Вт-вс: 10:00—21:00
whatsapp telegram vkontakte email

Титан

Титан встречается в земной коре в количестве около 6 %, занимая четвертое место по распространенности после алюминия, железа и магния. Промышленный способ его извлечения был разработан лишь в 40-х годах XX века. С развитием самолето- и ракетостроения производство титана и его сплавов значительно увеличилось. Это связано с ценными свойствами титана: низкой плотностью, высокой удельной прочностью, коррозионной стойкостью, легкостью обработки, свариваемостью, хладостойкостью, немагнитностью и другими важными физико-механическими характеристиками.

Основные сведения о титане

Титан — химический элемент с порядковым номером 22 и атомным весом 47,88. Это легкий серебристо-белый металл с плотностью 4,51 г/см³. Температура плавления составляет 1668 °С (±5 °С), а температура кипения — 3260 °С. Титан и его сплавы отличаются легкостью, прочностью, высокой коррозионной стойкостью, низким коэффициентом теплового расширения и возможностью работы в широком диапазоне температур.

История открытия титана

Оксид титана TiO2 был впервые обнаружен в 1789 году английским минералогом У. Грегором. Он выделил окись неизвестного металла из магнитного железистого песка и назвал ее менакеновой. Первый образец металлического титана получил в 1825 году шведский химик Й. Я. Берцелиус.

Свойства титана

В периодической системе элементов Д. И. Менделеева титан находится в IV группе 4-го периода под номером 22. В основных и устойчивых соединениях металл четырехвалентен и внешне напоминает сталь. Титан — переходный элемент, плавится при температуре 1668±4 °С и кипит при 3300 °С. Скрытая теплота плавления и испарения титана почти в два раза превышает таковую у железа.

Существуют две аллотропные модификации титана: низкотемпературная альфа-модификация, стабильная до 882,5 °С, и высокотемпературная бетта-модификация, устойчивая от 882,5 °С до температуры плавления.

По плотности и удельной теплоемкости титан занимает промежуточное положение между алюминием и железом. Его механическая прочность в два раза выше, чем у чистого железа, и почти в шесть раз выше, чем у алюминия. Однако титан активно поглощает кислород, азот и водород, что значительно снижает его пластические свойства. С углеродом титан образует тугоплавкие карбиды с высокой твердостью.

Титан имеет низкую теплопроводность, которая в 13 раз меньше, чем у алюминия, и в 4 раза меньше, чем у железа. Коэффициент термического расширения при комнатной температуре невелик, но увеличивается с повышением температуры.

Модули упругости титана невелики и проявляют значительную анизотропию, что означает различие свойств упругости в зависимости от направления силы. При повышении температуры до 350 °С модули упругости уменьшаются почти линейно. Низкие значения модулей упругости — это недостаток титана, так как для получения жестких конструкций требуется увеличивать сечения изделий.

Титан обладает высоким удельным электросопротивлением, которое варьируется от 42·10^-8 до 80·10^-6 Ом·см в зависимости от содержания примесей. При температурах ниже 0,45 К он становится сверхпроводником.

Титан — парамагнитный металл. В отличие от большинства парамагнитных веществ, его магнитная восприимчивость увеличивается с температурой.

Параметр Значение
Плотность (кг/м³) 4,5 × 10³
Температура плавления (°С) 1668±4
Коэффициент линейного расширения (× 10^-6, град^-1) 8,9
Теплопроводность (Вт/(м × град)) 16,76
Предел прочности при растяжении (МПа) 300-450
Условный предел текучести (МПа) 250-380
Удельная прочность (км) 7-10
Относительное удлинение (%) 25-30
Относительное сужение (%) 50-60
Модуль нормальной упругости (МПа) 110,25
Модуль сдвига (МПа) 41
Коэффициент Пуассона 0,32
Твердость (НВ) 103
Ударная вязкость (Дж/см²) 120

Титан имеет две полиморфные модификации: α-титан с гексагональной плотноупакованной решеткой и β-титан с кубической объемно-центрированной решеткой. Температура полиморфного превращения составляет 882 °С.

Механические свойства титана зависят от содержания примесей. Примеси внедрения (кислород, азот, углерод, водород) повышают прочность, но снижают пластичность, особенно газы. При добавлении 0,003 % водорода, 0,02 % азота или 0,7 % кислорода титан теряет способность к пластической деформации и становится хрупким.

Водород особенно вреден, вызывая водородную хрупкость титановых сплавов. Он попадает в металл при плавке и обработке, образуя гидриды, которые снижают ударную вязкость и ухудшают свойства при замедленном разрушении.

Содержание примесей, особенно газов, в титане и его сплавах строго ограничено.

Промышленный способ производства титана включает обогащение и хлорирование титановой руды с последующим восстановлением из четыреххлористого титана магнием (магнийтермический метод). Полученный титан губчатый (ГОСТ 17746-79) выпускается в различных марках в зависимости от химического состава и механических свойств.

Для получения монолитного титана губка размалывается в порошок, прессуется и спекается или переплавляется в вакууме или инертной атмосфере.

Механические свойства титана обеспечивают хорошее сочетание прочности и пластичности. Например, технически чистый титан марки ВТ1-0 имеет предел прочности 375-540 МПа и условный предел текучести 295-410 МПа, что сопоставимо с углеродистыми и коррозионностойкими сталями.

Высокая пластичность титана объясняется большим количеством систем скольжения и двойникования. При повышении температуры до 250 °С прочность титана снижается почти вдвое. Однако жаропрочные сплавы титана по удельной прочности в диапазоне 300-600 °С не имеют аналогов.

Титан имеет низкий модуль нормальной упругости (Е = 110,25 ГПа), что затрудняет изготовление жестких конструкций.

Титан — химически активный металл, но обладает высокой коррозионной стойкостью благодаря образованию стойкой пассивной пленки TiO2 на поверхности, которая защищает его от коррозии. Толщина этой пленки достигает 5-6 нм.

Благодаря оксидной пленке титан и его сплавы не корродируют в атмосфере, пресной и морской воде, устойчивы к кавитационной коррозии и коррозии под напряжением, а также в органических кислотах.

Производство изделий из титана и его сплавов требует особых технологий. Из-за высокой химической активности расплавленного титана плавку, разливку и сварку проводят в вакууме или инертной атмосфере.

При нагревах выше 550-600 °С необходимо защищать титан от окисления и газонасыщения.

Титан хорошо обрабатывается давлением в горячем состоянии и удовлетворительно в холодном. Он легко прокатывается, куется и штампуется. Титан и его сплавы хорошо свариваются контактной и аргонодуговой сваркой, обеспечивая высокую прочность и пластичность соединений. Однако титан плохо обрабатывается резанием из-за склонности к налипанию, низкой теплопроводности и плохих антифрикционных свойств.

Основная цель легирования титановых сплавов — повышение прочности, жаропрочности и коррозионной стойкости. Широко применяются сплавы титана с алюминием, хромом, молибденом, ванадием и другими элементами, которые влияют на полиморфные превращения титана.

Марки, химический состав (%) и твердость титана губчатого (ГОСТ 17746-79)

Марка Ti, не менее Не более Твердость НВ, 10/1500/30, не более
Fe Si Ni C Cl N O
ТГ-90 99,74 0,05 0,01 0,04 0,02 0,08 0,02 0,04 90
ТГ-100 99,72 0,06 0,01 0,04 0,03 0,08 0,02 0,04 100
ТГ-110 99,67 0,09 0,02 0,04 0,03 0,08 0,02 0,05 110
ТГ-120 99,64 0,11 0,02 0,04 0,03 0,08 0,02 0,06 120
ТГ-130 99,56 0,13 0,03 0,04 0,03 0,10 0,03 0,08 130
ТГ-150 99,45 0,2 0,03 0,04 0,03 0,12 0,03 0,10 150
ТГ-Тв 99,75 1,9 0,10 0,15 0,10

Марки и химический состав (%) деформируемых титановых сплавов (ГОСТ 19807-91)

Обозначения марок Ti Al V Mo Sn Zr Mn Cr Si Fe O H N C
ВТ1-00 Основа 0,08 0,15 0,10 0,008 0,04 0,05
ВТ1-0 То же 0,10 0,25 0,20 0,010 0,04 0,07
ВТ1-2 То же 0,15 1,5 0,30 0,010 0,15 0,10
ОТ4-0 То же 0,4-1,4 0,30 0,5-1,3 0,12 0,30 0,15 0,012 0,05 0,10
ОТ4-1 То же 1,5-2,5 0,30 0,7-2,0 0,12 0,30 0,15 0,012 0,05 0,10
ОТ4 То же 3,5-5,0 0,30 0,8-2,0 0,12 0,30 0,15 0,012 0,05 0,10
ВТ5 То же 4,5-6,2 1,2 0,8 0,30 0,12 0,30 0,20 0,015 0,05 0,10
ВТ5-1 То же 4,3-6,0 1,0 2,0-3,0 0,30 0,12 0,30 0,15 0,015 0,05 0,10
ВТ6 То же 5,3-6,8 3,5-5,3 0,30 0,10 0,60 0,20 0,015 0,05 0,10
ВТ6с То же 5,3-6,5 3,5-4,5 0,30 0,15 0,25 0,15 0,015 0,04 0,10
ВТ3-1 То же 5,5-7,0 2,0-3,0 0,50 0,8-2,0 0,15-0,40 0,2-0,7 0,15 0,015 0,05 0,10
ВТ8 То же 5,8-7,0 2,8-3,8 0,50 0,20-0,40 0,30 0,15 0,015 0,05 0,10
ВТ9 То же 5,8-7,0 2,8-3,8 1,0-2,0 0,20-0,35 0,25 0,15 0,015 0,05 0,10
ВТ14 То же 3,5-6,3 0,9-1,9 2,5-3,8 0,30 0,15 0,25 0,15 0,015 0,05 0,10
ВТ20 То же 5,5-7,0 0,8-2,5 0,5-2,0 1,5-2,5 0,15 0,25 0,15 0,015 0,05 0,10
ВТ22 То же 4,4-5,7 4,0-5,5 4,0-5,5 0,30 0,5-1,5 0,15 0,5-1,5 0,18 0,015 0,05 0,10

Примечание: Сумма прочих примесей во всех сплавах составляет 0,30 %, в сплаве ВТ1-00 — 0,10 %.

Механические свойства титана

Механические свойства титана

Нелегированный титан имеет прочность при растяжении от 24,5 кг/мм² для высокочистого металла, полученного методом термического разложения йодида титана, до 70 кг/мм² для металла повышенной прочности, полученного из губки. Фирма Рем-Крю производит технически чистый металл двух марок (RC-A-55 и RC-A-70) с пределами текучести 38,5 и 49 кг/мм² соответственно.

Фирма Рипаблик Стил выпускает титан марок RS 40, RS 55 и RS 70, а Тайтениум Металз — Ti 75A и Ti 100A с пределами прочности при растяжении 56 и 70 кг/мм². Фирма Мэллори-Шарон производит нелегированный переплавленный в дуговых печах титан 3-го сорта с пределом прочности 52,5 кг/мм² и пределом текучести 35 кг/мм². Нелегированный титан этой фирмы, переплавленный в индукционных печах (4-го сорта), имеет предел прочности при растяжении 70 кг/мм² и предел текучести 60 кг/мм².

Пластичность — это способность материала деформироваться без разрушения. Пластичные материалы легко поддаются холодной обработке, такой как гибка, глубокая вытяжка и выдавка.

Технически чистый титан, переплавленный в дуговых печах, имеет показатели пластичности в зависимости от содержания примесей: относительное удлинение 20-40% и поперечное сужение 45-65%. Иодидный титан обладает относительным удлинением до 55% и сужением поперечного сечения до 80%.

Для упрочнения титана его легируют другими металлами, такими как алюминий, ванадий, хром, железо, марганец и олово. Однако это приводит к снижению пластичности. Созданы титановые сплавы с пределом прочности свыше 140 кг/мм² и удовлетворительной пластичностью (относительное удлинение до 15%).

Прочность промышленных сплавов титана колеблется от 70 до 105 кг/мм². Эти сплавы, выплавленные в дуговых печах, обладают удовлетворительной пластичностью (10-20%). Сплавы, выплавленные в индукционных печах, имеют более высокую прочность, но их пониженная пластичность ограничивает области применения.

Титан значительно тверже алюминия и по твердости сопоставим с некоторыми термически обработанными легированными сталями. Иодидный титан имеет твердость 90, тогда как нелегированный технический титан — около 160 единиц, а сплавы после термообработки — 250-500 единиц по Hv. Типичный промышленный сплав с пределом текучести около 90 кг/мм² может иметь твердость до 320 единиц по Hv.

Для многих применений важно не только знать прочность и пластичность металлов, но и их вязкость, то есть способность противостоять ударным нагрузкам. Титан относится к числу металлов, обладающих высокой прочностью, пластичностью и хорошей вязкостью.

Наиболее распространенные методы определения ударной вязкости — испытания надрезанных стандартных образцов Шарпи и Изода. Работа разрушения образцов Шарпи из иодидного титана высокой степени чистоты может достигать 14 кгм, для образцов из нелегированного титана — около 4 кгм, а для некоторых высокопрочных, но хрупких сплавов — всего 0,15-0,30 кгм. В настоящее время выпускаются сплавы с пределом текучести 91 кг/мм² и ударной вязкостью по Шарпи до 3,5 кгм.

В результате экспериментальных работ ожидается начало производства более вязких и прочных технических сплавов титана.

Данные о пределе выносливости титана ограничены и противоречивы. Однако можно утверждать, что титан обладает хорошей выносливостью. Испытания показывают, что предел выносливости составляет 60% предела прочности, но для образцов из нелегированного титана с острым надрезом этот показатель снижается до 32%. У сплавов титана предел выносливости достигает 47% предела прочности (у стали — 50%).

При постоянной нагрузке материал со временем пластически деформируется. Удлинение под постоянной нагрузкой называется ползучестью, а предел ползучести — это прочность, необходимая для достижения определенного удлинения за установленное время.

Недостаток данных о ползучести титана не позволяет сделать окончательные выводы. Первые исследования показали, что нелегированный титан имеет плохое сопротивление ползучести, тогда как сплавы титана демонстрируют лучшие характеристики; некоторое улучшение ползучести достигается путем наклепа.

С повышением температуры уменьшаются пределы прочности, текучести, усталости и твердости. Температура слабо влияет на модуль упругости, но улучшает вязкость и пластичность.

Наклеп титановых сплавов приводит к их упрочнению. При повышении температуры прочность алюминия быстро снижается, тогда как разупрочнение титана происходит медленнее. При температурах выше 200°С отношение прочности к удельному весу для титана выше, чем для алюминия. Это преимущество сохраняется до 425°С, после чего активность титана становится определяющим фактором.

Титан и его сплавы

Титан занимает четвертое место по распространенности среди конструкционных металлов в земной коре, уступая алюминию, железу и магнию (рис. 1). Его удельный вес составляет около 4500 кг/м³, а температура плавления — примерно 1665±5 °C. Титан является парамагнитным металлом.

а б

Рис. 1. Титанит — потенциальный источник титана (а), брусок кристаллического титана (б)

Титан — твердый металл, в 12 раз тверже алюминия и в 4 раза тверже железа и меди. Он химически устойчив. На поверхности титана образуется стойкая оксидная пленка TiO₂, что обеспечивает высокую коррозионную стойкость в пресной и морской воде, а также в некоторых кислотах. Титан противостоит коррозии в влажном воздухе, морской воде и азотной кислоте не хуже нержавеющей стали, а в соляной кислоте — значительно лучше. При температурах выше 500 °C титан и его сплавы легко окисляются и поглощают водород, что приводит к охрупчиванию.

Титан имеет две полиморфные модификации (рис. 2):

  • Низкотемпературная модификация α — Ti, устойчивая до 882 °C (гексагональная плотноупакованная решетка, a = 0,296 нм, c = 0,472 нм).
  • Высокотемпературная модификация β — Ti, устойчивая выше 882 °C (объёмноцентрированная кристаллическая решетка, a = 0,332 нм).

Рис. 2. Две полиморфные модификации титана: а — α-Тi (гексагональная плотноупакованная решётка), б — β-Тi (объёмноцентрированная кристаллическая решётка)

Механические свойства титана.

Примечание. В отличие от мартенсита углеродистых сталей, который является раствором внедрения и отличается высокой прочностью и хрупкостью, титановый мартенсит представляет собой раствор замещения. Закалка титановых сплавов на мартенсит приводит к небольшому упрочнению без резкого снижения пластичности.

На механические свойства титана значительно влияют примеси кислорода, водорода, углерода и азота. Эти элементы образуют твердые растворы внедрения и промежуточные фазы: оксиды, гидриды, карбиды и нитриды, что повышает прочность титана, но снижает его пластичность. Поэтому содержание этих примесей ограничено сотыми и тысячными долями процента. Опасность водородной хрупкости, особенно в сварных конструкциях, требует ограничения содержания водорода до 0,008 — 0,012%.

Титан обладает высокой прочностью и удельной прочностью даже при низких температурах, сохраняя достаточную пластичность.

ТоС +20 -70 -196
δ, % 20-30 10-5 3-10
σв, МПа 600-700 800…900 1000…1200

Высокая пластичность титана по сравнению с другими металлами с ГПУ-решеткой (Zn, Mg, Cd) объясняется большим количеством систем скольжения и двойникования (рис. 3) благодаря малому соотношению с/а = 1,587. Это также связано с высокой хладостойкостью титана и его сплавов.

Рис. 3. Схемы систем скольжения и двойникования

Промышленный способ производства титана включает обогащение и хлорирование титановой руды с последующим восстановлением из четыреххлористого титана с помощью металлического магния (магнийтермический метод). Полученный титан губчатый (ГОСТ 17746-79) классифицируется по химическому составу и механическим свойствам на марки: ТГ-90, ТГ-100, ТГ-110, ТГ-120, ТГ-130, ТГ-150, ТГ-ТВ (см. табл. 1).

Цифры обозначают твердость по Бринеллю НВ, ТВ — твердый.

Таблица 1. Марки, химический состав (%) и твердость титана губчатого (ГОСТ 17746-79)

Марка Ti, не менее Не более Твердость НВ, 10/1500/30, не более
Fe Si Ni C Cl N O
ТГ-90 99,74 0,05 0,01 0,04 0,02 0,08 0,02 0,04 90
ТГ-100 99,72 0,06 0,01 0,04 0,03 0,08 0,02 0,04 100
ТГ-110 99,67 0,09 0,02 0,04 0,03 0,08 0,02 0,05 110
ТГ-120 99,64 0,11 0,02 0,04 0,03 0,08 0,02 0,06 120
ТГ-130 99,56 0,13 0,03 0,04 0,03 0,10 0,03 0,08 130
ТГ-150 99,45 0,2 0,03 0,04 0,03 0,12 0,03 0,10 150
ТГ-Тв 99,75 1,9 0,10 0,15 0,10

Для получения монолитного титана губка размалывается в порошок, прессуется и спекается или переплавляется в дуговых печах в вакууме или атмосфере инертных газов.

Механические свойства титана характеризуются хорошим сочетанием прочности и пластичности. Например, технически чистый титан марки ВТ1-0 имеет: σв = 375-540 МПа, σ0,2 = 295-410 МПа, δ = 20 %, что сопоставимо с углеродистыми и Cr-Ni коррозионностойкими сталями.

Титан хорошо обрабатывается давлением в горячем состоянии и удовлетворительно в холодном. Он легко прокатывается, куется и штампуется (рис. 4). Титан и его сплавы хорошо свариваются контактной и аргонодуговой сваркой, обеспечивая высокую прочность и пластичность сварного соединения (рис. 5). Недостатком титана является плохая обрабатываемость резанием из-за склонности к налипанию, низкой теплопроводности и плохих антифрикционных свойств.

Рис. 4. Заготовка титанового шпангоута истребителя до и после прессования на штамповочном прессе

Рис. 5. Аргонная сварка титана

Примечание. При сварке титана и его сплавов необходимо уделить особое внимание чистоте рабочего места. Для сварочных цехов, где работают с различными металлами, следует выделить специальную область для сварки титана. Это место должно быть защищено от потоков воздуха, влаги, пыли, жира и других загрязнений, которые могут ухудшить качество сварки. Также необходимо контролировать влажность воздуха.

Фазовые превращения в титановых сплавах

На формирование структуры и свойств титановых сплавов значительное влияние оказывают фазовые превращения, связанные с полиморфизмом титана. В таблице 2 представлены диаграммы состояния «титан — легирующий элемент», которые делят легирующие элементы на четыре группы в зависимости от их влияния на полиморфные превращения титана.

  1. α-стабилизаторы (Al, O, N) повышают температуру полиморфного превращения α↔β и расширяют область твердых растворов на основе α-титана. Из-за охрупчивающего действия азота и кислорода, практическое значение для легирования титана имеет только алюминий. Он является основным легирующим элементом во всех промышленных титановых сплавах, снижает плотность и склонность к водородной хрупкости, а также повышает прочность и модуль упругости. Сплавы с устойчивой α-структурой не упрочняются термической обработкой.

  2. Изоморфные β-стабилизаторы (Mo, V, Ni, Ta и др.) понижают температуру α↔β превращения и расширяют область твердых растворов на основе β-титана.

  3. Эвтектоидообразующие β-стабилизаторы (Cr, Mn, Cu и др.) могут образовывать с титаном интерметаллиды типа TiХ. При охлаждении β-фаза претерпевает эвтектойдное превращение β + TiХ. Большинство β-стабилизаторов повышает прочность, жаропрочность и термическую стабильность титановых сплавов, хотя и снижает их пластичность. Сплавы с (α + β) и псевдо-β-структурой могут упрочняться термообработкой (закалка + старение).

  4. Нейтральные элементы (Zr, Sn) не оказывают значительного влияния на температуру полиморфного превращения и не изменяют фазового состава титановых сплавов.

Основная цель легирования титановых сплавов — повышение прочности, жаропрочности и коррозионной стойкости. Широко применяются сплавы титана с алюминием, хромом, молибденом, ванадием, марганцем, оловом и другими элементами. Легирующие элементы существенно влияют на полиморфные превращения титана.

Для титановых сплавов применяются следующие виды термообработки: отжиг, закалка, старение и химико-термическая обработка (азотирование, силицирование, оксидирование и др.).

Отжиг проводится для завершения формирования структуры, выравнивания структурной и концентрационной неоднородности, а также механических свойств. Температура отжига должна быть выше температуры рекристаллизации, но ниже температуры перехода в β-состояние, чтобы избежать роста зерна. Применяются обычный отжиг, двойной или изотермический (для стабилизации структуры и свойств), а также неполный (для снятия внутренних напряжений).

Закалка и старение (упрочняющая термообработка) применяются к титановым сплавам с (α + β)-структурой. Принцип упрочняющей термообработки заключается в получении метастабильных фаз β и α при закалке, с последующим распадом и выделением дисперсных частиц α и β-фаз при искусственном старении. Эффект упрочнения зависит от типа, количества и состава метастабильных фаз, а также дисперсности образовавшихся частиц.

Химико-термическая обработка проводится для повышения твердости, износостойкости, стойкости к «схватыванию» при трении, усталостной прочности, а также улучшения коррозионной стойкости и жаропрочности. Практическое применение имеют азотирование, силицирование и некоторые виды диффузионной металлизации.

Таблица 2

Промышленные титановые сплавы.

Титановые сплавы обладают более высокой прочностью по сравнению с техническим титаном, включая высокие температуры, при этом сохраняя хорошую пластичность и коррозионную стойкость.

По технологии производства титановые сплавы делятся на деформируемые и литейные. В зависимости от механических свойств их классифицируют на сплавы с низкой прочностью и высокой пластичностью, средней прочности и высокопрочные. По условиям применения выделяют хладостойкие, жаропрочные и коррозионностойкие сплавы. В зависимости от способности к упрочнению термообработкой они делятся на упрочняемые и не упрочняемые. По структуре в отожженном состоянии различают α, псевдо-α, (α + β), псевдо-β и β-сплавы (табл. 3).

Таблица 3

Дефармируемые титановые сплавы

Титановые сплавы невысокой прочности и повышенной пластичности

К этой группе относятся сплавы с пределом прочности σ ≥ 700 МПа, такие как: α — сплавы марок ВТ1-00, ВТ1-0 (технический титан) и сплавы ОТ4-0, ОТ4-1 (система Ti-Al-Mn), АТ3 (система Ti-Al с небольшими добавками Cr, Fe, Si, B). Эти сплавы являются псевдо — α-сплавами с малым содержанием β-фазы. Их прочностные характеристики выше, чем у чистого титана, благодаря примесям в сплавах ВТ1-00 и ВТ1-0, а также легированию α- и β-стабилизаторами в сплавах ОТ4-0, ОТ4-1 и АТ3.

Сплавы обладают высокой пластичностью как в горячем, так и в холодном состоянии, что позволяет производить различные полуфабрикаты: фольгу, ленту, листы, плиты, поковки, штамповки, профили, трубы и др. (рис. 6).

Ковка, объемная и листовая штамповка, прокатка и прессование выполняются в горячем состоянии. Окончательная прокатка, листовая штамповка, волочение и другие операции проводятся в холодном состоянии.

Для снятия внутренних напряжений, возникающих в результате механической обработки, листовой штамповки, сварки и других процессов, применяется неполный отжиг.

Эти сплавы хорошо свариваются методами плавления (аргонодуговая, под флюсом, электрошлаковая) и контактной сваркой (точечной, роликовой). При сварке плавлением прочность и пластичность сварного соединения сопоставимы с основным металлом.

Коррозионная стойкость сплавов высока во многих средах (морская вода, хлориды, щелочи, органические кислоты и др.), за исключением растворов HF, H2SO4, HCl и некоторых других.

Применение. Эти сплавы широко используются как конструкционные материалы для изготовления различных полуфабрикатов, деталей и конструкций, включая сварные. Наиболее эффективно их применение в авиационно-космической технике (рис. 7), химическом машиностроении и криогенной технике (где высокая ударная вязкость сохраняется до -253 °C), а также в узлах и конструкциях, работающих при температурах до 300-350 °C.

Таблица 4. Механические характеристики титановых сплавов при низких температурах

Сплав σв (МПа) при температуре, °C δ (%) при температуре, °C КСU, Дж/см² при температуре, °C
-196 -253 -269 -196 -253 -269 -196 -253
ВТ1-0 920 1310 48 24 220 130
ВТ5-1 1200-1350 1350-1600 1710 15 8-10 9,3 40 30
ОТ4 1430 1560 13 16 50 40
ОТ4-1 1080 1390 19,4 17,5 23 30
ВТ3-1 1650 2060 2020 6,5 7,5 3 30 60
ВТ6 1640 1820 17,8 3,5 39 40
ВТ6С 1310 1580 7-10 3-6 40 25
ВТ14 1650 10 40

Титановые сплавы средней прочности

К этой группе относятся сплавы с пределом прочности σв = 750-1000 МПа: α — сплавы ВТ5 и ВТ5-1; псевдо — α — сплавы ОТ4 и ВТ20; (α + β) — сплавы ПТ3В, ВТ6, ВТ6С и ВТ14 в отожженном состоянии. Классификация и химический состав этих сплавов представлены в таблице 5.

Сплавы ВТ5, ВТ5-1, ОТ4, ВТ20, ПТ3В, ВТ6С содержат небольшое количество β-фазы (2-7 % в равновесном состоянии) и не подвергаются упрочняющей термообработке, используясь в отожженном состоянии. Сплав ВТ6С иногда применяется в термически упрочненном состоянии. Сплавы ВТ6 и ВТ14 могут использоваться как в отожженном, так и в термически упрочненном состоянии, при этом их прочность превышает 1000 МПа, что будет рассмотрено в разделе о высокопрочных сплавах.

Эти сплавы, обладая высокой прочностью, сохраняют удовлетворительную пластичность в холодном состоянии и хорошую в горячем, что позволяет производить из них различные полуфабрикаты: листы, ленты, профили, поковки, штамповки, трубы и др. Исключение составляет сплав ВТ5, из которого не изготавливают листы и плиты из-за низкой технологической пластичности.

На эту категорию сплавов приходится основной объем производства полуфабрикатов для машиностроения.

Все среднепрочные сплавы хорошо свариваются всеми видами сварки, применяемыми для титана. Прочность и пластичность сварного соединения, выполненного сваркой плавлением, близки к прочности основного металла (для сплавов ВТ20 и ВТ6С это соотношение составляет 0,9-0,95). После сварки рекомендуется неполный отжиг для снятия внутренних сварочных напряжений.

Обрабатываемость резанием этих сплавов хорошая. Коррозионная стойкость в большинстве агрессивных сред аналогична техническому титану ВТ1-0.

Применение. Эти сплавы рекомендуется использовать для изготовления изделий листовой штамповкой (ОТ4, ВТ20), сварных деталей и узлов, а также штампосварных деталей (ВТ5, ВТ5-1, ВТ6С, ВТ20). Сплав ВТ6С широко применяется для изготовления сосудов и ёмкостей высокого давления (рис. 8). Детали и узлы из сплавов ОТ4 и ВТ5 могут длительно работать при температурах до 400 °С и кратковременно — до 750 °С; из сплавов ВТ5-1 и ВТ20 — длительно при 450-500 °С и кратковременно — до 800-850 °С. Сплавы ВТ5-1, ОТ4 и ВТ6С также рекомендуются для холодильной и криогенной техники.

Рис. 8. Изделия из титановых сплавов ВТ6С

Высокопрочные титановые сплавы

К этой группе относятся сплавы с пределом прочности σв ≥ 1000 МПа: (α + β) — сплавы ВТ6, ВТ14, ВТ3-1 и ВТ22. Высокая прочность в этих сплавах достигается упрочняющей термообработкой (закалка + старение). Исключение составляет высоколегированный сплав ВТ22, который даже в отожженном состоянии имеет σв > 1000 МПа.

Эти сплавы, помимо высокой прочности, сохраняют хорошую (ВТ6) и удовлетворительную (ВТ14, ВТ3-1, ВТ22) технологическую пластичность в горячем состоянии, что позволяет производить различные полуфабрикаты: листы (кроме ВТ3-1), прутки, плиты, поковки, штамповки, профили и др. Сплавы ВТ6 и ВТ14 в отожженном состоянии (σв ≥ 850 МПа) могут подвергаться холодной листовой штамповке с малыми деформациями.

Несмотря на гетерофазность структуры, эти сплавы обладают удовлетворительной свариваемостью всеми видами сварки, применяемыми для титана. Для достижения необходимого уровня прочности и пластичности обязательно проводят полный отжиг, а для сплава ВТ14 (при толщине свариваемых деталей 10-18 мм) рекомендуется закалка с последующим старением. Прочность сварного соединения (сварка плавлением) составляет не менее 0,9 от прочности основного металла.

image

Ссылка на основную публикацию
Похожее