Вопрос 3. Область применения и особенности титановых сплавов.

Титан — металл серого цвета с температурой плавления 1 668 °С, имеет две аллотропические модификации: до 882 °С существует -титан с гексагональной решёткой, а при более высоких температурах — -титан с ОЦК решёткой. Технический титан изготовляют двух марок: ВТ1-00 (99,53 % Ti) и ВТ1-0 (99,46 % Ti). Его поставляют в виде листов, труб, прутков и других полуфабрикатов.

На поверхности титана легко образуется стойкая оксидная плёнка, повышающая сопротивление коррозии в морской воде, в некоторых кислотах и других агрессивных средах.

По сравнению с техническим титаном сплавы имеют лучшую пластичность, более высокую жаростойкость и прочность при повышенных температурах. Маркировка титановых сплавов включает буквенное обозначение вида сплава, отражающее наименование организации-разработчика (ВТ — "ВИАМ титан"; ПТ — "Прометей титан", разработчик — ЦНИИ КМ "Прометей" г. Санкт-Петербург; ОТ — "Опытный титан", разработчики — ВИАМ и завод ВСМПО г. Верхняя Салда Свердловской области) и порядковый номер сплава. Иногда в марку сплава добавляются буквы: У — улучшенный, М — модифицированный, И — специального назначения, Л — литейный, В — сплав с V вместо Mn.

Легирование титана Fe, Al, Mn, Cr, Sn, V, Si повышает его прочность, но одновременно снижает пластичность и ударную вязкость. Жаропрочность повышают Al, Zr, Mo, а коррозионную стойкость в растворах кислот — Mo, Zr, Nb, Та и Pd. Титановые сплавы имеют высокую удельную прочность (характеризуемую отношением предела прочности к плотности). Такие элементы, как Al, N, О, повышают температуру полиморфного превращения  и расширяют область -фазы; их называют -стабилизаторами. Элементы Mo, V, Mn, Fe, Cr понижают температуру полиморфного превращения и расширяют область существования -фазы; их называют -стабилизаторами. Некоторые -стабилизаторы (Cr, Mn, Fe и др.) образуют с титаном интерметаллические соединения типа Ti_xM_y. При охлаждении -фаза претерпевает эвтектоидное превращение +Ti_xM_y. Эвтектоидное превращение протекает медленно, и при обычных скоростях охлаждения сплав состоит из фаз  и , а не +Ti_xM_y.

Как правило, все промышленные сплавы титана содержат алюминий.

По структуре различают -сплавы (здесь -фаза — твёрдый раствор легирующих элементов в -титане; основной легирующий элемент — алюминий) и (+)-сплавы, легированные - и -стабилизаторами.

Титановые сплавы в зависимости от их состава и назначения можно подвергать отжигу, закалке, старению и химико-термической обработке. Чаще титановые сплавы подвергают отжигу, который проводят при температуре 800–850 °С (для -сплавов) или при 750–800 °С (для (+)-сплавов). Листовые полуфабрикаты отжигают при более низкой температуре (740–760 °С). Иногда применяют изотермический отжиг (870–980 °С и выдержка при 530–660 °С).

В последние годы все шире применяют вакуумный отжиг, который позволяет уменьшить содержание водорода в титановых сплавах, что приводит к существенному повышению вязкости разрушения, уменьшению склонности к замедленному разрушению и коррозионному растрескиванию. Для снятия внутренних напряжений, возникающих при механической обработке сплавов, применяют неполный отжиг при температуре 550–650 °С.

При охлаждении со скоростью выше критической (закалке) сплавов, нагретых до области -фазы, протекает мартенситное превращение³ в интервале температур. Мартенситная -фаза представляет собой пересыщенный твёрдый раствор замещения легирующих элементов в -титане.

В процессах старения закалённых сплавов при 500–600 °С происходит распад мартенситных фаз и метастабильной -фазы. При этом происходит упрочнение сплавов, обусловленное образованием дисперсных выделений -фазы. Наибольшее упрочнение после закалки и старения получают сплавы с высоким содержанием -стабилизаторов.

Титановые сплавы обладают малой прокаливаемостью, имеют низкое сопротивление износу и для повышения износостойкости подвергаются азотированию при температуре 850–950 °С в течение 30–60 ч в атмосфере азота.

Сплавы титана применяют во многих других отраслях народного хозяйства там, где главную роль играют небольшая плотность, высокая удельная прочность, теплостойкость и хорошая сопротивляемость коррозии. Недостатками титана как конструкционного материала считаются сравнительно высокая стоимость, плохая обрабатываемость резанием, активное поглощение газов при высоких температурах, плохие антифрикционные свойства.

В соответствии с технологией изготовления титановые сплавы подразделяются на:

1) деформируемые (ВТ5-1, ВТ3-1, ВТ20 и др.):

- повышенной пластичности (ОТ4-1);

- средней прочности (ВТ5-1, ВТ20);

- высокопрочные (ВТ22, ВТ23);

- жаропрочные для работы при температурах 450–600 °С (ВТ3-1, ВТ9, ВТ18, ВТ25);

2) литейные (ВТ1Л, ВТ5Л, ВТ5-1Л, ВТ3-1Л, ВТ9Л, ВТ20Л, ВТ21Л и др.):

- упрочняемые термообработкой

- неупрочняемые термообработкой.

Деформируемый -сплав ВТ5 (с 5% Аl) хорошо обрабатывается давлением в горячем состоянии и сваривается; обладает высокой сопротивляемостью коррозии, но склонен к водородной хрупкости. Дополнительное легирование сплава ВТ5 оловом (сплав ВТ5-1) улучшает свойства сплава.

Наилучшее сочетание свойств достигается в +-сплавах.

Сплав ВТ6 (5% А1, 4,5% V) обладает хорошими механическими и технологическими свойствами и упрочняется термической обработкой (закалкой и старением).

Для сварных конструкций применяется сплав ВТ14С, содержащий меньше алюминия (5,5%).

Сплав ВТ14 (5,5% А1, 1,3% V, 3% Мо) рекомендуют применять для изготовления тяжелонагруженных деталей и деталей, длительное время работающих при температуре 400 °С или кратковременно при температуре 500 °С. Сплав упрочняют закалкой от температуры 850–880 °С в воде и последующим старением при температуре 480–500 °С в течение 12–16 ч.

Жаропрочный сплав ВТ8 (6,5% А1, 3,5% Мо) применяют после изотермического отжига. Сплав обладает высоким сопротивлением ползучести и длительной прочностью (до температуры 500 °С), но плохо сваривается. Его используют в виде поковок и штамповых заготовок. Для фасонного литья применяют сплавы BT5Л, ВТ6Л, ВТ14Л, которые обладают достаточно хорошими литейными и механическими свойствами.

Сплавы на основе никелида титана TiNi обладают памятью формы — способностью восстанавливать свою форму после снятия деформации. Такие сплавы используются в космической технике, а также при установке самозаклёпывающихся заклёпок в труднодоступных местах и для изделий, многократно меняющих форму при нагреве и охлаждении.