книги из ГПНТБ / Пульцин Н.М. Титан и его применение в авиации

стовые детали наружного кожуха двигателя, болты, валы и другие детали.

Титан и его сплавы могут быть широко использованы в конструк­ циях ракет. Необходимо отметить, что ввиду непродолжительной ра­ боты ракеты титановые сплавы, применяемые в ее конструкции, мо­ гут быть использованы при температурах, значительно превышаю­ щих обычные рабочие температуры этих материалов. В этом случае малая продолжительность выдержки при высокой температуре в про­ цессе эксплуатации практически исключает опасность охрупчивания и разупрочнения титанового сплава. Имеются сведения, что многие титановые сплавы, легированные алюминием, ванадием, молибденом и хромом, выдерживают высокие кратковременные напряжения до 760°. В межконтинентальной ракете Атлас из титанового сплава, со­ держащего 6% А1 и 4% V, предполагается изготовлять сферические резервуары для сжатого гелия, применяемого для регулировки пода­ чи топлива в камеру сгорания.

Сплав В 120VCA, содержащий 13% V, 11% Сг и 3% А1, имеет структуру Р и используется для производства поковок, листов н проволоки. Он хорошо деформируется, легко сваривается, подвер­ гается упрочнению закалкой и старением и предназначается для изготовления сотовых панелей. При нагревах в течение 2—3 минут этот сплав может быть использован при температурах до 815° [44].

Для авиационных деталей, изготовляемых штамповкой, и в част­ ности для сотовых панелей, может применяться сплав C105VA, со­ держащий 16% V и 2,5% А1. Он выпускается' в виде листав, полос и проволоки и обладает настолько хорошей пластичностью, что мо­ жет быть прокатан в фольгу [43]. Для изготовления сотовых панелей может применяться также сплав MST-185, содержащий 1 % А1, 8% V и 5% Fe и являющийся достаточно прочным в отожженном состоя­ нии [45].

Для деталей реактивных двигателей и летательных аппаратов при скоростях, соответствующих ЗМ, рекомендуется сплав MST-881, со­ держащий 8% А1, 8% Zr и 1% Та и Nb [46]. Этот сплав имеет вы­ сокую длительную прочность до 590° и высокую кратковременную прочность до 815°. По своим механическим свойствам он превосхо­ дит многие стали.

Сплав марки 821, содержащий 8% АГ, 2% Nb и 1 % Та, обладает повышенной жаропрочностью, хорошо сваривается и может приме­ няться для обшивки летательных аппаратов, а также для дисков и лопаток компрессоров газовых турбин. Изготовление из титана де­ талей ротора компрессора способствует уменьшению напряжений от центробежных сил. Поэтому титановые сплавы в большом количе­ стве идут для изготовления лопаток компрессора.

Титан, примененный в авиационном производстве Англии в 1956г., был использован :40%—для лопаток компрессора, 20% — для противопожарных перегородок, 20% —для капотов двига­ телей, 5%—для дисков компрессора и распорных колец, 5% —

68

для самолетных деталей и 10%—для других назначений. По сообщению представителя фирмы Imperial Chemical Industries (10],

около 90% всего производства титана в Англии потребляется авиационной промышленностью. Это говорит о том, что в на­ стоящее время главным потребителем титана и его сплавов является авиация.

Намечается применение титановых сплавов и в конструкциях вертолетов. Использование листового титана для полов и, дверей, а также для обшивки лопастей несущих винтов позволяет значительно снизить вес вертолета и повысить его грузоподъемность. Для одного из вертолетов был изготовлен из титана экспериментальный выхлоп­

ной коллектор.

Артиллерия. Титан и его сплавы, привлекательны для артилле­ рийских установок, минометов и другого вооружения своим малым удельным весом, позволяющим облегчить транспортировку как при переноске на руках, так и при перевозке по воздуху. Однако высо­ кая стоимость титана ограничивает широкое применение его при оборудовании артиллерийских установок. Поэтому в настоящее вре­ мя в серийных. артиллерийских установках титановые конструкции встречаются еще сравнительно редко. Тем не менее, в расчете на сни­ жение стоимости титана, ведутся большие экспериментальные ра­ боты по использованию его в артиллерии. В результате этих работ установлена возможность успешного применения титановых сплавов для многих деталей орудий, например орудийных станков, крестовин лафетов, цилиндров противооткатных приспособлений и броневых

п.тит.

Титан и его сплавы могут получить широкое распространение при производстве управляемых снарядов и ракет. Предполагается использовать титан и его сплавы для изготовления гранатометов, ручных огнеметов, штыков и касок для солдат. При изготовлении опорной плиты миномета не из стали, а из титана был получен вдвое меньший вес, что позволило уменьшить число обслуживающего пер­

сонала.

При испытаниях в полевых условиях деталей артиллерийских установок, изготовленных из технического титана и сплавов его с алюминием, хромом, марганцем и железом, было обнаружено, что эти детали хорошо служат в жестких условиях работы. Разруши­ лось всего лишь несколько промежуточных и передних рессорных подвесок, которые испытывались в кованом виде без удаления по­ верхностного загрязненного слоя металла. Приводные валы, выто­ ченные из поковок сплава с 4% А1 и 4% Мп, изготовленных тем же способом, что и подвески, успешно выдержали тяжелые испытания. Вероятно, удаление поверхностного слоя играет очень важную роль

вобеспечении эксплуатационной надежности деталей.

Военно-м орской ф л о т и ги др оа ви а ци я . Применение титана и его

сплавов при строительстве судов и различного оборудования для них, а также при изготовлении гидросамолетов, особенно их лодок, объясняется высокой коррозионной стойкостью этих материалов и

69

хорошей прочностью при малом-, удельном весе. Титановые сплавы обеспечивают повышение грузоподъемности, маневренности, дально­ сти действия и боевой эффективности военных кораблей и гидроса­ молетов. Они могут применяться для обшивки судов, подводных ло­ док, торпед, лодок и корпусов гидросамолетов и для других назна­ чений.

Применение титана и его сплавов для выхлопных глушителей ди­ зелей подводных лодок, дисков измерительных приборов, тонкостен­ ных труб для конденсаторов и теплообменников обеспечивает зна­ чительное увеличение срока службы этих деталей. Титановые диски измерительных приборов, работающие в контакте с соленой водой, бензином или маслом, обладают весьма высокой стойкостью против коррозии. То же относится и к титановым трубам теплообменников, омываемым снаружи морской водой, а изнутри выхлопным конден­ сатом. Предполагается использовать титан для антенн и других де­ талей радиолокационных установок, подвергаемых воздействию ды­ мовых газов и морской воды.

Х и м и че ска я пром ы ш ле нность. Основным свойством титана и его

сплавов, обеспечивающим широкое применение этих материалов в химической промышленности, является высокая коррозионная стой­ кость. Благодаря этому свойству удается в несколько раз повысить срок службы многих деталей химического оборудования при изго­ товлении их из титана вместо сталей и других материалов.

Титан применяется для змеевиков в лабораторных теплообменни­ ках, работающих, в частности, на разъедающих кислотных растворах. Из него может быть изготовлено устройство для химического удале­ ния окалины и обезжиривания. Очень важной областью применения титана и его сплавов являются баллоны высокого давления для га­ зов и жидкостей. Игольчатый клапан для пропуска влажного хлора, изготовленный из титана, надежно работает в течение длительного времени.

Титан применяется для различных деталей химической аппара­ туры: труб, вентилей, клапанов, сеток, деталей насосов и других. Лопасти и кожухи центробежных насосов, применяемых для пере­ качки различных органических кислот, хлоридов, раствора соляной кислоты концентрации 3,5% и сухого хлора, изготовленные из тита­ на, могут работать в течение нескольких лет, в то время как ранее применявшиеся для этих деталей никельхромомолибденовые сплавы служили менее года.

Титановые инжекторы для высоких скоростей пара и разбавлен­ ной соляной кислоты работают без коррозии более 2,5 лет, а чугун­ ные выходят из строя через 3 месяца. Титановые вентили в трубах для агрессивных жидкостей работают при давлении 2 кг/мм2 более

1680 часов, а вентили, изготовленные из нержавеющей стали, в тех же условиях работы требуют замены уже через 70 часов. Барабаны для перемешивания двуокиси хлора, покрытые изнутри титановыми листами, работают без коррозии в течение года, а никельхромомолибденовые требуют замены через 5 часов.

70

Титановые сплавы применяются для высокоскоростных центри­ фуг, где важное значение имеет уменьшение вращающейся массы. Трубы теплообменников для 'перегонки паров азотной кислоты с целью уменьшения взрывоопасности целесообразно изготовлять не из чистого титана, а из сплава его с алюминием.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Изготовление деталей и конструкций из титана и его сплавов осу­ ществляется посредством обычных методов обработки, широко при­ меняемых при получении изделий из сталей, алюминиевых и других сплавов. Титановые сплавы подвергаются горячей обработке давле­ нием, обработке резанием, сварке, пайке и т. д., причем эти методы применимы к титану почти так же свободно, как и к другим метал­ лическим материалам. Только метод изготовления титановых отли­ вок пока еще находится в стадии разработки.

По способности обрабатываться давлением и резанием титан во многом аналогичен аустенитной нержавеющей стали. Тем не менее титану и его сплавам свойственны некоторые технологические осо­ бенности, связанные с природой самого металла, высокой актив­ ностью его при взаимодействии с другими элементами, значитель­

ным изменением свойств -в результате этого взаимодействия и с дру­ гими качествами титана.

Рассмотрим некоторые технологические особенности титана и его сплавов по основным методам обработки.

Л и ть е и специальны е способы получе н и я ко м п а к тн о го ти та н а .

Титан является литейным материалом, так как он обладает высо­ кой жидкотекучестью, имеет низкий коэффициент термического рас­ ширения и не склонен к газовой пористости. Трудности изготовления титановых отливок связаны с высокой химической активностью ти­ тана в расплавленном состоянии и возможностью загрязнения его различными примесями, снижающими пластичность и вязкость ме­ талла. Эти трудности преодолеваются путем использования ней­ тральной атмосферы или глубокого вакуума в зоне плавки, приме­ нения эффективных способов нагрева — электродугового или индук­ ционного и изыскания инертных материалов для тиглей и литейных форм. Метод эффективного расплавления титана без загрязнения с использованием нейтральной атмосферы, вакуума, электродугового и, частично, индукционного нагрева, достаточно хорошо разработан­ ный применительно к металлургическим процессам получения ком­ пактного металла, может быть использован и при изготовлении ти­ тановых отливок. В этой части проблема литья титана более или ме­ нее решена. Однако в области изыскания подходящего материала для тиглей и литейных форм сделано еще очень мало.

Все обычные огнеупорные материалы и фор'мовочные земли ак­ тивно взаимодействуют с расплавленным титаном, вследствие чего из них нельзя изготовлять ни тигли, ни формы для титанового литья. Проведенные исследования позволили установить пока только че­

71

тыре материала — графит, рекристалйпзованную окись кальция, рекристаллизованную окись тория и карбид титана, способные выдер­ живать длительный контакт с титаном при температуре выше точки его плавления. Однако из всех этих материалов сравнительно недо­ рогим и легко доступным является только графит. Поэтому для литья титана в настоящее время нашли некоторое применение гра­ фитовые кокили, хотя использование их и связано с известными ог­ раничениями ввиду высокой стоимости обработки и весьма ограни­ ченного срока службы.

Имеются попытки использования при изготовлении титановых от­ ливок обычных песчаных форм, покрытых слоем коллоидального графита. Применение графита для изготовления кокилей или Для об­ лицовки литейных форм не исключает загрязнения титановой отлив­ ки углеродом. Особенно это наблюдается при плавке титана в гра­ фитовом тигле, когда насыщение металла углеродом может дости­ гать 1 %. ’ ■

Во избежание снижения вязкости и пластичности титана, вызы­ ваемого растворением углерода в нем при плавке в графитовых тиг­ лях, предпринимаются -поиски более рациональных методов расплав­ ления. К таким методам относятся, в частности, плавка в гарниссаже, пла!вка во взвешенном состоянии и капельный метод плавки.

При плавке в гарниссаже внутренняя поверхность тигля заранее облицовывается слоем твердого титана, называемого гарниссажем, который благодаря соответствующему регулированию теплового ре­ жима сохраняется в процессе всего периода плавки. Таким образом, расплавленный титан находится в контакте со слоем твердого тита­ на, достигающим толщины 25 мм, и никакими примесями не загряз­

няется.

При плавке во взвешенном состоянии высокочастотный ток ис­ пользуется не только для нагрева металла, но и для создания элек­ тромагнитного поля, с помощью которого металл удерживается в пространстве во взвешенном состоянии. При этом он не соприка­ сается ни с какими материалами, а следовательно, и не загряз­ няется. Благодаря действию высокочастотного электромагнитного поля происходит интенсивное перемешивание сплава, обеспечиваю­ щее высокую однородность его.

Капельный метод плавки позволяет получить небольшие лабора­ торные слитки чистого металла или сплава, не загрязненного приме­ сями. Пруток исходного материала, подвешенный в эвакуированном резервуаре, постепенно расплавляют снизу при помощи индуктора. При этом капли металла, падающие в медную изложницу, образуют качественный слиток. Для повышения однородности слитка рекомен­ дуется двойная переплавка металла.

Имеются сведения о лабораторной разработке методов литья ти­ тановых сплавов в оболочковые формы и точного литья по выплав­ ляемым моделям. При изготовлении оболочковых (корковых) форм огнеупорным материалом служит графит или окись циркония, а свя­ зующим — термореактивиая фенольная смола. При отливке деталь

72

загрязняется с поверхности на глубину 0,25— 1,0 мм. Для удаления

загрязненного слоя проводится обработка резанием или травление. При изготовлении форм для точного литья выплавляемая модель покрывается жидкой массой, состоящей из огнеупора и связующего. Оценивая трудности, стоящие на пути освоения титанового литья, необходимо заключить, что главным препятствием в этом деле является отсутствие удовлетворительных материалов для тиглей и литейных форм. Именно это задерживает применение литья для из­ готовления деталей из титановых сплавов, особенно необходимого,

если принять во внимание сложность обработки их резанием. Титановые детали небольших размеров и простой формы могут

быть изготовлены методами порошковой металлургии. В настоящее время этими методами получают карбид титана для изготовления режущих инструментов, а также огнеупоры, в состав которых входят соединения титана.

Получение титановых деталей методом порошковой металлургии состоит из производства порошка, прессования и спекания. Титано­

1050—1100° в течение 1—2 часов. Спеченный металл несколько усту­ пает деформированному по пластичности.

Высококачественный полуфабрикат компактного титана можно изготовить способом прокатки в оболочке. При этом в отличие от метода порошковой металлургии не требуется предварительного прессования порошка и спекания его в вакууме. Для осуществления прокатки в оболочке порошок титана помещается в контейнер из железа, герметизируемый при помощи сварки. Затем производится нагрев до 800—900° и прокатка, в процессе которой под действием давления и температуры происходит соединение частиц порошка и образование компактного металла. Последующее отделение желез­ ной оболочки от титана осуществляется сравнительно легко благо­ даря образованию тонкого хрупкого слоя железотитанового сплава, 11е следует допускать чрезмерного повышения температуры про­ катки, так как при этом происходит интенсивное окисление оболочки, а также возникает опасность разрушения ее вследствие расплавле­ ния слоя железотитанового сплава при температуре 1080— 1100°.

Компактный титан, полученный прокаткой в оболочке, отличается высокой ковкостью, и может быть подвергнут холодной обработке давлением. Методом прокатки в оболочке можно получать не только чистый титан, но и сплавы его с различными элементами.

О б р а б о тк а давлением . Обработка давлением является одним из

самых распространенных методов получения полуфабрикатов, заго­ товок и изделий из титановых сплавов. При этом может применяться как горячая, так и холодная обработка давлением.

Известно, что способ обработки, и особенно обработки давле­ нием, определяет не только конфигурацию получаемого изделия, но и свойства деталей и конструкции в целом. Поэтому применение в

73

процессе производства рациональных методов и режимов обработки является делом не менее важным, чем, например, изыскание новых сплавов.

При горячей обработке давлением — прокатке, ковке, штамповке и прессовании титановые сплавы нагреваются обычно до температур 750— 1000° или несколько выше, что соответствует области Э или верхней части области “ + ? . При этом происходит насыщение их с поверхности кислородом и азотом, вызывающее образование хруп­ кого изменения слоя. При высоких температурах нагрева на поверх­ ности титана образуется окалина. Повторный нагрев заготовки дол­ жен проводиться после удаления окалины, в противном случае диф­ фузия кислорода из нее в глубь изделия приведет к дополнительно­ му увеличению толщины измененного слоя.

С целью уменьшения газонасыщения титана в последнее время при ковке и горячей штамповке применяют индукционный нагрев [35], позволяющий уменьшить глубину измененного слоя, снизить угар металла, улучшить технологические и эксплуатационные свой­ ства деталей.

Для уменьшения насыщения водородом при нагреве титана в ма­ зутных и пламенных печах атмосфера этих печей должна быть слег­ ка окислительной, т. е. содержать некоторый избыток воздуха. В слу­ чае повышенного содержания водорода титановые сплавы подвер­ гаются вакуумному отжигу при температуре около 800° и вакууме

10'3 мм рт. ст.

В справочнике по машиностроительным материалам [40] приве­ дены сведения о режимах обработки давлением некоторых марок титановых сплавов. Горячая обработка давлением технического ти­ тана ВТI проводится при температуре 750— 1000°. Ковка и горячая прокатка сплава ОТ4 проводятся при температурах 950—800°, а теп­ лая прокатка — при 700—600°. Нагрев под ковку, прокатку и штам­ повку сплава ВТ6 должен проводиться до температуры двухфазной области ®+ Р , т. е. не выше 1000°, поскольку при более высоком нагреве наблюдается значительный рост зерна, вызывающий сни­ жение пластичности и ударной вязкости. Для крупных заготовок этого сплава в печах с воздушной атмосферой рекомендуется ступен­ чатый нагрев, причем сначала должен осуществляться длительный нагрев при 700—850°, а затем кратковременный, не более 30 сек. на 1 мм максимальной толщины, при 900— 1000°.

Титан способен штамповаться в холодном состоянии. Однако способность его к холодной штамповке по сравнению с другими ма­ териалами довольно низкая. Так, например, технический титан ВТ1Д, имеющий высокое относительное удлинение, обнаруживает при испытании по Эриксену в три раза меньшую технологическую пластичность, чем дюралюмин Д16Т [41].

Как известно, способность материала к деформации оцени­ вается не только относительным удлинением 8 и поперечным сужением б, но и величиной равномерной деформации—отно­ сительного удлинения 8р и поперечного сужения ор. Низкое со­

74

отношение между равномерной и общей деформациями свиде­ тельствует о пониженной способности материала к деформиро­ ванию. В таблице 15 приведены соотношения равномерной и общей деформаций для некоторых,листовых материалов толщи­ ной 1,5 мм.

Как видно из этой таблицы, технический титан ВТ1Д но сравне­ нию с другими материалами имеет наименьшее соотношение рав­

При холодной штамповке происходит сильное упрочнение титана

иего сплавов в результате наклапа (фиг. 58). С целью возвращения пластичности проводится межоперационный отжиг обрабатываемого металла. Оптимальный режим отжига выбирается с учетом доста­ точного резупрочнения материала, снятия остаточных напряжений, а также предотвращения сильного окисления титана и образования окалины на нем. Так, например, отжиг листового технического тита ­ на ВТ1 для снятия наклапа проводится в электрических печах с воз­ душной атмосферой при температуре 525° в течение 1 часа с после­ дующим охлаждением на воздухе. Межоперационный отжиг сплава ВТ4 проводится при температуре 700°.

Как известно, полное снятие наклепа происходит при нагреве де­ формированного металла до температуры рекристаллизации или не­ сколько выше. Эта температура, по исследованию Е. М. Савицкого

идругих [53], зависит от содержания в титане примесей и легирую­ щих добавок. Температура рекристаллизации иодидного титана рав­

на примерно 550°.

Все элементы, добавляемые к титану, по влиянию на темпера­ туру рекристаллизации могут быть подразделены на три группы [53].

75

Первую группу составляют элементы, которые сильно -повышают

Во вторую труппу -входят более умеренно действующие элемен­ ты, включающие железо, хром, ванадий, марганец и олово. Они -по­ вышают температуру рекристаллизации лишь при содержании 3%

первые признаки разупрочнения наклепанного металла наблюдаются при нагреве до 350—400°, причем интенсивность разупрочнения уве­ личивается с ростом предварительной деформации. Однако это раз­ упрочнение не связано еще -с -рекристаллизацией, которая начи­ нается, по утверждению авторов, при нагреве выше 450—500°. Ре­ кристаллизация развивается раньше в том металле, в котором выше степень предварительной деформации. Окончание .рекристаллизации, характеризуемое полным разупрочнением наклепанного металла в результате образования однородной мелкозернистой структуры, наблюдается при температуре 600—700°.

На-грев свыше 750° приводит к некоторому укрупнению зерна, а при 850° уже получается крупнозернистая структура титана, вызы­ вающая некоторое -снижение пластичности. На основании этого ав­ торы статьи предполагают, что снижение пластичности титана при нагреве до высоких температур происходит не только за счет погло­ щения атмосферных газов, но и благодаря образованию крупного зерна.

Для отжига титановой проволоки при волочении применяется смесь расплавленных хлористых солей бария, калия и натрия При температурах 700, 800 и 900°. Нагрев в этих средах происходит прак-

76

тически мгновенно, и наклеп снимается быстро. Так, например, время для снятия наклепа при 700° составляет 30—40 секунд. При этом пазонасыщение ввиду непродолжительности -выдержки является мини­ мальным.

Улучшение деформируемости титановых сплавов может быть достигнуто термической обработкой их на твердый раствор (Г После такой обработки производят холодную штамповку изде­ лия, а затем осуществляют упрочнение его посредством дис­ персионного твердения. Такой обработке с успехом может быть подвергнут сплав C105VA, уже упоминавшийся ранее. Однако следует иметь в виду, что в некоторых титановых сплавах в результате наклепа при холодной обработке давлением наблю­ дается структурное превращение твердого раствора (3 в а'-фазу, сопровождающееся повышением прочности и снижением пла­ стичности.

При обработке давлением часто наблюдается налипание титана на рабочий инструмент. Для -предотвращения этого явления при штамповке титановые заготовки иногда предварительно покрывают тонким слоем меди, нанося ее методом шоопирования. Однако медь является эффективной только при температуре штамповки до 850°. При более высокой температуре обрабоФки давлением, достигающей 950°, рекомендуется электролитическое покрытие титана слоем се­ ребра.

При -волочении с целью предупреждения наволакивания титана применяют различные смазки, например стекло или стеарат цинка. Стойкость фильер при этом может быть повышена диффузионным хромированием [55].

СС варка . Сварка является одним из основных способов неразъем-

■ного соединения титана и его сплавов. Трудности первоначального освоения ©варки титана были связаны с активным насыщением ме­ талла шва кислородом, азотом и другими примесями и вызываемой им значительной хрупкостью соединения. Проблема оварки титана не может считаться полностью разрешенной и в настоящее время. Тем не менее уже сейчас технический титан и однофазные а-сплавы его -могут надежно соединяться аргоно-дуговой, точечной, роликовой’

истыковой электросваркой -с применением защитной атмосферы. Опасность насыщения газами не позволяет выполнять сварку аце­ тилено-кислородным методом.

В процессе сварки .защите от загрязнения кислородом и а-зотом

подлежит -не только расплавленный металл, но и все сильно нагре- 'тые участки, в том числе и противоположная сторона шва. Эта за­ щита осуществляется, как правило, аргоном. Сварной шов полу­ чается достаточно плотным и пластичным.

Для получения прочного и пластичного сварного соединения при электродуговои сварке в атмосфере защитного газа необходимо вы­ полнение ряда условий. Прежде всего титановый сплав сам по себе должен быть пластичным и не растрескиваться при сварке. На нем, как и на прутке присадочного материала, не должно быть окалины.

77