Термическая обработка титана — это управление соотношением фаз α (ГЦК) и β (ОЦК), морфологией пластинок/колоний, толщиной пластинчатого α, объёмной долей остаточной β, уровнем примесей (O, N, H) и состоянием поверхности (альфированный слой). В отличие от сталей, у титановых сплавов критична температура полиморфного превращения β-трансус, а также скорость охлаждения в окнах распада пересыщенных твёрдых растворов. Корректная маршрутизация — от отжига и рекристаллизации до закалки с искусственным старением — задаёт баланс прочности, вязкости, выносливости и коррозионной стойкости при минимальных остаточных напряжениях и без сенсибилизации к водороду.
Классы титановых сплавов и базовая логика ТО
| Класс | Примеры | Цель ТО |
|---|---|---|
| Технический титан (CP, α) | VT1-0 / Grade 2 | Снятие напряжений, рекристаллизация, стабилизация размеров |
| α+β-сплавы | VT6 / Ti-6Al-4V | Отжиг (mill/recryst.), растворный + старение STA, контроль толщины пластинок α |
| Бета и near-β | VT22, Ti-10V-2Fe-3Al | Растворение в β-области, закалка, многоступенчатое старение |
| Near-α | VT16, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo | Высокотемп. отжиги, двухступенчатые режимы, повышенная ползучестойкость |
Ключевой параметр — β-трансус (Tβ): для Ti-6Al-4V обычно ~995–1005 °C; для VT22 ниже (~840–870 °C); для технического титана Tβ ≈ 882 °C. Относительное положение температуры нагрева к Tβ определяет, в какой фазовой области идёт растворение/рост зерна и какие продукты распада мы получим при охлаждении/старении.
Типовые операции и окна температур
| Операция | t, °C | Выдержка | Охлажд. | Назначение |
|---|---|---|---|---|
| Снятие напряжений (CP, α+β) | 480–650 | 0,5–2 ч | Воздух/с печью | Стабилизация формы, снижение искажений |
| Отжиг mill (α+β) | 700–800 | 1–2 ч | Воздух | Рафинирование пластинок α, улучшение обрабатываемости |
| Рекристаллизац. отжиг | Tβ−(60–120) | 1–2 ч | Воздух/масло* | Перестройка структуры после деформации |
| Растворный (sub-transus) | Tβ−(20–80) | 0,5–2 ч | Вода/воздух | Растворение β-фазы с сохранением мелкого зерна |
| Растворный (super-transus) | Tβ+(10–40) | 0,25–1 ч | Вода | Формирование «коронок» β-зёрен, повыш. прокаливаемость |
| Искусственное старение | 450–620 | 2–8 ч | Воздух | Выделения в α/β, рост прочности, стабилизация |
| Дегазация H (вакуум) | 450–650 | 1–8 ч | Вакуум | Снижение «водородной» хрупкости |
*Масляное охлаждение для титана применяют ограниченно и по расчёту деформаций/трещиноопасности; приоритет — вода или интенсивный воздух с учётом сечения и рисков деформации.
Режимы по группам и маркам
Технический титан VT1-0 (Grade 2, α)
| Операция | t, °C | Выдержка | Охлажд. | Эффект |
|---|---|---|---|---|
| Снятие напряжений | 480–600 | 0,5–2 ч | С печью | Стабилизация размеров перед/после мехобработки |
| Полный отжиг | 700–760 | 1–2 ч | Воздух | Макс. пластичность, HB ↓, зерно α стабилизовано |
| Рекристаллизация листа | 680–720 | 0,5–1,5 ч | Воздух | Снятие наклёпа после гибки/вытяжки |
VT6 / Ti-6Al-4V (α+β, Tβ ≈ 995–1005 °C)
| Схема | Параметры | Охлажд. | Итог |
|---|---|---|---|
| Mill anneal | 700–785 °C, 1–2 ч | Воздух | Универсальная обработка, стабильность размеров |
| Sub-transus STA | Растворный 925–955 °C, 0,5–1 ч → старение 480–600 °C, 4–8 ч | Вода/воздух → воздух | +15–25% к σв vs. mill, контролируемая пластинка α |
| Super-transus STA | Растворный 1005–1020 °C, 0,25–0,75 ч → старение 500–580 °C, 4–8 ч | Вода → воздух | Крупнее prior-β, высокая прокаливаемость толстых сечений |
| Двухступенчатый отжиг | 940–960 °C → 720–760 °C, по 0,5–1 ч | Воздух | Выравнивание α/β, снижение анизотропии |
VT22 (β/near-β, Tβ ~ 860 °C)
| Схема | Параметры | Охлажд. | Итог |
|---|---|---|---|
| Растворный в β | 800–870 °C, 0,25–1 ч | Вода | Полный раствор β-стабилизаторов, мартенситная структура |
| Старение 1 | 450–520 °C, 4–8 ч | Воздух | Выделения, рост σ0.2 до 1100–1300 МПа |
| Старение 2 | 540–580 °C, 2–6 ч | Воздух | Стабилизация, повышение выносливости |
| Альтернатива | Двухступенчатое старение 480→560 °C | Воздух | Баланс прочность/δ при толстых сечениях |
VT16 (near-α)
| Операция | Параметры | Цель |
|---|---|---|
| Отжиг | 780–860 °C, 1–2 ч | Пластичность для холодной деформации |
| Двухступ. режим | ~900 °C → 700–740 °C | Рафинирование α, ползучесть до 350 °C |
Атмосферы, «альфа-кейс» и подготовка поверхности
- Отжиги/растворные нагревы — только вакуум или инертные/восстановительные атмосферы с низкой точкой росы. Окислительно-азотные среды формируют альфированный слой (кислородонасыщенный α), повышающий твёрдость поверхностно и резко снижающий пластичность.
- После высокотемпературной ТО — обязательны травление/механосъём альфа-кейса по маршрутной карте, далее пассивация.
- Гидридообразование предотвращают сухими атмосферами и управлением остаточной влажности; дегазация водорода — вакуум 450–650 °C.
Контроль качества после ТО
| Показатель | Метод | Критерий |
|---|---|---|
| Твёрдость | HV/HRC/HB | Сопоставление с ТП (STA > mill anneal) |
| Структура | Металлография | Толщина пластинок α, доля β, prior-β зерно |
| Газы (O,N,H) | Инструм. анализ | В пределах норм для изделия/марки |
| Альфа-кейс | Микротвёрдость/шлиф | Отсутствие/съём до «чистого» металла |
| Механика | σ0.2, σв, δ, KCU | По состоянию поставки (annealed/STA) |
| Стабильность | Измерит. контроль | Дрейф после цикла ТО ≤ допуск |
Производственные карты: примеры
Лист VT1-0 (толщина 2–6 мм)
| Шаг | Параметры | Контроль |
|---|---|---|
| Снятие напряжений | 520–560 °C, 1–2 ч, вакуум/Ar | Плоскостность, остаточные напряжения |
| Полный отжиг | 720–740 °C, 1 ч, охлаждение на воздухе | HB, зерно α, отсутствие альфа-кейса |
| Финиш | Травление/пассивация | Чистая поверхность |
Поковка VT6 / Ti-6Al-4V (Ø 60–100 мм), улучшение STA
| Шаг | Параметры | Контроль |
|---|---|---|
| Растворный | 940–955 °C, 45–75 мин (по d), вакуум | T по термопарам в массиве |
| Закалка | Вода, интенсивное мешание | Трещины/деформации |
| Старение | 520–560 °C, 6–8 ч | σ-уровень, δ, ударная вязкость |
| Финиш | Съём альфа-кейса при необходимости | Микротвёрдость по глубине |
Плита/лист VT22 (β), высокопрочная схема
| Шаг | Параметры | Контроль |
|---|---|---|
| Растворный | 820–860 °C, 30–60 мин | Вакуум/Ar, равномерность прогрева |
| Закалка | Вода | Отсутствие трещин |
| Старение-1 | 480–520 °C, 6 ч | σ0.2 ≥ 1100 МПа |
| Старение-2 | 550–570 °C, 3–4 ч | Размерная стабильность, выносливость |
Сварка и последующая ТО
- Сварка титана — только в инертных газах с защитой корня и зоны охлаждения; перегрев/длительная выдержка в 600–900 °C нежелательны.
- После сварки CP/α+β: локальное снятие напряжений 480–600 °C; для β-сплавов — восстановительная STA по TП изделия.
- Контроль: феррит-номер здесь не применим (в отличие от нержавеющих); критичны газовые примеси, α-кейс и структура ЗТВ.
Нормативная база и примечания по ГОСТ/AMS
- Марки и сортамент: деформируемые титаны и сплавы — ГОСТ 19807; лист — ГОСТ 22178; пруток — ГОСТ 26492. Для международных поставок ориентируются на ASTM/AMS (например, AMS 4928, AMS 4965/4967, AMS 4904 для состояний STA/annealed).
- Протокол ТО — графики нагрева/охлаждения, атмосфера, анализ газов, карта твёрдости/микроструктуры, отметки контроля поверхности.
Типичные ошибки и как их избежать
- Нагрев в окислительной атмосфере → альфа-кейс, трещины при формовании. Решение: вакуум/инертные газы, обязательный съём слоя.
- Ориентация только на «стальные» подходы → неправильный выбор среды и скоростей. Решение: отталкиваться от Tβ и фазовой области.
- Длительные выдержки у Tβ → рост prior-β и огрубление пластинок α. Решение: минимизировать «полки», использовать sub-transus.
- Игнорирование водорода → хрупкость, задержка трещин. Решение: контроль H и дегазация 450–650 °C.
- Старение «вслепую» → недобор/пересадка свойств. Решение: пилотные образцы, прочностной и металлогр. контроль после каждого шага.
Заключение
Эффективная термообработка титана строится вокруг β-трансус и управляемого охлаждения. Для VT1-0 приоритеты — мягкие отжиги и чистая поверхность; для VT6 — выбор между универсальным mill-отжигом и высокопрочным STA с контролем морфологии α; для β-сплавов уровня VT22 — растворение в β-области, интенсивная закалка и многоступенчатое старение. Независимо от марки, реальная производственная дисциплина — вакуум/инерт, быстрая эвакуация из опасных окон, контроль газов и обязательный съём альфа-кейса — обеспечивает воспроизводимость свойств и ресурс изделий.