Титан и его сплавы

Титан по распространенности занимает четвертое место среди металлов, его содержание в земной коре превышает 0,6 %. Тем не менее из-за сложности извлечения из руд промышленное применение он нашел лишь во второй половине XX в. в основном в самолето- и ракетостроении. Плотность титана 4,5 г/см3, а температура плавления - 1672 °С. Он, имеет две полиморфные модификации: а-титан с ГПУ решеткой, которая устойчива при температуре до 882 °С, р-титан с ОЦК решеткой, устойчивой при температурах выше 882 °С.

Титан обладает самой высокой удельной прочностью в интервале температур 300...600 °С, но из-за низкого модуля упругости (Е = 112 000 МПа) его применение для производства жестких конструкций неже­лательно.

Несмотря на высокую химическую активность титана, стойкая пассивирующая пленка TiO2 на поверхности изделий из него защи­щает их от коррозии в атмосфере, морской воде и органических ки­слотах.

При температуре свыше 500 °С титан и его сплавы интенсивно по­глощают газы, образуя твердые растворы внедрения. Примеси любых веществ увеличивают прочность, но резко снижают вязкость и пла­стичность. Чистый титан пластичен, легко обрабатывается давлени­ем, хорошо сваривается в защитных атмосферах.

Легирующие примеси, входящие в состав сплавов титана, делятся на а-стабилизаторы (А1, О, N), р-стабилизаторы (V, Mo, Nb, Cr, Mn, Ni, Fe, W, Си) и нейтральные (Sn, Zr, Hf, Th). Схематически характер влияния примесей различных групп показан на рис. 6.8. Рис. 6.8. Схемы диаграмм состояния титан - легирующий элемент: а - Ti - а-стабилизаторы; б -Ti - изоморфные р-стабилизаторы; в - Ti - эвтектоиднообразующие р-стабилизаторы; г - Ti - нейтральные элементы

Повышая температуру ((3->а)-превращения, алюминий способст­вует получению равновесной а-структуры, вследствие чего для сплавов этой группы невозможно упрочнение с помощью термической обра­ботки. К сплавам с а-структурой относятся АТ-7М и АТЗ. Эти сплавы характеризуются термической стабильностью и хорошо свариваются, но имеют низкую пластичность при нормальных температурах и не упрочняются термической обработкой.

Основные марки и свойства сплавов титана представлены в табл. 6.6.

Таблица 6.6

Состав и свойства сплавов титана

Дополнительное легирование небольшими количествами ванадия, молибдена, марганца и циркония приводит к появлению р-фазы (псевдо a-сплавы), в результате чего повышается пластичность. Так, сплавы ОТ4 и ОТ4-1 можно ковать в холодном состоянии, но ВТ20 куют в подогретом до 600...800 аС состоянии. Сплавы марок ВТ5 и ВТ5-1 отличаются от сплавов серии ОТ тем, что вместо марганца содержат другой Р-стабилизирующий элемент - ванадий. При этом сплав ВТ5 дополнительно легирован еще одним р-стабилизатором - молибденом (0,8 %), а ВТ5-1 - нейтральным оловом (2-3 %).

Двухфазные (а+Р)-сплавы обладают лучшим сочетанием техноло­гических и механических свойств. Необходимость легирования алю­минием связана с упрочнением а-фазы и повышением термической стабильности сплава. Для сплавов этой группы широко применяется упрочнение термической обработкой (закалкой и последующим ста­рением). Как следует из схемы на рис. 6.8, для каждого из легирую­щих элементов существует предел содержания, превышение которого делает невозможным упрочнение закалкой, так как при охлаждении не происходит (а-»Р)-преврашения.

Промышленные (а+р)-сплавы используются как жаропрочные, способные длительное время работать при температуре свыше 500 °С.

Литейные сплавы ВТ 1 Л, ВТ5Л, ВТ14Л по составу совпадают с деформируемыми. Процесс изготовления из них отливок сопряжен с трудностями, обусловленными взаимодействием расплава с газами и формовочными материалами. Литейные сплавы обладают более высокой прочностью, наименьшей ударной вязкостью и более низ­ким пределом усталости по сравнению с деформируемыми.