Металловедение сварки титановых сплавов

В. В. ОВЧИННИКОВ, Н. В. УЧЕВАТКИНА, М. А. ГУРЕЕВА  
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ СВАРКИ  
ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ 
Учебное пособие  
Москва 
Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2020 

УДК 621.791 
ББК 34.641 
О-35 
Р е ц е н з е н т ы :
Редчиц В. В., д-р техн. наук, профессор; 
Шаров В. М., канд. техн. наук, генеральный директор  
ООО «НПП «Источник» 
Овчинников, В. В. 
О-35 
Металловедение сварки титановых сплавов : учебное пособие / В. В. Овчинников, Н. В. Учеваткина, М. А. Гуреева. – Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2020. – 192 с. : ил., табл.  
ISBN 978-5-9729-0454-9 
Рассмотрены виды современных титановых сплавов и режимы их термической 
обработки. Дано описание типовых структур полуфабрикатов, приведены сведения об 
основных способах сварки сплавов, о процессах их структурных изменений под влиянием термического цикла сварки. Рассмотрены механические свойства сварных соединений, а также дефекты, встречающиеся в сварных соединениях. Приведены режимы термической обработки соединений после сварки и типовые макро- и микроструктуры сварных соединений. 
Для студентов высших учебных заведений машиностроительных специальностей, а также инженерно-технических работников, исследующих механические свойства и структуры металлических материалов. 
УДК 621.791 
ББК 34.641 
ISBN 978-5-9729-0454-9 
” Овчинников В. В. , Учеваткина Н. В., Гуреева М. А., 2020 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2020 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020 
2 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
ПРЕДИСЛОВИЕ ............................................................................................. 
5 
ВВЕДЕНИЕ 
..................................................................................................... 
6 
Глава 1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРОМЫШЛЕННЫЕ  
СВАРИВАЕМЫЕ ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ 
................................................. 
.9 
1.1. Классификация титановых сплавов....................................................... 
9 
1.2. Термическая обработка титановых сплавов 
....................................... 
10 
1.3. Структура и свойства распространенных промышленных  
свариваемых титановых сплавов ............................................................... 
16 
1.4. Применение сварных соединений из титановых сплавов  
в авиационной промышленности 
................................................................ 
27 
Глава 2. ФИЗИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ  
И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ  
.......................... 
30 
2.1. Плавление и кристаллизация титановых сплавов  
при сварке 
..................................................................................................... 
30 
2.2. Современные способы сварки титановых сплавов 
............................ 
40 
2.3. Свариваемость титановых сплавов 
..................................................... 
52 
2.4. Подготовка поверхности титановых сплавов под сварку 
................... 
55 
2.5. Структурные и фазовые превращения  
в титановых сплавах при сварке 
................................................................. 
55 
2.6. Механические свойства сварных соединений титановых сплавов 
... 
62 
2.7. Термическая обработка сварных соединений  
титановых сплавов 
....................................................................................... 
72 
2.8. Свойства сварных соединений ȕ-сплавов .......................................... 
84 
2.9. Малоцикловая усталость сварных соединений 
................................ 
118 
Глава 3. ДЕФЕКТЫ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ  
.................................... 
135 
3.1. Классификация дефектов сварных соединений 
............................... 
135 
3.2. Предупреждение пористости в сварных соединениях 
..................... 
151 
3.3. Предупреждение трещин в сварных соединениях ........................... 
162 
3 

Глава 4. ТИПИЧНЫЕ МАКРО- И МИКРОСТРУКТУРЫ  
СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ............................ 
167  
4.1. Макроструктуры сварных соединений  
титановых сплавов 
..................................................................................... 
167 
4.2. Микроструктуры сварных соединений  
титановых сплавов 
..................................................................................... 
171 
4.3. Фрактограммы изломов сварных соединений .................................. 
180 
4.4. Дислокационные субструктуры сварных соединений  
титановых сплавов 
..................................................................................... 
184 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ........................................................................................... 
190 
ЛИТЕРАТУРА 
............................................................................................. 
190 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
В учебном пособии обобщены сведения по структуре и свойствам сварных 
соединений титановых сплавов. Проанализирована роль легирующих элементов и примесей. Рассмотрено формирование микро- и субструктуры титановых 
сплавов в процессе неравновесной кристаллизации и последующей термической обработки. Рассмотрены общие особенности механических свойств титановых сплавов и их сварных соединений. Систематизированы основные дефекты, возникающие в соединениях, и представлены основные аспекты технологического процесса их устранения с помощью сварки. Приведены свойства и 
структура сварных соединений титановых сплавов и примеры выполнения 
сварных конструкций. 
Учебное пособие предназначено для студентов машиностроительных 
направлений подготовки. Оно может быть полезно для широкого круга инженерно-технических и научных работников различных отраслей промышленности. 
5 

 
 
 
 
ВВЕДЕНИЕ 
 
Благодаря особым физико-химическим свойствам (малая плотность, высокая прочность при нормальной и повышенных температурах, коррозионная 
стойкость во многих агрессивных средах и др.) титан и сплавы на его основе 
находят все большее применение в разных отраслях промышленности. Успехи, 
достигнутые в области металлургии химически активных металлов, способствовали тому, что за короткий период титан и его сплавы стали доступными 
конструкционными материалами. 
Титановые сплавы благодаря сочетанию уникальных физико-химических 
характеристик находят широкое применение в различных отраслях народного 
хозяйства, особенно там, где требуется малая удельная масса, устойчивость  
к воздействию высоких и криогенных температур и т. д. Помимо летательных 
аппаратов, они все шире используются на транспорте, в химическом машиностроении, судостроении, промышленном и гражданском строительстве. Этому 
способствует рост объема производства полуфабрикатов из этих сплавов. 
Основным технологическим процессом в производстве конструкций из 
алюминиевых сплавов является сварка. Растущая потребность в ответственных 
конструкциях различного назначения определяет основные этапы развития сварочной техники и технологии. 
Во многих случаях сварке принадлежит ведущая роль в решении сложных 
технических задач создания новых конструкций из алюминиевых и магниевых 
сплавов. Имеются многочисленные примеры из области самолетостроения,  
ракетостроения, космической техники, где ученые и специалисты-сварщики 
внести определенный вклад в создание новых прогрессивных конструкций  
и в принципиальные изменения технологии их производства. Конечная цель 
сварочного производства – создание технологичной, надежной и экономичной 
сварной конструкции. 
Наибольшее распространение в отечественном и зарубежном машиностроении получили технический титан (ıв = 350–450 МПа) и его низколегированные 
сплавы (ıв = 800–900 МПа). Успешно преодолены затруднения при сварке титана, вызываемые большой химической активностью металла в расплавленном 
состоянии и при повышенных температурах. Освоена сварка разнообразных изделий из титана, в том числе изделий ответственного назначения. Внедрены  
в производство новые способы сварки титана, специализированная сварочная 
6 

аппаратура, оригинальные устройства и приспособления. В нашей стране и за 
рубежом создано большое количество сплавов с Į, (Į + ȕ) и ȕ-структурой. Более 
широко стали применять термическую обработку титановых сплавов. Если 
раньше отжиг проводили с целью устранения внутренних напряжений, то в последнее время в практику внедряются методы изотермического отжига, закалки 
и старения для получения необходимой структуры и свойств. 
Основное применение в сварных конструкциях находят Į-сплавы, обладающие важными достоинствами – термической стабильностью, хорошей свариваемостью, экономическими преимуществами. Однако в тех областях промышленности, где применение титановых сплавов диктуется стремлением к снижению массы конструкции, особый интерес представляют сплавы высокой прочности. Только при определенном уровне прочности возможна заметная экономия массы по сравнению со стальными конструкциями. Известно, что средством повышения прочности Į-сплавов титана служит комплексное легирование. При этом, однако, снижается пластичность, что является существенным 
недостатком при изготовлении конструкций, работающих на вибрацию, повторную статику, изгиб, ударные нагрузки. Поэтому в ряде областей промышленности в последнее время все большее внимание уделяется Į + ȕ-сплавам  
с различной степенью легирования и ȕ-сплавам после упрочняющей термической обработки. 
Несмотря на сложность изготовления сварных конструкций из высокопрочных титановых сплавов, в литературе недостаточно полно отражена эта 
проблема, можно найти ответы лишь на отдельные вопросы металловедения 
сварки титановых сплавов. 
Качество сварных соединений определяется комплексом механических и 
специальных свойств, являющихся, как правило, структурно чувствительными 
характеристиками. 
Оценка строения и структуры сварных соединений позволяет в большинстве случаев характеризовать их качество и свойства, а также наметить пути 
управления структурными и фазовыми превращениями с применением современных технологий (в том числе и нанотехнологий). 
Эта задача в сварочном производстве решается с помощью методов металловедения и регулированием параметров сварочного процесса с целью получения конструкций с заданными эксплуатационными свойствами, не содержащих 
дефектов. 
Стоит подчеркнуть, что металловедение сварных соединений имеет  
ряд специфических особенностей по сравнению с «классическими» метода- 
ми. Здесь превращения при сварке протекают в неравновесных условиях,  
7 

а температура нагрева значительно превышает, например, температуру термической обработки. Значительно отличаются условия кристаллизации, что обусловлено характером тепловых полей, малыми объемами зоны расплавления,  
а в ряде случаев и механическими воздействиями. Поэтому подходы к оцен- 
ке микроструктурного состояния сварных соединений должны быть иными, 
чем, например, при термической обработке, в литейном производстве  
и т. д. 
Данное пособие содержит основные положения металловедения сварки и 
термической обработки сварных соединений и является переходным мостиком 
между изучением курсов «Материаловедение» и «Производство сварных конструкций» в части более глубокого понимания влияния микроструктурного состояния металла шва и зоны термического влияния сварки на качество сварных 
соединений. В учебном пособии приведены наиболее встречаемые в практических условиях дефекты основного металла и сварных соединений, эксплуатационные дефекты. 
Перед студентами ставятся следующие задачи: ознакомление с физическим строением металла шва и зоны термического влияния с физикохимическими процессами, протекающими при сварке; изучение научных подходов к проблеме качества сварных соединений, к возникновению локальных 
дальнодействующих полей внутренних напряжений; изучение основных положений теории и технологии термической обработки сварных соединений; изучение основных видов дефектов, образующихся в основном металле и металле 
сварных соединений на различных этапах его жизненного цикла, как на стадии 
изготовления, монтажа, так и в процессе длительной эксплуатации. 
Учебное пособие обобщает многочисленные результаты в анализируемой 
области и позволяет с помощью приведенных методических рекомендаций 
определять причины повреждений сварных соединений и, как следствие, 
предотвращать подобные разрушения. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
8 

Глава 1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРОМЫШЛЕННЫЕ  
СВАРИВАЕМЫЕ ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ  
1.1 Классификация титановых сплавов 
Титан является ценным материалом в тех отраслях техники, где выигрыш в 
массе играет доминирующую роль, в частности, в ракетостроении и авиации. 
Применение титановых сплавов в авиационной и ракетной технике наиболее 
целесообразно в интервале температур 250–600 °С, когда легкие алюминиевые 
и магниевые сплавы уже не могут работать, а стали и никелевые сплавы уступают им по удельной прочности.  
Титан расположен в IVА подгруппе первого большого периода периодической системы Д. И. Менделеева, он относится к переходным элементам. Титан плавится при довольно высокой температуре (1668 ±4 °С); скрытая 
теплота плавления и испарения титана почти в два раза больше, чем у железа. 
Известны две аллотропические модификации титана. Низкотемпературная 
Į-модификация, существующая до 882,5 °С, обладает гексагональной плотноупакованной решеткой. При температуре 25 °С отношение периодов решетки 
титана составляет c/a = 1,5873 (это соотношение близко к соотношению плоскостей для идеальной гексогональной плотноупакованной решетки, которое рав- 
но 1,633). Высокотемпературная ȕ-модификация, устойчивая от 882,5 °С до температуры плавления, имеет объемно-центрированную кубическую решетку.  
Плотность титана при комнатной температуре составляет 4,505 г/см3. При 
переходе Į-титана в ȕ-титан объем металла несколько уменьшается. Скрытая 
теплота аллотропического превращения в титане близка к 4100 Дж/г-атом.  
Чистейший йодидный титан обладает высокими пластическими свойствами при сравнительно низкой прочности (ıВ = 220–260 МПа; ı0,2 = 100–125 МПа; 
į = 50–70 %), за счет соотношения осей с/a.  
Основой производства технического титана и сплавов на его основе служат титановая губка, получаемая магнийтермическим методом. Различное содержание примесей в титановой губке предопределяет разную чистоту технического титана, который по этому признаку разделяют на два сорта: ВТ1-00 
(самый чистый титан) и ВТ1-0 (более загрязненный). 
Принятая в настоящее время классификация титановых сплавов, предложенная С. Г. Глазуновым, основана на структуре, которая формируется в них 
9 

по принятым в промышленности режимам термической обработки. Согласно 
этой классификации, следует различать: 
1) Į-титановые сплавы, структура которых представлена Į-фазой; 
2) пседо-Į-сплавы, структура которых представлена в основном Į-фазой и 
небольшим количеством ȕ-фазы (не более 5 %); 
3) (Į + ȕ)-сплавы, структура которых представлена в основном Į-  
и ȕ-фазами; 
4) псевдо-ȕ-сплавы со структурой в отожженном состоянии, представленной Į-фазой и большим количеством ȕ-фазы; в этих сплавах закалкой или нормализацией с температур ȕ-области можно легко получить однофазную ȕструктуру; 
5) ȕ-сплавы структура которых представлена термодинамически стабильной ȕ-фазой; 
6) сплавы на основе интерметаллидов титана. 
По структуре в закаленном состоянии титановые сплавы можно разделить 
на следующие классы; 
1) сплавы мартенситного класса, структура которых после закалки с температур ȕ-области представлена Į'- или Į"-мартенситом; 
2) сплавы переходного класса, структура которых после закалки с температур ȕ-области представлена мартенситом Į'(Į") и ȕ-фазой, независимо от того, образовалась в ней или нет Ȧ-фаза; 
3) ȕ-сплавы, структура которых после закалки представлена ȕ- или  
ȕ(Ȧ)-фазами. 
По свойствам в закаленном состоянии сплавы мартенситного класса разбиваются на две подгруппы:  
а) сплавы, твердеющие при закалке (со структурой Į'), и  
б) сплавы, мягкие после закалки (со структурой Į'').  
По стабильности ȕ-фазы после закалки с температур ȕ-области титановые 
сплавы можно разделить на три подгруппы:  
а) сплавы с механически нестабильной ȕ-фазой;  
б) сплавы с механически стабильной ȕ-фазой и  
в) сплавы с термодинамически стабильной ȕ-фазой. 
 
1.2 Термическая обработка титановых сплавов 
 
Для титана и его сплавов применяют в основном следующие виды термической обработки: отжиг, закалку, старение, в меньшей степени химикотермическую и термомеханическую обработку. 
10