Удельная плотность титана. Особенности титана как металла с превосходной коррозийной стойкостью

Титановые сплавы. Основные характеристики

Важнейшими преимуществами титановых сплавов перед другими конструкционными материалами являются их высокие удельная прочность и жаропрочность в сочетании с высокой коррозионной стойкостью. Кроме того, титан и его сплавы хорошо свариваются, парамагнитны и обладают некоторыми другими свойствами, имеющими важное значение в ряде отраслей техники. Перечисленные качества титановых сплавов открывают большие перспективы их применения в тех областях машиностроения, где требуются высокая удельная прочность и жаропрочность в сочетании с высокой коррозионной стойкостью. Это относится, в первую очередь, к таким отраслям техники как авиастроение, ракетостроение, судостроение, химическое, пищевое и транспортное машиностроение.

Касаясь некоторых специфических свойств титана, можно отметить, что он представляет большой интерес как конструкционный материал для космических кораблей.

Классификация

Титановые сплавы целесообразно разделить на три большие группы:

Конструкционные и высокопрочные титановые сплавы представляют собой - твердые растворы, что позволяет им обеспечивать оптимальное соотношение характеристик прочности и пластичности.

Жаропрочные титановые сплавы представляют собой - твердые растворы с большим или меньшим количеством химического соединения (или начальной стадии его образования), что обеспечивает им повышенную жаропрочность при минимальном снижении пластичности.

Титановые сплавы на основе химического соединения - представляют интерес как жаропрочный материал с низкой плотностью, способный конкурировать с жаропрочными никелиевыми сплавами в определенном температурном интервале.

В настоящее время титан - один из важнейших конструкционных металлических материалов. Для этого титану в течение 200 лет пришлось пройти путь от признания его непригодным в конструкционных целях до всеобщего поклонения как перед одним из самых перспективных и вечных металлов.

ВТ1-00 и ВТ1-0

Технический титан. Металлургическая промышленность поставляет полуфабрикаты технического титана двух марок ВТ1 - 00 и ВТ1 - 0 отличающихся содержанием примесей (кислорода, азота, углерода, железа, кремния и др.). Это материалы малой прочности, причем титан ВТ1 - 00, содержащий меньше примесей, отличается меньшей прочностью и большей пластичностью. Основное достоинство технического титана - высокая технологическая пластичность, что позволяет получать из него даже фольгу.

Прочностные свойства титана могут быть повышены нагартовкой но при этом сильно снижаются пластические свойства. Снижение характеристик пластичности выражено сильнее, чем повышение характеристик прочности, так что нагартовка не самый лучший способ улучшения комплекса свойств титана. К недостаткам титана следует отнести высокую склонность к водородной хрупкости, в связи с чем содержание водорода не должно превышать 0,008 % в титане ВТ1 - 00 и 0,01 % в ВТ1 - 0.

Сплав ВТ5 (ВТ5Л)

Сплав ВТ5 (ВТ5Л) легирован только алюминием. Алюминий относится к числу наиболее распространенных легирующих элементов в титановых сплавах. Это обусловлено следующими преимуществами алюминия перед остальными легирующими компонентами:

а) алюминий широко распространен в природе, доступен и сравнительно дешев;

б) плотность алюминия значительно меньше плотности титана, и поэтому введение алюминия повышает их удельную прочность;

в) с увеличением содержания алюминия повышается жаропрочность и сопротивление ползучести сплавов титана;

г) алюминий повышает модули упругости;

д) с увеличением содержания алюминия в сплавах уменьшается их склонность к водородной хрупкости. Сплав ВТ5 отличается от технического титана большей прочностью и жаропрочностью. Вместе с тем алюминий значительно уменьшает технологическую пластичность титана. Сплав ВТ5 деформируется в горячем состоянии: куется, прокатывается, штампуется. Из него изготовляют прутки, профили, поковки, штамповки. Тем не менее, его предпочитают применять не в деформированном состоянии, а в виде фасонного литья (в этом случае ему присваивают марку ВТ5Л). Сплав предназначен для изготовления деталей систем управления, внутреннего набора фюзеляжа, сварных деталей и узлов, длительно работающих (10 000 ч) при температурах до 400 °С.

Сплав ВТ5-1

Сплав ВТ5-1 относится к системе Ti-Al-Sn. Олово улучшает технологические свойства сплавов титана с алюминием, замедляет их окисление, повышает сопротивление ползучести. Этот сплав, по прочностным характеристикам относится к материалам средней прочности, мало чувствителен к надрезу, имеет удовлетворительный предел выносливости, сохраняет значительную жаропрочность до 450 °С. Сплав ВТ5-1 более технологичен, чем ВТ5, и из него изготавливают все виды полуфабрикатов, получаемых обработкой давлением, в том числе: листы, плиты, поковки, штамповки, профили, трубы и проволоку. Сплав сваривается всеми видами сварки, причем сварные соединения и основной металл почти равнопрочны. Сплав термически не упрочняется. При применении этого сплава для работы при криогенных температурах содержание примесей должно быть сведено к минимуму, так как они вызывают хладноломкость, состав сплава с пониженным содержанием примесей обозначают ВТ5-1кт. За рубежом сплав Ti-5A1-2,5Sn аналогично применяют в двух вариантах: для обычного назначения и для работы при криогенных температурах. Во втором случае также ограничивают содержание примесей и обозначают сплав как Ti-5AI-2,5Sn ELI.

Сплав ПТ-7М

Сплав ПТ-7М относится к малолегированным, малопрочным и высокопластичным сплавам системы Ti-Al-Zr. Он довольно легко деформируется не только при повышенных, но и комнатной температуре, что обусловлено небольшим содержанием в нем алюминия. Сплав производится в основном в форме горячепрессованных, горячекатаных и холоднодеформированных труб. Высокая пластичность сплава позволяет получать из него особо тонкостенные трубы. Сплав ПТ-7М применяют в основном для изготовления различного рода трубопроводов, работающих при комнатной и повышенных температурах в агрессивных средах.

Сплав ОТ4-0

Сплав ОТ4-0 малой прочности и высокой технологичности. Марганец повышает технологичность при горячей обработке давлением. Сплав псевдо- α -класса с небольшим количеством β-фазы. Термически не упрочняется. Основными полуфабрикатами являются: листы, ленты, полосы, прутки, поковки, штамповки. Хорошо деформируется в горячем и холодном состояниях, допускает штамповку при комнатной температуре; хорошо сваривается всеми видами сварки. Используется в деталях для изготовления которых требуется высокая технологичность при холодной штамповке.

Сплав ОТ4-1

Сплав ОТ4-1 относится к числу наиболее технологичных титановых сплавов; является малопрочным, малолегированным псевдо а-сплавом системы Ti-Al-Mn. Он хорошо деформируется в горячем и холодном состояниях и предназначен в основном для изготовления листов, лент и полос. Из них получают также плиты, поковки, прутки, трубы и профили. Листовая штамповка деталей простой формы может производиться в холодном состоянии; при штамповке деталей сложной формы необходим подогрев до 500°С. Сплав хорошо сваривается всеми видами сварки, причем прочность и пластичность сварного соединения практически одинаковы с основным металлом. Сплав ОТ4-1 предназначен для изготовления деталей, работающих до температуры 350 °С в течение не более 2000 ч и до 300 °С - не более 30 000 ч и изготавливаемых с применением сварки, штамповки и гибки. В отожженном состоянии сплав ОТ4-1 применяется для изготовления деталей типа обшивок крыла, закрылков, внутреннего набора крыла. Полный отжиг проводится при 640-690°С (листовые полуфабрикаты и детали из них) и при 740-790°С (прутки, поковки, штамповки и т.п. и детали из них); неполный отжиг - при 520-560°С. Недостатки этого сплава: сравнительно невысокая прочность; очень большая склонность к водородной хрупкости (содержание водорода не должно превышать 0,005%).

Псевдо α -сплав ОТ4

Псевдо α -сплав ОТ4 относится к той же системе Ti-A1-Мп, что и ОТ4-1, но отличается от него большим содержанием алюминия. В связи с этим он прочнее сплава ОТ4-1. Этот сплав средней прочности. Вместе с тем сплав ОТ4 менее пластичен и технологичен, чем сплав ОТ4-1. Сплав хорошо деформируется в горячем и ограниченно холодном состояниях. Его поставляют в виде листов, плит, профилей, труб, прутков. Основные операции листовой штамповки (вытяжка, гибка, отбортовка) осуществляются в холодном состоянии. При штамповке сложных по конфигурации деталей требуется подогрев. Сплав ОТ4 хорошо сваривается аргонодуговой, контактной (точечной, роликовой, стыковой) и электронно-лучевой сваркой. Сплав обладает хорошей термической стабильностью и предназначен для изготовления деталей, работающих при температурах до 350°С в течение 2000 ч и до 300°С - 30 000 ч. Сплав термически не упрочняется, единственный вид термической обработки, которому он подвергается, это полный или неполный (для снятия остаточных напряжений) отжиг. Полный отжиг проводят при 660-710°С (листовые полуфабрикаты и детали из них) и при 740-790°С (прутки, поковки, штамповки и т.п. и детали из них); неполный отжиг - при 545-585 °С.

Сплав ВТ18 (ВТ18У)

Сплав ВТ18 (ВТ18У) системы Ti-Al-Zr-Mo-Nb-Si относится к высокопрочным псевдо α -сплавам. Большое содержание алюминия и циркония обеспечивает высокое сопротивление ползучести и высокую длительную прочность до температур 550 - 600°С. Это один из наиболее жаропрочных титановых сплавов. Пластические свойства и технологичность при обработке давлением у сплава ВТ18 ниже, чем у сплавов типа ОТ4. Поэтому он предназначен в основном для производства прутков, поковок и штамповок.
Оптимальное сочетание свойств сплава обеспечивает отжиг при температурах 900 - 950 °С, выдержка 1 - 4 ч, охлаждение на воздухе. Помимо этого применяют двойной отжиг: при 900 - 980 °С 1 - 4 ч + при 550 - 680 °С 2 - 8 ч, что позволяет получить более высокое сопротивление разрыву сплава при 600 °С (770 МПа вместо 670 МПа). Сплав ВТ 18 рекомендуется для деталей, работающих длительно (до 500 ч) при 550 - 600 °С и кратковременно (детали разового действия) - до 800 °С.

Псевдо α -сплав ВТ18У

Псевдо a-сплав ВТ18У отличается от ВТ18 более низким содержанием алюминия и циркония, а также дополнительным легированием оловом. В связи с этим он несколько технологичнее ВТ18. Поэтому из него получают не только прутки, поковки и штамповки, но и листы, хотя и с большим трудом. Термическая обработка полуфабрикатов из сплава ВТ18У производится по режимам, принятым для сплава ВТ18. По жаропрочным свойствам сплав ВТ18У не уступает сплаву ВТ 18 и рекомендуется для тех же условий эксплуатации, что и сплав ВТ 18.

Псевдо α -сплав ВТ20

Псевдо α -сплав ВТ20 принадлежит к системе Ti-Al-Zr-Mo-V. Довольно высокое содержание алюминия обеспечивает значительную прочность и жаропрочность этого сплава. Его пластичность и технологичность при обработке давлением ниже, чем у сплавов типа ОТ4. Тем не менее он хорошо деформируется в горячем состоянии и поставляется в виде поковок и штамповок толщиной до 250 мм, профилей, прутков, плит и листа. В листовом варианте этот сплав по жаропрочным характеристикам уступает только сплаву ВТ18У. Из этого сплава изготовляют сварные кольца из горячекатаных и прессованных профилей, а также цельнокатаные кольца. Сплав хорошо сваривается всеми видами сварки, применяемыми для титановых сплавов. Механические свойства сварного соединения не уступают свойствам основного металла. Сплав ВТ20 может свариваться с титановыми сплавами ВТЗ-1, ОТ4, ОТ4-1, ВТ5-1, ВТ6, ВТ14, ВТ5Л, ВТ21Л. Этот сплав поставляется также в виде фасонного литья под маркой ВТ20Л.

Единственным видом термической обработки сплава ВТ20 является отжиг. Полный отжиг проводят при температурах 700-800 °С для снятия наклепа от предшествующих операций обработки давлением. Неполный отжиг листов и прутков для снятия остаточных напряжений проводят при 600-650 °С. Сварные соединения отжигают при

650-750 °С. Сплав ВТ20 применяют для изготовления обшивок крыла, деталей и сварных узлов, длительно работающих при температурах от -70 до 450 °С (6000 ч) - 500 °С (3000 ч).

Сплавы типа ВТ6

Сплавы типа ВТ6 (Ti-6A1-4V) (a + b)-класса относятся к числу наиболее распространенных за рубежом титановых сплавов. Сплав Ti-6А1-4V используется для изготовления крупногабаритных сварных и сборных конструкций летательных аппаратов, для изготовления баллонов, работающих под внутренним давлением в широком интервале температур от 196 до 450 °С, и целого ряда других конструктивных элементов. По данным зарубежной печати, около 50 % используемого в авиакосмической промышленности титана приходится на сплав Ti-6A1-4V, аналогом которого являются отечественные сплавы типа ВТ6.

Такое широкое распространение этого сплава объясняется удачным его легированием. Алюминий в сплавах системы Ti-Al-V повышает прочностные и жаропрочные свойства, а ванадий относится к числу тех немногих легирующих элементов в титане, которые повышают не только прочностные свойства, но и пластичность.

Наряду с высокой удельной прочностью сплавы этого типа обладают меньшей чувствительностью к водороду по сравнению со сплавами ОТ4 и ОТ4-1, низкой склонностью к солевой коррозии и хорошей технологичностью.

Сплавы хорошо деформируются в горячем состоянии. Из сплавов типа ВТ6 получают прутки, трубы, профили, поковки, штамповки, плиты, листы. Они свариваются всеми традиционными видами сварки, в том числе и диффузионной. При сварке ЭЛС прочность сварного шва практически равна прочности основного материала, что выгодно отличает этот сплав от ВТ22. Сплавы типа ВТ6 применяют в отожженном и термически упрочненном состояниях. Отжиг листов, тонкостенных труб, профилей и деталей из них обычно проводят при 750-800 °С с последующим охлаждением на воздухе или вместе с печью. Отжиг прутков, поковок, штамповок и других крупногабаритных полуфабрикатов и деталей из них проводят при 750-800 "С. Охлаждение вместе с печью крупных полуфабрикатов предотвращает их коробление, а для мелких деталей позволяет избежать.частичной закалки. Однако в последнее время было доказано, что целесообразно повысить температуру отжига до 900-950 °С, что приведет к повышению вязкости разрушения и ударной вязкости при сохранении высоких пластических свойств из-за формирования смешанной структуры с большой долей пластинчатой составляющей. Двойной отжиг также позволяет повысить вязкость разрушения и сопротивление коррозионному

Сплав ВТ14

Сплав ВТ14 относится к высокопрочным термически упрочняемым титановым (α + β )-сплавам мартенситного типа системы Ti-A1-Мо-V. Этот сплав хорошо деформируется в горячем состоянии и из него получают прутки, трубы, профили, листы, плиты, поковки, штамповки. Листовую штамповку сплава в отожженном или закаленном состоянии с небольшими деформациями можно проводить в холодном состоянии, но основные операции штамповки удается успешно провести лишь при повышенных температурах.

Сплав удовлетворительно сваривается всеми видами сварки, применяемыми для титана. Для восстановления пластичности сварного соединения после сварки необходимо проводить отжиг. Сплав применяют в отожженном и термически упрочненном состояниях. Отжиг листов, прутков, поковок, штамповок и деталей из них осуществляют при температурах 740-810 °С. Термическое упрочнение состоит из закалки с температуры 870-910 °С и старения при 480- 560 °С в течение 8 - 16 ч. Сплав рекомендован для изготовления штампосварных конструкций, длительно работающих при температурах до 400 °С.

Сплав ВТ16

Сплав ВТ16 относится к высокопрочным (α + β )-сплавам той же системы Ti-A1-Мо-V, что и ВТ 14, но отличается от последнего меньшим содержанием алюминия и большим содержанием Р-стабилизаторов. В связи с этим сплав ВТ 16 по сравнению со сплавом ВТ 14 содержит больше β -фазы в отожженном состоянии (10 % - в ВТ14, 25-30 % - в ВТ16). Благодаря высокому содержанию β -фазы сплав ВТ 16 отличается высокой технологичностью. Он хорошо деформируется не только в горячем, но и в холодном состоянии, что обусловлено не только (α + β )-структурой, но и невысоким содержанием алюминия. Хотя,из сплава ВТ 16 можно изготавливать почти все виды полуфабрикатов, основная часть продукций из него - проволока и прутки диаметром от 4 до 20 мм, полученные прокаткой или волочением. Это связано с тем, что сплав ВТ 16 предназначен в основном для изготовления деталей крепления: болтов, винтов, заклепок и т.д. Состав этого сплава подбирался специально к условиям работы этих деталей.

К структуре прутков, предназначенных для изготовления деталей крепления, предъявляются довольно строгие требования: она должна быть мелкозернистая и однородная. Помимо этого, предъявляются повышенные требования к геометрическим размерам прутков и качеству их поверхности. Состав сплава ВТ 16 определяет также хорошую его свариваемость и высокую пластичность сварного соединения непосредственно после сварки. Сплав ВТ16 применяют в отожженном и термически упрочненном состояниях. Листы, тонкостенные трубы, профили и детали из них отжигают при температурах 680-790 °С, а прутки, толстостенные трубы и профили при 770-790 °С. Для термического упрочнения сплав закаливают с 780-830 °С и затем подвергают старению при 560-580 °С в течение 4-10 ч. Сплав в закаленном и состаренном состоянии с временным сопротивлением разрыву, 1200 МПа мало чувствителен к концентраторам напряжений: надрезу, перекосу и т.п. Сплав ВТ 16 может применяться для изготовления деталей крепления и других элементов самолетных конструкций длительной работы при температурах до 350 °С.

Сплав ВТЗ-1

Сплав ВТЗ-1 системы Ti-Al-Mo-Cr-Fe-Si относится к высокопрочным (α + β ) - сплавам мартенситного класса. Алюминий в сплаве ВТЗ-1 упрочняет а- и b-фазы и уменьшает плотность сплава. Эвтектоидообразующие β -стабилизаторы хром, железо и кремний упрочняют α - и β -фазы и повышают прочностные и жаропрочные свойства при умеренных температурах. Молибден не только увеличивает прочностные и жаропрочные свойства сплава, но и затрудняет эвтектоидный распад b-фазы, повышая термическую стабильность.

Сплав хорошо деформируется в горячем состоянии; из него получают катаные, прессованные и кованые прутки, катаные и прессованные профили, различные поковки и штамповки, полосы, плиты, раскатные кольца, в опытном порядке - трубы. Сплав удовлетворительно сваривается всеми видами сварки, применяемыми для титана. После сварки необходимо проводить отжиг для восстановления пластичности сварного соединения.

Изделия из сплава ВТЗ-1 обычно применяют после изотермического отжига, который состоит из нагрева при температурах 870- 920 °С и изотермической выдержки при 630-680 °С в течение 2-5 ч с последующим охлаждением на воздухе. После такого отжига сплав приобретает стабильную (а + b)-структуру, которая обеспечивает наиболее высокую термическую стабильность и максимальную пластичность. После одинарного отжига при температурах 800-850 °С сплав имеет большую прочность, чем после изотермического, но меньшие пластичность и термическую стабильность. Прочностные свойства сплава можно несколько повысить закалкой при 840-900 °С с последующим старением при 500-620 °С в течение 1-4 ч. Однако упрочняющая термическая обработка применяется редко, так как приводит к снижению термической стабильности сплава.

Сплав ВТЗ-1 используется при изготовлении деталей двигателей, работающих длительное время (до 6000 ч и более) при температурах до 400 °С; деталей типа арматуры, ушковых болтов; деталей системы управления. В последнее время наметилась тенденция к замене сплава ВТЗ-1 сплавом ВТ6, по-видимому, в основном в связи с тем, что сплав Ti-6A1-4V успешно используется многие годы в зарубежной практике для изготовления самых ответственных конструкций. Дополнительным легированием удается повысить прочностные свойства сплава Ti-6A1-4V при сохранении удовлетворительной пластичности, мо механические свойства сварных соединений при этом значительно ухудшаются, так что при свариваемости, в частности, электронно-лучевой сваркой, сплавы типа ВТ6 не имеют себе равных, кроме, может быть, сплава ВТ20.

Сплав ВТ22

Сплав ВТ22 (α + β )-класса относится к сильнолегированным высокопрочным сплавам системы Ti-Al-Mo-V-Fe-Cr. По содержанию b-стабилизирующих элементов сплав 1ГГ22 близок ко второй критической концентрации (К* ~ 1,0). Структура и свойства сплава ВТ22 сильно зависят от колебания химического состава в пределах, установленных техническими условиями. В зависимости от содержания легирующих элементов его структура после закалки из β -области может быть представлена или одной β -фазой, или β -фазой и мартенситом. Таким образом, по структуре в закаленном состоянии - это сплав переходного класса.

Сплав обладает хорошей технологической пластичностью при горячей обработке давлением. Из него получают прутки, профили, трубы, поковки, штамповки, плиты. Сплав удовлетворительно сваривается сваркой плавлением, аргонодуговой сваркой, сваркой под флюсом, роликовой и точечной сваркой. После сварки необходимо проводить отжиг для повышения комплекса механических свойств сварного соединения.

Сплав ВТ22 применяют в отожженном и термически упрочненном состояниях. Структура отожженного сплава ВТ22 представлена примерно равными количествами а- и b-фаз, и поэтому он относится к самым прочным титановым сплавам в отожженном состоянии. Его прочностные свойства в отожженном состоянии такие же, как у сплавов ВТ6, ВТЗ-1, ВТ 14 после закалки и старения. Это открывает новые возможности использования титановых сплавов в крупногабаритных изделиях, когда упрочняющая термическая обработка затруднена. Из сплава ВТ22 могут быть изготовлены поковки и штамповки массой в несколько тонн.

Для обеспечения наилучшего сочетания прочностных и пластических характеристик сплав ВТ22 подвергают отжигу по довольно сложному режиму: нагрев при 820-850 °С в течение 1-3 ч, охлаждение с печью до 740-760 °С, выдержка 1-3 ч, далее охлаждение на воздухе и последующий нагрев до 500-650 °С в течение 2-4 ч. .Дополнительное упрочнение сплава ВТ22 может быть достигнуто закалкой с температур 720-780 °С и старением при 480-600 °С в течение 4-10 ч. Временные сопротивление разрыву закаленного сплава составляет 1000-1100 МПа при удлинении 10-15 %, а состаренного - 1300-1600 МПа при удлинении 5-10 %. Сплав предназначен для получения высоконагруженных деталей и конструкций, длительно работающих до температур 350-400 °С. Из него изготавливают силовые детали фюзеляжа, крыла, штамповки, детали системы управления, крепежные детали типа ушковых болтов.

Сплав ВТ9

Сплав ВТ9 обеспечивает более высокие прочностные и жаропрочные свойства по сравнению со сплавом ВТ6 за счет высокого содержания алюминия и легированием кремния. Предназначен для работы при 400 - 500 °С. Двойной отжиг обеспечивает оптимальное сочетание механических свойств; содержание β - фазы после отжига примерно 10%. Сплав термически упрочняется путем закалки и старения. Основными вида полуфабриката являются прутки, поковки, штамповки и плиты. Удовлетворительно деформируется в горячем состоянии. Технологические свойства при обработке давлением хуже, чем у сплава ВТ6. Сварка не рекомендуется. В основном применяется в деталях ГТД (дисках, лопатках) и других деталях компрессора.

Сплав ВТ8

Сплав ВТ8 обеспечивает более высокие прочностные и жаропрочные свойства по сравнению со сплавом ВТ6 за счет высокого содержания алюминия и легированием кремния. Максимальная рабочая температура 480 0С. Сплавы ВТ8-1 и ВТ8-1М превосходят сплавы ВТ3-1 и ВТ9 по термической стабильности, пластичности, технологичности и характеристикам трещиностойкости. Двойной и изотермический отжиги обеспечивают оптимальное сочетание свойств; содержание β - фазы в отожженном сплаве примерно 10%. Сплав термически упрочняется. Основными вида полуфабриката являются прутки, поковки, штамповки и плиты. Удовлетворительно деформируется в горячем состоянии. Технологические свойства при обработке давлением хуже, чем у сплава ВТ6. Сварка не рекомендуется. В основном применяется в деталях ГТД (дисках, лопатках компрессора низкого давления, деталях крепления вентилятора).

Сплав ВТ35

Сплав ВТ35 высоколегированный псевдо - β - сплав с β - фазой, легко сохраняющейся при охлаждении; сплав ВТ35Л сохраняет b фазу в процессе естественного охлаждения. Обладает большой прокаливаемостыо. В закаленном состоянии сплав обладает высокой пластичностью и способен к холодной деформации. Старение приводит к существенному упрочнению (σ b > 1200МПа; δ = 6%) при высокой вязкости разрушения. Применяется для изготовления листов, фольги, фасонных отливок. Удовлетворительно обрабатывается давлением в горячем состоянии; после закалки способен к холодной деформации. В основном используется в сотовых

1metal.com Металлургическая торговая площадка 1metal.com Краткая информация о Титан и его сплавы компаний Украины на металлоторгующей площадке 1metal.com 4.6 stars на основе 95

Титан и его сплавы

Титан широко распространен в земной коре, где его содержится около 6 %, а по распространенности он занимает четвертое место после алю-миния, железа и магния. Однако промышленный способ его извлечения был разработан лишь в 40-х годах ХХ века. Благодаря прогрессу в области самолето- и ракетостроения производство титана и его сплавов интенсивно развивалось. Это объясняется сочетанием таких ценных свойств титана, как малая плотность, высокая удельная прочность (s в /r × g ), коррозионная стойкость, технологичность при обработке давлением и свариваемость, хладостойкость, немагнитность и ряд других ценных физико-механических характеристик, приведенных ниже.

Характеристики физико-механических свойств титана (ВТ1-00)

Плотность r , кг/м 3	4,5 × 10 –3
Температура плавления Т пл , ° С	1668± 4
Коэффициент линейного расширения a × 10 –6 , град –1	8,9
Теплопроводность l , Вт/(м × град)	16,76
Предел прочности при растяжении s в, МПа	300–450
Условный предел текучести s 0,2 , МПа	250–380
Удельная прочность (s в /r × g )× 10 –3 , км	7–10
Относительное удлинение d , %	25–30
Относительное сужение Y , %	50–60
Модуль нормальной упругости Е´ 10 –3 , МПа	110,25
Модуль сдвига G´ 10 –3 , МПа	41
Коэффициент Пуассона m ,	0,32
Твердость НВ	103
Ударная вязкость KCU, Дж/см 2	120

Титан имеет две полиморфные модификации: a -титана с гексагональной плотноупакованной решеткой с периодами а = 0,296 нм, с = 0,472 нм и высокотемпературную модификацию b -титана с кубической объемно-центрированной решеткой с периодом а = 0,332 нм при 900 ° С. Температура полиморфного a « b -превращения составляет 882 ° С.

Механические свойства титана существенно зависят от содержания примесей в металле. Различают примеси внедрения - кислород, азот, углерод, водород и примеси замещения, к которым относятся железо и кремний. Хотя примеси повышают прочность, но одновременно резко снижают пластичность, причем наиболее сильное отрицательное действие оказывают примеси внедрения, особенно газы. При введении всего лишь 0,003 % Н, 0,02 % N или 0,7 % О титан полностью теряет способность к пластическому деформированию и хрупко разрушается.

Особенно вреден водород, вызывающий водородную хрупкость титановых сплавов. Водород попадает в металл при плавке и последующей обработке, в частности при травлении полуфабрикатов. Водород малорастворим в a -титане и образует пластинчатые частицы гидрида, снижающего ударную вязкость и особенно отрицательно проявляющегося в испытаниях на замедленное разрушение.

Промышленный способ производства титана состоит в обогащении и хлорировании титановой руды с последующим его восстановлением из четыреххлористого титана металлическим магнием (магнийтермический метод). Полученный этим методом титан губчатый (ГОСТ 17746–79) в зависимости от химического состава и механических свойств выпускают следующих марок:
ТГ-90, ТГ-100, ТГ-110, ТГ-120, ТГ-130, ТГ-150, ТГ-Т В (см. табл. 17.1). Цифры означают твердость по Бринеллю НВ, Т В - твердый.

Для получения монолитного титана губка размалывается в порошок, прессуется и спекается или переплавляется в дуговых печах в вакууме или атмосфере инертных газов.

Механические свойства титана характеризуются хорошим сочетанием прочности и пластичности. Например, технически чистый титан марки ВТ1-0 имеет: s в = 375–540 МПа, s 0,2 = 295–410 МПа, d ³ 20 %, и по этим характеристикам не уступает ряду углеродистых и Cr-Ni коррозионностойких сталей.

Высокая пластичность титана по сравнению с другими металлами, имеющими ГПУ- решетку (Zn, Mg, Cd), объясняется большим количеством систем скольжения и двойникования благодаря малому сотношению с /а = 1,587. По-видимому, с этим связана высокая хладостойкость титана и его сплавов (подробнее см. гл. 13).

При повышении температуры до 250 ° С прочность титана снижается почти в 2 раза. Однако жаропрочные Ti-сплавы по удельной прочности в интервале температур 300–600 ° С не имеют себе равных; при температурах выше 600 ° С сплавы титана уступают сплавам на основе железа и никеля.

Титан имеет низкий модуль нормальной упругости (Е = 110,25 ГПа) - почти в 2 раза меньше, чем у железа и никеля, что затрудняет изготовление жестких конструкций.

Титан относится к числу химически активных металлов, однако он обладает высокой коррозионной стойкостью, так как на его поверхности образуется стойкая пассивная пленка TiO 2 , прочно связанная с основным металлом и исключающая его непосредственный контакт с коррозионной средой. Толщина этой пленки обычно достигает 5–6 нм.

Благодаря оксидной пленке, титан и его сплавы не корродируют в атмосфере, в пресной и морской воде, устойчивы против кавитационной коррозии и коррозии под напряжением, а также в кислотах органического происхождения.

Производство изделий из титана и его сплавов имеет ряд технологических особенностей. Из-за высокой химической активности расплавленного титана его плавку, разливку и дуговую сварку производят в вакууме или в атмосфере инертных газов.

При технологических и эксплуатационных нагревах, особенно выше 550–600 ° С, необходимо принимать меры для защиты титана от окисления и газонасыщения (альфированный слой) (см. гл. 3).

Титан хорошо обрабатывается давлением в горячем состоянии и удовлетворительно в холодном. Он легко прокатывается, куется, штампуется. Титан и его сплавы хорошо свариваются контактной и аргонодуговой сваркой, обеспечивая высокую прочность и пластичность сварного соединения. Недостатком титана является плохая обрабатываемость резанием из-за склонности к налипанию, низкой теплопроводности и плохих антифрикционных свойств.

Основной целью легирования титановых сплавов является повышение прочности, жаропрочности и коррозионной стойкости. Широкое применение нашли сплавы титана с алюминием, хромом, молибденом, ванадием, марганцем, оловом и др. элементами. Легирующие элементы оказывают большое влияние на полиморфные превращения титана.

Таблица 17.1

Марки, химический состав (%) и твердость титана губчатого (ГОСТ 17746–79)

	Ti, не менее								Твердость НВ, 10/1500/30, не более

Таблица 17.2

Марки и химический состав (%) деформируемых титановых сплавов (ГОСТ 19807–91)

Обозначения марок

Примечание. Сумма прочих примесей во всех сплавах составляет 0,30 %, в сплаве ВТ1-00 - 0,10 %.

На формирование структуры и, следовательно, свойств титановых сплавов решающее влияние оказывают фазовые превращения, связанные с полиморфизмом титана. На рис. 17.1 представлены схемы диаграмм состояния «титан-легирующий элемент», отражающие подразделение легирующих элементов по характеру влияния на полиморфные превращения титана на четыре группы.

a -Стабилизаторы (Al, O, N), которые повышают температуру полиморфного превращения a « b и расширяют область твердых растворов на основе a -титана (рис. 17.1, а ). Учитывая охрупчивающее действия азота и кислорода, практическое значение для легирования титана имеет только алюминий. Он является основным легирующим элементом во всех промышленных титановых сплавах, уменьшает их плотность и склонность к водородной хрупкости, а также повышает прочность и модуль упругости. Сплавы с устойчивой a -структурой термической обработкой не упрочняются.

Изоморфные b -стабилизаторы (Mo, V, Ni, Ta и др.), которые понижают температуру a « b -пре-вращения и расширяют область твердых растворов на основе b -титана (рис. 17.1, б ).

Эвтектоидообразующие b -стабилизаторы (Cr, Mn, Cu и др.) могут образовывать с титаном интерметаллиды типа TiХ. В этом случае при охлаждении b -фаза претерпевает эвтектоидное превращение b ® a + TiХ (рис. 17.1, в ). Большинство
b -стабилизаторов повышает прочность, жаропрочность и термическую стабильность титановых сплавов, несколько снижая их пластичность (рис. 17.2.). Кроме того, сплавы с (a + b) и псевдо-b -структурой могут упрочняться термообработкой (закалка + старение).

Нейтральные элементы (Zr, Sn) не оказывают существенного влияния на температуру полиморфного превращения и не меняют фазового состава титановых сплавов (рис. 17.1, г ).

Полиморфное b ® a -превращение может происходить двумя путями. При медленном охлаждении и высокой подвижности атомов оно происходит по обычному диффузионному механизму с образованием полиэдрической структуры твердого a -раствора. При быстром охлаждении - по бездиффузионному мартенситному механизму с образованием игольчатой мартенситной структуры, обозначаемой a ¢ или при большей степени легированности - a ¢ ¢ . Кристаллическая структура a , a ¢ , a ¢ ¢ практически однотипная (ГПУ), однако решетка a ¢ и a ¢ ¢ более искажена, причем степень искаженности возрастает с увеличением концентрации легирующих элементов. Есть сведения [ 1] , что решетка a ¢ ¢ -фазы скорее ромбическая, чем гексагональная. При старении из фаз a ¢ и a ¢ ¢ выделяется b -фаза или интерметаллидная фаза.

Рис. 17.1. Диаграммы состояний систем «Тi-легирующий элемент» (схемы):
а ) «Тi-a -стабилизаторы»;
б ) «Тi-изоморфные b -стабилизаторы»;
в ) «Тi-эвтектоидообразующие b -стабилизаторы»;
г ) «Тi-нейтральные элементы»

Рис. 17.2. Влияние легирующих элементов на механические свойства титана

В отличие от мартенсита углеродистых сталей, являющегося раствором внедрения и характеризующегося высокой прочностью и хрупкостью, титановый мартенсит является раствором замещения, и закалка титановых сплавов на мартенсит a ¢ приводит к небольшому упрочнению и не сопровождается резким снижением пластичности.

Фазовые превращения, происходящие при медленном и быстром охлаждении титановых сплавов с различным содержанием b -стабилизаторов, а также получаемые структуры отражены на обобщенной диаграмме (рис. 17.3). Она справедлива для изоморфных b -стабилизаторов (рис. 17.1, б ) и, с некоторым приближением, для эвтектоидообразующих b -стабилизаторов (рис. 17.1, в ), так как эвтектоидный распад в этих сплавах происходит очень медленно, и им можно пренебречь.

Рис. 17.3. Схема изменения фазового состава сплавов «Ti-b -стабилизатор» в зависимости от скорости
охлаждения и закалки из b -области

При медленном охлаждении в титановых сплавах, в зависимости от концентрации b -стабилизаторов, могут быть получены структуры: a , a + b или b соответственно.

При закалке в результате мартенситного превращения в интервале температур М н –М к (на рис. 17.3 показаны пунктиром) следует различать четыре группы сплавов.

В первую группу входят сплавы с концентрацией b -стабилизирующих элементов до С 1 , т. е. сплавы, которые при закалке из b -области имеют исключительно a ¢ (a ¢ ¢)-структуру. После закалки этих сплавов с температур (a + b)-области в интервале от полиморфного превращения до Т 1 , их структура представляет собой смесь фаз a ¢ (a ¢ ¢), a и b , а после закалки с температур ниже Т кр они имеют (a + b)-структуру.

Вторую группу составляют сплавы с концентрацией легирующих элементов от С 1 до С кр, у которых при закалке из b -области мартенситное превращение не происходит до конца и они имеют структуру a ¢ (a ¢ ¢) и b . Сплавы этой группы после закалки с температур от полиморфного превращения до Т кр имеют структуру a ¢ (a ¢ ¢), a и b , а с температур ниже Т кр - структуру (a + b).

Закалка сплавов третьей группы с концентрацией b -стабилизирующих элементов от С кр до С 2 с температур b -области или с температур от полиморфного превращения до Т 2 сопровождается превращением части b -фазы в w -фазу, и сплавы этого типа после закалки имеют структуру (b + w). Сплавы третьей группы после закалки с температур ниже Т 2 имеют структуру (b + a).

Сплавы четвертой группы после закалки с температур выше полиморфного превращения имеют исключительно b -структуру, а с температур ниже полиморфного превращения - (b + a).

Необходимо отметить, что превращения b ® b + w может происходить как при закалке сплавов с концентрацией (С кр –С 2) , так и при старении сплавов с концентрацией более С 2 , имеющих метастабильную b -фазу. В любом случае, присутствие w -фазы нежелательно, так как она сильно охрупчивает титановые сплавы. Рекомендуемые режимы термообработки исключают ее присутствие в промышленных сплавах или появление в условиях эксплуатации.

Для титановых сплавов применяют следующие виды термообработки: отжиг, закалка и старение, а также химико-термическая обработка (азотирование, силицирование, оксидирование и др.).

Отжиг проводится для всех титановых сплавов с целью завершения формирования структуры, выравнивания структурной и концентрационной неоднородности, а также механических свойств. Температура отжига должна быть выше температуры рекрисаллизации, но ниже температуры перехода в b -состояние (Т пп) во избежание роста зерна. Применяют обычный отжиг, двойной или изотермический (для стабилизации структуры и свойств), неполный (для снятия внутренних напряжений).

Закалка и старение (упрочняющая термообработка) применима к титановым сплавам с (a + b)-структурой. Принцип упрочняющей термообработки заключается в получении при закалке метастабильных фаз b , a ¢ , a ¢ ¢ и последующем их распаде с выделением дисперсных частиц a - и b -фаз при искусственном старении. При этом эффект упрочнения зависит от типа, количества и состава метастабильных фаз, а также дисперсности образовавшихся после старения частиц a - и b -фаз.

Химико-термическая обработка проводится для повышения твердости и износостойкости, стойкости к «схватыванию» при работе в условиях трения, усталостной прочности, а также улучшения коррозионной стойкости, жаростойкости и жаропрочности. Практическое применение имеют азотирование, силицирование и некоторые виды диффузионной металлизации.

Титановые сплавы по сравнению с техническим титаном имеют более высокую прочность, в том числе и при высоких температурах, сохраняя при этом достаточно высокую пластичность и коррозионную стойкость.

Марки и химический состав отечественных
сплавов (ГОСТ 19807–91) представлены в табл. 17.2.

По технологии изготовления титановые сплавы подразделяются на деформируемые и литейные ; по уровню механических свойств - на сплавы невысокой прочности и повышенной пластичности , средней прочности, высокопрочные ; по условиям применения - на хладостойкие, жаропрочные, коррозионностойкие. По способности упрочняться термообработкой они делятся на упрочняемые и неупрочняемые , по структуре в отожженном состоянии - на a -, псевдо-a -, (a + b)-, псевдо-b - и b -сплавы (табл. 17.3).

Отдельные группы титановых сплавов различаются по величине условного коэффициента стабилизации Кb , который показывает отношение содержания b -стабилизирующего легирующего элемента к его содержанию в сплаве критического состава с кр. При содержании в сплаве нескольких b -стабилизирующих элементов их Кb суммируется.

< 700 МПа, а именно: a -сплавы марок ВТ1-00, ВТ1-0 (технический титан) и сплавы ОТ4-0, ОТ4-1 (система Ti-Al-Mn), АТ3 (система Ti-Al c небольшими добавками Cr, Fe, Si, B), относящиеся к псевдо-a -сплавам с небольшим количеством b -фазы. Характеристики прочности этих сплавов выше, чем чистого титана благодаря примесям в сплавах ВТ1-00 и ВТ1-0 и незначительному легированию a - и b -стабилизаторами в сплавах ОТ4-0, ОТ4-1, АТ3.

Эти сплавы отличаются высокой пластичностью как в горячем, так и в холодном состоянии, что позволяет получать все виды полуфабрикатов: фольгу, ленту, листы, плиты, поковки, штамповки, профили, трубы и т. п. Механические свойства полуфабрикатов из этих сплавов приведены в табл. 17.4–17.6.

Таблица 17.3

Классификация титановых сплавов по структуре

Группа сплавов	Марка сплава
	ВТ1-00, ВТ1-0, ВТ5, ВТ5-1, ПТ-7М
Псевдо-a -сплавы (Кb < 0,25)	ОТ4-0, ОТ4-1, ОТ4, ВТ20, АТ3
(a + b)-Мартенситного класса (Кb = 0,3–0,9)	ВТ6С, ВТ6, ВТ14, ВТ8, ВТ9, ПТ-3В, ВТ3-1, АТ3
(a + b)-Сплавы переходного класса (Кb = 1,0–1,4)
Псевдо-b -сплавы (Кb = 1,5–2,4)	ВТ35*, ВТ32*, ВТ15
b -Сплавы (Кb = 2,5–3,0)

* Опытные сплавы.

Таблица 17.4

Механические свойства листов из титановых сплавов (ГОСТ 22178–76)

Марки титановых сплавов	Состояние образцов при испытаниях	Толщина листов, мм	Предел прочности, s в, МПа	Относительное удлинение, d , %
	Отожженное
		Св. 6,0–10,5
		Св. 6,0–10,5
	Отожженное
		Св. 6,0–10,5
		Св. 6,0–10,5
		Св. 6,0–10,5
			885 (885–1080)
	Отожженное		885 (885–1050)
		Св. 5,0–10,5	835 (835–1050)
	Закаленное и искусственно состаренное
		Св. 7,0–10,5
	Отожженное		930 (930–1180)
		Св. 4,0–10,5
	Отожженное и правленное		980 (980–1180)
		Св. 4,0–10,5

Примечание. В скобках приведены данные для листов с высокой отделкой поверхности.

Таблица 17.5

Механические свойства прутков из титановых сплавов (ГОСТ 26492–85)

Марка сплава	Состояние испытываемых образцов	Диаметр прутка,	Предел прочности s в, МПа	Относительное удлинение d , %	Относительное сужение y ,	Ударная вязкость KCU, Дж/см 2
	Отожженные
	Отожженные
	Отожженные		885 (905–1050)
			835 (835–1050)
	Закаленные и состаренные
	Отожженные
	Закаленные и состаренные
	Отожженные		930 (980–1230)
			930 (930–1180)
			980 (980–1230)
			930 (930–1180)
			980 (1030–1230)
			930 (980–1230)
	Отожженные		885 (885–1080)
			865 (865–1080)
	Закаленные и состаренные
	Отожженные		885 (930–1130)
			885 (885–1130)
			1030 (1080–1230)
			1030 (1080–1280)

Примечание. В скобках приведены данные для прутков повышенного качества.

Таблица 17.6

Механические свойства плит из титановых сплавов (ГОСТ 23755–79)

Марка сплава	Состояние материала	Толщина плит,	Предел прочности s в, МПа	Относительное удлинение d , %	Относительное сужение y , %	Ударная вязкость KCU, Дж/см 2
	Без термической обработки
	Отожженное
	Отожженное
	Закаленное и состаренное
	Отожженное
	Без термической обработки

Ковка, объемная и листовая штамповка, прокатка, прессование производятся в горячем состоянии по режимам, указанным в табл. 17.7. Окончательная прокатка, листовая штамповка, волочение и другие операции производятся в холодном состоянии.

Эти сплавы и изделия из них подвергаются только отжигу по режимам, указанным в табл. 17.8. Для снятия внутренних напряжений, образовавшихся в результате механической обработки, листовой штамповки, сварки и др., применяется неполный отжиг.

Указанные сплавы хорошо свариваются сваркой плавлением (аргонодуговая, под флюсом, электрошлаковая) и контактной (точечная, роликовая). При сварке плавлением прочность и пластичность сварного соединения практически аналогичные основному металлу.

Коррозионная стойкость данных сплавов высокая во многих средах (морская вода, хлориды, щелочи, органические кислоты и т. п.), кроме растворов HF, H 2 SO 4 , HCl и некоторых других.

Применение. Эти сплавы широко применяются как конструкционные материалы для изготовления практически всех видов полуфабрикатов, деталей и конструкций, включая сварные. Наиболее эффективно их применение в авиационно-космической технике, в химическом машиностроении, в криогенной технике (табл. 17.9.), а также в узлах и конструкциях, работающих при температурах до 300–350 ° С.

К этой группе относятся сплавы с пределом прочности s в = 750–1000 МПа, а именно: a -спла-вы марок ВТ5 и ВТ5-1; псевдо-a -сплавы марок ОТ4, ВТ20; (a + b)-сплавы марок ПТ3В, а также ВТ6, ВТ6С, ВТ14 в отожженном состоянии.

Сплавы ВТ5, ВТ5-1, ОТ4, ВТ20, ПТ3В, ВТ6С, содержащие небольшое количество b -фазы (2–7 % b -фазы в равновесном состоянии), упрочняющей термообработке не подвергаются и используются в отожженном состоянии. Сплав ВТ6С иногда применяют в термически упрочненном состоянии. Сплавы ВТ6 и ВТ14 используют как в отожженном, так и в термически упрочненном состоянии. В последнем случае их прочность становится выше 1000 МПа, и они будут рассмотрены в разделе, посвященном высокопрочным сплавам.

Рассматриваемые сплавы, наряду с повышенной прочностью, сохраняют удовлетворительную пластичность в холодном состоянии и хорошую пластичность в горячем состоянии, что позволяет получать из них все виды полуфабрикатов: листы, ленту, профили, поковки, штамповки, трубы и др. Исключение составляет сплав ВТ5, из которого листы и плиты не изготавливают из-за невысокой технологической пластичности. Режимы горячей обработки давлением приведены в табл. 17.7.

На эту категорию сплавов приходится основной объем производства полуфабрикатов, применяемых в машиностроении. Механические характеристики основных полуфабрикатов приведены в табл. 17.4–17.6.

Все среднепрочные сплавы хорошо свариваются всеми видами сварки, применяемыми для титана. Прочность и пластичность сварного соединения, выполненного сваркой плавлением, близка к прочности и пластичности основного металла (для сплавов ВТ20 и ВТ6С это соотношение составляет 0,9–0,95). После сварки рекомендован неполный отжиг для снятия внутренних сварочных напряжений (табл. 17.8).

Обрабатываемость резанием этих сплавов хорошая. Коррозионная стойкость в большинстве агрессивных сред аналогична техническому титану ВТ1-0.

Таблица 17.7

Режимы горячей обработки давлением титановых сплавов

Марка сплава

Режим ковки слитков

Режим ковки предварительно деформированных заготовок

Режим штамповки на прессе

Режим штамповки на молоте

Режим листовой штамповки

температура деформации, ° С

толщина, мм

температура деформации, ° С

температура деформации, ° С

температура деформации, ° С

температура деформации, ° С

окончание

окончание

окончание

окончание

Все толщины

40–70 40–70

40–70 40–70

40–50** 70***

40–50** 70***

850 900–850

40–50** 70***

Все толщины

* Степень деформации за один нагрев, %.

** Деформация в (a + b)-области.

*** Деформация в b -области.

Таблица 17.8

Режимы отжига титановых сплавов

Марка сплава	Температура отжига, ° С		Примечание
	Листы и детали из них	Прутки, поковки, штамповки, трубы, профили и детали из них
			445–585 ° С*
			445–585 ° С*
			480–520 ° С*
			520–560 ° С*
			545–585 ° С*
			Изотермический отжиг: нагрев до 870–920 ° С, выдержка, охлаждение до 600–650 ° С, охлаждение с печью или перенос в другую печь, выдержка 2 ч, охлаждение на воздухе
			Двойной отжиг, выдержка при 550–600 ° С 2–5 ч. Для силовых деталей допускается отжиг при 850 ° С, охлаждение на воздухе
			550–650 ° С*
			Допускается отжиг по режимам: 1) нагрев до 850 ° С, выдержка, охлаждение с печью до 750 ° С, выдержка 3,5 ч, охлаждение на воздухе; 2) нагрев до 800 ° С, выдержка 30 мин, охлаждение с печью до 500 ° С, далее на воздухе
			Двойной отжиг, выдержка при 570–600 ° С - 1 ч. Допускается изотермический отжиг: нагрев до 920–950 ° С, выдержка, охлаждение с печью или перенос в другую печь с температурой 570–600 ° С, выдержка 1 ч, охлаждение на воздухе
			Двойной отжиг, выдержка при 530–580 ° С - 2–12 ч. Допускается изотермический отжиг: нагрев до 950–980 ° С, выдержка, охлаждение с печью или перенос в другую печь с температурой 530–580 ° С, выдержка 2–12 ч, охлаждение на воздухе
			550–650 ° С*
			Допускается изотермический отжиг: нагрев до 790–810 ° С, выдержка, охлаждение с печью или перенос в другую печь до 640–660 ° С, выдержка 30 мин, охлаждение на воздухе
			Допускается отжиг листовых деталей при 650–750 ° С, (600–650 ° С)*
		(в зависимости от сечения и вида полуфабриката)	Охлаждение с печью со скоростью 2–4 ° С/мин до 450 ° С, затем на воздухе. Двойной отжиг, выдержка при 500–650 ° С 1–4 ч. Двойной отжиг допускается для деталей, работающих при температурах до 300 ° С и продолжительности до 2000 ч
			(545–585 ° С *)

* Температуры неполного отжига.

Таблица 17.9

Механические характеристики титановых сплавов при низких температурах

	s в (МПа) при температуре, ° С			d (%) при температуре, ° С			КСU, Дж/см 2 при температуре, ° С

Применение. Данные сплавы рекомендуется применять для изготовления изделий листовой штамповкой (ОТ4, ВТ20), для сварных деталей и узлов, для штампосварных деталей (ВТ5, ВТ5-1, ВТ6С, ВТ20) и др. Сплав ВТ6С широко применяется для изготовления сосудов и емкостей высокого давления. Детали и узлы из сплавов ОТ4, ВТ5 могут длительно работать при температурах до 400 ° С и кратковременно - до 750 ° С; из сплавов ВТ5-1, ВТ20 - длительно при температурах до 450–500 ° С и кратковременно - до 800–850 ° С. Сплавы ВТ5-1, ОТ4, ВТ6С также рекомендуются для применения в холодильной и криогенной технике (табл. 17.9).

К этой группе относятся сплавы с пределом прочности s в > 1000 МПа, а именно (a + b)-сплавы марок ВТ6, ВТ14, ВТ3-1, ВТ22. Высокая прочность в этих сплавах достигается упрочняющей термообработкой (закалка + старение). Исключение составляет высоколегированный сплав ВТ22, который даже в отожженном состоянии имеет s в > 1000 МПа.

Указанные сплавы наряду с высокой прочностью сохраняют хорошую (ВТ6) и удовлетворительную (ВТ14, ВТ3-1, ВТ22) технологическую пластичность в горячем состоянии, что позволяет получать из них различные полуфабрикаты: листы (кроме ВТ3-1), прутки, плиты, поковки, штамповки, профили и др. Режимы горячей обработки давлением приведены в табл. 17.7. Сплавы ВТ6 и ВТ14 в отожженном состоянии (s в » 850 МПа) могут подвергаться холодной листовой штамповке с малыми деформациями. Механические характеристики основных полуфабрикатов в отожженном и упрочненном состояниях приведены в табл. 17.4–17.6.

Несмотря на гетерофазность структуры, рассматриваемые сплавы обладают удовлетворительной свариваемостью всеми видами сварки, применяемыми для титана. Для обеспечения требуемого уровня прочности и пластичности обязательно проводят полный отжиг, а для сплава ВТ14 (при толщине свариваемых деталей 10–18 мм) рекомендуется проводить закалку с последующим старением. При этом прочность сварного соединения (сварка плавлением) составляет не менее 0,9 от прочности основного металла. Пластичность сварного соединения близка к пластичности основного металла.

Обрабатываемость резанием удовлетворительная. Обработку резанием сплавов можно проводить как в отожженном, так и в термически упрочненном состоянии.

Данные сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью в отожженном и термически упрочненном состояниях во влажной атмосфере, морской воде, во многих других агрессивных средах, как и технический титан.

Термическая обработка. Сплавы ВТ3-1, ВТ6, ВТ6С, ВТ14, ВТ22 подвергаются закалке и старению (см. выше). Рекомендуемые режимы нагрева под закалку и старение для монолитных изделий, полуфабрикатов и сварных деталей приведены в табл. 17.10.

Охлаждение при закалке производится в воде, а после старения - на воздухе. Полная прокаливаемость обеспечивается для деталей из сплавов ВТ6, ВТ6С с максимальным сечением до 40–45 мм, а из сплавов ВТ3-1, ВТ14, ВТ22 - до 60 мм.

Для обеспечения удовлетворительного сочетания прочности и пластичности сплавов с (a + b)-структурой после закалки и старения необходимо, чтобы их структура перед упрочняющей термической обработкой была равноосной или «корзиночного плетения». Примеры исходных микроструктур, обеспечивающие удовлетворительные свойства, приведены на рис. 17.4 (1–7 типы).

Таблица 17.10

Режимы упрочняющей термической обработки титановых сплавов

Марка сплава	Температура полиморфного превращения Т пп, ° С	Температура нагрева под закалку, ° С	Температура старения, ° С	Продолжительность старения, ч

Исходная игольчатая структура сплава с наличием границ первичного зерна b -фазы (8–9 типы) при перегреве после закалки и старения или отжига приводит к браку - сниженнию прочности и пластичности. Поэтому необходимо избегать нагрева (a + b)-сплавов до температур выше температуры полиморфного превращения, так как перегретую структуру исправить термической обработкой невозможно.

Нагрев при термической обработке рекомендуется производить в электрических печах с автоматической регулировкой и регистрацией температуры. Для предупреждения образования окалины нагрев готовых деталей и листов необходимо проводить в печах с защитной атмосферой или с применением защитных покрытий.

При нагреве под закалку тонких листовых деталей для выравнивания температуры и уменьшения коробления их на под печи укладывается стальная плита толщиной 30–40 мм. Для закалки деталей сложной конфигурации и тонкостенных деталей применяются фиксирующие приспособления для предупреждения коробления и поводки.

После проведения высокотемпературной обработки (закалки или отжига) в печи без защитной атмосферы полуфабрикаты, не подвергающиеся дальнейшей обработке, должны пройти гидропескоструйную обработку или обработку корундовым песком, а листовые изделия - еще и травление.

Применение. Высокопрочные титановые сплавы применяются для изготовления деталей и узлов ответственного назначения: сварные конструкции (ВТ6, ВТ14), турбины (ВТ3-1), штампосварные уз-лы (ВТ14), высоконагруженные детали и штампованные конструкции (ВТ22). Эти сплавы могут длительно работать при температурах до 400 ° С и кратковременно до 750 ° С.

Особенность высокопрочных титановых сплавов как конструкционного материала - их повышенная чувствительность к концентраторам напряжения. Поэтому при конструировании деталей из этих сплавов необходимо учитывать ряд требований (повышенное качество поверхности, увеличение радиусов перехода от одних сечений к другим и т. п.), аналогичных тем, которые существуют при применении высокопрочных сталей.

Краткие обозначения:
σ в	- временное сопротивление разрыву (предел прочности при растяжении), МПа		ε	- относительная осадка при появлении первой трещины, %
σ 0,05	- предел упругости, МПа		J к	- предел прочности при кручении, максимальное касательное напряжение, МПа
σ 0,2	- предел текучести условный, МПа		σ изг	- предел прочности при изгибе, МПа
δ 5 ,δ 4 ,δ 10	- относительное удлинение после разрыва, %		σ -1	- предел выносливости при испытании на изгиб с симметричным циклом нагружения, МПа
σ сж0,05 и σ сж	- предел текучести при сжатии, МПа		J -1	- предел выносливости при испытание на кручение с симметричным циклом нагружения, МПа
ν	- относительный сдвиг, %		n	- количество циклов нагружения
s в	- предел кратковременной прочности, МПа		R и ρ	- удельное электросопротивление, Ом·м
ψ	- относительное сужение, %		E	- модуль упругости нормальный, ГПа
KCU и KCV	- ударная вязкость, определенная на образце с концентраторами соответственно вида U и V, Дж/см 2		T	- температура, при которой получены свойства, Град
s T	- предел пропорциональности (предел текучести для остаточной деформации), МПа		l и λ	- коэффициент теплопроводности (теплоемкость материала), Вт/(м·°С)
HB	- твердость по Бринеллю		C	- удельная теплоемкость материала (диапазон 20 o - T), [Дж/(кг·град)]
HV	- твердость по Виккерсу		p n и r	- плотность кг/м 3
HRC э	- твердость по Роквеллу, шкала С		а	- коэффициент температурного (линейного) расширения (диапазон 20 o - T), 1/°С
HRB	- твердость по Роквеллу, шкала В		σ t Т	- предел длительной прочности, МПа
HSD	- твердость по Шору		G	- модуль упругости при сдвиге кручением, ГПа

Все, что нужно знать о титане, а также о хроме и вольфраме

Многих интересует вопрос: какой самый твердый металл в мире? Это титан. Этому твердому веществу и будет посвящена большая часть статьи. Также немного ознакомимся и с такими твердыми металлами как хром и вольфрам.

9 интересных фактов о титане

1. Существует несколько версий, почему металл получил такое название. Согласно одной теории, его назвали в честь Титанов, бесстрашных сверхъестественных существ. По другой версии, название пошло от Титании, королевы фей.
2. Титан был открыт в конце XVIII века немецким и английским химиком.
3. Титан долго не использовали в промышленности из-за его природной хрупкости.
4. В начале 1925 года, после серии опытов, химики получили титан в чистом виде.
5. Стружка от титана легко воспламеняется.
6. Это один из самых легких металлов.
7. Титан может расплавиться только при температуре выше 3200 градусов.
8. Закипает при температуре 3300 градусов.
9. Титан имеет серебряный цвет.

История открытия титана

Металл, который впоследствии назвали титан, открыли двое ученых – англичанин Уильям Грегор и немец Мартин Грегор Клапрот. Ученые работали параллельно, и между собой не пересекались. Разница между открытиями составляет 6 лет.

Уильям Грегор дал своему открытию название — менакин.

Более чем через 30 лет был получен первый сплав титана, который оказался чрезвычайно хрупким, и не мог нигде использоваться. Считается, что лишь в 1925 году был выделен титан в чистом виде, который стал одним из самых востребованных в промышленности металлов.

Доказано, что российский ученый Кириллов в 1875 году сумел добыть чистый титан. Он опубликовал брошюру, в которой подробно описал свою работу. Однако исследования малоизвестного россиянина остались незамеченными.

Общая информация о титане

Титановые сплавы – спасение для механиков и инженеров. Например, корпус самолета изготовлен из титана. Во время полета он достигает скорости в несколько раз больше, чем скорость звука. Титановый корпус нагревается до температуры выше 300 градусов, и не плавится.

Металл замыкает десятку лидеров «Самых распространенных металлов в природе». Большие залежи обнаружены в ЮАР, Китае и , немало титана в Японии, Индии, на Украине.

Общее количество мирового запаса титанов насчитывает более 700 миллионов тонн. Если темпы добычи останутся прежними, титана хватит еще на 150-160 лет.

Крупнейший производитель самого твердого металла в мире – российское предприятие «ВСМПО-Ависма», которое удовлетворяет треть мировых потребностей.

Свойства титана

1. Коррозийная стойкость.
2. Высокая механическая прочность.
3. Небольшая плотность.

Атомный вес титана составляет 47, 88 а.е.м, порядковый номер в химической таблице Менделеева – 22. Внешне он очень похож на сталь.

Механическая плотность металла в 6 раз больше, чем у алюминия, в 2 раза выше, чем у железа. Он может соединиться с кислородом, водородом, азотом. В паре с углеродом металл образует невероятно твердые карбиды.

Теплопроводность титана в 4 раза меньше, чем у железа, и в 13 раз – чем у алюминия.

Процесс добычи титана

В земле титана большое количество, однако, извлечь его из недр стоит немалых денег. Для выработки используют иодидный метод, автором которого считается Ван Аркель де Бур.

В основе метода – способность металла сочетаться с иодом, после разложения этого соединения можно получить чистый, свободный от посторонних примесей титан.

Самые интересные вещи из титана:

• протезы в медицине;
• платы мобильных устройств;
• ракетные комплексы для освоения Космоса;
• трубопроводы, насосы;
• навесы, карнизы, наружная обшивка зданий;
• большинство деталей (шасси, обшивка).

Сферы применения титана

Титан активно используют в военной сфере, медицине, ювелирном деле. Ему дали неофициальное название «металл будущего». Многие говорят, что он помогает превратить мечту в реальность.

Самый твердый металл в мире изначально стали применять в военной и оборонной сфере. Сегодня основным потребителем титановых изделий является авиастроение.

Титан – универсальный конструкционный материал. Долгие годы он применялся для создания турбин самолетов. В авиационных двигателях из титана делают элементы вентилятора, компрессоры, диски.

Конструкция современного летательного аппарата может содержать до 20 тонн титанового сплава.

Основные сферы применения титана в авиастроении:

• продукция пространственной формы (окантовка дверей, люков, обшивка, настил пола);
• агрегаты и узлы, которые подвержены сильным нагрузкам (кронштейны крыльев, стойки шасси, гидроцилиндры);
• части двигателя (корпус, лопатки для компрессоров).

Благодаря титану человек смог пройти сквозь звуковой барьер, и ворваться в Космос. Его использовали для создания пилотируемых ракетных комплексов. Титан может выдержать космическую радиацию, перепады температур, скорость движения.

Этот металл имеет небольшую плотность, что важно в судостроительной сфере. Изделия из титана легкие, а значит, снижается вес , увеличивается его маневренность, скорость, дальность хода. Если корпус корабля обшить титаном, его не нужно будет красить много лет – титан не ржавеет в морской воде (коррозийная стойкость).

Чаще всего этот металл в судостроении используют для изготовления турбинных двигателей, паровых котлов, конденсаторных труб.

Нефтедобывающая отрасль и титан

Перспективной сферой использования сплавов из титана считается сверхглубокое бурение. Для изучения и добычи подземных богатств есть необходимость проникнуть глубоко под землю – свыше 15 тысяч метров. Буровые трубы из алюминия, например, разорвутся из-за собственной тяжести, и только сплавы из титана могут достигнуть действительно большой глубины.

Не так давно титан стал активно использоваться для создания скважин на морских шельфах. Специалисты применяют титановые сплавы в качестве оборудования:

• нефтедобывающие установки;
• сосуды высокого давления;
• глубоководные насосы, трубопроводы.

Титан в спорте, медицине

Титан крайне популярен в спортивной сфере из-за своей прочности и легкости. Несколько десятилетий назад из титановых сплавов сделали велосипед, первый спортивный инвентарь из самого твердого материала в мире. Современный велосипед состоит из титанового корпуса, такого же тормоза и пружин сидений.

В Японии создали титановые клюшки для игры в гольф. Эти приспособления легкие и долговечные, но крайне дорогие по цене.

Из титана делают большинство предметов, которые лежат в рюкзаке альпинистов и путешественников – столовая посуда, наборы для приготовления еды, стойки для укрепления палаток. Титановые ледорубы – очень востребованный спортивный инвентарь.

Этот металл очень востребован в медицинской отрасли. Из титана делают большинство хирургических инструментов – легких и удобных.

Еще одна сфера применения металла будущего – создание протезов. Титан превосходно «сочетается» с организмом человека. Медики назвали этот процесс «настоящее родство». Конструкции из титана безопасны для мышц и костей, редко вызывают аллергическую реакцию, не разрушаются под воздействием жидкости в организме. Протезы из титана стойкие, выдерживают огромные физические нагрузки.

Титан – удивительный металл. Он помогает человеку достичь невиданных высот в различных сферах жизни. Его любят и почитают за прочность, легкость и долгие годы службы.

Одним из самых твердых металлов является и хром

Интересные факты о хроме

1. Название металла происходит от греческого слова «chroma», что в переводе означает краска.
2. В естественной среде хром в чистом виде не встречается, а только в виде хромистого железняка, двойного оксида.
3. Самые большие месторождения металла расположены в ЮАР, России, Казахстане и Зимбабве.
4. Плотность металла – 7200кг/м3.
5. Хром плавится при температуре 1907 градусов.
6. Закипает при температуре 2671 градусов.
7. Совершенно чистый без примесей хром характеризуется тягучестью и вязкостью. В сочетании с кислородом, азотом или водородом металл становится ломким и очень твердым.
8. Этот металл серебристо-белого цвета открыл француз Луи Никола Воклен в конце XVIII века.

Свойства металла хрома

У хрома очень высокая твердость, им можно разрезать стекло. Он не окисляется воздухом, влагой. Если металл нагреть, окисление произойдет только на поверхности.

В год потребляют более 15 000 тон чистого хрома. Лидером по производству чистейшего хрома считается английская компания «Bell Metals».

Больше всего хрома потребляют в США, западных странах Европы и Японии. Рынок хрома нестабилен, и цены охватывают широкий диапазон.

Сферы использования хрома

Чаще всего применяется для создания сплавов и гальванических покрытий (хромирование на транспорт).

Хром добавляют в сталь, что улучшает физические свойства металла. Эти сплавы – наиболее востребованы в черной металлургии.

Сталь самой популярной марки состоит из хрома (18%) и никеля (8%). Такие сплавы отлично противостоят окислению, коррозии, прочны даже при высоких температурах.

Из стали, которая содержит треть хрома, изготавливают нагревательные печи.

Что еще делают из хрома?

1. Стволы огнестрельного оружия.
2. Корпус подводных лодок.
3. Кирпичи, которые используют в металлургии.

Еще одним чрезвычайно твердым металлом является вольфрам

Интересные факты о вольфраме

1. Название металла в переводе с немецкого («Wolf Rahm») означает «пена волка».
2. Это наиболее тугоплавкий металл в мире.
3. Вольфрам имеет светло-серый оттенок.
4. Металл был открыт в конце XVIII века (1781г) шведом Карлом Шееле.
5. Вольфрам плавится при температуре 3422 градусов, кипит – при 5900.
6. Металл имеет плотность 19.3 г/см³.
7. Атомная масса – 183.85, элемент VI группы в периодической системе Менделеева (порядковый номер – 74).

Процесс добычи вольфрама

Вольфрам относится к большой группе редких металлов. В нее входит также рубидий, молибден. Для этой группы характерна небольшая распространенность металлов в природе и малые масштабы потребления.

Получение вольфрама состоит из 3 этапов:

• отделение металла от руды, скапливание его в растворе;
• выделение соединения, его очистка;
• выделение чистого металла из готового химического соединения.
• Исходный материал для получения вольфрама – шеелит и вольфрамит.

Сферы применения вольфрама

Вольфрам является основой большинства прочных сплавов. Из него делают авиационные двигатели, детали электровакуумных приборов, нити накаливания.
Высокая плотность металла позволяет использовать вольфрам для создания баллистических ракет, пуль, противовесы, артиллерийские снаряды.

Соединения на основе вольфрама применяют для обработки других металлов, в горнодобывающей промышленности (бурение скважин), лакокрасочной, текстильной сфере (как катализатор органического синтеза).

Из сложных вольфрамовых соединений делают:

• проволоки – используются в нагревательных печах;
• ленты, фольгу, пластины, листы – для прокатки и плоской ковки.

Титан, хром и вольфрам возглавляют список «Самые твердые металлы в мире». Их используют во многих сферах деятельности человека – авиа и ракетостроении, военной области, строительстве, и при этом, это далеко не полный спектр применения металлов.

Титан занимает 4-е место по распространению в производстве, но эффективная технология его извлечения была разработана только в 40-х гг прошлого века. Это металл серебристого цвета, характеризующийся небольшой удельной массой и уникальными характеристиками. Для анализа степени распространения в промышленности и других сферах необходимо озвучить свойства титана и области применения его сплавов.

Основные характеристики

Металл обладает малой удельной массой – всего 4.5 г/см³. Антикоррозийные качества обусловлены устойчивой оксидной пленкой, образующейся на поверхности. Благодаря этому качеству титан не изменяет своих свойств при длительном нахождении в воде, соляной кислоте. Не возникают поврежденные участки из-за воздействия напряжения, что является основной проблемой стали.

В чистом виде титан обладает следующими качествами и характеристиками:

• номинальная температура плавления — 1 660°С;
• при термическом воздействии +3 227°С закипает;
• предел прочности при растяжении – до 450 МПа;
• характеризуется небольшим показателем упругости – до 110,25 ГПа;
• по шкале НВ твердость составляет 103;
• предел текучести один из самых оптимальных среди металлов – до 380 Мпа;
• теплопроводность чистого титана без добавок – 16,791 Вт/м*С;
• минимальный коэффициент термического расширения;
• этот элемент является парамагнитом.

Для сравнения, прочность этого материала в 2 раза больше, чем у чистого железа и в 4 раза такого же показателя алюминия. Также титан имеет две полиморфные фазы – низкотемпературную и высокотемпературную.

Для производственных нужд чистый титан не применяется из-за его дороговизны и требуемых эксплуатационных качеств. Для повышения жесткости в состав добавляют оксиды, гибриды и нитриды. Реже изменяют характеристики материала для улучшения стойкости к коррозии. Основные виды добавок для получения сплавов: сталь, никель, алюминий. В некоторых случаях он выполняет функции дополнительного компонента.

Области применения

Благодаря небольшой удельной массе и прочностным параметрам титан широко используется в авиационной и космической промышленности. Его применяют в качестве основного конструкционного материала в чистом виде. В особых случаях за счет уменьшения жаропрочности делают более дешевые сплавы. При этом его сопротивление коррозии и механическая прочность остаются неизменными.

Кроме этого, материал с добавками титана нашел применение в следующих областях:

• Химическая промышленность. Его стойкость практически ко всем агрессивным средам, кроме органических кислот, позволяет изготавливать сложное оборудование с хорошими показателями безремонтного срока службы.
• Производство транспортных средств. Причина – небольшая удельная масса и механическая прочность. Из него делают каркасы или несущие элементы конструкций.
• Медицина. Для особых целей применяется специальный сплав нитинол (титан и никель). Его отличительное свойство – память формы. Для уменьшения нагрузки пациентов и минимизации вероятности негативного воздействия на организм многие медицинские шины и подобные им устройства делают из титана.
• В промышленности металл применяется для изготовления корпусов и отдельных элементов оборудования.
• Ювелирные украшения из титана обладают уникальным внешним видом и качествами.

В большинстве случаев материал обрабатывается в заводских условиях. Но есть ряд исключений – зная свойства этого материала, часть работ по изменению внешнего вида изделия и его характеристик можно выполнять в домашней мастерской.

Особенности обработки

Для придания изделию нужной формы необходимо использовать специальное оборудование – токарный и фрезерный станок. Ручное резание или фрезеровка титана невозможна из-за его твердости. Помимо выбора мощности и других характеристик оборудования необходимо правильно подобрать режущие инструменты: фрезы, резцы, развертки, сверла и т.д.

При этом учитываются такие нюансы:

• Титановая стружка легко воспламеняется. Необходимо принудительное охлаждение поверхности детали и работа на минимальных скоростях.
• Гибка изделия выполняется только после предварительного разогрева поверхности. В противном случае велика вероятность появления трещин.
• Сварка. Обязательно соблюдение особых условий.

Титан – уникальный материал с хорошими эксплуатационными и техническими качествами. Но для его обработки следует знать специфику технологии, а главное – технику безопасности.