Титан и его сплавы ( ГОСТ 9852-72, ГОСТ 10994-64)

Титан – серебристо-белый легкий металл с удельной плотностью 4500 кг/м³ и температурой плавления 1668 °С. При температуре 882 °С при нагреве титан претерпевает полиморфное превращение Ti_α (ГПУ) →Тi_β (ОЦК). Чистый титан имеет σ_b = 270 МПа, δ = 55 %,Е = 112000 МПа. С уменьшением чистоты титана (марки ВТ1-00, BT1-0, BT1-1) прочностные свойства повышаются (σ_b = 300-550 МПа); пластичность падает (δ = 15- 25 %).

Титан является химически активным металлом, но на воздухе быстро покрывается защитной пленкой плотных окислов, благодаря чему имеет высокую стойкость в атмосфере, в воде, в органических и неорганических кислотах.

Важнейшими областями использования чистого титана и титановых сплавов из-за высокой удельной прочности (σ_в/ρ) и коррозионной стойкости являются следующие:

– авиация и ракетостроение, где из титановых сплавов изготавливаются корпуса двигателей, баллоны для газов, сопла, диски, лопатки компрессоров, детали крепежа, фюзеляжа и т.д.;

–химическая промышленность (компрессоры, клапана, вентили для агрессивных жидкостей);

– оборудование для обработки ядерного топлива;

– морское и речное судостроение (гребные винты, обшивка морских судов, подводных лодок, торпед);

– криогенная техника (при отрицательных температурах до -250 °С).

Металлургической промышленностью изготавливается в виде листов, труб, прутков, проволоки и других полуфабрикатов. Повышение прочностных характеристик титана может быть достигнуто за счет легирования его Al ,Мо, V, Мn, Сг, Sn, Zr, Nb. Упрочнение титана при легировании сопровождается снижением его пластичности.

Легирующие элементы оказывают большое влияние на температуру полиморфного превращения. Такие элементы, как Al, O, N повышают температуру полиморфного превращения и расширяют область α, их называют α-стабилизаторами. Практическое значение для легирования титана имеет только алюминий, так как кислород и азот сильно охрупчивают сплавы. Так как Al повышает удельную прочность (повышает σ_в и снижает плотность), то его вводят в количестве 4-5% практически во все сплавы титана. Такие элементы, как Мо, V, Мn, Cr, Fe понижают температуру полиморфного превращения и расширяют область существования β-фазы; их называют β-стабилизаторами. При легировании титана Мn, Fe, Сг, Si в сплавах протекает эвтектоидное превращение. Образование эвтектоида охрупчивает сплав.

В соответствии со структурой различают: 1) α-сплавы со структурой твердого раствора легирующих элементов в α-титане; основной легирующий элемент в α-сплавах - алюминий (ВТ-5, ВТ 5-1, ОТ-4); 2) α+β-сплавы, состоящие из α и β-твердых растворов; содержат кроме алюминия 2-4 %β-стабилизаторов, таких как Сг, Мо, Fe и других (ВТ6, ВТ8, BTI4); 3) β-сплавы, имеющие структуру твердого раствора легирующих элементов в β-титане; эти сплавы содержат большое количество β-стабилизаторов (BT15, ВТ22, BT3-1).

Современные промышленные α-сплавы имеют низкую прочность, сравнительно пластичны, не упрочняются при термической обработке, хорошо свариваются. β-сплавы, легированные Cr или Mo, наиболее прочные, но наименее пластичны, при нагреве не испытывают фазовых превращений. Сплавы α+β более прочны, чем однофазные, хорошо куются и штампуются, поддаются термической обработке. К этому классу принадлежат большинство промышленных сплавов.

Наличие у сплавов титана высокотемпературной модификации β-твердого раствора, способной к значительному переохлаждению, обусловливает получение разнообразных структур в зависимости от peжимов термической обработки. Полиморфное β → α превращение может иметь два различных механизма. При высоких температурах, т.е. при небольшом переохлаждении относительно равновесной температуры β → α перехода, превращение происходят обычным диффузионным путем, а при значительном переохлаждении, и, следовательно, при низкой температуре, когда подвижность атомов мала, – по бездиффузионному мартенситному механизму. В первом случае образуется полиэдрическая структура α-твердого раствора, во втором – игольчатая (пластинчатая) мартенситная структура, обозначаемая как α^/. Легирующие элементы, снижающие температуру β → α превращения, способствуют получению мартенсита. При низком легировании для этого требуется интенсивное охлаждение. При очень высоком содержании β-стабилизаторов температура β → α превращения снижается до нуля и β-твердый раствор охлаждается до комнатной температуры без превращения. Образование мартенсита в титановых сплавах по сравнению с закалкой углеродистой стали сопровождается сравнительно невысоким ростом прочностных свойств, так как не образуется пересыщенный твердый раствор.

Титан и α-сплавы титана подвергают только рекрнсталлизационному отжигу, α + β-сплавы могут быть упрочнены закалкой с последующим старением.

На рис. 3.11. приведена микроструктура титанового сплава ВТ5, который относится к α-сплавам. Структура этого сплава после отжига однофазная, состоящая из зерен α-твердого раствора. Сплав ВТ5 легирован алюминием в количестве 5 %. В отожженном состоянии он имеет следующие механические свойства: σ_b= 750-900 MПа; δ = 10-14 %, KCU = 0,3- 0,6 МДж/м². Из этого сплава изготавливают следующие полуфабрикаты: поковки, штамповки, прутки, профили.

Рис. 3.11. Микроструктура титанового сплава ВТ5

Важнейшими областями использования титановых сплавов являются следующие:

– авиация и ракетостроение, где из титановых сплавов изготавливаются корпуса двигателей, баллоны для газов, сопла, диски, лопатки компрессоров, детали крепежа, фюзеляжа и т.д.;

– химическая промышленность (компрессоры, клапана, вентили для агрессивных жидкостей);

– оборудование для обработки ядерного топлива;

– морское и речное судостроение (гребные винты, обшивка морских судов, подводных лодок, торпед);

– криогенная техника ( при отрицательных температурах до -250 °С).

Расширение области применения титана и его сплавов сдерживает высокая стоимость. В земной коре содержится много (~ 0,6 %) титана, т.е. среди конструкционных металлов по распространенности он занимает четвертое место после алюминия, железа и магния. Основной сдерживающий фактор широкого практического использования титана – сложность процесса получения титана из руд, что бесспорно будет устранено в будущем.