%: BT1-0 0,010%; ОТ4-1 0,008%; ОТ4 0,010%, для всех остальных сплавов не более 0,015%. В стандартах США для всех титановых сплавов установлена норма 0,0125%. По данным Б.А. Колачева и С.А. Вигдорчика, разрушающие напряжения в сплавах достигают нижних пороговых значений при базе испытаний 1000 сут при следующих критических концентрациях водорода:

Эти концентрации являются максимально допустимыми в конструкции и указанные значения не должны превышаться в течение всего времени эксплуатации.
Удаление водорода при вакуумном отжиге. В титане и его сплавах, в которых хрупкость вызвана повышенным содержанием водорода, пластичность и вязкость могут быть полностью восстановлены, если из материала достаточно полно удалить водород. Обратимое изменение механических свойств наблюдается после вакуумного отжига металла при содержании в нем водорода до 0,1%. Это видно на примере сплавов BT1-1 и ОТ4 (табл. 46), подвергавшихся испытаниям после наводороживания и последующего обезводороживания.

Образцы испытывались при комнатной температуре. Содержание водорода в материале после дегазационного отжига, как правило, не превышало 0,002%.
Многочисленные исследования показали, что наиболее эффективным является отжиг в высоком вакууме при 700—900° С в течение 4—10 ч в зависимости от сечения изделия.
Изменение ударной вязкости технического титана в зависимости от продолжительности вакуумного отжига при различных температурах показано на рис. 153.

Изменение ударной вязкости со временем при всех температурах имеет одинаковый характер. Вначале ударная вязкость быстро увеличивается, причем более резко при высоких температурах, достигает максимума и далее с увеличением времени отжига плавно уменьшается, стремясь к некоторому постоянному значению.
Указанный характер изменения ударной вязкости обусловлен, по-видимому, тем, что при температуре 800° С водород удаляется недостаточно полно и поэтому ударная вязкость не достигает максимального значения, хотя макро- и микрозерно мелкие. После отжига при 1000° C содержание водорода незначительно, однако резко увеличивается размер зерна, что приводит к уменьшению ударной вязкости.

Следует отметить, что у отожженных в вакууме сплавов титана в процессе последующего вылеживания при комнатной температуре наблюдается снижение пластических свойств, а по данным E.А. Борисовой и Г.И. Сергеевой, увеличение времени выдержки при вакуумном отжиге приводит к уменьшению коэффициента штампуемости. Указанные выше изменения происходят, очевидно, вследствие растрава и активации поверхностных слоев. Снижения пластических свойств можно избежать, применяя вакуумный отжиг перед окончательной механической обработкой или создавая после вакуумного отжига тонкую защитную окисую пленку. В работе показано (рис. 154), что наличие окисной пленки оказывает пассивирующее действие на поверхность образцов титановых сплавов, активированную после вакуумного отжига.