Глава  17. Титан и его сплавы.

17.1 Свойства титана

 

Производство титана в конце прошлого века значительно выросло, что связано с наличием у него таких свойств как коррозионная стойкость,  малая плотность, высокая удельная прочность, технологичность при обработке давлением и свариваемость, хладостойкость, немагнитность и др. свойства.

Титан – металл серибристо - белого цвета, имеющий плотность (4,5 г/см ). Температура плавления титана (1668° С) в зависимости от степени его чистоты.

Титан имеет две полиморфные модификации: -титан с гексагональной плотноупакованной решеткой и высокотемпературную модификацию - титан с кубической объёмно- центрированной решеткой. Температура полиморфного ↔  превращения 882° С. Механические свойства титана существенно зависят от примесей. Примеси повышают прочность, но сильно снижают пластичность, наиболее сильное отрицательное влияние оказывают газообразные примеси: кислород, азот, водород. Технически чистый титан марки ВТ1-1 (количество примесей ~0,7% по массе) имеет следующие свойства: =450-600МПа, =380-500МПа, =25 %, при понижении температуры прочностные свойства растут при сохранении пластичности. Титан имеет низкий уровень модуля нормальной упругости: Е=112ГПа, почти в 2 раза меньший, чем у железа., что затрудняет изготовление жестких конструкций. Высокую коррозионную стойкость титана обеспечивает стойкая пассивная пленка ТiO . Благодаря чему титан и его сплавы не корродируют в атмосфере, пресной и морской воде, устойчивы против кавитационной коррозии и коррозии под напряжением, а также в органических кислотах.

Из-за высокой химической активности титана его выплавку, разливку и дуговую сварку производят в вакууме или атмосфере инертного газа. Рабочая температура использования титановых сплавов не более500-550° С. При технологических и эксплуатационных нагревах необходимо защищать титан от газонасыщения. Титан хорошо обрабатывается давлением при комнатной и повышенных температурах, хорошо сваривается контактной и дуговой сваркой в защитной атмосфере, обеспечивая высокую прочность и пластичность сварного соединения, но плохо обрабатывается резанием.

17.2 Фазовые превращения в титановых сплавах.

Основной целью легирования титановых сплавов является повышение прочности, жаропрочности и коррозионной стойкости. Для получения сплавов с заданными свойствами титан легируют . Легирующие элементы оказывают влияние на температуру полиморфного превращения. Элементы  повышающие температуру полиморфного превращения и на диаграммах состояния расширяющая область - фазы, называют -стабилизаторами. Элементы, понижающие температуру полиморфного превращения и расширяющие область существования  ( -фазы) называют  - стабилизаторами. К - стабилизаторам относится . Как правило, все промышленные сплавы титана содержат алюминий, повышающий прочность, но снижающий пластичность сплавов.

По структуре титановые сплавы делятся на классы:

1. – сплавы, имеющие структуры твердого раствора легирующих элемен

тов в – титане. Основной легирующий элемент – алюминий. Кроме того, сплавы могут содержать нейтральные элементы () и небольшое количество  -стабилизаторов ().

2. -сплавы, имеющие двухфазную структуру и состоящие из кристаллов двух фаз: -твердых растворов. В сплавах этой группы, кроме алюминия, содержатся 2-4% -стабилизаторов.

3. - сплавы, содержащие значительное количество -стабилизаторов.

17.3 Термическая обработка титановых сплавов.

Промышленные титановые сплавы, в зависимости от их состава и назначения, подвергают термической обработке: отжигу, закалке и старению. Только рекристаллизационному отжигу, подвергают титан и -сплавы, не упрочняемые термической обработкой. Температура отжига тоже должна быть выше температуры рекристаллизации, но не превышать температуру превращения , так как в  -области происходит сильный рост зерна.

Для -сплавов применяют: предварительную термообработку- изотермический или двойной отжиг для повышения пластичности; упрочняющую термообработку – закалку со старением.

При быстром охлаждении (предварительно нагретых до области -фазы выше , по аналогии со сталью), в -сплавах протекает сдвиговое мартенситное превращение в интервале температур (рис. 17.1). Поэтому

выбор степени легирования термически упрочняемых титановых сплавов производится на основании законов термического упрочнения: если количество -стабилизатора в сплаве находится в интервале концентраций , то после закалки образуется только мартенситная -или -фаза. В сплавах, имеющих концентрацию -стабилизаторов в пределах , кроме - или - фазы, будет остаточная -фаза, а при содержании легирующего элемента более -только -фаза. (рис.17.1). Мартенситная -фаза представляет собой кристаллы пересыщенного твердого раствора легирующих элементов в -титане и имеет игольчатое строение. Чем выше концентрация в сплаве легирующих элементов, тем выше твердость и прочность -фазы. В -сплавах возникает мартенситная -фаза, отличающаяся типом решетки от -фазы. Появление -фазы вызывает уменьшение прочности и повышение пластичности. После закалки сплавов, имеющих концентрацию -стабилизатора , образуются ()и -фаза, а больше - только метастабильная -фаза. В -фазе может образоваться мартенситная -фаза, которая охрупчивает сплавы. Закалку -сплавов проводят с температур, соответствующих -области. При нагреве сплавов до двухфазной области -фаза при закалке остается без изменения, -фаза претерпевает те же превращения, какие протекают в сплаве того же состава, что и -фаза, при закалке из -области. Так, при температуре (рис.13.1), состав -фазы определяется точкой , состав -фазы – точкой ; -фаза этого состава при закалке приобретает структуру метастабильной -фазы. Следовательно, структура всех сплавов после закалки с температуры  будет состоять из -фаз. При последующем старении закаленных сплавов происходит распад мартенситных -, -фаз и метастабильной -фазы с выделением дисперсных -и -фаз. В процессе старения закалённых сплавов происходит их упрочнение, обусловленное распадом - и остаточной -фаз. Повышение прочности, связанное с распадом -фазы невелико. Чтобы избежать хрупкости, связанной с образованием -фазы, применяют повышенную температуру старения (450-550°С).

Для определения эффекта упрочнения используют коэффициент стабильности (), показывающий отношение количества -легирующих элементов в сплаве к их количеству в сплаве критического состава () (табл.17.1). Для сплавов, содержащих несколько легирующих элементов, коэффициент стабильности  находят с учетом содержания () каждого -стабилизирующего элемента и его  в двойном сплаве с титаном:

 

Таб л и ц а 17.1.

Значения   для легирующих элементо в титановых сплавах.

 

Легирующие элементы
Значение ,% по массе	11.0	6.3	14.9	6.4	3.5

 

 

Сплавы критического состава имеют , -сплавы и псевдо -сплавы имеют ; сплавы мартенситного класса ();сплавы переходного класса - .

17.4 Титановые сплавы

Титановые сплавы имеют повышенную прочность по сравнению с техническим титаном, неплохую пластичность и коррозионную стойкость. Наибольшее применение получили - и -титановые сплавы. Химический состав(средний), классификация и механические свойства некоторых титановых сплавов приведен в табл. 17.2.

Литейные титановые сплавы по составу в основном совпадают с аналогичными деформируемыми, но по сравнению с ними имеют меньшую прочность, пластичность и выносливость.В конце марки литейного сплава ставится буква Л (ВТ5 Л) Сложность получения отливок из титановых сплавов обусловлена взаимодействием титана с материалами формы; плавка и разливка проводятся в вакууме; многие сплавы обладают достаточно хорошими литейными свойствами (не склонны к образованию трещин при литье). Оптимальными для литья являются титановые -и ( + ) сплавы с количеством - фазы не более 8-10%. Прочность литейных титановых сплавов ВТ5 Л и ВТ 14Л составляет соответственно ,= 800 и 950 МПа.

 

Применение титановых сплавов.

– сплавы: химическая промышленность, криогенные установки.

Псевдо – сплавы: детали для работы при криогенных и повышенных температурах до 450° С

-сплавы мартенситного класса (ВТ6 и ВТ14): Сварные конструкции для длительно работы про 400° С, кратковременно до 750° С

ВТ16: детали для длительной работы при 350° С

-сплавы переходного класса (ВТ22): детали, работающие при 500° С

- сплавы(ВТ15): детали для длительной работы при 350° С,кратковременно до 750° С

Сплавы со стабильной - структурой применяются редко из-за высокой стоимости и плотности, понижающей удельную прочность.

При проведении сварки необходимо тщательное удаление поверхностной оксидной пленки основного и присадочного материала во избежание появления дефектов в швах, основными из которых являются поры и холодные трещины.

Титановые сплавы склонны к повышенному налипанию на инструмент, что в сочетении с их низкой теплопроводностью затрудняет процесс механической обработки.

Та б л и ц а 17.2

 

Химический состав, термическая обработка и механические свойства титановых сплавов.

(ГОСТ18907-84)

 

Марка сплава	Средний химический состав,%(масс)	Группа сплавов	Коэфф. стабилизации	Термическая обработка	, МПа	, %, не менее	КСU Дж/см²
ВТ1-0 ВТ5 ВТ5-1	Нелегированный титан Ti-5Al Ti-5Al-2,5Sn	– сплавы	-	Отжиг	390-540 700-950 750-950	20 10 10	100 50 40
ОТ4-0 ОТ4-1 ОТ4 ВТ20	Ti-0,8Al-0,8 М n Ti-1,5Al-1 М n Ti-3,5Al-1,5 М n Ti-6Al-2Мо-1V-1Zr	Псевдо – сплавы	<0,25	Отжиг	700-900	12	40
ВТ6 ВТ14 ВТ16 ВТ23	Ti-6Al-4,5V Ti-4,5Al-3Мо-1V Ti-2,5Al-5Мо-5V Ti-6Al-2Мо-1V-1Zr	сплавы мартенситного класса	0,3-0,9	Отжиг, закалка, старение	1100-1150 1150-1400 1150-1250	14 6 4	40 50 -
ВТ22 ВТ30	Ti-5Al-5Мо-5V-1Fe-1Cr Ti-3Al-7Мо-11Cr	сплавы переходного класса	1,0-1,4	Отжиг, закалка, старение	1100-1500	9	-
ВТ35   ВТ15   4201	Ti-3Al-1,5Мо-15V-3Sn-3Cr Ti-2,5Al-8,5Мо-11Cr   Ti-33Мо	псевдо - сплавы                   - сплавы	1,5-2,4   2,5-3,0	Отжиг, закалка, старение	1300-1500	4	-