Титан и сплавы на его основе

                                 5.  Титан  и  сплавы  на  его  основе

                                  5.1. Титан, его структура, свойства и применение

         Титан по содержанию в земной коре (0,6 %) занимает четвертое место среди металлов, уступая лишь алюминию, железу и магнию. Это металл серого цвета, атомный номер 22, атомная масса - 47,9, плотность - 4,505 г/см³   (a -Ti), темпера-тура плавления - 1665°С.

         Чистый титан обладает высокой пластичностью (d =55 %,  y  =80 %), имеет прочность, соизмеримую с таковой у меди  ( s_в=220 Н/мм²). Характеризуется высокой удельной прочностью, заметно превосходя по этим показателям  Fe, Cu, Al, Mg  и многие другие металлы. Обладает весьма высокой коррозионной стойкостью благодаря образованию на его поверхности стойкой и прочной окисной пленки. Имеет высокие технологические свойства, хорошо обрабатывается давлением.

         Титан обладает полиморфизмом и может существовать в двух аллотропических модификациях:  a -Ti, существующего до 882°С с ГП-решеткой с периодами а=0,296 нм,  с=0,472 нм  и  b -Ti,  существующего от 882°С до температуры плавления с ОЦК-решеткой с параметром  а=0,332 нм  (при 900°С). Полиморфное превращение  b-Ti  ®  a-Ti   при медленном охлаждении происходит по нормальному механизму с образованием полиэдрической структуры, а при быстром охлаждении - по мартенситному механизму с образованием структуры игольчатого типа.

         Технический титан маркируют в зависимости от содержания примесей:       ВТ 1-00 (сумма примесей не более 0,398 %); ВТ 1-0 (сумма примесей не более 0,55 %). Чистейший иодидный титан (сумма примесей менее 0,1 %) получают методом термической диссоциации из четырехиодидного титана, а также методом зонной плавки. Наличие же примесей способствует упрочнению титана (например, у иодидного титана  s_в =250-300 Н /мм²   ,    s_т =100-150 Н /мм²,  а у титана марки ВТ1-0 - соответственно 450-500 Н /мм²  и 320-500 Н /мм²), но значительному - почти в 2 раза - снижению его пластических характеристик (d - с 50-60 до 20-25 %, y - с 70-80 до 50 % при сравнении иодидного титана и ВТ 1-0).

         Водород, азот, кислород и углерод образуют с титаном твердые растворы внедрения и промежуточные фазы - гидриды, оксиды, нитриды и карбиды. Небольшое количество кислорода, азота и углерода повышает прочностные характеристики  титана, однако, при этом значительно снижаются его пластичность, коррозионная стойкость, ухудшаются свариваемость, способность к пайке и штампуемость. Поэтому содержание этих примесей ограничивается десятыми, а иногда и сотыми долями %. Аналогичным образом, но в меньшей степени влияют такие примеси, как железо и кремний. Водород, выделяясь в виде тонких хрупких пластин гидридной фазы по границам зерен, значительно охрупчивает титан. Водородная хрупкость наиболее опасна в сварных соединениях. Поэтому допустимое содержание водорода в техническом титане - 0,008-0,012 %.

         Титан обладает склонностью к ползучести даже при температуре 20-25  С. При повышении температуры, например, до 250  С, предел прочности титана сни-жается почти в 2 раза. Примеси кислорода, азота,  а также пластическая деформа-ция повышают сопротивление ползучести.

         Высокие прочность и удельная прочность характерны для титана и в условиях глубокого холода: при температуре жидкого азота предел прочности титана равен 1250 Н/мм².  Пластическая деформация способствует значительному упрочнению титана, например, почти в два раза при степени деформации 60-70 %. Для снятия наклепа проводят рекристаллизационный отжиг при 650-750  С.

Рекомендуемые материалы

         Недостатками титана как конструкционного материала является также актив-ное поглощение газов (водорода - начиная с 50-70°С, кислорода - с 400-500°С, азота, окиси и двуокиси углерода - с 600-700°С), его высокая химическая активность в расплавленном состоянии, что требует при плавке и сварке применения вакуума или атмосферы инертных газов. Титан плохо обрабатывается резанием, налипает на инструмент, увеличивая его износ, имеет низкие антифрикционные свойства.

         Основные области применения чистого титана;

- самолето- и ракетостроение, химическая промышленность и др. - в виде проката различных профилей для изготовления сварных и паяных конструкций с высокой удельной прочностью и коррозионной стойкостью;

- радио- и электронная промышленность, например, в роли геттерного материала для изготовления геттеров для повышения степени вакуума электронных ламп, когда используется способность титана к поглощению газов при повышении температуры;

- изготовление сплавов на основе титана;

- в качестве легирующего и модифицирующего элемента при производстве различных сплавов.

                 5.2. Общая характеристика сплавов титана. Влияние легирующих

                        элементов на структуру и свойства титановых сплавов

         Как и чистый титан, сплавы на его основе характеризуются высокой проч-ностью и удельной прочностью (примерно в 1,5 раза выше, чем у сплавов на основе алюминия и магния), высокой пластичностью, высокой технологичностью и корро-зионной стойкостью. Уровень этих свойств зависит от характера и степени легирования сплава.

         Легирующие элементы по характеру влияния на полиморфные превращения титана подразделяются на три группы:

- a -стабилизаторы (алюминий, кислород, азот, углерод, бор), повышающие темпе-ратуру полиморфного превращения, расширяя область твердых растворов на основе  a -Ti  (рис. 5.1, а);

- b -стабилизаторы (ванадий, молибден, ниобий, марганец, железо, хром), которые понижают температуру полиморфного превращения и тем самым расширяют об-ласть существования  b -фазы, иногда даже до комнатной температуры и ниже       (рис. 5.1, б);

- нейтральные элементы (олово, цирконий, гафний и др.), мало влияющие на температуру полиморфного превращения  (рис. 5.1, г), поэтому не влияющие на фазовый состав титановых сплавов, но изменяющие их свойства за счет влияния на свойства    a-  и  b -фаз, в которых они растворяются.

         Рисунок 5.1 - Диаграммы состояния титан - легирующий элемент (схемы):

                      а - Ti - a -стабилизаторы;      б - Ti - изоморфные  b-стабилизаторы;

                      в - Ti - эвтектоидообразующие  b -стабилизаторы;

                      г - Ti - нейтральные элементы

         Практически все конструкционные сплавы титана содержат алюминий как ле-гирующий элемент. Участок диаграммы состояния сплавов системы  Ti - Al  приве-ден на рисунке 5.2.

        

         Рисунок 5.2 - Участок диаграммы состояния сплавов системы  Ti - Al

         В этих сплавах в зависимости от состава присутствуют следующие фазы:

- a - твердый раствор алюминия в  a-Ti, концентрация которого изменяется от 7,5% при 20  С до 11,6 % при темпетаруре перитектоидного равновесия (1080  С);

- b - твердый раствор алюминия в  b -Ti  с предельной растворимостью около 30 %;

- a₂ - твердый раствор на базе соединения  Ti  Al, появляется при содержании алюминия более 7,5 %; имеет ГП-решетку с упорядоченным расположением атомов и сильно охрупчивает сплавы; появление этой фазы является нежелательным и устраняется снижением содержания алюминия, которое в большинстве сплавов не превышает 7 %.

         Добавка к сплавам системы  Ti - Al  таких  b-стабилизаторов, как  V, Mo, Nb, Mn, уменьшает склонность к образованию упорядоченной структуры (сверхструктуры). При этом фаза  a   образуется при большем содержании алюминия. Образующаяся также при этом  b -фаза заметно улучшает технологическую пластичность сплава.

         Сплавы с устойчивой  a -структурой нельзя упрочнить термической обработкой из-за значительного повышения температуры полиморфного  a « b -превращения под влиянием  a -стабилизаторов. Это превращение происходит при высоких температурах по нормальному (диффузионному) механизму, Даже при очень быстром охлаждении не удается переохладить  b -фазу до температур, когда становится возможным мартенситное превращение.

         b -стабилизаторы снижают температуру полиморфного превращения. при этом, в зависимости от их природы и растворимости в  b -Ti, такие элементы могут оказывать различное влияние на конечную структуру сплавов:

- изоморфные  b -Ti  элементы с ОЦК-решеткой (Mo, V, Ta, Nb), неограниченно растворяясь в нем, расширяют область существования  b-фазы, повышают ее ус-тойчивость (см. рис. 5.1, б);

- Cr, Mn, Fe, Ni, W, Cu  образуют с титаном диаграммы состояния с эвтектоидным превращением  b-фазы с образованием эвтектоида (a + g ), что иллюстрирует схема на рис. 5.1, в,  где  g -промежуточная фаза переменнного или постоянного состава, образуемая титаном и легирующим элементом (например, в системе Ti-Cr это фаза Лавеса TiCr₂ ); образование эвтектоида вызывает резкое охрупчивание титановых сплавов.

         Однако, при легировании титана такими элементами, как медь, серебро и ряд других, эвтектоидное превращение происходит очень быстро. Поэтому предотвратить эвтектоидное превращение и переохладить  b-фазу до комнатной температуры даже при быстром охлаждении не удается.

         В таких же системах, как Ti-Mn, Ti-Cr, Ti-Fe,  эвтектоидное превращение про-исходит лишь в условиях охлаждения, близких к равновесным. В реальных условиях охлаждния эвтектоидное превращение обычно не происходит и b-фаза переохлаждается до пониженных температур. При этом, в зависимости от степени легированности  b-фазы, она может либо превращаться при низких температурах по мартенситному механизму, либо фиксироваться без превращения при комнатной температуре. Поэтому в зависимости от состава сплавы титана, легированные  b-стабилизаторами, могут иметь однофазную структуру  a- твердого или  b- твердого растворов, а также двухфазную структуру  (a+b). Способность b-фазы в таких сплавах к переохлаждению лежит в основе их упрочняющей термической обработки.

         Большинство легирующих элементов, являющихся  b-стабилизаторами, по-вышают прочность, жаропрочность и термическую стабильность титановых спла-вов, снижая их пластичность (см. рис. 5.3), способствуют упрочнению сплавов при термической обработке. Наиболее благоприятное влияние на свойства титановых сплавов оказывают Mo, V, Cr, Mn. Легирование титановых сплавов нейтральными элементами (Sn, Zr, Hf, Th) не меняет их фазового состава, влияя на свойства через воздействие на свойства  a -  и  b - фаз, в которых они растворяются. Олово повышает прочность сплавов при комнатной и повышенных температурах без заметного снижения пластичности, а цирконий увеличивает предел ползучести.

         Рисунок 5.3 - Влияние легирующих элементов на механические свойства  Ti

              

                 5.3. Классификация, свойства и применение титановых сплавов

         Сплавы титана по прочности и удельной прочности превосходят как чистый титан, так и сплавы на основе алюминия и магния, имея при этом и более высокие жаропрочность и коррозионную стойкость. В сравнении с бериллием сплавы титана более пластичны и технологичны, являются более дешевыми и экологически менее опасными.

         Титановые сплавы находят широкое применение в авиации, ракетной техни-ке, судостроении и других отраслях промышленности. Их применяют для обшивки сверхзвуковых самолетов, изготовления деталей реактивных авиационных двигате-лей (диски и лопатки компрессоров, детали воздухозаборников и др.), корпусов ра-кетных двигателей второй и третьей ступеней, баллонов для сжатых и сжиженных газов, обшивки морских судов, подводных лодок и т.д.

         Сплавы титана классифицируют по ряду признаков:

1) по технологии изготовления их делят на: деформируемые и литейные;

2) по механическим свойствам их делят на: сплавы нормальной прочности, высоко-прочные сплавы, жаропрочные сплавы, сплавы с повышенной пластичностью;

3) по способности упрочняться термической обработкой их делят на: упрочняемые термической обработкой и не упрочняемые термической обработкой;

4) по структуре в отожженном состоянии их делят на:

- a -сплавы, имеющие структуру  a -твердого раствора;

- псевдо- a-сплавы, в структуре которых, кроме  a-фазы, присутствует и небольшое количество  b -фазы;

- ( a+b ) - сплавы; это двухфазные сплавы, в структуре которых присутствуют кристаллы обеих фаз в значительных количествах;

- псевдо -b-сплавы - сплавы, в структуре которых существенно преобладает b-фаза, но присутствует и небольшое количество  a-фазы;

- b -сплавы с однофазной структурой  b-твердого раствора.

         Химический состав и свойства ряда сплавов приведены в таблице 5.1.

 

         Таблица 5.1 - Химический состав, структура и механические свойства

                                 некоторых сплавов титана

Примечание:  * - свойства сплавов после закалки и старения; остальные сплавы - в                                       отожженном состоянии.

         Деформируемые сплавы титана.

         Деформируемые  a -сплавы (например, ВТ5, ВТ5-1, табл. 5.1) преимущест-венно являются сплавами системы  Ti - Al, а также сплавами, дополнительно легированными оловом и цирконием. Они характеризуются средней прочностью при комнатной температуре, но высокими механическими свойствами при повышенных (450-500°С), либо, наоборот, криогенных температурах, характеризуются высокой термической стабильностью свойств и отличной свариваемостью и удовлетворительной обрабатываемостью резанием.

         К недостаткам  a-сплавов относятся их неупрочняемость термической обработкой, низкая технологическая пластичность, которая повышается при легировании оловом, но стоимость сплава при этом резко возрастает. Сплавы куют, штампуют и прокатывают в горячем состоянии, используют для изготовления изделий, работающих при различных температурах (до 450-500  С).

         Деформируемые псевдо- a -сплавы имеют преимущественно  a-структуру с небольшим (1-5%) количеством  b-фазы вследствие дополнительного легирования  b- стабилизаторами: Mn (ОТ 4-1, ОТ 4, табл. 5.1),  V, Mo, Zr (например, ВТ 20),  Nb и др. В сравнении с  a -сплавами, они обладают высокой технологической пластичностью благодаря наличию  b-фазы. Поэтому сплавы с низким содержанием алюминия (2-3 %) обрабатываются давлением в холодном состоянии и только при изготовлении деталей сложной формы подогреваются для деформации до 500-700°С  (ОТ 4, ОТ 4-1). Сплавы с большим содержанием алюминия подвергают обработке давлением при 600-800°С. Дополнительному упрочнению таких сплавов способствует легирование цирконием (неограниченно растворяясь в a -Ti, он повышает температуру рекристаллизации, способствует повышению растворимости  b - стабилизаторов в  a -фазе) и кремнием (образует тонкодисперсные силициды, трудно растворимые в a -фазе). Поэтому псевдо- a -сплавы, содержащие  7-8 % Al  и легированные  Zr, Si, Mo, Nb, V,  используют в изделиях, работающих при наиболее высоких в сравнении с другими титановыми сплавами температурах.

         Недостатком псевдо-a-сплавов является склонность к водородной хрупкости, когда вследствие образования в структуре гидридов снижается их пластичность и вязкость.

         Двухфазные (a + b)- сплавы обладают лучшим сочетанием технологических и механических свойств. Эти сплавы легированы алюминием (1,5-7 %) с целью упрочнения  a-фазы, а также  b-стабилизаторами: V, Mo, Cr, Fe  и др. (см. табл. 5.1). В этих сплавах алюминий увеличивает термическую стабильность  b-фазы, способствуя снижению склонности этой фазы, легированной эвтектоидообразующими b-стабилизаторами - наиболее эффективными упрочнителями, к эвтектоидному распаду. Алюминий также снижает плотность сплавов, несмотря на их легирование элементами с более высокой в сравнении с титаном плотностью. Устойчивость   b-фазы и термическую стабильность сплавов сильно повышают изоморфные  b -стабилизаторы: Mo, V, Nb. Как видно из рис. 5.3, более сильный упрочняющий эффект оказывает молибден. Ванадий и ниобий менее сильно упрочняют сплавы и мало снижают их пластичность. Однако, наиболее сильному упрочнению способствует легирование двухфазных сплавов эвтектоидообразующими  b -стабилизаторами: Fe, Cr, Mn  (см. рис. 5.3). Поэтому промышленные двухфазные сплавы содержат  b-стабилизаторы обеих типов. Сплавы упрочняются термической обработкой - закалкой и старением. Чем больше  b -фазы содержится в структуре сплава, тем он прочнее в отожженном состоянии и сильнее упрочняется при термической обработке.

         По структуре, получаемой после закалки, ( a + b )- сплавы подразделяют на два класса: мартенситный и переходной. Сплавы мартенситного класса содержат меньшее количество b-стабилизаторов и поэтому в равновесном состоянии содер-жат немного (5-25 %)  b -фазы.  После закалки такие сплавы приобретают структуру мартенсита  a’ (или a”). Такие сплавы легируют алюминием и ванадием (ВТ 6), а также дополнительно молибденом, что имеет место в случае высокопрочных сплавов (ВТ 14, ВТ 16), а также сплавов для работы при повышенных температурах (ВТ 25, ВТ 3-1).

         Сплавы переходного класса содержат большее количество легирующих эле-ментов и поэтому большее количество  b -фазы в равновесной структуре и после отжига (25-50 %). После закалки из  b-области можно получить однофазную b‘ или двухфазную (a” + b’) структуру. Наличие большого количества  b-фазы обеспечивает максимальную прочность сплавов переходного класса среди всех двойных титановых сплавов. Так, исходя из данных табл. 5.1 следует, что сплав ВТ 22, относящийся к сплавам переходного класса, после отжига имеет прочностные свойства, не уступающие таковым у сплава ВТ 6 после закалки и старения. Это позволяет использовать сплавы переходного класса как в отожженном состоянии, так и после закалки и старения, что важно при производстве крупногабаритных изделий.

         Двухфазные  (a + b)- сплавы удовлетворительно обрабатываются резанием и свариваются, куются, прокатываются и штампуются даже легче, чем  a -сплавы. Поставляются в виде листов, прутков, ленты, штампованных заготовок.

Вам также может быть полезна лекция "18 Константин Капроним".

         Для получения однофазных  b-сплавов требуется высокое содержание в них  b- стабилизаторов, изоморфных титану (V, Mo, Nb, Ta), являющихся не только дорогими, но и более “тяжелыми”, чем сам титан, т.е. при этом уменьшается удельная прочность сплава. Поэтому как конструкционный материал в машиностроении b - сплавы широкого распространения не нашли. Однако, исследования в направлении расширения использования таких сплавов в технике проводятся.

         Псевдо- b -сплавы (например, ВТ 15) также являются высоколегированными  сплавами, в которых суммарное содержание легирующих элементов (в основном,  b-стабилизаторов) превышает, как правило, 20 %. Наиболее часто их легируют  Mo, V, Cr, реже - Fe, Zr, Sn.  Содержание алюминия в них обычно небольшое (» 3 %). В равновесном состоянии сплавы имеют преимущественно b-структуру с небольшим количеством  a -фазы. После закалки они имеют структуру метастабильной  b’-фазы. В таком состоянии сплавы обладают хорошей пластичностью (d =12-40 %,  y = 30-60%), сравнительно невысокой прочностью (предел прочности 650-1000 Н/мм²),  легко обрабатываются давлением. В зависимости от состава сплавы после старения упрочняются до s_в =1300-1800 Н/мм² .  Имея плотность на уровне 4,9 - 5,1 г/см³ , эти сплавы обладают высокой удельной прочностью, низкой склонностью к водо-родной хрупкости, удовлетворительно обрабатываются резанием. Однако, они чувствительны к примесям кислорода и углерода (снижение пластичности и вязкости), обладают пониженной пластичностью сварных швов и низкой термической стабильностью. Наибольшее распространение в промышленности получил сплав ВТ 15 (2,3-3,6 % Al, 6,8-8 % Mo, 9,5-11 % Cr), выпускаемый в виде поковок и различных видов проката и рекомендуемый для длительной работы при температуре до 350  С.

        

Литейные титановые сплавы.

         Сплавы имеют хорошие литейные свойства (небольшой интервал кристаллизации, высокая жидкотекучесть, хорошая плотность отливок), малую склонность к образованию горячих трещин, небольшую линейную (около 1 %) и объемную (около 3 %) усадку. Недостатками таких сплавов являются: большая склонность к поглощению газов, высокая активность при взаимодействии с формовочными материалами. Поэтому плавку и разливку таких сплавов ведут в вакууме или в атмосфере инертных газов.

         Для фасонного литья применяют сплавы, аналогичные по химическому сос-таву некоторым деформируемым сплавам  (ВТ 5Л, ВТ 3-1Л, ВТ 14Л и др.), а также специальные литейные сплавы. Литейные сплавы обладают более низкими механическими свойствами, чем соответствующие деформируемые. Упрочняющая термическая обработка резко снижает пластичность литейных сплавов титана и поэтому не применяется.