4.9. Титан.

Титан относится к числу наиболее распространённых в природе элементов, его содержание в земной коре составляет 0,6 весовых %. Встречается главным образом в виде двуокиси TiO₂ или её соединений - титанатов. Известно свыше 60 минералов, в состав которых входит титан. Температура плавления титана составляет 1668±3°C. По своей тугоплавкости титан среди основных конструкционных металлов находится на первом месте.

Промышленным способом титан производят в виде титановой губки, которая маркируется по твердости специально выплавленных из нее образцов. Полученный в результате последовательного дробления губки, прессования, спекания и переплавки брикетов технический титан маркируется в зависимости от содержания примесей.

Титановая губка имеет марки: ТГ-100, ТГ-110, ТГ-120, ТГ-130, ТГ-150,

Марки технического титана: ВТ1-0, ВТ1-00, ВТ1-1, ВТ1-2.

Титан относится к легким металлам, его плотность при 0°C составляет 4,517Мг/м³, а при 100°C – 4,506Мг/м³. Титан обладает высокой прочностью. Его отличает способность сопротивляться разрушению, а также необратимому изменению формы (пластические деформации). Титан является твердым металлом. Он в 12 раз тверже алюминия, в 4 раза железа и меди. Кислород, азот, а также пластическая деформация повышают сопротивление ползучести. Специально обработанный титан имеет высокий предел текучести. Чем выше предел текучести материала, тем лучше детали из этого металла сопротивляются эксплуатационным нагрузкам. Предел текучести у титана почти в 18 раз выше, чем у алюминия. Удельная прочность сплавов титана может быть повышена в 1,5 – 2 раза. Его высокие механические свойства хорошо сохраняются при температурах вплоть до нескольких сот градусов.

Титан обладает высокими прочностными характеристиками и удельной прочностью в условиях глубокого холода.

Технический титан хорошо обрабатывается давлением при 20-25 °С и повышенных температурах. Из него изготовляют все виды прессованного и катаного полуфабриката (листы, трубы, проволоку, поковки и др.). Ковку проводят при температуре 1000-750 °С, горячую прокатку - на 100 °С ниже температуры ковки. Горячей прокаткой получают листы толщиной более 6 мм, листы меньшей толщины изготовляют холодной прокаткой или с нагревом до 650-700 °С. Титин прокатывают в фольгу толщиной до 0,01мм. Температура прессования титана составляет 950-1000 °С. Титан хорошо сваривается аргоновой, дуговой и всеми видами контактной сварки. Сварной шов обладает хорошим сочетанием прочности и пластичности. Прочность шва составляет 90 % прочности основного металла.

Титан проявляет исключительную стойкость в условиях кавитации, т.е. при усиленной «бомбардировке» металла в жидкой среде пузырьками воздуха, которые образуются при быстром движении или вращении металлической детали в жидкой среде. Эти пузырьки воздуха, лопаясь на поверхности металла, вызывают очень сильные микро удары жидкости о поверхность движущегося тела. Они быстро разрушают многие материалы, и металлы в том числе. Испытания в морской воде быстровращающихся дисков из титана и других металлов показали, что при вращении в течение двух месяцев титановый диск практически не потерял в массе. Внешние края его, где скорость вращения, а, следовательно, и кавитация максимальны, не изменились. Диски из других материалов не выдержали испытания: у всех внешние края оказались поврежденными, а многие из них вовсе разрушились.

Титан и сплавы на его основе проявляют эффект «памяти» формы. Сплавы титана с никелем, и особенно с никелем и водородом «запоминают» форму изделия, которую из них сделали при определенной температуре. Если такое изделие потом деформировать, например, свернуть в пружину, изогнуть, то оно останется в таком положении на долгое время. После нагревания до той температуры, при которой это изделие было сделано, оно принимает первоначальную форму. Это свойство титана широко используется в космической технике - разворачивание космических антенн. Медики вводят подобные пружины в виде проволоки в сосуды для последующего их увеличения в объёме и расширения сосудов.

Титан обладает сравнительно низкой теплопроводностью 22,07Вт/(мК), что приблизительно в 3 раза ниже теплопроводности железа, в 7 раз для магния, в 17–20 раз для алюминия и меди. Соответственно и коэффициент линейного термического расширения у титана ниже, чем у других конструкционных материалов: при 20⁰С он в 1,5 раза ниже, чем у железа, в 2 - у меди и почти в 3 - у алюминия. Таким образом, титан – плохой проводник электричества и тепла. Но при низких температурах титан проявляет сверхпроводящие свойства. Титан является парамагнитным металлом. Он не намагничивается, как железо, в магнитном поле, но и не выталкивается из него, как медь. Его магнитная восприимчивость очень слаба, это свойство можно использовать при строительстве, например, немагнитных кораблей, приборов, аппаратов. Немагнитность титана, представляет интерес для радиоэлектроники и электротехники.

Титан обладает высокой стойкостью к воздействию окислительных и коррозионных сред благодаря образованию на поверхности прочной оксидной пленки. Низкий модуль упругости, ползучесть, невысокая жаропрочность титана не позволяют применять его в качестве конструкционного материала для изготовления ответственных деталей. С повышением температуры происходит резкое снижение прочности титана, что обусловлено низкой температурой его рекристаллизации. Прочность титана можно повысить пластическим деформированием.

В чистом виде титан достаточно пластичен, имеет высокую удельную прочность, стоек к коррозии. Механические свойства титана определяются степенью его чистоты. Примеси кислорода, азота и углерода, образующие различные соединения с титаном, оказывают существенное влияние на его свойства. К числу наиболее вредных примесей относится водород, обуславливающий охрупчивание титана.

Титан плохо обрабатывается резанием, налипает на инструмент, что приводит к его быстрому износу. Для обработки титана требуется инструмент из быстрорежущей стали и твердых сплавов, малые скорости резания при большой подаче и глубине резания, интенсивное охлаждение. Недостатком титана является также низкая антифрикционность.

Технический титан применяют в химической промышленности, судостроении, ядерной энергетике. Для улучшения эксплуатационных характеристик титан легируют различными элементами.

Титановые сплавы. Достоинством титановых сплавов по сравнению с титаном являются более высокие прочность и жаропрочность при достаточно хорошей пластичности, высокой коррозионной стойкости и малой плотности.

Одним из важных преимуществ титановых сплавов перед алюминиевыми и магниевыми сплавами является жаропрочность, которая в условиях практического применения с избытком компенсирует разницу в плотности (магний 1,8, алюминий 2,7, титан 4,5). Превосходство титановых сплавов над алюминиевыми и магниевыми сплавами особенно резко проявляется при температурах выше 300°C, поскольку при повышении температуры прочность алюминиевых и магниевых сплавов сильно уменьшается, а прочность титановых сплавов остается высокой.

Титановые сплавы по удельной прочности (прочности, отнесенной к плотности) превосходят большинство нержавеющих и теплостойких сталей при температурах до 400 – 500 °C. Если учесть к тому же, что в большинстве случаев в реальных конструкциях не удается полностью использовать прочность сталей из-за необходимости сохранения жесткости или определенной аэродинамической формы изделия (например, профиль лопатки компрессора), то окажется, что при замене стальных деталей титановыми деталями можно получить значительную экономию в массе.

Недостатками титана являются его активное взаимодействие с атмосферными газами, склонность к водородной хрупкости. Азот, углерод, кислород и водород, упрочняя титан, снижают его пластичность, сопротивление коррозии, свариваемость.

Титан имеет две аллотропические модификации. Низкотемпературная модификация α-Ti со структурой типа гексагональной плотневшей упаковки при 882,5°C переходит в высокотемпературную модификацию β-Ti с объемно центрированной кубической структурой.

Легирующие элементы подразделяют в зависимости от их влияния на температуру полиморфного превращения титана (882,5°С) на две основные группы. Элементы α - стабилизаторы, расширяющие область существования α - фазы и повышающие температуру превращения – Al, Ga, Ge, La, С, О, N и элементы β - стабилизаторы, суживающие α - область и снижающие температуру полиморфного превращения, - V, Nb, Та, Zr, W, Mo, Cr, Mn, Fe, Co, Si, Ag.

Нейтральные элементы (Sn, Zr, Hf) мало влияют на температуру полиморфного превращения. Наибольшее практическое значение имеют олово и цирконий. Олово упрочняет титановые сплавы без заметного снижения пластичности, повышает жаропрочность; цирконий увеличивает предел ползучести и длительную прочность.

По технологии изготовления титановые сплавы подразделяются на деформируемые, литейные и порошковые.

По механическим свойствам сплавы классифицируют на сплавы нормальной прочности, высокопрочные, жаропрочные, повышенной пластичности.

По способности упрочняться с помощью термической обработки сплавы делятся на упрочняемые и неупрочняемые термической обработкой.

По структуре в отожженном состоянии сплавы классифицируются

на α-, псевдо-α, α + β, псевдо- β и β -сплавы.

Сплавы с α -структурой. К этой группе сплавов относят и технический титан. Это сплавы нормальной прочности при 20-25 °С, обладающие высоким сопротивлением разрушению при повышенных (350-500 °С) и криогенных температурах. Сплавы имеют высокую термическую стабильность свойств и обладают отличной свариваемостью в аргоновой дуге, а также всеми видами контактной и электронно-лучевой сварки. При этом прочность сварного шва составляет 90 % прочности основного сплава. Обрабатываемость резанием удовлетворительная. α-сплавы не упрочняются термической обработкой и применяются в отожженном состоянии. Сплавы с цирконием наиболее технологичны, но это самые дорогие из α-сплавов. В горячем состоянии сплавы куют, прокатывают и штампуют. Из сплава ПТ7М изготовляют горяче- и холоднокатаные трубы. Сплавы поставляют в виде прутков сортового проката, поковок, труб, проволоки. Они предназначены для изготовления деталей, работающих в широком диапазоне температур: от криогенных до 500 °С.

Псевдо- α-сплавы имеют преимущественно α—структуру. Легирование сплавов β -стабиливаторами (Мп, V, Nb, Mo) приводит к образованию 1-5 % β -фазы которая придаёт сплавам технологичность, пластичность при сохранении достоинств α-сплавов. Сплавы с низким содержанием алюминия (2-3 %) обрабатываются давлением в холодном состоянии и только при изготовлении деталей сложной формы подогреваются до 500—700 °С (ОТ4, ОТ4-1). На жаропрочность сплавов благоприятно влияют цирконий и кремний. Цирконий способствует увеличению растворимости β -стабилизаторов в α-фазе и повышает температуру рекристаллизации. Кремний повышает жаропрочность вследствие образования тонкодисперсных силицидов, трудно растворимых в α-фазе. Псевдо- α-сплавы легированные Zr, V, Mo, Nb, Si, используются в изделиях, работающих при наиболее высоких температурах. Недостатком этих сплавов является склонность к водородной хрупкости.

Двухфазные (α + β)-сплавы. Наибольшее упрочнение достигается при легировании титана эвтектоидообразующими β -стабилизаторами Fe, Сг, Мn и изоморфными Mo, V, Nb стабилизаторами. Ванадий и ниобий упрочняют сплавы слабее других, но и меньше снижают пластичность. Двухфазные сплавы упрочняются с помощью термической обработки закалки и старения. В отожженном и закаленном состояниях они имеют хорошую пластичность, а после старения приобретают высокую прочность и жаропрочность. Чем больше β -фазы содержится в структуре сплава, тем он прочнее в отожженном состоянии и сильнее упрочняется при термической обработке.

По структуре после закалки двухфазные сплавы подразделяют на два класса: мартенситный и переходный.

Сплавы мартенситного класса менее легированы и в равновесном состоянии содержат сравнительно немного β -фазы (5-25 масс. %). К этому классу относятся высокопрочные сплавы ВТ6, ВТ14, ВТ16 и жаропрочные сплавы ВТ8, ВТ9, ВТЗ-1. Сплавы переходного класса содержат больше легирующих элементов и соответственно больше β-фазы (25-50 масс. %). Наличие большого количества B-фазы обеспечивает сплавам переходного класса самую высокую прочность среди (α + β)-сплавов. Например, сплав ВТ22 (50 масс. % β-фазы) имеет после отжига такое же временное сопротивление, как сплав ВТ6 после закалки и старения. Двухфазные сплавы удовлетворительно обрабатываются резанием и свариваются. Двухфазные сплавы куются, штампуются и прокапываются легче, чем сплавы с α -структурой. Они поставляются в виде поковок, штамповок, прутков, листов, ленты.

Однофазные β-сплавы не имеют промышленного значения, так как для получения устойчивой β-структуры сплавы должны быть легированы большим количеством изоморфных β--стабилизаторов (V, Mo, Nb, Та), которые имеют высокую стоимость и обладающих высокой плотностью.

Псевдо-β-сплавы. Это высоколегированные в основном β-стабилизаторами сплавы. Суммарное количество легирующих элементов в них, как правило, превышает 20 масс. %. Наиболее часто их легируют Mo, V, Сг, реже Fe, Zr, Sn. Алюминий присутствует почти во всех сплавах в небольшом количестве (~ 3%). В равновесном состоянии они имеют в основном β-структуру и небольшое количество α-фазы. Наибольшее распространение в промышленности получил сплав ВТ15 (~3 % А1, ~8% Мо и 11 % Сг). Этот сплав выпускается в виде полос, листов, прутков, поковок и рекомендуется для длительной работы при температуре до 350 ^оС.

Литейные титановые сплавы. Небольшой температурный интервал кристаллизации обеспечивает высокую жидкотекучесть и плотность отливок из титановых сплавов. Они отличаются малой склонностью к образованию горячих трещин; линейная усадка в 1 %; объемная усадка 3 %. Плавку и заливку сплавов на основе титана осуществляют в среде нейтральных газов или в вакууме в связи с их высокой химической активностью при нагреве. Отливки изготовляют методом фасонного литья в чугунные, стальные и специальные формы. Для получения высококачественных сложных титановых отливок необходим комплексный подход к выбору оптимальных режимов литья как при плавке и заливке металла, так и при формировании отливки в литейной форме. Литейные сплавы обладают более низкими механическими свойствами, чем соответствующие деформируемые. Упрочняющая термическая обработка не применяется, так как резко снижает пластичность сплавов.

Порошковые титановые сплавы. Высокая стоимость изготовления и трудность механической обработки сплавов на основе титана являются серьезным препятствием на пути их широкого применения. Методы порошковой технологии позволяют повысить коэффициент использования металла путем уменьшения отходов при механической обработке и открывают потенциальные возможности получения готовых деталей для конструкций летательных аппаратов и двигателей.

Получение порошков из сплавов на основе титана является сложной проблемой вследствие вредного влияния различных примесей. Высокая химическая активность расплавленного титана исключает применение большинства огнеупоров в качестве материала для тиглей. Использование современных методов получения легированных порошков дуговой плавкой с вращающимся анодом и неподвижным вольфрамовым катодом, электроплазменной плавкой либо распылением в вакууме и других позволяет исключить загрязнения. Повышение качества полуфабрикатов и готовых деталей сложных форм может быть достигнуто в результате использования новых прогрессивных методов, таких, как горячее компактирование гранул, горячее изостатическое прессование легированных порошков (ГИП) с последующим спеканием в вакуума и др. Для изготовления деталей методами порошковой технологии используют сплавы ВТ5, ВТ5-1, ОТ4, ВТЗ-1.

Марки титановых сплавов.

Титановые литейные сплавы: ВТ14Л, ВТ1Л, ВТ20Л, ВТ21Л, ВТ3-1Л, ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ9Л.

Титановые деформируемые сплавы: 14, 2В, 3М, 5В, АТ-6, АТ3, ВТ14, ВТ15, ВТ16, ВТ18, ВТ18у, ВТ20, ВТ20-1св, ВТ20-2св, ВТ22, ВТ23, ВТ2св, ВТ3-1, ВТ5, ВТ5-1, ВТ6, ВТ6С, ВТ6св, ВТ8, ВТ9, ОТ4, ОТ4-0, ОТ4-1, ОТ4-1св, ОТ4св, ПТ-1М, ПТ-3В, ПТ-7М, Пт-7св, СПТ-2, ТС6.

В качестве примера рассмотрен химический состав сплава ВТ15 "Марочник стали и сплавов (www.splav.kharkov.com)". Титановый деформируемый сплав для изготовления кавитационно стойких изделий; класс по структуре псевдо β. Химический состав в масс. % материала ВТ15 (ОСТ   1-90013 – 81).

Fe	C	Si	Cr	Mo	N	Ti	Al	O	H
до   0.3	до   0.1	до   0.15	9.5- 11	6.8 - 8	до   0.05	76.8 - 81.4	2.3 - 3.6	до   0.12	до   0.012