Титан и его сплавы

Титан (Ti) — лёгкий прочный металл серебристо-белого цвета, с выраженным блеском. Молекулярная масса титана составляет всего 22, что указывает на его легкость. При этом титан отличается исключительной прочностью: среди всех конструкционных материалов именно у титана самая высокая удельная прочность.

Титан плавится при высокой температуре (1668 °С), а по плотности (4,5 г/см³) занимает промежуточное место между алюминием и железом. По прочности титановые сплавы не уступают сталям. По распространенности в земной коре титан занимает четвертое место после алюминия, железа и магния. Но промышленное применение титана началось только в 1948 г. Это объясняется высокой стойкостью химических соединений титана и его высокой реакционной способностью в расплавленном состоянии. В настоящее время производство титана и его сплавов в мире постоянно увеличивается. Высокая удельная прочность, коррозионная стойкость, достаточное распространение в природе способствуют расширению областей использования титана в качестве конструкционного материала.

В чистом виде титан достаточно пластичен, имеет высокую удельную прочность и стоек к коррозии. При этом у титана низкий модуль упругости, невысокая жаропрочность и ему присуща ползучесть, т. е. способность медленно и непрерывно пластически деформироваться под действием постоянной нагрузки. На механические характеристики титана отрицательно влияют примеси водорода, азота, кислорода и углерода. Водород (при его содержании 0,01…0,005 %) снижает ударную вязкость, обусловливая водородную хрупкость. Эффективным способом борьбы с такой хрупкостью является вакуумирование сплавов. Азот, кислород и углерод (при содержании до 1 %) увеличивают твердость и прочность, значительно снижая пластичность. Поскольку титан обладает полиморфным α↔β превращением (882,5 °С), то свойства титана и его сплавов можно изменять термической обработкой. Выпускают технический титан, который маркируют в зависимости от содержания примесей ВТ 1-00 (примесей ≤ 0,398 %), ВТ1-0 (примесей ≤ 0,55 %). Титан наибольшей чистоты (иодидный) получают методом термической диссоциации из четырехиодидного титана (табл. 1).

Таблица 1. Механические свойства титана

Титан поддается обработке давлением в холодном и горячем состояниях (его можно ковать, прокатывать, штамповать и т. д.). Перерабатывают титан и его сплавы в прутки, полосы, профили проката, бесшовные трубы, проволоку, жесть и фольгу. Чистый титан

применяют в электровакуумной технике для изготовления анодов, сеток и других деталей. Он хорошо сваривается сваркой (аргонодуговой и точечной). Для защиты от коррозии титаном покрывают поверхности стальных изделий. Карбид титана используют в производстве титановольфрамовых твердых сплавов для режущих инструментов, жаростойких и жаропрочных сплавов, применяемых для изготовления деталей газовых турбин реактивных двигателей. Двуокись титана используют при изготовлении сегнетодиэлектриков, для приготовления эмалей и глазурей. Рутил, или техническую двуокись титана вводят в состав обмазки сварочных электродов. Гидрид титана служит источником чистого водорода.

Сплавы титана отличаются высокой механической прочностью, жаропрочностью, значительной коррозионной стойкостью во многих агрессивных средах; многие сплавы — хорошей свариваемостью. Для повышения прочности сплавов их легируют марганцем, железом, алюминием, молибденом, хромом, ванадием, оловом и др. Почти все титановые сплавы легируют алюминием, который уменьшает их удельную массу, повышает удельную прочность, жаропрочность и снижает склонность к водородной хрупкости. Титановые сплавы классифицируют:

1. по технологии переработки (литейные и деформируемые);
2. механическим свойствам (нормальной прочности, жаропрочные, высокопрочные, повышенной пластичности);
3. по отношению к термической обработке (упрочняемые и не упрочняемые);
4. по структуре (α, псевдо- α, α+β, β, псевдо- β).

Литейные свойства титановых сплавов определяются двумя особенностями: малым температурным интервалом кристаллизации и очень высокой реакционной способностью в расплавленном состоянии. Расплавленный титан быстро поглощает газы, содержащиеся в атмосфере, а также, энергично взаимодействует со всеми известными огнеупорами и формовочными материалами. В связи с этим, плавка титановых сплавов производится в вакууме или в среде нейтральных газов. Заливка может производиться в графитовые, корундовые и магнезитовые формы. Крупные фасонные отливки (массой до 300…500 кг) заливают в чугунные и стальные формы. Однако небольшой температурный интервал кристаллизации обеспечивает титановым сплавам хорошую жидкотекучесть

и достаточно высокую плотность получаемых из них отливок. Основным легирующим элементом титановых сплавов является Аl. Для улучшения литейных свойств сплавов в них добавляют Si, Zn, Nb, Mo, V(в небольших количествах). Для фасонного литья применяют сплавы, аналогичные по составу деформируемым сплавам. Маркируются титановые сплавы буквами «ВТ» или «ОТ» и числом (условным номером). Буква «Л» в конце указывает, что сплав является литейным (ВТ9Л). Отливки из титановых сплавов обладают более низкими механическими свойствами, чем заготовки, полученные из аналогичных деформируемых сплавов (табл. 2).

Таблица 2. Состав и механические свойства деформируемых титановых сплавов

К деформируемым сплавам титана (ГОСТ 19807–91) с α-структурой относятся сплавы с алюминием (ВТ5) и сплавы дополнительно легированные оловом (ВТ5-1) или цирконием. Они характеризуются средней прочностью (при температуре 20 °С), высокими механическими свойствами при криогенных и повышенных температурах (450…500°С). Сплавы имеют высокую термическую стабильность свойств и обладают отличной свариваемостью. Недостатками сплавов являются неупрочняемость термической обработкой и низкая технологическая пластичность. Сплавы с оловом более технологичны. В горячем состоянии их куют, прокатывают, штампуют. Эти сплавы поставляют в виде прутков, сортового проката, поковок, труб и проволоки.

Псевдо-α-сплавы имеют преимущественно α-структуру и небольшое количество β-фазы (1…5 %) вследствие дополнительного легирования β-стабилизаторами (Мn, V, Nb, Mo и др.). Сохраняя достоинства α-сплавов, они, благодаря наличию β-фазы, обладают высокой технологической пластичностью. Сплавы с низким содержанием алюминия (2…3 %) обрабатываются давлением в холодном состоянии и только при изготовлении сложных деталей подогреваются до температуры 500…700 °С (ОТ4, ОТ4-1). Сплавы с большим содержанием алюминия при обработке давлением требуют подогрева до температуры 600…800 °С. Псевдо-α-сплавы с содержанием алюминия 7…8 % и легированные Zг, Si, Мо, Nb, V (ВТ20) используют в изделиях, работающих при наиболее высоких (среди титановых сплавов) температурах.

Двухфазные (α+β)-сплавы обладают лучшим сочетанием технологических и механических свойств. Эти сплавы легированы, в основном, алюминием и β-стабилизаторами. Необходимость легирования алюминием обусловлена тем, что он значительно упрочняет α-фазу (при температуре 20 °С и повышенных температурах). Следует отметить, что βстабилизаторы мало растворимы в этой фазе и потому не оказывают существенного влияния на ее свойства. В двухфазные сплавы титана вводят легирующие элементы, главным образом, являющиеся эвтектоидообразующими β-стабилизаторами. Эти сплавы упрочняются с помощью термической обработки (закалки и старения), в отожженном и закаленном состояниях имеют хорошую пластичность, а после старения — высокую прочность (при температуре 20…25°С и повышенных температурах). При этом, чем больше β-фазы содержится в структуре сплава, тем он прочнее в отожженном состоянии и сильнее упрочняется при термической обработке. По структуре, получаемой в (α+β)-сплавах после закалки, их подразделяют на два класса: мартенситный и переходный.

Сплавы мартенситного класса менее легированы и содержат сравнительно немного β-фазы (5…25 %). К ним относятся: сплав ВТ6 (табл. 2.16), высокопрочные сплавы (ВТ14, ВТ16), сплавы для работы при повышенных температурах (ВТ25, ВТ3-1).

Сплавы переходного класса более легированы и содержат больше β-фазы (25…50 %).

Сплавы (α+β) обрабатываются ковкой и штамповкой. Эти сплавы прокатываются легче, чем сплавы с α-структурой и поставляются в виде поковок, штампованных заготовок, прутков, листов, ленты.

Псевдо-β-сплавы — сплавы высоколегированные, в основном, βстабилизаторами (суммарное количество легирующих элементов, как правило, превышает 20 %). Наиболее часто для легирования используют Мо, V, Сr, реже — Fе, Zг, Sn. Алюминий присутствует почти во всех сплавах, но в небольших количествах (~ 3 %). В равновесном состоянии сплавы имеют преимущественно β-структуру с небольшим количеством α-фазы. В этом состоянии сплавы обладают хорошей пластичностью и легко обрабатываются давлением. Они отличаются высокой удельной прочностью, обладают низкой склонностью к водородной хрупкости, удовлетворительно обрабатываются резанием. Наибольшее распространение в промышленности получил сплав ВТ15, который выпускается в виде листов, полос, прутков, поковок и рекомендуется для длительной работы при температуре до 350 °С.