16. Титан и сплавы на его основе

Свойства титана и его сплавов

Титан — металл серого цвета, имеющий две полиморфные модификации.

Низкотемпературная (до 882 °С) модификация α-Ti характеризуется ГП решеткой с периодами а = 0,296 нм, с = 0,472 нм.

Высокотемпературная β-Ti (при 900 °С) имеет ОЦК решетку с периодом а = 0,332нм.

Механические свойства титана сильно зависят от наличия примесей, 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, снижается коррозионная стойкость, ухудшаются свариваемость, способность к пайке и штампуемость.

При повышении температуры до 250 °С прочность титана снижается почти в 2 раза. Титан обладает склонностью к ползучести даже при 20—25 °С. Его предел ползучести составляет ~60 % от предела текучести. Пластическая деформация значительно повышает прочность титана.

При степени деформации 60-70 % σ_в и σ_0,2 возрастают почти в 2 раза.

Для снятия наклепа проводят рекристаллизационный отжиг при 650–750 °С.

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.

Наиболее благоприятное влияние на свойства титановых сплавов оказывают Мо, V, Сr, Мn. Они повышают прочность, жаропрочность и термическую стабильность титановых сплавов, несколько снижая их пластичность. Кроме того, они способствуют упрочнению сплавов с помощью термической обработки. Нейтральные элементы Sn, Zr, Hf, Th мало влияют на температуру полиморфного превращения. Легирование титановых сплавов этими элементами не меняет их фазового состава.

Наибольшее практическое значение имеют Sn и Zr: первый повышает прочность титановых сплавов при 20–25 °С и высоких температурах без заметного снижения пластичности, второй увеличивает предел ползучести.

Особенности термической обработки титановых сплавов

Титановые сплавы в основном подвергают отжигу, закалке и старению, химико-термической обработке, а также термоводородной обработке.

Отжиг проводят главным образом после холодной деформации для снятия наклепа. Температура отжига должна быть выше температуры рекристаллизации (400–600 °С).

Легирующие элементы повышают температуру рекристаллизации титана. Практически отжиг титановых сплавов проводят при 670–800 °С с выдержкой от 15 мин до 3 ч.

Тонколистовой прокат рекомендуется отжигать в вакууме для предотвращения насыщения газами и охрупчивания.

Для повышения износостойкости титановые сплавы подвергают азотированию. Лучшие результаты дает азотирование в среде сухого, очищенного от кислорода, азота. Оно повышает поверхностную твердость, износостойкость, жаропрочность и жаростойкость.

Азотируют сплавы при температуре 850–950 °С в течение 10–50 ч. При этом на поверхности образуются тонкий нитридный слой и обогащенный азотом α-твердый раствор.

Толщина нитридного слоя равна 0,06–0,2 мм, твердость – 1200 HV. Глубина слоя, обогащенного азотом α-твердого раствора, равна 0,1–0,15 мм, твердость – 500–800 HV. Для устранения хрупкого нитридного слоя и уменьшения хрупкости азотирования слоя рекомендуется проводить вакуумный отжиг при 800–900 °С.

Для повышения жаростойкости титановые сплавы подвергают силицированию и другим видам диффузионной металлизации.

Термоводородная обработка титановых сплавов — это сочетание обратимого легирования водородом с термическим воздействием на наводороженный сплав.

Водород легко поглощается титановыми сплавами в водородсодержащей среде при относительно низких температурах. Во избежание интенсивного роста зерна температура наводораживающего отжига должна быть ~ на 50 °С ниже температуры фазового превращения.

Термоводородную обработку можно использовать в качестве высокоэффективной технологической операции для изменения структуры сплава (например, уменьшения размера зерна, пористости), улучшения свойств фасонных отливок и сварных соединений, для подготовки структуры (водородное пластифицирование) перед обработкой давлением.

По технологии изготовления титановые сплавы подразделяют на деформируемые и литейные; по механическим свойствам — на сплавы нормальной прочности, высокопрочные, жаропрочные и повышенной пластичности; по способности упрочняться с помощью термической обработки — на упрочняемые и неупрочняемые термической обработкой

Титановые сплавы имеют хорошие литейные свойства. Небольшой температурный интервал кристаллизации обеспечивает им высокую жидкотекучесть и хорошую плотность отливки. Они обладают малой склонностью к образованию горячих трещин и небольшой линейной усадкой (1 %); их объемная усадка составляет около 3 %.

Литейные титановые сплавы обладают более низкими механическими свойствами, чем деформируемые. Упрочняющая термическая обработка резко снижает пластичность литейных сплавов и поэтому не применяется.

Перспективным способом повышения механических свойств отливок, особенно для деталей небольших размеров и сложной формы, является термоводородная обработка.

Хорошие результаты дает совмещение термоводородной обработки с горячим изостатическим прессованием. Такая комбинированная обработка приводит к значительному снижению (более чем в 2 раза) пористости и повышению механических свойств, особенно предела усталости

При изготовлении деталей порошковой технологией используют порошки технического титана, а также некоторых его сплавов.

Механические свойства порошковых титановых сплавов зависят от многих факторов: качества исходных порошков, режимов горячего компактирования, прессования и спекания.

Технологические трудности обусловлены главным образом активным взаимодействием титана при повышенных температурах с примесями внедрения, образующими неметаллические включения, понижающие механические свойства порошковых титановых сплавов.

Порошковые сплавы приближаются по прочности к деформируемым сплавам в отожженном состоянии. Так, полуфабрикаты (прутки, профили, листы и др.) из деформируемого сплава ВТ6 в отожженном состоянии имеют σв = 950…1100 МПа, а у полуфабрикатов из того же сплава, но полученного порошковой технологией из этого сплава σв = 920...950 МПа.

Сплавы на основе интерметаллидов титана подразделяются на две группы: жаропрочные и сплавы, обладающие памятью формы (эффект памяти формы).

Жаропрочные сплавы относятся к системе Ti – Аl. При малой плотности (3,5 т/м3) они по жаропрочности превосходят все титановые сплавы и многие жаропрочные стали, приближаясь по свойствам к сплавам на основе никеля.

Сплавы, обладающие памятью формы, целесообразно применять в различных областях техники, где другие материалы использовать невозможно. Например, в космической технике для самораскрывающихся антенн, предварительно получивших компактную форму для облегчения доставки на космический корабль; при установке саморасклепывающихся заклепок в труднодоступных местах конструкции; для самосрабатывающих соединительных муфт трубопроводов; для дистанционного ремонта обсадных труб нефтяных и газовых скважин; в качестве материала изделий, многократно изменяющих свою форму при нагреве и охлаждении (клапаны, рычаги и др.).