8.1.3. Титан и его сплавы

Титан и сплавы на его основе обладают высокой коррозионной стойко­стью (сопротивлением межкристаллитной, щелевой и другим видам корро­зии), удельной прочностью. 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 плохо обрабаты­вается резанием, удовлетворительно — давлением, сваривается в защитной атмосфере; широко распространено вакуумное литье, в частности вакуумно-дуговой переплав с расходуемым электродом. Титан имеет две аллотропиче­ские модификации: низкотемпературную (до 882,5 °С) — а-титан с ГПУ ре­шеткой, высокотемпературную — Р-титан с ОЦК решеткой. Легирующие элементы подразделяют в зависимости от их влияния на температуру поли­морфного превращения титана (882,5 °С) на две основные группы: сс-стаби-лизаторы (элементы, расширяющие область существования а-фазы и повы­шающие температуру превращения — Al, Ga, Ge, La, С, О, N) и Р-стабилиза-торы (элементы, суживающие а-область и снижающие температуру поли­морфного превращения, — V, Nb, Та, Zr, W, Mo, Cr, Mn, Fe, Co, Si, Ag и др.), рис. 8.4. В то же время легирующие элементы (как а-, так и р-стабилизато-ры) можно разделить на две основные группы: элементы с большой (в пре­деле — неограниченной) и ограниченной растворимостью в титане. Послед­ние могут образовывать с титаном интерметаллиды, силициды и фазы вне-

Рис. 8.4. Классификация диаграмм состояния титановых сплавов

дрения. Так, легирование титана алюминием приводит к появлению в струк­туре наряду с а-твердым раствором интерметаллида Т1зА1. Аналогично неко­торые (3-стабилизаторы взаимодействуют с титаном с образованием интер-металлидного соединения (Ti^Z,,); при этом р-фаза в процессе охлаждения претерпевает эвтектоидное превращение Р—кх + Т1^.Эти элементы (Сг, Мп, Fe и др.) называются эвтектоидообразующими. Поскольку эвтектоидное пре­вращение протекает медленно, то после обычных скоростей охлаждения сплав, как правило, состоит из а- и Р-фаз.

Легирующие элементы влияют на эксплуатационные свойства титана. Так, Fe, Al, Mn, Cr, Sn, V, Si повышают его прочность (а_в), но снижают при этом пластичность (5, v) и вязкость (KCU); Al, Zr, Mo увеличивают жаро­прочность, a Mo, Zr, Nb, Та, Pd — коррозионную стойкость.

Классификация титановых сплавов. Структура промышленных спла­вов титана — это твердые растворы легирующих элементов в а- и р-модифи-кациях титана. Поскольку легирующие элементы влияют на стабилизацию той или иной аллотропической модификации титана, то сплавы титана в за­висимости от их стабильной структуры (после отжига) при комнатной тем­пературе подразделяют на три основные группы: ос-сплавы, (а+Р)-сплавы (двухфазные) и р-сплавы.

Титановые сплавы классифицируют также по технологии производства (деформируемые, литейные, порошковые), по физико-химическим, в том числе механическим, свойствам (высокопрочные, обычной прочности, высо­копластичные, жаропрочные, коррозионностойкие).

Деформируемые титановые сплавы. Большинство титановых сплавов легировано алюминием, повышающим жесткость, прочность, жаропрочность и жаростойкость материала, а также снижающим его плотность (табл. 8.8 ).

а-Титановые сплавы (с чисто а-структурой) термической обра­боткой не упрочняются; их упрочнение достигается посредством легирования твердого раствора и пластической деформацией. Широкое применение нашел сплав ВТ5-1, обладающий хорошей свариваемостью, жаропрочностью, кислото-стойкостью, пластичностью при криогенных температурах; он обрабатывается давлением в горячем состоянии, термически стабилен до 450°С.Добавкиолова

Таблица 8.8. Усредненный химический состав (%) и механические свойства деформируемых титановых сплавов

Сплав	А1	Мп	V	Мо	Si	Сг	Sn	σвМПа	δ,%
ВТ5-1	5	—	—	—	—	—.	2,5	800—1000	10—15
ОТ4	4,2	1,4	—	—	—	—	—	700—900	10—12
ВТ6	6	—	4	—	—	—	—	1100—1250	6
ВТ8	6,4	—	—	3,1	0,3	—	—	1000—1250	9—11
ВТ14	4,9	—	1,4	3,1	—	—	—	1150—1400	6—10
ВТ15	3	—	—	8	—	11	—	1300—1500	6

Примечание. Свойства сплавов ВТ5-1, ОТ4 приведены в отожженном состоянии, ВТ6, ВТ8 и ВТ14 — после закалки и старения, ВТ15 — после старения.

в сплав улучшают его технологические и механические свойства. Из сплава ВТ5-1 изготавливают листы, поковки, трубы, проволоку, профили. Псевдо-β-сплав ОТ4 (наряду с а-фазой в структуре присутствует Р-фаза в количестве 1—5%) хорошо сваривается, обрабатывается давлением (как в горячем, так и в холодном состояниях), однако склонен к водородной хрупкости.

(а + р)-Титановые сплавы характеризуются смешанной струк­турой (а- и Р-твердые растворы) и упрочняются термической обработкой, состоящей из закалки и старения. Они хуже свариваются, чем ос-сплавы.

Типичный представитель (а+Р)-сплавов — это сплав ВТ6, характери­зующийся оптимальным сочетанием технологических и механических свойств. Он упрочняется термической обработкой. Уменьшение содержания алюминия и ванадия в сплаве (модификация ВТ6С) позволяет его использо­вать в сварных конструкциях. Сплав ВТ 14 системы Ti—А1—Мо—V облада­ет высокой технологичностью в закаленном состоянии (хорошо деформиру­ется) и высокой прочностью — в состаренном; он удовлетворительно свари­вается всеми видами сварки. Сплав ВТ 14 способен длительно работать при 400 °С и кратковременно при 500 °С.

Сплав ВТ8 относится к жаропрочным (сс+Р)-сплавам: он предназначен для длительной работы при 450—500 °С под нагрузкой. Сплав хорошо де­формируется в горячем состоянии, но плохо сваривается. Из него изготавли­вают поковки, штамповки, прутки.

Псевдо-р-титановые сплавы характеризуются высоким со­держанием р-стабилизаторов и вызванным этим отсутствием мартенситного превращения. В процессе закалки в сплавах подавляется диффузионный рас­пад Р-фазы, но он частично реализуется при последующем старении, вызы­вая упрочнение сплава. Сплавы характеризуются высокой пластичностью в закаленном состоянии и высокой прочностью — в состаренном; они удовле­творительно свариваются аргонодуговой сваркой. Широкое распространение получил псевдо-Р-сплав ВТ 15 (содержит в равновесном состоянии небольшое количество а-фазы), обладающий большой пластичностью (5 = 20%) и невысокой прочностью (с„ = 900 МПа) в закаленном состоянии. Однако после старения при 450 °С его прочность достигает 1500 МПа (при пластичности 8 = 6%). Сплав ВТ15 предназначен для работы при температурах до 350 °С. Из него изготавливают прутки, поковки, полосы, листы. (З-Сплавы (имеют стабильную Р-фазу) большого применения не нашли.

Литейные титановые сплавы. По сравнению с деформируемыми ли­тейные сплавы имеют меньшую прочность, пластичность и выносливость, но более дешевы. Сложность литья титановых сплавов обусловлена активным взаимодействием титана с газами и формовочными материалами. Литейные сплавы ВТ5Л, ВТ14Л и ВТЗ-1Л по составу в основном совпадают с анало­гичными деформируемыми сплавами (в то же время сплав ВТ14Л дополни­тельно содержит железо и хром).

Высокими технологическими свойствами обладает сплав ВТ5Л: он пласти­чен, не склонен к образованию трещин при литье, хорошо сваривается. Фасон­ные отливки из сплава ВТ5Л работают при температурах до 400 °С. Недостатком сплава является его невысокая прочность (800 МПа). Двухфазный литейный сплав ВТ14Л подвергают отжигу при 850 °С вместо упрочняющей термической обработки, резко снижающей пластичность отливок. ВТ14Л по литейным свой­ствам уступает ВТ5Л, но превосходит его по прочности (сг_в = 950 МПа).

Порошковые сплавы титана.Применение методов порошковой ме­таллургии для производства титановых сплавов позволяет при тех же экс­плуатационных свойствах, что и у литого или деформируемого материала, добиться снижения до 50% стоимости и времени изготовления изделий. Ти­тановый порошковый сплав ВТ6, полученный горячим изостатическим прес­сованием (ГИП), обладает теми же механическими свойствами, что и дефор­мируемый сплав после отжига (ст_в = 970 МПа, 5 = 16%). Закаленному и со­старенному деформируемому сплаву ВТ6 порошковый сплав уступает в прочности, но превосходит в пластичности.

Применение сплавов титана. Из сплавов титана изготавливают: об­шивку самолетов, морских судов, подводных лодок; корпуса ракет и двига­телей; диски и лопатки стационарных турбин и компрессоров авиационных двигателей; гребные винты; баллоны для сжиженных газов; емкости для аг­рессивных химических сред и д