Материаловедение
Титановые
сплавы
Титан – переходный металл, Тпл. = 1668 °С, имеет
плотность 4,51 г/см3. При температуре 882,5 °С Ti претерпевает полиморфное превращение: ниже 882,5°С имеет ГП решетку (α-Ti), выше 882,5 °С – ОЦК решетку (β-Ti). Имеет низкую теплопроводность (в 13 раз меньше теплопроводности Al и в 4 раза меньше Fe. Поэтому Ti листы иногда используют в качестве противопожарных перегородок на самолетах.
Титановые сплавы обладают почти в два раза более низким, чем у стали, модулем упругости, что ограничивает их применение в конструкциях, требующих высокой жесткости. В конструкции самолета масса титановых сплавов составляет почти 30 %.
Чистый титан, содержащий не более 0,05...0,1 % примесей, обладает высокой пластичностью (δ = 50...60 %, ψ = 70...80 %) и низкой прочностью (σв =
20...250 МПа). Путем рационального легирования прочность титана повышают до σв = 1600 МПа, которая сохраняется почти до 350 °С.
Титан и его сплавы имеют исключительно высокую коррозионную стойкость. Коррозионная стойкость титана высока в тех средах, которые не разрушают его оксидную защитную пленку – в азотной, разбавленной серной и уксусной кислотах, в сероводороде, царской водке и во многих других агрессивных средах. Коррозионная стойкость титана может быть повышена легированием рением, танталом, ниобием, молибденом и цирконием.
Титан и его сплавы имеют следующие недостатки.
1.Титан склонен к коррозии под напряжением в присутствии хлорида натрия при 215...550 °С.
2.При температурах выше 400 °С титан активно поглощает азот, кислород, водород. Увеличение содержания этих газов, а также углерода приводит к охрупчиванию титана.
3.Титан обладает низкими антифрикционными свойствами и высоким коэффициентом трения.
4.Титановые сплавы менее технологичны, чем алюминиевые сплавы и стали, их труднее отливать, сваривать, обрабатывать резанием.
Классификация титановых сплавов
Титановые сплавы делят на пять групп.
1.α-сплавы: ВТ1-00, ВТ1-0, ВТ5, ВТ5-1.
2.Псевдо-α-сплавы: ОТ4-0, ОТ4-1, ВТ4, ОТ4-2, ВТ18, ВТ20.
Сплавы этих двух групп не упрочняются при термической обработке, поэтому
их применяют в отожженном состоянии.
3. (α + β)-сплавы: ВТ6, ВТ3-1, ВТ8, ВТ9, ВТ14, ВТ16, ВТ23, ВТ25, ВТ33. Это мартенситные сплавы, упрочняющиеся при термической обработке. Сплав
ВТ25 относят к (α + β)-сплавам с преобладанием α-фазы.
4. (α + β)-сплавы переходного класса: ВТ22, ВТ30. В стабильном состоянии эти сплавы содержат от 25 до 50% β-фазы, обладают высокой дисперсностью α- и β-фаз, отличаются максимальным эффектом упрочнения при обработке и
высокой прокаливаемостью.
5. β-сплавы: ВТ15, ВТ32, 4201. Сплавы с β-структурой находят ограниченное применение. Например, сплав ВТ15 после закалки и старения имеет σв =
1500 МПа при δ = 6 %, однако такую высокую прочность не удается реализовать в сварных соединениях из-за неудовлетворительной свариваемости этого сплава.
По способу производства заготовок сплавы бывают деформируемые и литейные.
В авиационной технике в основном применяют деформируемые сплавы. Деформируемые титановые сплавы дополнительно подразделяют в
зависимости от уровня механических свойств на следующие группы:
сплавы повышенной пластичности – ВТ1, ОТ4, ОТ4-1 (δ > 20 %, σв=600 МПа); сплавы средней прочности – ВТ5-1, ВТ4, ВТ16, ВТ20 (σв = 600...1000 МПа); высокопрочные сплавы – ВТ14, ВТ22, ВТ23, ВТ15 (σв = 1000... 1500 МПа); жаропрочные сплавы – ВТ3-1, ВТ9, ВТ18, ВТ25 (σв = 1000...1500 МПа).
Литейные сплавы используют для получения фасонных отливок. Для фасонного литья применяют сплавы ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ14Л, ВТ9Л, ВТ3-1Л. Эти сплавы обладают высокими литейными свойствами.
Титановые сплавы применяют до температур 400...600 °С.
Титановые α- и псевдо-α сплавы
Титановые α- и псевдо-α сплавы применяют для изготовления сварных конструкций силовых узлов крыла, фюзеляжа, обшивки самолета, корпусов компрессоров, дисков, лопаток, колец, опор, деталей второго контура газотурбинных двигателей. Они дают уменьшение массы конструкции летательного аппарата до 20…25 %.
Сплавы с α-структурой лучше, чем (α + β)- и β-сплавы, свариваются, штампуются, обладают наиболее высокой термической стабильностью. В авиастроении успешно применяют α-сплавы ВТ5-1, ОТ4-1, ВТ20, ВТ18У.
Сплав ОТ4-1 относится к первым отечественным α-сплавам, обладает удовлетворительной технологической пластичностью при листовой штамповке, хорошо сваривается, обладает высокой термической стабильностью при длительных нагревах под напряжением, имеет умеренные характеристики прочности и жаропрочности. При комнатной температуре его структура состоит в основном из α-фазы. Сплав применяют для изготовления листов, лент, плит, прутков, поковок, труб, профилей и деталей из них.
Сплав ВТ5-1 является однофазным. После отжига в нем образуется равновесная и стабильная мелкозернистая структура, обладающая повышенной пластичностью при умеренной прочности. Максимальную прочность сплав приобретает при охлаждении от 800 °С на воздухе, а наиболее высокое сопротивление усталости достигается при равновесной полиэдрической зеренной структуре. Применяют его в виде листов, прутков, поковок, штамповок.
Сплав ВТ20 – псевдо-α сплав, содержит в отожженном состоянии 5...7% β- фазы. Его структура зависит от температуры и степени горячей деформации, которые определяют текстуру, размеры и морфологию α-фазы. Рабочая температура до 450 °С. Сплав ВТ20 применяют для изготовления листов, труб, профилей, поковок, штамповок для нагруженных узлов самолета, опор валов авиационных двигателей и других деталей.
Сплав ВТ 18 является одним из наиболее жаропрочных титановых α-сплавов, работоспособность до 550...600 °С. Высокая жаропрочность сплава ВТ18 обеспечивается большим содержанием алюминия и циркония. Структура состоит из α-фазы и небольшого количества β-фазы. Недостатком сплава BT18 являются плохая свариваемость и сравнительно невысокая технологическая пластичность. При содержании алюминия выше 7 % в сплаве выделяется фаза Ti3Al, что приводит к повышению прочности и жаропрочности при
одновременном падении пластичности и ударной вязкости. Сплав применяют для изготовления лопаток и дисков компрессоров авиационных двигателей. Для повышения однородности структуры и уменьшения вероятности получения областей, обогащенных алюминием, разработан сплав ВТ18У, содержащий меньшее количество алюминия и циркония и дополнительно легированный оловом. Сплав ВТ18У применяют для тех же целей, что и сплав ВТ18 (в осевых компрессорах для изготовления дисков).
Деформируемые титановые (α + β)-сплавы
Для изготовления нагруженных деталей и узлов авиационных конструкций успешно применяют двухфазные титановые (α + β)-сплавы ВТ3-1, ВТ8, ВТ9, ВТ25У, а также ВТ22, который относят к (α + β)-сплавам мартенситного класса с преобладанием α-фазы. Высокое содержание алюминия, а также введение в
сплавы олова, циркония, молибдена, хрома, вольфрама и ванадия обеспечивают повышение прочности и жаропрочности сплавов. Преимуществом сплавов с преобладанием α-фазы является способность сохранять прочностные свойства до более высоких температур по сравнению с (α + β)-сплавами.
В конструкциях, работающих при высоких нагрузках и умеренно высоких температурах, выгоднее использовать (α + β)-сплавы, тогда как при высоких температурах лучше ведут себя детали из жаропрочных α-сплавов.
(α + β)-сплавы упрочняют путем легирования твердых α- и β-растворов вводимыми элементами, а также в результате дисперсионного твердения при термической обработке. Для жаропрочных (α+β)-сплавов режимы термической обработки назначают из условий повышения и прочности, и жаропрочности, а также термической стабильности сплава в интервале рабочих температур. Кроме того, жаропрочные (α + β)-сплавы должны обладать хорошей вязкостью разрушения, высоким сопротивлением усталости и стойкостью к окислению.
Жаропрочные (α + β)-сплавы используют для изготовления в основном дисков и лопаток компрессоров авиационных ГТД.
Сплав ВТ22 переходного класса и в стабильном состоянии содержит (25...50)% β-фазы. Его структура отличается высокой дисперсностью смеси частиц а- и β- фаз, обусловленной примерно одинаковым их количеством. Обе фазы в сплаве сильно упрочнены алюминием, молибденом, ванадием, хромом и железом. Сплав характеризуется максимальным эффектом упрочнения при термической обработке и высокой прокаливаемостью, а его механические свойства существенно зависят от размера зерна. Термическая обработка сплава ВТ22 по стандартным режимам не приводит к существенному изменению размера зерна. Его успешно используют для изготовления высоконагруженных деталей и узлов, работающих до 350...400 °С: лонжеронов, стрингеров, шпангоутов, корпусов и т. д.
Температурные ограничения для титановых сплавов обусловлены прежде всего процессами, связанными с окислением и диффузией элементов, которые приводят к разупрочнению сплавов, потере ими пластичности, увеличению твердости поверхностного слоя. В связи с этим эксплуатация деталей из титановых сплавов при повышенных температурах ограничена.
После упрочняющей термической обработки титановым сплавам устанавливают меньший ресурс. Так, для сплава ВТ3-1 при температуре 400°С он составляет 1000 ч, а при 450 °С уменьшается до 500 ч. Для сплава ВТ9 при 450 °С ресурс составляет 1000 ч, а при 500 °С – всего 100 ч. Поэтому для деталей, работающих при температурах выше 600 °С, применяют жаропрочные и жаростойкие стали и никелевые сплавы.
