Титановые сплавы
Титан — 22-й элемент 4-го периода IV группы Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева. Титан — металл серого цвета, существует в двух модификациях: a-Ti с ГП-решеткой (низкотемпературная модификация) и в-Ti с ОЦК-решеткой (высокотемпературная модификация). Полиморфное превращение а—>в происходит при температуре 882 °С.
Титан относится к переходным металлам, имеет температуру плавления 1668 °С. Среди металлов-основ промышленных сплавов титан по плотности (р = 4,5 т/м3) расположен между алюминием (2,7 т/м3) и железом (7,8 т/м3).
Механические свойства технически чистого титана характеризуются низкой прочностью и высокой пластичностью. В зависимости от типа заготовки (поковка, лист) титан имеет следующие свойства: ов = 450...600 МПа; о0,2 = 380...500 МПа; b = 20...25 %; w = 50 %. Уровень прочности может быть существенно повышен (до 800...850 МПа) в результате применения холодной пластической деформации. Технический титан маркируют буквами ВТ и цифрами 1, 0: ВТ 1-0, BT1-00.
К достоинствам титана и его сплавов относят такие технологические свойства, как хорошую деформируемость в горячем и холодном состояниях; удовлетворительную свариваемость (аргонодуговая и точечная сварка). Это предопределяет использование титановых сплавов в виде практически любых заготовок (листы, ленты, прутки, поковки и т.п.) и в сварных конструкциях.
Однако все положительные свойства титана могут проявляться только при отсутствии вредных примесей, главной из которых является водород. Водородная хрупкость — это резкое снижение ударной вязкости и увеличение склонности к замедленному разрушению при содержании водорода в титане и его сплавах больше критического. Следует иметь в виду, что повышение содержания водорода в сплавах («наводораживание») может происходить при литье, горячей обработке давлением, сварке, термической обработке, травлении и др., а также в процессе эксплуатации. Поскольку титан активно взаимодействует с газами, требуется проводить специальную защиту сплавов от такого взаимодействия при всех высокотемпературных технологических операциях.
Уникальность титановых сплавов заключается в комплексе нескольких основных для конструкционного материала свойств:
• высокая удельная прочность, превосходящая удельную прочность алюминиевых сплавов и сталей;
• высокая коррозионная стойкость (в 30-50 раз превосходит коррозионную стойкость стали) в окислительных средах, а также в морской воде;
• высокая прочность при удовлетворительной пластичности в широком интервале температур — при температурах окружающей среды (высокопрочные сплавы), повышенных (жаропрочные сплавы), отрицательных температурах вплоть до температуры жидкого гелия (хладостойкие и криогенные сплавы).
Применение титана как хладостойкого материала обусловлено тем, что у него отсутствует критическая температура хрупкости.
Титановые сплавы маркируют буквами и цифрами. Буквы условно обозначают организацию, в которой разработаны различные марки сплавов (ВТ, ОТ, AT, ПТ), цифры — порядковый номер сплава, например, ВТ6, ВТ14, ОТ4, АТ3 и т. п.
Титан и его сплавы применяют в различных отраслях техники: в авиа- и ракетостроении из титановых сплавов изготовляют корпуса, силовые детали обшивки, детали двигателей; в судостроительной промышленности — корпуса подводных лодок и морских судов, что исключает необходимость очищать поверхности подводных частей, так как титан обладает токсичными свойствами по отношению к микроорганизмам. В медицинской технике из титановых сплавов изготовляют протезы суставов и сердечные клапаны, которые полностью биологически совместимы с кровью и тканями человеческого организма.
Деформируемые титановые сплавы в качестве легирующих элементов содержат:
• алюминий, который расширяет низкотемпературную а-область на основе ГП-решетки во всех сплавах (рис. 17.3, а);
• молибден, ванадий, ниобий, кремний, хром, расширяющие высокотемпературную в-область на основе ОЦК-решетки (рис. 17.3, б);
• олово и цирконий, не влияющие на положение а- и в-фазовых областей (рис. 17.3, в).
В зависимости от фазового состава после отжига деформируемые титановые сплавы подразделяют на следующие основные классы:
• а-сплавы, состоящие из твердого раствора легирующих элементов в a-Ti (a-фаза);
• псевдо-а-сплавы, которые состоят из a-фазы и небольшого количества в-фазы (не более 5 %);
• (а + в)-сплавы, в которых содержание в-фазы составляет 10...90 %.
Фазовый состав сплавов определяет технологические свойства сплавов: способность к упрочняющей термической обработке, деформируемость, свариваемость.
Однофазные a-сплавы, кроме алюминия, легируют оловом. Для них характерны следующие свойства:
• значительно упрочняются при холодной пластической деформации;
• не упрочняются при термообработке, поэтому относятся к сплавам средней прочности;
• удовлетворительно свариваются;
• склонны к водородной хрупкости.
Самым распространенным сплавом этого класса является сплав марки ВТ5-1 (система Ti — 5Аl — 2,5Sn), после отжига его предел прочности ов = 800...1000 МПа.
Однофазные a-сплавы применяют и как жаропрочный материал до 450 °C (ВТ5-1), и как криогенный при температурах вплоть до температуры жидкого водорода (ВТ5-1).
Псевдо-а-сплавы, вследствие присутствия 1...5 % в-фазы могут подвергаться упрочняющей термообработке. Деформируемые титановые сплавы отличаются высокой технологической пластичностью, хорошей свариваемостью всеми видами сварки. Однако подобно а-сплавам они склонны к водородной хрупкости.
Сплавы этого класса применяют как криогенный (АТ2, АТ2-1), как жаропрочный (ВТ 18) материал, как сплавы повышенной технологической пластичности (ОТ4, ОТ4-1 и др.).
Сплавы а+в отличаются наилучшим сочетанием механических и технологических свойств:
• хорошая деформируемость в горячем состоянии;
• упрочняемость при термической обработке;
• высокий уровень прочности;
• пониженная склонность к водородной хрупкости.
Возможность варьирования механических свойств в широких интервалах обусловливает применение сплавов этого класса в качестве материалов различного назначения: криогенные (ВТ6); высокопрочные (ВТ6, ВТ16, ВТ22); высокотехнологичные при обработке давлением (ВТ16, ВТ23); жаропрочные (ВТ3-1, ВТ8, ВТ9 и др.).
Наиболее распространенным сплавом данного класса является сплав марки ВТ6 (Ti — 6Аl — V): около 50 % титановых сплавов, используемых в авиационно-космической промышленности России и за рубежом, составляют сплавы — аналоги ВТ6. Из них получают трубы, прутки, поковки, плиты, листы, предназначенные для изготовления силовых деталей и конструкций в самолетостроении.
Литейные титановые сплавы обладают хорошими литейными свойствами: высокой жидкотекучестью, низкой склонностью к образованию горячих трещин, низкой пористостью отливок. К недостаткам этих сплавов относят высокую температуру плавления, повышенную склонность к поглощению газов, химическую активность при взаимодействии с материалом литейной формы. Поэтому плавку и разливку данных сплавов проводят в вакууме и в среде защитных газов.