Глава 14 материалы с высокой удельной прочностью

1. Титан и сплавы на его основе

1. Свойства титана и его сплавов

Титан — металл серого цвета, имеющий две полиморфные модифика­ции. Низкотемпературная (до 882 °С) модификация Т1_а характеризуется ГП решеткой с периодами а = 0,296 нм, с = 0,472 нм, высокотемператур­ная Т\р (при 900 °С) имеет ОЦК решетку с периодом а = 0,332 нм.

Полиморфное превращение (882 °С) при медленном охлаждении про­исходит по нормальному механизму с образованием полиэдрической структуры (рис. 14.1, а), а при быстром охлаждении — по мартенситному механизму с образованием игольчатой структуры (рис. 14.1, б).

Промышленный способ производства титана состоит в обогащении и хлорировании титановой руды с последующим ее восстановлением из

Рис. 14.1. Микроструктуры технического титана. хЗОО:

а - после отжига; б - после закалки

четыреххлористого титана металлическим магнием. Полученную при этом титановую губку (ГОСТ 17746-96) маркируют по твердости спе­циально выплавленных из нее образцов (ТГ-100, ТГ-110 и т.д.). Для по­лучения монолитного титана губку размалывают в порошок, прессуют и спекают либо переплавляют в дуговых печах в вакууме или атмосфере инертных газов.

Для уменьшения количества примесей и более равномерного их рас­пределения по сечению слитка рекомендуется его 2-3-разовая переплав­ка. Характерную для титановых слитков крупнозернистую структуру измельчают путем модифицирования цирконием или бором. Полученный в результате переплава технический титан (ГОСТ 19807-91) маркируют в зависимости от содержания примесей ВТ1-00 (сумма примесей < 0,10 %), ВТ1-0 (сумма примесей < 0,30 %).

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

Отличительными особенностями титана и его сплавов являются хо­рошие механические свойства, малая плотность, высокие удельная проч­ность, хорошие технологические свойства и отличная коррозионная стой­кость. Физические свойства чистого титана приведены в § 1.2.

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

Механические свойства титана характеризуются хорошим сочетани­ем прочности и пластичности (табл. 14.1).

Таблица 1^.1. Механические свойства иодидного и технического титана

Титан	Сумма	0В	00,2	6		Ф	НВ
	примесей, %	МПа			%
ВТ 10	0,30	450 - 600	380 - 500	20-25		50	207
Иодидный	0,093	250 - 300	100-150	50-60		70-80	130

Высокая пластичность иодидного титана по сравнению с другими ме­таллами, имеющими гексагональную кристаллическую решетку (2п, Сс1, Мц), объясняется большим количеством систем скольжения и двойнико- вания благодаря малому соотношению с/а = 1,587. Помимо базисных плоскостей (0001) скольжение в титане происходит по призматическим (1010) и пирамидальным (1011) плоскостям, двойникование — по плоско­стям (1012), (1121), (1122) и т.д.

б, % НУ

4

с_в, МПа

0 0 0,1 0,2 0,3 0,4

Содержание примесей, %

300

200

’ч

I I I I и

И 0,5 1,0 1,5 2,0 Н

—<► Н,%

Рис. 14.3. Диаграмма состоя­ния системы Т1 - Н

0

20

100

Рис. 14.2. Зависимость меха­нических свойств титана от содержания примесей

Механические свойства титана сильно зависят от наличия примесей (см. табл. 14.1), особенно водорода, кислорода, азота и углерода, кото­рые образуют с ним твердые растворы внедрения и промежуточные фа­зы: гидриды, оксиды, нитриды и карбиды. Небольшое количество кисло­рода, азота и углерода повышает твердость, временное сопротивление и предел текучести, однако при этом значительно уменьшается пластич­ность (рис. 14.2), снижается коррозионная стойкость, ухудшаются сва­риваемость, способность к пайке и штампуемость. Поэтому содержание этих примесей в титане ограничено сотыми, а иногда тысячными доля­ми процента. Аналогичным образом, но в меньшей степени, влияют на его свойства железо и кремний, образующие с титаном твердые растворы замещения.

Неоднозначно действие водорода на структуру и свойства титановых сплавов. Он образует с Т1_а твердый раствор внедрения малой концентра­ции. Максимальная растворимость водорода в Т1_а соответствует эвтекто- идной температуре 335 °С и составляет 0,18 % (рис. 14.3). При понижении температуры она резко уменьшается (до 0,002% при 20 — 25°С), вслед­ствие чего образуется вторичная 7^,-фаза, представляющая собой гидрид титана ТШг- Частицы Т1Н2 в виде тонких хрупких пластин располага­ются по границам зерен Т1_а, а- и псевдо-а-сплавов, что резко снижает их ударную вязкость. Водородная хрупкость особенно опасна в сварных конструкциях из-за наличия в них напряжений. Поэтому допустимое со­держание водорода в техническом титане, а- и псевдо-а-сплавах не должно превышать 0,002 - 0,08 %.

Будучи /3-стабилизатором, водород активно растворяется в Т1^, на­пример, при литье, сварке, горячей обработке давлением, термической обработке. Максимальная растворимость водорода в Т\р составляет ~ 2,0 %. Источником наводороживания являются в основном пары воды из окружающей среды. В результате реакции

Т1 + 2Н₂0 -» ТЮ₂ + 4Н++ 4е^_

образуется оксид титана и твердый раствор водорода в Протоны во­дорода размещаются в межузельных порах и дефектах кристаллического строения титана (дислокации, вакансии и т.д.), где они образуют моле­кулы. Это создает большие внутренние давления в Т)^, особенно при охлаждении, что вызывает водородную хрупкость. При нагреве в вакуу­ме процесс идет в обратном направлении, т.е. молекулы водорода диссо­циируют, образующиеся при этом протоны диффундируют к поверхности изделия и удаляются из него в процессе вакуумного отжига. Однако, явля­ясь /3-стабилизатором, водород сильно снижает критические точки /З^а- превращения, увеличивая количество /3-фазы в отожженном и закаленном состояниях и предотвращая тем самым интенсивный рост зерна /3-фазы при термической обработке.

Водород повышает стабильность /3-фазы, снижает критическую ско­рость закалки, а также температуры начала и конца мартенситного пре­вращения, увеличивает прокаливаемость и позволяет при малых скоро­стях закалки получить большое количество стабилизированных водоро­дом метастабильных фаз. Неравномерно распределяясь между а- и /3- фазами, водород вызывает перераспределение между ними основных леги­рующих компонентов, т.е. изменяет условия распада водородосодержащей /3-фазы. Это создает напряжения в обеих фазах, при которых зародыши а-фазы теряют связь с матрицей; изменяется объемный эффект превраще­ния и количественное соотношение фаз. Все это расширяет возможности управления морфологией и размерами частиц а-фазы.

При легировании водородом а- и псевдо-а-сплавов происходит эвтек- тоидное превращение, механизм которого включает элементы мартенсит­ного превращения, что в сочетании с низкой температурой превращения способствует возникновению большого количества структурных дефек­тов, наследуемых /3-фазой при последующем нагреве.

Относительно малая скорость диффузии основных легирующих ком­понентов по сравнению с водородом дает возможность при дегазации выде­литься из метастабильной а'-фазы мелкодисперсной а-фазы, состав кото­рой отличается от исходной а'-фазы большей концентрацией легирующих элементов и меньшим содержанием алюминия.

При повышении температуры до 250 °С прочность снижается почти в 2 раза. Титан обладает склонностью к ползучести даже при 20 — 25 °С. Его предел ползучести составляет ~60 % от предела текучести. Приме­си кислорода, азота, а также пласти­ческая деформация повышают сопро­тивление ползучести титана.

Т

о_в, с_0>2, МПа 6, %

Рис. 14.4. Зависимость меха­нических свойств титана от степени пластической дефор­мации

итан — хладостоек. При тем­пературе жидкого гелия его а_в = = 1250 МПа. При этом, если содер­жание водорода мало (< 0,002 %), ти­тан сохраняет высокую пластичность {6 = 15... 20%).

Пластическая деформация значи­тельно повышает прочность титана (рис. 14.4). При степени деформации 60-70 % сг_в и сто,2 возрастают почти в 2 раза. Для снятия наклепа проводят рекристаллизационный отжиг при 650- 750 °С.

При повышении температуры титан активно поглощает газы: начи­ная с 50 — 70 °С — водород, свыше 400 — 500 °С — кислород и с 600 — 700 °С — азот, оксид и диоксид углерода. Высокая химическая активность рас­плавленного титана требует применения при плавке и дуговой сварке ва­куума или атмосферы инертных газов. Вместе с тем благодаря способ­ности к газопоглощению при повышении температуры титан нашел при­менение в радио- и электронной промышленности в качестве геттерного материала. Геттеры предназначены для повышения вакуума электронных ламп.

Технический титан хорошо обрабатывается давлением. Из него изго­товляют все виды прессованного и катаного полуфабриката: листы, тру­бы, проволоку, поковки. Титан хорошо сваривается аргонодуговой 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. Для обработки титана требу­ются инструменты из быстрорежущей стали и твердых сплавов, малые скорости резания при большой подаче и глубине резания, интенсивное охлаждение. К недостаткам титана относятся также низкие жаростой­кость и антифрикционные свойства.