Титан та сплави на його основі

Титан займає 4 місця після Al, Fe та Mg за вмістом в земляній корі. Має високу хімічну активність і тому довгий час неможливо було отримати в чистому вигляді.

Титан – метал сріблястого-білого кольору із температурою плавлення 1668°С. Має дві поліморфні модифікації: до 882,5°С – стійка модифікація a-Ті з ГЩП граткою, вище 882,5°С – модифікація b-Ті з ОЦК граткою. При повільному охолодженні внаслідок поліморфного перетворення утворюються поліедричні структури, при швидкому охолодженні перетворення b®a реалізується за мартенситним механізмом з утворенням голчастої структури. Густина титану 4,505 г/см³. Деякі фізичні властивості титану наведені в табл.3.1.

Таблиця 3.1 – Фізичні властивості титану [2]

Атомна маса	47,90
Атомний радіус, нм	0,149
Атомний об’єм, см^3/г-атом	10,64
Кристалічна гратка: b-Ті (при t>882,5°C) a-Ті (при t<882,5°C)	ОЦК ГЩП
Період гратки, нм: b-Ті a-Ті	а = 0,3282±0,0003 а = 0,29503±0,00004; с = 0,48631±0,00004; с/а = 1,5873
Густина, г/см^3: b-Ті (при 900°С) a-Ті (при 20°С)	4,32 4,505
Температура кипіння, °С
Питома теплоємність, кал/(г×град): при 100°С при 500°С	0,130 0,141
Теплопровідність, кал/(см×сек×град): при 100°С при 500°С	0,0364 0,0329
Коефіцієнт лінійного розширення, 1/град: при 100°С при 500°С	8,3×10^-6 9,75×10^-6
Питомий електроопір, Ом×см	42×10^-6 (йодідний титан); 55×10^-6 (технічно чистий титан)
Модуль нормальної пружності, МПа
Модуль зсуву, МПа

Титан відноситься до корозійностійких металів, на його поверхні утворюється пасивна щільна оксидна плівка ТіО₂. Титан має високу корозійну стійкістьу звичайній та в морській атмосфері, у воді, в більшості агресивних середовищах (лугах, кислотах, лужних та кислотних розчинах) та в інших активних середовищах. Титан інтенсивно реагує тільки з плавіковою, соляною, сірчаною та ортофосфорною кислотами.

При підвищенні температури Ті активно поглинає гази: починаючи з 50…70°С – водень, вище 400…500°С – кисень, вище 600…700°С – азот, оксид вуглецю та вуглекислий газ. При нагріванні на повітрі до 1200°С титан спалахує з утворенням оксидних фаз змінного складу ТіО_х. Це явище отримало назву «титанова пожежа». Титан, як і магній, пірофорний метал, тобто здатен до самозаймання, тому титан та його сплави не використовують при температурах вище 500…600°С.

Титан в присутності хлористого натру схильний до корозії під навантаженням (сольова корозія). Під дією напружень в місці контакту титанового сплаву з повареною сіллю або іншим галоїдом виникають тріщини, котрі поступово розповсюджуються вглиб металу, що призводить до передчасного руйнування. Це розтріскування спостерігається при температурах приблизно від 215 до 550°С. В деяких сплавах сольова корозія розвивається при напруженнях, які в 3...4 рази менші за опір повзучості [10].

При температурі понад 500°С титан та його сплави легко окислюються та активно насичуються воднем з пари, що викликає явище водневої крихкості. Механізм водневої крихкості залежить від фазового складу титанови сплавів. У випадку нелегованого титану та однофазних a-титанових сплавів причиною явища підвищення крихкості є виділення крихкої гідридної фази, що різко зменшує опір відриву. В двофазних сплавах гідриди не утворюються через присутність b-фази, що добре розчиняє водень, проте виникають зони пересичених воднем твердих розчинів, що викликають крихке руйнування при низьких швидкостях деформації. Із збільшенням кількості b-фази чутливість сплавів до водневої крихкості зменшується [10].

Титан – парамагнітний матеріал. Має доволі високий питомий електроопір, який в залежності від вмісту домішок коливається від 42 × 10 ⁶ Ом×см до 70 × 10^-6 Ом×см. При температурах нижче 0,45 К титан стає надпровідником.

Титан має низьку теплопровідністю, якав 13 разів менша за теплопровідність алюмінію та в 4 рази менша за теплопровідність заліза. Коефіцієнт термічного розширення при кімнатній температурі незначний, але із зростанням температури підвищується. Механічні властивості титану залежать від вмісту домішок. Найбільш чистий йодідний титан (0,093% домішок) має наступні властивості: s_в = 250…300 МПа, d = 50…60%, y = 70…80%, 1300 НВ.

Зазвичай метали з гексагональною щільнопакованою граткою мають обмежену кількість систем ковзання і тому вони малопластичні (табл.3.2). Це пояснюється співвідношенням с/а (табл.3.3).

Таблиця 3.2 – Механічні властивості титану порівняно з властивостями інших металів

Метал	Технічно чистий титан (ВТ1-00)	Армко-залізо	Технічний алюміній	Ni	Mg	Cu	V	a-Zr	Zn
Гратка	ГЩП	ОЦК	ГЦК	ГЦК	ГЩП	ГЦК	ОЦК	ГЩП	ГЩП
sв, МПа
d, %	44,7	60,0	35,0	43,8	11,5	46,0	32,0	29,0	20,0

Таблиця 3.3 – Значення співвідношення с/а для деяких металів з ГЩП граткою

Метал з ГЩП граткою	Zn,	Mg	a-Zr	a-Ті
Співвідношення с/а	1,855	1,624	1,593	1,587

В металах Zn, Mg, a-Zr щільнопакована площина базису (0001) – єдина площина, по якій може здійснюватися пластична деформація ковзанням.

Однак a-Ті за пластичністю не поступається іншим металам з іншими типами кристалічної гратки (див.табл.3.2).

Титан має співвідношення с/а 1,587 (на 2,9% менш ніж у ідеальній гратці із щільним розташуванням атомів у вигляді сфер – 1,633). Тому щільність пакування атомів в площині базису Ті менша за теоретичну і вона не є єдиною площиною ковзання. Ковзання в Ті відбувається переважно по площинам ,меншою мірою по площинам та площинам базису (0001) (рис.3.1). Ковзання у всіх випадках відбувається по найбільш щільнопакованим напрямкам типу . Крім цих систем ковзання пластична деформація в Ті відбувається двійникуванням по площинам ; ; ; та . На відміну від інших металів з ГЩП граткою в Ті може відбуватися поперечне ковзання по тим же самим площинам, що і первинне ковзання . В b-Ті механізм ковзання такий самий як і в інших металах з ОЦК граткою: по площинам , ; у напрямку [3].

1 – пірамідальна площина ; 2 – призматична площина ;

3 – базисна площина ; 4 – напрямок ковзання

Рисунок 3.1 – Основні площини та напрямки ковзання в металах з ГЩП граткою

До недоліків титану слід віднести: високу вартість виробництва; активну взаємодію Ті при високих температурах, особливо в рідкому стані, з газами атмосфери; труднощі, пов’язані з переробкою титанових відходів; низькі антифрикційні властивості, які обумовлені налипанням титану на більшість матеріалів; схильність до водневої та сольової корозії; низьку теплопровідність; погану обробку різанням.

При зварюванні виникають ускладнення, які обумовлені сильною хімічною активністю, схильністю до росту зерна при високих температурах та поліморфними перетвореннями при зварюванні титану.

Суттєва перевага титанових сплавів: поєднання високої питомої жорсткості (Е/rg, де Е – модуль нормальної пружності, r - густина, g – прискорення вільного падіння) та питомої міцності (s_в/rg, де s_в – границя міцності на розтяг). Це дозволяє зменшити масу конструкції при підвищенні міцності та жорсткості. Титанові сплави здатні працювати в широкому діапазоні температур, в тому числі при температурах від 250 до 500°С, коли сплави Mg та Al знеміцнюються, а сталі та нікелеві сплави поступаються за питомою міцністю (табл.3.4–3.6).

Таблиця 3.4 – Міцність та питома міцність Al, Mg, Ti

Метал	r, кг/м^3	sв, МПа	Питома міцність (sв/rg), км
Al			1,88
Ti		250…300	5,66…6,79
Mg			10,56

Таблиця 3.5 – Міцність та питома міцність жароміцних сплавів на основі Al, Mg, Ti, Fe (при 200°С)

Марка сплава	Основа	r, кг/м^3	sв, МПа	Питома міцність (sв/rg), км
37Х12Н8ГМФБ	Fe			10,01
АК4-1	Al		310…320	11,29…11,68
МА11	Mg			11,91
ВТ3-1	Ti		900…1100	20,39…24,92

Таблиця 3.6 – Міцність та питома міцність жароміцних сплавів на основі Ti, Fe, Ni (при 500°С)

Марка сплаву	Основа	r, кг/м^3	sв, МПа	Питома міцність (sв/rg), км
37Х12Н8ГМФБ	Fe			7,79
ХН77ТЮР	Ni			10,58
ВТ3-1	Ti			15,18

Тому основна галузь використання сплавів на основі Ті – авіа- та ракетобудування.