ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТИТАНЕ И ЕГО СПЛАВАХ

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТИТАНА С ГАЗАМИ АТМОСФЕРЫ

Взаимодействие титана с водородом

Титан энергично взаимодействует с кислородом, азотом и парами воды, входящими в состав атмосферы. Кислород и азот в процессе взаимодействия растворяются в титане, образуя различные по составу химические соединения — оксиды и нитриды. Пары воды, реагируя с титаном, разлагаются на кислород и водород, который также растворяется в титане и при определенной концентрации образует с титаном химическое соединение — гидрид титана.

Взаимодействие газов с титаном резко интенсифицируется при высоких температурах.

Все эти элементы, растворяясь в титане, резко изменяют его механические свойства, особенно пластические характеристики. Поэтому содержание указанных газов в титане и его сплавах не должно превышать допустимых концентраций.

На рис. 1.1 представлена диаграмма состояния титан—водород, из которой следует, что в структуре титана в зависимости от концентрации водорода (до 3 % по массе) образуются следующие фазы: твердый раствор водорода в a-фазе; твердый раствор водорода в p-фазе; 5-гидрид с гранецентрированной кубической решеткой и у-метастабильный гидрид с гранецентрированной решеткой с соотношением осей с/а < 1. При концентрации водорода 1,33 % по массе и температуре 300 °С протекает эв- тектоидное превращение р <-> а + 5. Растворимость водорода в а-титане сильно уменьшается с понижением температуры. При этом из пересыщенного

Рис. 1.1. Диаграмма состояния системы титан- водород

а-раствора выделяются гидриды. Растворимость водорода в а-ти- тане при комнатной температуре равна 0,002—0,005 % (по массе).

Растворы водорода в p-фазе обладают широкой областью гомогенности. Водород относится к эвтектоидообразующим р-ста- билизаторам и сильно расширяет температурный интервал существования p-фазы. В объемно-центрированной решетке р-титана тетраэдрические междоузлия с радиусом 0,044 нм почти точно соответствуют атомному радиусу водорода (0,046 нм). Поэтому водород хорошо растворяется в p-фазе. Установлено, что твердый раствор водорода в р-титане не может быть зафиксирован закалкой при комнатной температуре ни при каких концентрациях водорода и ни при каких скоростях охлаждения металла.

Выделение гидридов, имеющих меньшую плотность и соответственно больший удельный объем (плотность гидрида TiHj 63 составляет 3,912 г/см3, что на 13 % меньше плотности титана, а плотность TiHj 99 на 16,7 % меньше плотности титана), является причиной возникновения в металле значительных растягивающих напряжений. Образование гидридов в структуре титана приводит к гидридной хрупкости металла, которая наиболее интенсивно проявляется в случае медленного охлаждения литой заготовки, когда выделения интерметаллидной фазы наблюдаются при крайне низком содержании водорода в металле. В связи с этим предельное содержание водорода в литейных а- и псевдо-а-тита- новых сплавах не должно превышать 0,01—0,015 % (по массе).

Влияние водорода на ударную вязкость титановых сплавов

Рис. 1.2. Влияние водорода на ударную вязкость титановых сплавов

На рис. 1.2 представлены данные о влиянии водорода на ударную вязкость титановых сплавов, из которых следует, что при содержании водорода более 0,005 % по массе ударная вязкость псевдо-а-титановых сплавов начинает резко снижаться.

С увеличением содержания в структуре сплава (3-фазы допустимое предельное содержание водорода несколько возрастает.

Растворимость водорода в титане (по данным В.И. Явойского и А.Д. Чучурюкина) описывается следующими уравнениями:

0 в твердом титане

0 в жидком титане

В (1.1) и (1.2) концентрация водорода [Н] выражается в см3/Ю0 г, а парциальное давление водорода РщЬ кПа. Из уравнений (см. рис. 1.3) следует, что равновесное содержание водорода при давлении 0,1 МПа и температуре 1665 °С составляет 1350 см3/100 г (0,12 % по массе) для твердого титана и 1180 см3/100 г (0,10 %) для жидкого титана.

Растворимость водорода в титановых сплавах зависит от содержания и вида легирующего элемента. Так, алюминий при концентрациях более 3 % (по массе) увеличивает растворимость водорода в а-титане при комнатной температуре. Гидриды в а-фазе при 20 °С образуются свыше следующих концентраций алюминия в титане (по массе):

Зависимость растворимости водорода в титане от температуры (Ль = 110Па)

Рис. 1.3. Зависимость растворимости водорода в титане от температуры (Ль = 1105Па)

С увеличением содержания кислорода в титане растворимость водорода при повышенных температурах также возрастает. Легирующие элементы — p-стабилизаторы — также повышают растворимость водорода в титановых сплавах.

Взаимодействие титана с водородом является сложным многостадийным процессом, включающим в себя: 1) массоперенос водорода в газовой среде; 2) физическую адсорбцию газа на поверхности металла; 3) хемосорбцию газа на поверхности металла; 4) переход водорода из поверхностного слоя в приповерхностный слой металла; 5) диффузию атомов водорода в объеме металла с образованием твердого раствора; 6) формирование гидридов.

В ряде случаев определяющую роль в скорости насыщения металла водородом играет его диффузия. Водород отличается необычайно высокой диффузионной подвижностью, что приводит к быстрому перераспределению его по объему металла в процессе взаимодействия.

Коэффициент диффузии водорода в титане на несколько порядков выше, чем у других элементов.

Зависимость коэффициента диффузии от температуры и природы газа, в том числе водорода в титане, определяется выражением

где D — коэффициент диффузии, м2/с; D0 предэкспоненциаль- ный множитель, м2/с; Q — энергия активации при диффузии, Дж/моль; R — газовая постоянная, Дж/(моль-К); Т — абсолютная температура, К.

В табл. 1.1 представлены параметры диффузии водорода в йо- дидном титане, титане технической чистоты ВТ1П и сплаве ВТ5Л.

Таблица 1.1. Параметры диффузии водорода в титане и его сплавах

Металл

Температура, К

/)0Т02, см2

Q, кДж/моль

Йодидный титан

923-1123

1,5

53,4

ВТ1Л

473-1073

3,3

57,8

ВТ5Л

473-1073

3,8

32,7

Экспериментально установлено, что скорость поглощения титаном водорода зависит от температуры и парциального давления водорода в газовой фазе, от степени легирования титана, размеров и формы кристаллического зерна и ряда других факторов. С ростом температуры скорость поглощения водорода титаном возрастает. Особенно резко она увеличивается при температурах выше 600 °С.

На рис. 1.4 приведены данные об изменении давления водорода в замкнутой системе при его поглощении техническим титаном, откуда следует, что при температурах 700—900 °С практически весь объем водорода поглощается титаном за 10—30 с.

Скорость поглощения водорода титаном значительно возрастает с ростом давления. Например, при давлении 13,3 кПа и температуре 600 °С через 5 мин после контакта с водородом титан поглощает около 200 г/см2-105 водорода, тогда как при давлении

0,665 кПа при тех же условиях титан поглощает всего около 10 г/см2-10э водорода.

Изменение давления в замкнутой системе при поглощении титаном водорода при разных температурах

Р и с. 1.4. Изменение давления в замкнутой системе при поглощении титаном водорода при разных температурах

Таким образом, водород с одной стороны, является вредной примесью, которая вызывает водородную хрупкость металла, а с другой — благодаря тому, что водород изменяет фазовый состав сплава и понижает температуру фазового превращения а<-»р, возникает ряд специфических эффектов, оказывающих положительное влияние и на свойства металла, и на повышение эффективности ряда технологических операций в производстве титановых полуфабрикатов и деталей.

Водород с высокой скоростью не только поглощается, но и удаляется из титана, если металл подвергнуть вакуумному отжигу. При проведении различных технологических мероприятий в процессе производства полуфабрикатов или заготовок из титановых сплавов для достижения того или иного положительного эффекта в металл искусственно вводят определенное количество водорода, а после завершения технологического процесса водород удаляют из металла вакуумным отжигом. В этом случае водород является «временным легирующим элементом». Комплекс технологических операций, в которых используются положительные эффекты от введения водорода в титановые сплавы в качестве временного легирующего элемента, получил название «водородная технология» производства полуфабрикатов и заготовок из титановых сплавов. Эта технология как новое научное направление в материаловедении и технологии сформировалось на основе исследований, которые выполнялись в МАТИ с 1970 г. в содружестве с ведущими исследовательскими институтами авиационной промышленности[1].

  • [1] См. подробнее: Водородная технология титановых сплавов ; под ред. акад.РАН А.А. Ильина. М.: МИСиС, 2002.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >