Глава 2. Титан и сплавы на его основе

Титан – сравнительно легкий металл, его плотность 4,5 г/см³. Температура плавления 1665 °C. В расплавленном состояние титан и сплавы на его основе активно поглощают все составляющие воздуха. Химическая активность титана требует применения при плавке и дуговой сварке вакуума или атмосферы нейтральных газов (гелий, аргон). Титан имеет две аллотропические формы: до температуры 832 °С – a-титан (решетка ГПУ – гексогональная плотноупакованная), при температурах выше 882°С – b-титан (решетка ОЦК – объемно центрированный куб). Чистый титан при температуре 20 °С имеет прочность б_в= 25 кгс/мм² (250 МПа), от­носительное удлинениеd = 50 %. Чем больше примесей, тем выше прочность и ниже пластичность. Технический титан ВТ 1- 00, ВТ 1- 0, ВТ 1-1 имеют б_в= 30-35 кгс/мм² (300-350 МПа), от­носительное удлинениеd = 20-30%.

На поверхности титана образуется плотная окисная пленка, вследствие чего титан обладает высокой коррозионной стойкостью в пресной и морской воде, в некоторых кислотах. При повышении температуры титан активно поглощает газы: начиная с 50…70°С – водород, свыше 400…500 °С – кислород и с 600…700 °С – азот, окись углерода и углекислый газ.

Благодаря способности к газопоглощению титан нашёл применение в радио и электронной промышленности в качестве геттерного материала, предназначенного для повышения вакуума электронных ламп.

Из титана изготавливают листы, трубы, прутки, проволоку и др. полуфабрикаты.

Легирующие элементы оказывают большое влияние на температуру полиморфного превращения титана. Алюминий, кислород и водород повышают ее, рас­ширяя область a (a-стабилизаторы). Практически используется только алюминий, а азот и кислород вызывают охрупчивающее действие. Такие элементы, как Mo, V, Mn, Сг и Fe , понижают температуру полиморфного превращения и расширяют область существования b-фазы (b-стабилизаторы).

В соответствии со структурой титановые сплавы делят на три группы: сплавы с a-структурой; сплавы с (a+b )-структурой; сплавысb - структурой.

В промышленности нашли применение, главным образом, две первые группы сплавов.

К сплавам первой группы, a-сплавам титана, относится технический титан ВТ1 и сплавы, легированные алюминием ВТ5 (5% Al) и др. Структура этих сплавов состоитиз a-твердо­го раствора. Сплавы данной группы термической обработкой не упрочняются. Для выравнивания структуры производится отжиг a-сплавов титана при температурах 500-800 °С.

Однофазные сплавы обладают высокой коррозийной стойкостью, применяются в химической и пищевой промышленности (емкости, фильтры, трубопроводы, автоклавы), а также для обшивки корпусов судов, морской аппаратуры.

Двухфазные титановые (a+b) сплавы содержат более 2…3 %b-стабилизаторов. Эти сплавы более прочные, после отжига или закалки пластичны. Максимальную прочность сплавы этой группы имеют после закалки и старения.

К двухфазным(a +b) сплавам относятся сплавы ВТЗ (5,5 % Al,

2 % Cr, 2 % Mo), ВТ14 и др. Закалка сплавов производится с температуры 850-930°С в воде или на воздухе, старение при темпе­ратуре 450-600 °С.

В титановых сплавах в процессе закалки происходит, подобно сталям, мартенситное превращениеb-фазы в a'-фазу и час­тично сохраняется метастабильнаяb-фаза. В ре­зультате закалки сплавы упрочняются незначительно. При старении закаленных сплавов a'-фаза и остаточная

b-фаза распада­ются с образованием дисперсных включенийb-фазы в

a-фазе (рис.4.6,в). Образование дисперсных включений приводит к упрочнению сплава, но пластичность и, особенно, вязкость снижаются. Сплав ВT3 после полной термической обработки имеет прочность s_в=120 кгс/мм² (1200 МПа), d = 1,5%.

Рис.4.6. Микроструктура сплава ВТ14: а – после отжига (α+β-фазы); б – после закалки с температуры 910°С(α’-фаза) ; в – после закалки и последующего старения при 500°С (α’+ α-фазы) (x500)

Достаточная удельная прочность, хорошие антикоррозионные свойства и значительная жаропрочность (по сравнению со сплавами на основе Al и Mg) характеризуют сплавы на основе титана как перспективные конструкционные материалы.

Однако к недостаткам титана следует отнести низкий модуль упругости, т.е. непригодность его для жестких конструкций. Упрочнение титана осуществляется наклёпом, легированием и термообработкой.

Двойные титановые сплавы нашли широкое применение для изготовления деталей: воздухозаборники, корпуса, лопатки и диски компрессора, обшивка фюзеляжа и крыло сверхзвукового самолета, шпангоуты, крепеж и т.д.