45. Титан и его сплавы

Титан серебристо-белый легкий металл с плотностью 4,5 г/см3. Температура плавления титана зависит от степени чистоты и находится в пределах 1660…1680oС. Имеет полиморфные превращения при 882°С. До 882°С существует Tiα с решеткой ГПУ, а выше 882°С - Tiβ с решеткой ОЦК.

Достоинствами титана являются:

• небольшая плотность,

• очень высокая удельная прочность (сплав ВТ15 имеет предел прочности σ_в = 1500 МПа и удельную прочность σ_в/γ ≥ 30 км),

• высочайшая коррозионная стойкость (кроме концентрированных серной, азотной и плавиковой кислот),

• высокая ударная вязкость даже при отрицательных температурах (KCU = 1-1,6 МДж/м² при температуре жидкого водорода –253 °C),

• способность сплавов упрочняться термической обработкой.

Недостатки титана, как конструкционного материала:

• высокая стоимость (бедные руды, сложный металлургический передел),

• активное взаимодействие с газами при высокой температуре,

• низкое значение модуля упругости E (примерно в 2 раза меньше, чем у железа).

• плохая обрабатываемость по сравнению со сталью.

Для производства титана используют ру­тил, ильменит, титанит и другие руды, содержащие 10— 40% двуокиси титана ТiО₂. После обогащения концентрат титановых руд содержит до 65% ТiО₂. В процессе плавки окислы железа и титана восста­навливаются, в результате чего получают чугун и титано­вый шлак, в котором содержится до 80—90% ТiО₂. Титановый шлак хлорируют, в результате чего титан со­единяется с хлором в четыреххлористый титан ТiСl₄. За­тем четыреххлористый титан нагревают в замкнутой ре­торте при температуре 950—1000°С в среде инертного газа (аргона) вместе с твердым магнием. Магний отнимает хлор, превращаясь в жидкий МgС1, а твердые частицы восстановленного титана спекаются в пористую массу, образуя титановую губку.

Путем сложных процессов рафинирования и перепла­ва из титановой губки получают чистый титан. Техничес­ки чистый титан (ГОСТ 19807-74) содержит 99,2-99,65% титана.

Маркируется чистый титан буквами ВТ и цифрами, определяющими количество примесей:

ВТ1-00 - 99,53% Ti;

ВТ1-0 - 99,48% Ti;

ВТ -1 - 99,44% Ti.

Чистый титан хорошо обрабатывается давлением, хорошо сваривается дуговой сваркой в аргоне или гелии.

Примеси оказывают большое влияние на свойства. Вредные примеси (азот, углерод, кислород, водород) образуют с титаном твердые растворы внедрения и хрупкие оксиды, карбиды, нитриды, гидриды, которые снижают пластичность и свариваемость. Особенно опасен водород. Пластинчатые выделения гидрида титана TiH располагаются вдоль плоскостей скольжения и двойникования или по границам зерен, что резко охрупчивает титан. Для удаления водорода титан отжигают в вакууме. Содержание примесей в титане ограничено сотыми и, даже, тысячными долями процента содержания водорода < 0,012%.

Применение: лист, трубы, проволока, поковки, сварные изделия.

46. ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ

Для получения сплавов титана с заданными механи­ческими свойствами его легируют алюминием, молибде­ном, хромом и другими элементами.

Алюминий повышает жаропрочность и механичес­кую прочность титана. Ванадий, марганец, молибден и хром повышают жаропрочность титановых сплавов. Спла­вы хорошо поддаются горячей и холодной обработке дав­лением, обработке резанием, имеют удовлетворительные литейные свойства, хорошо свариваются в среде инерт­ных газов. Сплавы удовлетворительно работают при тем­пературах до 350—500°С.

По технологическому назначению титановые сплавы делят на деформируемые и литейные Деформируемые сплавы - полуфабрикаты или изделия из них изготавливаются методом обработки давлением - ковкой, прессованием, вытяжкой и т.д. Маркируются буквами ВТ и далее цифры, показывающие номер сплава (ВТ5). Литейные сплавы - изделия из них изготавливаются методом литья. Маркировка такая же, как и деформируемых сплавов (тот же состав), но добавляется буква Л (ВТ5Л).

Порошковые сплавы изготовлены методом порошковой металлургии из элементарных порошков (ЭП), предварительно легированных (ПЛ) порошков или методом быстрой кристаллизации (БК). Наиболее распространен способ легированных порошков.

По прочности титановые сплавы делят - на три группы:

• низкой (σ_в = 300-700 МПа) под маркой ВТ1;

• средней (σ_в = 700-1000 МПа - ВТЗ, ВТ4, ВТ5 и другие;

• высокой (σ_в более 1000 МПа) - ВТ6, ВТ14, ВТ15 (после закалки и старения).

Для литья применяют сплавы, аналогичные по соста­ву деформируемым сплавам (ВТ5Л, ВТ14Л), а также спе­циальные литейные сплавы. Литейные сплавы имеют более низкие механические свойства, чем соответствую­щие деформируемые. Титан и его сплавы, обработанные давлением, выпускают в виде прутков, листов и слитков.

Области применения титановых сплавов:

• авиация и ракетостроение (корпуса двигателей, баллоны для газов, сопла, диски, детали крепежа);

• химическая промышленность (компрессоры, клапаны, вентили для агрессивных жидкостей);

• оборудование для обработки ядерного топлива;

• морское и речное судостроение (гребные винты, обшивка морских судов, подводных лодок);

• криогенная техника (высокая ударная вязкость сохраняется до -253^oС).

Титан и его сплавы

Титан сложно отнести к какой-то одной разновидности цветных металлов. Он является тугоплавким (t_пл = 1669 °C), в то же время его можно считать легким (γ = 4,5 г/см³). Не будучи благородным металлом, он отлично сопротивляется коррозии в различных средах. Как и железо, титан испытывает полиморфное превращение: Ti_a c ГПУ решеткой при 882 °C превращается в Ti_b с ОЦК решеткой.

Титан широко распространен в земной коре: он занимает четвертое место после алюминия, железа и магния. Но промышленное применение этого уникального металла началось только в 1950-х годах, в основном, для военных целей. Это объясняется сложностью извлечения титана из руд, многоступенчатым процессом очистки, что ведет к весьма высоким ценам на металл (примерно в 90 раз дороже железа).

Достоинствами титана являются:

• небольшая плотность,

• очень высокая удельная прочность (сплав ВТ15 имеет предел прочности σ_в = 1500 МПа и удельную прочность σ_в/γ ≥ 30 км),

• высочайшая коррозионная стойкость (кроме концентрированных серной, азотной и плавиковой кислот),

• высокая ударная вязкость даже при отрицательных температурах (KCU = 1-1,6 МДж/м² при температуре жидкого водорода –253 °C),

• способность сплавов упрочняться термической обработкой.

Недостатки титана, как конструкционного материала:

• высокая стоимость (бедные руды, сложный металлургический передел),

• активное взаимодействие с газами при высокой температуре,

• низкое значение модуля упругости E (примерно в 2 раза меньше, чем у железа).

• плохая обрабатываемость по сравнению со сталью.

Тем не менее, технология получения изделий из титановых сплавов литьем, обработкой давлением и резанием, сварка титана непрерывно развиваются и совершенствуются.

Основные легирующие элементы в титановых сплавах: Al, V, Mo, Cr, Zr, Mn. Алюминий в титановых сплавах играет такую же важную роль, как углерод в стали. Легирующие элементы могут стабилизировать низкотемпературную α-фазу или высокотемпературную фазу β. Растворимость компонентов в титане с изменением температуры меняется, поэтому возможна упрочняющая термообработка (для разных сплавов это либо закалка и отпуск, либо закалка и старение).

При медленном охлаждении превращение Ti_α → Ti_β идет за счет диффузии – путем зарождения центров новой фазы и их роста. При быстром – развивается сдвиговой механизм, как при мартенситном превращении в стали. Получаемая структура тоже называется мартенситом и имеет игольчатую структуру. Но титановый мартенсит не обладает такой высокой твердостью и прочностью, как мартенсит в стали. Он имеет довольно высокую пластичность. Дело в разной природе твердых растворов: углерод образует с железом раствор внедрения, а алюминий с титаном – замещения.

Возможно также сохранение при комнатной температуре переохлажденной β-фазы (подобно аустениту в сталях). В некоторых сплавах образуется эвтектоид, но он хрупок и не улучшает механических свойств сплава.

Марки титановых сплавов: ВТ4, ВТ6, ВТ15, ВТ22 (один из самых прочных: σ_в = 1300-1600 МПа).

Области применения сплавов титана:

1) авиа и ракетостроение (обшивка сверхзвуковых самолетов, корпуса двигателей, баллоны для газов, сопла, диски и лопатки компрессора авиационного двигателя, детали фюзеляжа, крепеж, корпуса второй и третьей ступеней ракет);

2) химическая промышленность (компрессоры, клапаны, вентили, баллоны для сжиженных газов и агрессивных жидкостей);

3) судостроение (гребные винты, обшивка морских судов и подводных лодок);

4) оборудование для обработки ядерного топлива;

5) криогенная техника (работающая при очень низких температурах).