12.3. Титан и его сплавы

Титан — металл серебристого цвета с голубо­ватым отливом; имеет невысокую плотность 4,507 г/см³, плавится при температуре 1660 °С, кипит при 3260 °С. Титан имеет две аллотропические модификации: до 882 °С существует α-титан, имеющий гексагональную решетку с параметрами а₀ = 0,295 нм и с₀ = 0,468 нм, и при более высоких температурах — (β-титан с кубической объемно центрированной решеткой с параметром и а = 0,304 нм.

Механические свойства титана изменяются от содержа­ния в нем примесей. Чистый титан ковок, имеет невысо­кую твердость (НВ 70);

технический титан хрупок и тверд (НВ 180—280).

Вредные примеси титана — азот и кислород резко снижают его пластичность, а углерод при содержании более 6,15 % снижает ковкость, затрудняет обработку титана резанием и резко ухудшает свариваемость. Во­дород в большой степени повышает чувствительность титана к надрезу, поэтому этот эффект называют водо­родной хрупкостью.

На поверхности титана образуется стойкая оксидная пленка, вследствие чего титан обладает высокой сопротив­ляемостью коррозии в некоторых кислотах, морской и пресной воде. На воздухе титан устойчив и мало изме­няет свои механические свойства при нагреве до 400 °С. При более высоком нагреве он начинает поглощать кис­лород, ухудшаются его механические свойства, а выше 540 °С — становится хрупким. При нагреве выше 800 °С титан энергично поглощает кислород, азот и водород, что используется в металлургии при производстве леги­рованной стали.

Титан образует ряд оксидов. Из них наиболее изучены ТiO₂ , ТiО₃. Двуокись титана TiO₂ — амфотерный по­рошок белого цвета, практически не растворимый в воде и разбавленных кислотах. Двуокись титана является основным продуктом переработки титанового сырья.

Технический титан, применяемый промышлен­ностью, делят на две марки: ВТ 1-00 и ВТ 1-0; в них допускается следующее содержание примесей, %: 0,05—0,07 С; 0,1 — 0,12 О₂; до 0,04 N₂; 0,08—0,01 H₂; до 0,2 Fe; 0,008 — 0,1 Si. Однако механические свойства ВТ 1-0 несколько выше за счет увеличения суммы перечисленных примесей в нем.

Для повышения механических свойств титана его почти всегда легируют алюминием, который повышает температуру аллотропического превращения титана α↔β, поэтому алюминий часто называют α-стабилизатором титана. Наоборот, элементы, понижающие эту температуру, называют β-стабилизаторами. К ним отно­сятся: молибден, ванадий, хром, марганец, железо и некоторые другие металлы.

В промышленности применяют титановые сплавы либо со структурой α - твердого раствора, либо смешанной структурой (α+β)-твердого раствора.

Микроструктура титанового сплава показана на рис.65.

Алюминий, образуя с титаном твердый раствор, заме­щая и стабилизируя α-фазу, увеличивает прочность ти­тана, жаропрочность и сопротивляемость окислению при высоких температурах, хотя и понижает пластичность. Поэтому алюминий является наиболее важной состав­ляющей титановых сплавов и всегда входит в их состав (сплав ВТ5 и др.).

Рис.65. Микроструктура титановых сплавов, х400:

а - твердый раствор α (сплав ВТ1); б - фаза α` (мартенсит, полученный после закалки сплавов ВТ1 с 1075^o С).

Для получения сплавов смешанной структуры титан, кроме алюминия, легируют дополнительно хромом, мар­ганцем, молибденом, а иногда и другими β-стабилизаторами.

Сплавы смешанной структуры (α+β) обладают почти удвоенной прочностью по сравнению с чистым титаном. Однако эта повышенная прочность сохраняется до температуры 430°С. Большинство этих сплавов обладает хорошей пластичностью даже при низких температурах, и поэтому легче куются, штампуются и прокатываются, чем однофазные титановые сплавы. Сварка этих сплавов затруднена, так как они при сварке теряют пластичность, а швы приобретают хрупкость.

Наиболее технологичным, дешевым и поэтому широко распространенным в этой группе является сплав ВТЗ-1 (5,5—7 % Аl; 0,8—2,3 % Cr; 2—3 % Мо; 0,2—0,4 % Si). Он обладает термической стабиль­ностью, не становится хрупким при длительном нагреве (до 10 000 ч) до температуры 400°С, а при кратковремен­ной работе — до 450 °С; σ_в = 900—1150 МПа; δ = 10— 16 %.

Сплав ВТ9 (6—7 % Al; 3 — 4 % Мо; 0,3 % Si; 0,8 — 2 % Zr) можно применять при изготовлении конструкций и деталей, длительно работающих при нагреве до темпе­ратуры 450 °С, σ_в = 980—1150 МПа, δ = 8—16 %. Эти сплавы штампуются и куются, из них прокатываются и прессуются прутки и фасонные профили.

Сплавы, содержащие в основном алюминий и поэтому обладающие α-структурой (например, сплав ВТ5, содер­жащий 4,3—6,2 % Al), хорошо свариваются, устойчивы против коррозии в атмосферной среде, загрязненной газами до температуры 1090 °С, сохраняют высокую прочность при нагреве до 650 °С. Однако их пластичность ниже пластичности двухфазных сплавов, имеющих α- и β-фазу. Все деформируемые сплавы титана можно приме­нять и для фасонного литья, но делают это редко, так как титан легко взаимодействует с газами и формовочными материалами.

Сплавы титана со структурой, имеющей одну β-фазу, в промышленности почти не применяют, хотя они обла­дают отличной пластичностью. Причиной служит их чувствительность к загрязнению атмосферными газами при нагреве, неизбежному в процессе производства.