4.4. Титан и сплавы на его основе

Титан – металл серого цвета, имеет две полиморфные модификации. Низкотемпературная - , существует до 882 ⁰С и имеет ГПУ – решётку. Высокотемпературная - , имеет решётку ОЦК. T_пл. = 1665 ⁰С, плотность 4,5 г/см³.

Полиморфное превращение при быстром охлаждении протекает по мартенситному механизму.

Промышленный способ производства титана состоит в обогащении и хлорировании титановой руды с последующим ее восстановлением из четырёххлористого титана металлическим магнием. Полученную при этом титановую губку маркируют по твёрдости специально выплавленных из нее образцов (ТГ-100, ТГ-110 и т.д.). Для получения монолитного титана губка размалывается в порошок, прессуется и спекается или переплавляется в дуговых печах в вакууме или атмосфере инертных газов.

Для уменьшения количества примесей и более равномерного их распределения по сечению слитка рекомендуется его двух – трёх разовая переплавка. Полученный в результате переплава технический титан маркируется в зависимости от содержания примесей ВТ1 – 00 (примесей  0,398 %), ВТ1 – 0 (примесей  0,55 %).

Чистейший иодидный титан получают методом термической диссоциации из четырёххлористого титана, а также методом зонной плавки.

Низкий модуль упругости титана, почти в 2 раза меньший, чем у железа и никеля, затрудняет изготовление жёстких конструкций.

Механические свойства титана сильно зависят от наличия примесей, особенно от водорода, кислорода, азота и углерода, которые образуют промежуточные фазы – гидриды, оксиды, нитриды и карбиды. Они повышают твёрдость, но снижают пластичность, коррозионную стойкость, свариваемость, способность к пайке и штампуемость.

Наиболее опасная примесь в титане – ВОДОРОД. Водородная хрупкость наиболее опасна в сварных конструкциях из-за наличия в них внутренних напряжений. Допустимое содержание водорода в техническом титане составляет 0,008 – 0,012 %.

При повышении температуры до 250 ⁰С предел прочности снижается почти в 2 раза. Титан обладает склонностью к ползучести даже при температуре 20 – 25 ⁰С.

Титан обладает высокой прочностью и удельной прочностью не только при комнатной температуре, но и в условиях глубокого холода. При температуре жидкого гелия временное сопротивление титана равно 1250 МПа, а пластичность – относительное удлинение 15 – 20 %.

Пластическая деформация значительно повышает прочность титана. При степени деформации 60 – 70 % прочность увеличивается почти в 2 раза. Для снятия наклёпа проводят рекристаллизационный отжиг при 650 – 700 ⁰С.

При повышении температуры титан активно поглощает газы: начиная с 50 – 70 ⁰С – водород, свыше 400 – 500 ⁰С – кислород и свыше 600 – 700 ⁰С – азот, окись углерода и углекислый газ. Поэтому плавят титан в вакууме или атмосфере инертных газов. Вместе с тем, благодаря способности к газопоглощению при повышении температуры титан применяют в радиоэлектронной промышленности в качестве гетерогенного материала. Гетеры предназначены для повышения вакуума электронных ламп.

Из титана изготавливают все виды прессованного и катаного полуфабриката: листы, трубы, проволоку, поковки. Титан хорошо варится аргонно-дуговой и точечной сваркой. Сварной шов обладает хорошим сочетанием прочности и пластичности. Прочность шва составляет 90 % прочности основного металла.

Титан плохо обрабатывается резанием, налипает на инструмент, в результате чего тот быстро изнашивается.

Практическое значение для легирования титана имеет только алюминий. Введение его в титановые сплавы уменьшает их плотность и склонность к водородной хрупкости, повышает модуль упругости и прочность при высоких и низких температурах.

Титановые сплавы в основном подвергают отжигу, закалке и старению, а также химико-термической обработке.

Отжиг проводят после холодной деформации для снятия наклёпа. Температуры отжига 670 – 800 ⁰С⁰С с выдержкой от 15 минут до 3-х часов в вакууме или защитной атмосфере.

Для повышения износостойкости титановые сплавы подвергают азотированию. Это приводит к повышению поверхностной твёрдости, износостойкости, жаропрочности и жаростойкости. Азотируют при температуре 850 – 950 ⁰С в течении 10 – 50 часов. При этом на поверхности образуется тонкий нитридный слой (0,06 – 0,2 мм) с твёрдостью V 12000.