Материал: Колачев, Б. А. Механические свойства титана и его сплавов

при увеличении среднего содержания водорода в сплаве от 0,005 до 0,050% (по массе) концентрация его в |3-фазе возрастает от 0,121 до 0,491% (по массе) для сплава ВТЗ-1 и от 0,123 до 0,405% (по массе) для сплава ВТ8 после их изотермического отжига. В состаренных спла­ вах в том же интервале средних содержаний водорода его концентрация в (1-фазе меняется от 0,158 до 0,687% (по массе) для сплава ВТЗ-1 и от 0,177 до 0,600% (по массе) для сплава ВТ8.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТИТАНА И ЕГО СПЛАВОВ С ВОДОРОДОМ

Водород начинает взаимодействовать с титаном и его сплавами при довольно низких температурах [6, 275, 276, 299]. Было обнаружено, что титан, отожженный предварительно в высоком вакууме, поглощает водород уже при комнатной температуре. С повышением темпера­ туры скорость поглощения водорода титаном возраста­ ет. Как показали Гульбранзен и Андрю [298], для чи­ стейшего иодидного титана, отожженного при высокой температуре в вакууме, наибольшая скорость поглоще­ ния наблюдается при температурах, близких к 573 К- Для технически чистого титана максимум скорости пог­ лощения водорода сдвигается к более высоким темпера­ турам—порядка 973—1073 К (рис. 126) [6]. Кинетика поглощения водорода технически чистым титаном суще-

Рис. 126. Кинетические кривые поглощения водорода технически чи­ стым титаном при различных температурах, °С:

/ — 375; 2 — 450; 3 — 475; 4 — 600; 5 — 1150; 6 — 1000; 7 — 700; 3 — 800; 9 -9 0 0

280

ственно зависит от ряда факторов. Скорость поглощения водорода титаном увеличивается с уменьшением величи­ ны макро- и микрозерна. Кислород и азот, содержащи­ еся в титане, замедляют скорость поглощения водорода титаном. Особенно резко замедляет скорость поглоще­ ния водорода окисная пленка на поверхности титана. Процесс поглощения водорода существенно зависит от

Рис. 127. Кинетические кривые поглощения водорода ти­ таном и отечественными титановыми сплавами при тем­ пературе 700° С и давлении 100 мм рт. ст.:

/ — ВТ6; 2 — ВТ10; 3 — BT5-1; 4 — BT3-1; 5 — ВТ5; 6 — BT15; 7 — Ti

отношения поверхности к объему. Титановая губка с ог­ ромной разветвленной поверхностью во много раз более интенсивно поглощает водород, чем компактный титан.

Работа [300] представляет особый интерес потому, что в ней было изучено взаимодействие титана с водо­ родом в струе при давлении, равном 1 ат. В этих услови­ ях поглощение титаном водорода полностью отсутствует при температурах ниже 210° С. При 210° С происходит незначительное взаимодействие, а с дальнейшим повы­ шением температуры скорость процесса резко возраста­ ет. Титановые сплавы, хотя и в меньшей степени, чем технически чистый титан [6, 8], но все же весьма энер­ гично взаимодействуют с водородом (рис. 127). По уменьшению скорости поглощения водорода в начальный

281

момент насыщения сплавы можно расположить в ряд: ВТ 1, ВТ 15, ВТ5, ВТЗ-1, ВТ5-1, ВТ 10 и ВТ6. Чем чище во­ дород по кислороду и парам воды, тем при более низкой температуре начинается его поглощение титаном и тита­ новыми сплавами.

Процесс поглощения водорода титаном и его спла­ вами во многом определяется коэффициентом диффузии водорода. Коэффициенты диффузии водорода в иодидном титане впервые были определены Василевским и Келем [301] по количеству водорода, поглощаемому стандарт­ ными образцами из газовой фазы за известное время. При применении этого метода возможны ошибки экспе­ римента из-за поверхностных пленок.

Диффузию водорода в титане изучали также Сомэно и Нагасаки [302]. Они сваривали две проволоки с раз­ ным содержанием водорода и затем отжигали образцы при разных температурах в соляной ванне. Этот метод также несовершенен, так как при сварке не получается резкой границы в содержании водорода на границе двух проволок.

Более совершенным представляется метод, разрабо­ танный Хольманом с сотрудниками [303], который наводороживал одну половину проволочного или листово­ го образца электролитически, предварительно защитив оставшуюся часть покрытием, которое не допускало наводороживания через газовую фазу у поверхности электро­ лита. Поскольку электролитическое наводороживание производится при низких температурах, получается рез­ кая граница в содержании водорода по длине образца. Наводороженные указанным способом образцы затем отжигали при разных температурах в течение различно­ го времени, а затем по распределению водорода опреде­ ляли коэффициенты диффузии по хорошо известным ме­ тодикам.

В табл.31 сопоставлены результаты исследований диффузии водорода в титане и его сплавах по данным разных авторов. Хотя имеются разногласия в приведен­ ных данных, несомненно, что диффузия водорода в иодид­ ном титане протекает легче, чем в магниетермическом, а подвижность водорода в (3-фазе значительно больше, чем в а-фазе.

Большой интерес представляет изучение диффузии водорода в титане и его сплавах в условиях, приближа­ ющихся к условиям работы реальных конструкций, ког-

282

да атомы металла находятся под действием различного рода потенциальных полей. Из-за большой подвижности атомов водорода его перераспределение под действием потенциальных полей происходит очень легко и в таких масштабах, что системы металл—водород являются наи­ более подходящими моделями для изучения термодиф­ фузии, восходящей диффузии, электропереноса.

Термодиффузия водорода в титановых сплавах была обнаружена в работах [306, 307]. Из теории термодиффу­ зии следует, что для системы, один из компонентов кото­ рой обладает значительно большой подвижностью, чем другой, при стационарном распределении между кон-

2 8 3

центрационным dCjC и температурным dT/T градиента­ ми должно соблюдаться следующее отношение:

где Q* — теплота переноса, кал/г-атом; у — коэффициент активности; С— концентрация примеси;

R — газовая постоянная.

Если принять, что коэффициент активности не зави­ сит от концентрации, то уравнение еще более упрощает­ ся:

СRT2

Из этого уравнения можно легко найти стационарное распределение водорода вдоль стержня, находящегося в температурном поле:

91

RT

фузии дает возможность оценить параметр Q*, опреде­ ляющий знак и величину термодиффузионного эффекта и имеющий смысл потока тепла, переносимого потоком растворенного вещества в отсутствие градиента темпе­ ратуры.

Перераспределение водорода прекращается при дос­ тижении в различных сечениях образца одинакового внутреннего давления водорода рт, соответствующего данному распределению температур. Распределение во­ дорода в температурном поле соответствует изобарам си­ стемы металл—водород, а теплота переноса Q* должна быть связана с теплотой растворения водорода в метал­ ле Q. В этом случае распределение концентраций по дли­ не образца х можно выразить уравнением [307]

Постоянную У у можно определить из условия, что средняя концентрация по длине образца L остается рав­

284

ной начальной концентрации Со. При этом предполага­ ется, что суммарное количество водорода в образце ос­ тается неизменным. Решение этой задачи приводит к уравнению

где Тх ( и ) = Т 1 (x/L).

По данным работы [277], теплота растворения во­ дорода в а- и p-фазах титана равна — 21800 и —28000 кал/моль соответственно. Поэтому распределение концентраций Са и С? можно выразить следующими ура­

В работе [307] была исследована термодиффузия водорода в титане технической чистоты и в (3-титановом сплаве ВТ15 на цилиндрических образцах диаметром 12 и длиной 100 мм. Титан был отожжен, сплав ВТ15 зака­ лен с 800° С. Температура концов образца отличалась на 200° С и составляла для холодного и горячего концов 550 и 750° С соответственно. После выдержки в неоднород­ ном температурном поле в течение 250 ч образцы зака­ ливали в воде, а затем по их длине определяли содер­ жание водорода методом спектрального анализа.

в более холодную. В конечном итоге должно установить-

285