Продажа проката титана
и титановых сплавов
Титан широко распространен в земной коре, где его содержится около 6 %, а по распространенности он занимает четвертое место после алю-миния, железа и магния. Однако промышленный способ его извлечения был разработан лишь в 40-х годах ХХ века. Благодаря прогрессу в области самолето- и ракетостроения производство титана и его сплавов интенсивно развивалось. Это объясняется сочетанием таких ценных свойств титана, как малая плотность, высокая удельная прочность (s в/r × g), коррозионная стойкость, технологичность при обработке давлением и свариваемость, хладостойкость, немагнитность и ряд других ценных физико-механических характеристик.
Основные сведения о титане
Титан — химический элемент с порядковым номером 22, атомный вес 47,88, легкий серебристо-белый металл. Плотность 4,51 г/см3, Tпл=1668+(-)5 °С, Tкип=3260 °С. Титан и титановые сплавы сочетают легкость, прочность, высокую коррозионную стойкость, низкий коэффициент теплового расширения, возможность работы в широком диапазоне температур.
История открытия титана
Оксид титана TiO2 впервые был обнаружен в 1789 году английским ученым, специалистом в области минералогии У. Грегором, который при исследовании магнитного железистого песка выделил окись неизвестного металла, назвав ее менакеновой. Первый образец металлического титана получил в 1825 году шведский химик и минераловед Й. Я. Берцелиус.
Свойства титана
В периодической системе элементов Д. И. Менделеева титан расположен в IV группе 4-го периода под номером 22. В важнейших и наиболее устойчивых соединениях металл четырехвалентен. По внешнему виду похож на сталь. Титан относится к переходным элементам. Данный металл плавится при довольно высокой температуре (1668±4 °С) и кипит при 3300 °С, скрытая теплота плавления и испарения титана почти в два раза больше, чем у железа.
Известны две аллотропические модификации титана (две разновидности титана, имеющие одинаковый химический состав, но различное строение и свойства). Низкотемпературная альфа-модификация, существующая до 882,5 °С и высокотемпературная бетта-модификация, устойчивая от 882,5 °С и до температуры плавления.
По плотности и удельной теплоемкости титан занимает промежуточное место между двумя основными конструкционными металлами: алюминием и железом. Стоит также отметить, что его механическая прочность примерно вдвое больше, чем чистого железа, и почти в шесть раз выше, чем алюминия. Но титан может активно поглощать кислород, азот и водород, которые резко снижают пластические свойства металла. С углеродом титан образует тугоплавкие карбиды, обладающие высокой твердостью.
Титан обладает низкой теплопроводностью, которая в 13 раз меньше теплопроводности алюминия и в 4 раза — железа. Коэффициент термического расширения при комнатной температуре сравнительно мал, с повышением температуры он возрастает.
Модули упругости титана невелики и обнаруживают существенную анизотропию. Модули упругости характеризуют способность материала упруго деформироваться при приложении к нему силы. Анизотропия заключается в различии свойств упругости в зависимости от направления действия силы. С повышением температуры до 350 °С модули упругости уменьшаются почти по линейному закону. Небольшое значение модулей упругости титана — существенный его недостаток, т.к. в некоторых случаях для получения достаточно жестких конструкций приходится применять большие сечения изделий по сравнению с теми, которые следуют из условий прочности.
Титан имеет довольно высокое удельное электросопротивление, которое в зависимости от содержания примесей колеблется в пределах от 42·10-8до 80·10-6 Ом·см. При температурах ниже 0,45 К он становится сверхпроводником.
Титан — парамагнитный металл. Обычно у парамагнитных веществ магнитная восприимчивость при нагревании уменьшается. Магнитная восприимчивость характеризует связь между намагниченностью вещества и магнитным полем в этом веществе. Титан составляет исключение из этого правила — его восприимчивость существенно увеличивается с температурой.
Характеристики физико-механических свойств титана (ВТ1-00)
| Плотность r , кг/м3 | 4,5 × 10-3 |
|---|---|
| Температура плавления Тпл, ° С | 1668± 4 |
| Коэффициент линейного расширения a × 10-6, град-1 | 8,9 |
| Теплопроводность l , Вт/(м × град) | 16,76 |
| Предел прочности при растяжении s в, МПа | 300-450 |
| Условный предел текучести s 0,2, МПа | 250-380 |
| Удельная прочность (s в/r × g)× 10-3, км | 7-10 |
| Относительное удлинение d , % | 25-30 |
| Относительное сужение Y , % | 50-60 |
| Модуль нормальной упругости Е´ 10-3, МПа | 110,25 |
| Модуль сдвига G´ 10-3, МПа | 41 |
| Коэффициент Пуассона m , | 0,32 |
| Твердость НВ | 103 |
| Ударная вязкость KCU, Дж/см2 | 120 |
Титан имеет две полиморфные модификации: a -титана с гексагональной плотноупакованной решеткой с периодами а = 0,296 нм, с = 0,472 нм и высокотемпературную модификацию b -титана с кубической объемно-центрированной решеткой с периодом а = 0,332 нм при 900 ° С. Температура полиморфного a « b -превращения составляет 882 ° С.
Механические свойства титана существенно зависят от содержания примесей в металле. Различают примеси внедрения — кислород, азот, углерод, водород и примеси замещения, к которым относятся железо и кремний. Хотя примеси повышают прочность, но одновременно резко снижают пластичность, причем наиболее сильное отрицательное действие оказывают примеси внедрения, особенно газы. При введении всего лишь 0,003 % Н, 0,02 % N или 0,7 % О титан полностью теряет способность к пластическому деформированию и хрупко разрушается.
Особенно вреден водород, вызывающий водородную хрупкость титановых сплавов. Водород попадает в металл при плавке и последующей обработке, в частности при травлении полуфабрикатов. Водород малорастворим в a -титане и образует пластинчатые частицы гидрида, снижающего ударную вязкость и особенно отрицательно проявляющегося в испытаниях на замедленное разрушение.
Поэтому содержание примесей, особенно газов, в титане и титановых сплавах (табл. 17.1, 17.2) строго ограничено.
Промышленный способ производства титана состоит в обогащении и хлорировании титановой руды с последующим его восстановлением из четыреххлористого титана металлическим магнием (магнийтермический метод). Полученный этим методом титан губчатый (ГОСТ 17746-79) в зависимости от химического состава и механических свойств выпускают следующих марок:
ТГ-90, ТГ-100, ТГ-110, ТГ-120, ТГ-130, ТГ-150, ТГ-ТВ (см. табл. 17.1). Цифры означают твердость по Бринеллю НВ, ТВ — твердый.
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: s в = 375-540 МПа, s 0,2 = 295-410 МПа, d ³ 20 %, и по этим характеристикам не уступает ряду углеродистых и Cr-Ni коррозионностойких сталей.
Высокая пластичность титана по сравнению с другими металлами, имеющими ГПУ- решетку (Zn, Mg, Cd), объясняется большим количеством систем скольжения и двойникования благодаря малому сотношению с/а = 1,587. По-видимому, с этим связана высокая хладостойкость титана и его сплавов (подробнее см. гл. 13).
При повышении температуры до 250 ° С прочность титана снижается почти в 2 раза. Однако жаропрочные Ti-сплавы по удельной прочности в интервале температур 300-600 ° С не имеют себе равных; при температурах выше 600 ° С сплавы титана уступают сплавам на основе железа и никеля.
Титан имеет низкий модуль нормальной упругости (Е = 110,25 ГПа) — почти в 2 раза меньше, чем у железа и никеля, что затрудняет изготовление жестких конструкций.
Титан относится к числу химически активных металлов, однако он обладает высокой коррозионной стойкостью, так как на его поверхности образуется стойкая пассивная пленка TiO2, прочно связанная с основным металлом и исключающая его непосредственный контакт с коррозионной средой. Толщина этой пленки обычно достигает 5-6 нм.
Благодаря оксидной пленке, титан и его сплавы не корродируют в атмосфере, в пресной и морской воде, устойчивы против кавитационной коррозии и коррозии под напряжением, а также в кислотах органического происхождения.
Производство изделий из титана и его сплавов имеет ряд технологических особенностей. Из-за высокой химической активности расплавленного титана его плавку, разливку и дуговую сварку производят в вакууме или в атмосфере инертных газов.
При технологических и эксплуатационных нагревах, особенно выше 550-600 ° С, необходимо принимать меры для защиты титана от окисления и газонасыщения (альфированный слой) (см. гл. 3).
Титан хорошо обрабатывается давлением в горячем состоянии и удовлетворительно в холодном. Он легко прокатывается, куется, штампуется. Титан и его сплавы хорошо свариваются контактной и аргонодуговой сваркой, обеспечивая высокую прочность и пластичность сварного соединения. Недостатком титана является плохая обрабатываемость резанием из-за склонности к налипанию, низкой теплопроводности и плохих антифрикционных свойств.
Основной целью легирования титановых сплавов является повышение прочности, жаропрочности и коррозионной стойкости. Широкое применение нашли сплавы титана с алюминием, хромом, молибденом, ванадием, марганцем, оловом и др. элементами. Легирующие элементы оказывают большое влияние на полиморфные превращения титана.
Таблица 17.1
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 | — | — |
Таблица 17.2
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 |
| ПТ-7М | То же | 1,8-2,5 | — | — | — | 2,0-3,0 | — | — | 0,12 | 0,25 | 0,15 | 0,006 | 0,04 | 0,10 |
| ПТ-3В | То же | 3,5-5,0 | 1,2-2,5 | — | — | 0,30 | — | — | 0,12 | 0,25 | 0,15 | 0,006 | 0,04 | 0,10 |
| АТ3 | То же | 2,0-3,5 | — | — | — | — | — | 0,2-0,5 | 0,20-0,40 | 0,2-0,5 | 0,15 | 0,008 | 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
Прочность титана при растяжении. Нелегированный титан может обладать прочностью при растяжении от 24,5 кг/мм2 для металла высокой степени чистоты, получаемого методами термического разложения иодида титана, до 70 кг/мм2 для металла повышенной вердости, получаемого из губки. Фирма Рем-Крю выпускает технически чистый металл двух марок (RC-A-55 и RC-A-70) с номинальным пределом текучести 38,5 и 49 кг/мм2.
Фирма Рипаблик стил подобным же образом производит титан марок RS 40, RS 55 и RS 70, а Тайтениум металз — Ti 75A и Ti 100A с номинальным пределом прочности при растяжении 56 и 70 кг/мм2. Фирма Мэллори-Шарон выпускает нелегированный переплавленный в дуговых печах титан 3-го сорта с номинальным 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. Пластичность можно определить как способность материала деформироваться без разрушения. Пластичный материал легко поддается таким видам холодной обработки, как гибка, глубокая вытяжка и выдавка.
Технически чистый титан, переплавленный в дуговых печах, обладает в зависимости от содержания примесей следующими показателями пластичности: относительным удлинением 20-40% и поперечным сужением 45-65%. Иодидный титан обладает относительным удлинением до 55% и сужением поперечного сечения до 80%.
Как и в случае стали, титан в целях упрочнения легируют другими металлами. Добавки алюминия, ванадия, хрома, железа, марганца и олова вводятся отдельно и в сочетании друг с другом.
Однако в этом случае повышение прочности достигается за счет снижения пластичности. О легировании титана подробнее говорится далее, здесь же достаточно ограничиться указанием на то, что созданы титановые сплавы с пределом прочности свыше 140 кг/мм2, обладающие удовлетворительной пластичностью (относительное удлинение до 15%).
Прочность промышленных сплавов титана колеблется от 70 до 105 кг/мм2. Эти сплавы выплавляются в дуговых печах и обладают удовлетворительной пластичностью (10-20%). Сплавы, выплавленные в индукционных печах, обладают гораздо более высокой прочностью, но их пониженная пластичность делает их пригодными для использования только в ограниченных целях.
Твердость. Титан значительно тверже алюминия и по твердости приближается к некоторым термически обработанным легированным сталям. Иодидный титан имеет твердость 90, тогда как твердость нелегированного технического титана составляет около 160 единиц, а для сплавов 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.
Сопротивление удару. Для многих случаев применения металлов мало знать только их прочность и пластичность. Часто бывают нужны сведения и об их вязкости. Титан принадлежит к числу немногих металлов, которые наряду с высокой прочностью и пластичностью обладают еще хорошей вязкостью. Здесь под вязкостью понимается способность материала противостоять ударным нагрузкам.
Наиболее распространенными методами определения ударной вязкости является испытание надрезанных стандартных образцов Шарпи и Изода с их разрушением при изгибе. Работа разрушения образцов Шарпи из иодидного титана высокой степени чистоты может достигать 14 кгм, составляя около 4 кгм для образцов из нелегированного титана и всего 0,15-0,30 кгм для образцов из некоторых высокопрочных, но хрупких сплавов титана. Сейчас в промышленных масштабах выпускаются сплавы с пределом текучести 91 кг/мм2 и ударной вязкостью по Шарпи до 3,5 кгм.
В результате проводимой экспериментальной работы, видимо, скоро начнется производство еще более вязких и прочных технических сплавов титана.
Предел выносливости. Данных о пределе выносливости титана опубликовано мало, да к тому же они в значительной степени противоречивы. Однако можно утверждать, что титан обладает отличной выносливостью. Испытания показывают, что предел выносливости составляет 60% предела прочности, но для образцов из нелегированного титана с острым надрезом эта цифра снижается до 32%. У сплавов титана предел выносливости достигает 47% предела прочности (у стали он равен 50%).
Ползучесть. Если материал подвергнуть действию постоянной нагрузки, то он с течением времени пластически деформируется. Удлинение материала под постоянной нагрузкой называется ползучестью, причем предел ползучести определяется как прочность, необходимая для того, чтобы получить определенное удлинение за установленное время.
Отсутствие достаточных данных о ползучести титана пока не позволяет вынести окончательное суждение об этой его характеристике. Первые исследования показали, что нелегированный титан обладает плохим сопротивлением ползучести, хотя сплавы титана в этом отношении имеют лучшие характеристики; некоторое улучшение их ползучести достигается путем наклепа.
Влияние температуры и наклепа на механические свойства. С повышением температуры уменьшается не только предел ползучести, но и пределы прочности, текучести, усталости, а также твердость. Повышение температуры мало сказывается на величине модуля упругости, но сопровождается улучшением вязкости и пластичности.
Наклеп титановых сплавов сопровождается их упрочнением. С повышением температуры прочность алюминия быстро снижается, тогда как температурное разупрочнение титана происходит медленнее, так что при температурах выше 200° С величина отношения прочность: удельный вес получается для титана больше, чем для алюминия.
Однако это превосходство титана сохраняется приблизительно до 425° С, после чего определяющим фактором становится чрезвычайная активность титана, о чем уже говорилось выше.
Титан и его сплавы
Титан по распространенности в земной коре занимает среди конструкционных металлов четвертое место, уступая лишь алюминию, железу и магнию (рис. 1). Титан обладает удельным весом порядка 4500 кг/м3 и довольно высокой температурой плавления, ~1665± 5оС. Титан — парамагнитный металл.
а б
Рис. 1. Титанит — потенциальный источник титана (а), брусок кристаллического титана (б)
Титан — твердый металл: он в 12 раз твёрже алюминия, в 4 раза — железа и меди. Титан химически стоек. На поверхности титана легко образуется стойкая оксидная пленка TiO2, вследствие чего он обладает высокой сопротивляемостью коррозии в пресной и морской воде и в некоторых кислотах, устойчив против коррозии под напряжением. Во влажном воздухе, в морской воде и азотной кислоте он противостоит коррозии не хуже нержавеющей стали, а в соляной кислоте во много раз лучше ее. При температурах выше 500°С титан и его сплавы легко окисляются и поглощают водород, который вызывает охрупчивание (водородная хрупкость).
Титан имеет две полиморфные модификации (рис. 2):
- низкотемпературную модификацию α — Ti, устойчивую до 882°С, (ГП — решетка, а = 0,296 нм, с = 0,472 нм)
- высокотемпературную β — Ti, устойчивую выше 882оС (ОЦК — решетка, а= 0,332 нм).
Рис. 2. Две полиморфные модификации титана: а — αТi (гексагональная плотноупакованная решётка), б — β-Тi (объёмноцентрированная кристаллическая решётка)
Механические свойства титана.
Примечание. В отличие от мартенсита углеродистых сталей, являющегося раствором внедрения и характеризующегося высокой прочностью и хрупкостью, титановый мартенсит является раствором замещения, и закалка титановых сплавов на мартенсит приводит к небольшому упрочнению и не сопровождается резким снижением пластичности.
Значительное влияние на механические свойства титана оказывают примеси кислорода, водорода, углерода и азота, которые образуют с титаном твердые растворы внедрения и промежуточные фазы: оксиды, гидриды, карбиды и нитриды, повышая его характеристики прочности при одновременном снижении пластичности. Поэтому содержание этих примесей в титане ограничено сотыми и даже тысячными долями процента. Опасность водородной хрупкости, особенно в напряженных сварных конструкциях ограничивает содержание водорода. В техническом титане оно находится в пределах 0,008 — 0,012%.
Титан обладает высокой прочностью и удельной прочностью и в условиях глубокого холода, сохраняя при этом 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, имеющими ГПУ- решетку (Zn, Mg, Cd), объясняется большим количеством систем скольжения и двойникования (рис. 3) благодаря малому соотношению с/а = 1,587. По-видимому, с этим связана высокая хладостойкость титана и его сплавов.
Рис. 3. Схемы систем скольжения и двойникования
Промышленный способ производства титана состоит в обогащении и хлорировании титановой руды с последующим его восстановлением из четыреххлористого титана металлическим магнием (магнийтермический метод). Полученный этим методом титан губчатый (ГОСТ 17746-79) в зависимости от химического состава и механических свойств выпускают следующих марок: ТГ-90, ТГ-100, ТГ-110, ТГ-120, ТГ-130, ТГ-150, ТГ-ТВ(см. табл.1).
Цифры означают 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 |
| ТГ110 | 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 %, и по этим характеристикам не уступает ряду углеродистых и Cr-Ni коррозионностойких сталей.
Титан хорошо обрабатывается давлением в горячем состоянии и удовлетворительно в холодном. Он легко прокатывается, куется, 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 требуется уделить особое внимание чистоте рабочего места. Для сварочных цехов, где производятся работы с различными металлами, необходимо выделить специальную область, которая будет использоваться специально для сварки титана. Место, отведенное для этого, должно быть защищено от потоков воздуха, влаги, пыли, жира и других загрязнений, которые могут препятствовать качественной сварке. Это место должно быть защищено от воздействия таких процессов, как зачистка, резка и окраска. Кроме того, должна быть под контролем и влажность воздуха.
Фазовые превращения в титановых сплавах
На формирование структуры и, следовательно, свойств титановых сплавов решающее влияние оказывают фазовые превращения, связанные с полиморфизмом титана. В табл.2 представлены схемы диаграмм состояния «титан — легирующий элемент», отражающие подразделение легирующих элементов по характеру влияния на полиморфные превращения титана на четыре группы.
- α — Стабилизаторы (Al, O, N), которые повышают температуру полиморфного превращения α↔β и расширяют область твердых растворов на основе α -титана. Учитывая охрупчивающее действия азота и кислорода, практическое значение для легирования титана имеет только алюминий. Он является основным легирующим элементом во всех промышленных титановых сплавах, уменьшает их плотность и склонность к водородной хрупкости, а также повышает прочность и модуль упругости. Сплавы с устойчивой α — структурой термической обработкой не упрочняются.
- Изоморфные β — стабилизаторы (Mo, V, Ni, Ta и др.), которые понижают температуру α↔β превращения и расширяют область твердых растворов на основе β — титана.
- Эвтектоидообразующие β — стабилизаторы (Cr, Mn, Cu и др.) могут образовывать с титаном интерметаллиды типа TiХ. В этом случае при охлаждении β — фаза претерпевает эвтектойдное превращение β + TiХ. Большинство β — стабилизаторов повышает прочность, жаропрочность и термическую стабильность титановых сплавов, несколько снижая их пластичность. Кроме того, сплавы с (α + β) и псевдо — β — структурой могут упрочняться термообработкой (закалка + старение).
- Нейтральные элементы (Zr, Sn) не оказывают существенного влияния на температуру полиморфного превращения и не меняют фазового состава титановых сплавов.
Основной целью легирования титановых сплавов является повышение прочности, жаропрочности и коррозионной стойкости. Широкое применение нашли сплавы титана с алюминием, хромом, молибденом, ванадием, марганцем, оловом и др. элементами. Легирующие элементы оказывают большое влияние на полиморфные превращения титана.
Для титановых сплавов применяют следующие виды термообработки: отжиг, закалка и старение, а также химико-термическая обработка (азотирование, силицирование, оксидирование и др.).
Отжиг проводится для всех титановых сплавов с целью 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 во избежание роста зерна. Применяют обычный отжиг, двойной или изотермический (для стабилизации структуры и свойств), неполный (для снятия внутренних напряжений).
Закалка и старение (упрочняющая термообработка) применима к титановым сплавам с (α + β) — структурой. Принцип упрочняющей термообработки заключается в получении при закалке метастабильных фаз β и α с последующем их распаде с выделением дисперсных частиц α и β — фаз при искусственном старении. При этом эффект упрочнения зависит от типа, количества и состава метастабильных фаз, а также дисперсности образовавшихся после старения частиц α и β — фаз.
Химико-термическая обработка проводится для повышения твердости и износостойкости, стойкости к «схватыванию» при работе в условиях трения, усталостной прочности, а также улучшения коррозионной стойкости, жаростойкости и жаропрочности. Практическое применение имеют азотирование, силицирование и некоторые виды диффузионной металлизации.
Таблица 2
Промышленные титановые сплавы.
Титановые сплавы по сравнению с техническим титаном имеют более высокую прочность, в том числе и при высоких температурах, сохраняя при этом достаточно высокую пластичность и коррозионную стойкость.
По технологии изготовления титановые сплавы подразделяются на деформируемые и литейные; по уровню механических свойств — на сплавы невысокой прочности и повышенной пластичности, средней прочности, высокопрочные; по условиям применения — на хладостойкие, жаропрочные, коррозионностойкие. По способности упрочняться термообработкой они делятся на упрочняемые и не упрочняемые, по структуре в отожженном состоянии — на 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, а именно: α — сплавы марок ВТ1-00, ВТ1-0 (технический титан) и сплавы ОТ4- 0, ОТ4-1 (система Ti-Al-Mn), АТ3 (система Ti-Al c небольшими добавками Cr, Fe, Si, B), относящиеся к псевдо — α-сплавам с небольшим количеством β-фазы. Характеристики прочности этих сплавов выше, чем чистого титана благодаря примесям в сплавах ВТ1-00 и ВТ1-0 и незначительному легированию α — и β — стабилизаторами в сплавах ОТ4-0, ОТ4-1, АТ3.
Эти сплавы отличаются высокой пластичностью как в горячем, так и в холодном состоянии, что позволяет получать все виды полуфабрикатов: фольгу, ленту, листы, плиты, поковки, штамповки, профили, трубы и т. п. (рис. 6).
Рис. 6. Изделия из титановых сплавов
Ковка, объемная и листовая штамповка, прокатка, прессование производятся в горячем состоянии. Окончательная прокатка, листовая штамповка, волочение и другие операции производятся в холодном состоянии.
Для снятия внутренних напряжений, образовавшихся в результате механической обработки, листовой штамповки, сварки и др., применяется неполный отжиг.
Указанные сплавы хорошо свариваются сваркой плавлением (аргонодуговая, под флюсом, электрошлаковая) и контактной (точечная, роликовая). При сварке плавлением прочность и пластичность сварного соединения практически аналогичные основному металлу.
Коррозионная стойкость данных сплавов высокая во многих средах (морская вода, хлориды, щелочи, органические кислоты и т. п.), кроме растворов HF, H2SO4, HCl и некоторых других.
Применение. Эти сплавы широко применяются как конструкционные материалы для изготовления практически всех видов полуфабрикатов, деталей и конструкций, включая сварные. Наиболее эффективно их применение в
авиационно-космической технике (рис. 7), в химическом машиностроении, криогенной технике (высокая ударная вязкость сохраняется до -253oС), (табл. 4), а также в узлах и конструкциях, работающих при температурах до 300-350 ° С.
Рис. 7. Применение титановых сплавов в авиационно-космической технике
Таблица 4 Механические характеристики титановых сплавов при низких температурах
| Сплав | σв (МПа) при температуре, ° С | δ (%) при температуре, ° С | КСU, Дж/см2 при температуре, ° С | |||||
| -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, а именно: α — сплавы марок ВТ5 и ВТ5-1; псевдо — α — сплавы марок ОТ4, ВТ20; (α + β) — сплавы марок ПТ3В, а также ВТ6, ВТ6С, ВТ14 в отожженном состоянии. Классификация и химический состав этих сплавов смотри табл. 5.
Сплавы ВТ5, ВТ5-1, ОТ4, ВТ20, ПТ3В, ВТ6С, содержащие небольшое количество β — фазы (2-7 % β — фазы в равновесном состоянии), упрочняющей термообработке не подвергаются и используются в отожженном состоянии. Сплав ВТ6С иногда применяют в термически упрочненном состоянии. Сплавы ВТ6 и ВТ14 используют как в отожженном, так и в термически упрочненном состоянии. В последнем случае их прочность становится выше 1000 МПа, и они будут рассмотрены в разделе, посвященном высокопрочным сплавам.
Рассматриваемые сплавы, наряду с повышенной прочностью, сохраняют удовлетворительную пластичность в холодном состоянии и хорошую пластичность в горячем состоянии, что позволяет получать из них все виды полуфабрикатов: листы, ленту, профили, поковки, штамповки, трубы и др. Исключение составляет сплав ВТ5, из которого листы и плиты не изготавливают из-за невысокой технологической пластичности.
На эту категорию сплавов приходится основной объем производства полуфабрикатов, применяемых в машиностроении.
Все среднепрочные сплавы хорошо свариваются всеми видами сварки, применяемыми для титана. Прочность и пластичность сварного соединения, выполненного сваркой плавлением, близка к прочности и пластичности основного металла (для сплавов ВТ20 и ВТ6С это соотношение составляет 0,9- 0,95). После сварки рекомендован неполный отжиг для снятия внутренних сварочных напряжений.
Таблица 5
Обрабатываемость резанием этих сплавов хорошая. Коррозионная стойкость в большинстве агрессивных сред аналогична техническому титану ВТ1-0.
Применение. Данные сплавы рекомендуется применять для изготовления изделий листовой штамповкой (ОТ4, ВТ20), для сварных деталей и узлов, для штампосварных деталей (ВТ5, ВТ5-1, ВТ6С, ВТ20) и др. Сплав ВТ6С широко применяется для изготовления сосудов и ёмкостей высокого давления (рис. 8). Детали и узлы из сплавов ОТ4, ВТ5 могут длительно работать при температурах до 400 ° С и кратковременно — до 750 ° С; из сплавов ВТ5-1, ВТ20 — длительно при температурах до 450-500 ° С и кратковременно — до 800-850 ° С. Сплавы ВТ5-1, ОТ4, ВТ6С также рекомендуются для применения в холодильной и криогенной технике.
Рис. 8. Изделия из титановых сплавов ВТ6С Высокопрочные титановые сплавы
К этой группе относятся сплавы с пределом прочности σв ≥ 1000 МПа, а именно (α + β) — сплавы марок ВТ6, ВТ14, ВТ3-1, 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.
Указанные сплавы наряду с высокой прочностью сохраняют хорошую (ВТ6) и удовлетворительную (ВТ14, ВТ3-1, ВТ22) технологическую пластичность в горячем состоянии, что позволяет получать из них 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, рассматриваемые сплавы обладают удовлетворительной свариваемостью всеми видами сварки, применяемыми для титана. Для обеспечения требуемого уровня прочности и пластичности обязательно проводят полный отжиг, а для сплава ВТ14 (при толщине свариваемых деталей 10-18 мм) рекомендуется проводить закалку с последующим старением. При этом прочность сварного соединения (сварка плавлением) составляет не менее 0,9 от прочности основного металла. Пласти?
