Общая характеристика титана и его сплавов

Титан является одним из наиболее распространенных элементов и по содержанию в земной коре занимает четвертое место после железа, алюминия и магния. Температура плавления титана составляет 1668^оС, а плотность – 4510 кг/м³. Титан имеет две полиморфные модификации. Низкотемпературная (до 882°С) модификация Ti_α характеризуется гексагональной плотноупакованной решеткой с периодами а = 0,296 нм, с=0,472 нм. Высокотемпературная Ti_β имеет объемно-центрированную кубическую решетку с периодом а = 0,332 нм.

Технический титан маркируют в зависимости от содержания примесей ВТ1-00 (сумма примесей < 0,10%), BTl-0 (сумма примесей < 0,30%).

Технический титан хорошо обрабатывается давлением и сваривается аргонодуговой и точечной сваркой. Титан плохо обрабатывается резанием, налипает на инструмент, в результате чего тот быстро изнашивается. Механическая обработка титана осуществляется инструментами из быстрорежущей стали и твердых сплавов при малых скоростях резания с большой подачей и глубиной резания и применением интенсивного охлаждения.

Легирующие элементы по характеру влияния на полиморфные превращения титана подразделяют на три группы: α-стабилизаторы, β-стабилизаторы и нейтральные элементы.

К α-стабилизаторам относятся А1, О, N, которые повышают температуру полиморфного α↔β-превращения и расширяют область твердых растворов на основе Ti_α. Практическое значение для легирования титана имеет только алюминий, так как кислород и азот сильно охрупчивают титановые сплавы и не применяются в качестве легирующих элементов.

Введение алюминия в титановые сплавы уменьшает их плотность и склонность к водородной хрупкости, повышает модуль упругости и предел прочности обычных и повышенных температурах.

Снижая температуру полиморфного превращения титана, β-стабилизаторы расширяют область твердых растворов на основе Тi_β, и, как правило, повышают прочность, жаропрочность и термическую стабильность титановых сплавов, несколько снижая их пластичность. Кроме того, они способствуют упрочнению сплавов с помощью термической обработки. Наиболее благоприятное влияние на свойства титановых сплавов оказывают Мо, V, Сг, Мn.

Нейтральные элементы Sn, Zr, Hf, Th мало влияют на температуру полиморфного превращения, и их наличие не изменяет фазового состава титановых сплавов. Нейтральные элементы влияют на свойства титановых сплавов, благодаря изменению свойств α- и β-фаз, в которых они растворяются. Наибольшее практическое значение имеют олово (повышает прочность титановых сплавов при обычных и высоких температурах без заметного снижения пластичности) и цирконий (увеличивает предел ползучести).

Механические свойства титана сильно зависят от наличия примесей (кислорода, азота, углерода и водорода), которые при взаимодействии с ним образуют твердые растворы внедрения, а также гидриды, оксиды, нитриды и карбиды. При этом повышается твердость, пределы прочности и текучести, но значительно уменьшается пластичность, ухудшаются свариваемость и штампуемость, снижается коррозионная стойкость. Поэтому содержание этих примесей в титане ограничено сотыми, а иногда тысячными долями процента. Аналогичным образом, но в меньшей степени, влияют на его свойства железо и кремний, образующие с титаном твердые растворы замещения.

Титановые сплавы подвергают отжигу, закалке и старению, химико-термической обработке. Отжиг проводят главным образом после холодной деформации для снятия наклепа при 670…800°С с выдержкой от 15 мин до 3 ч.

Для повышения износостойкости титановые сплавы подвергают азотированию в среде сухого, очищенного от кислорода, азота, поскольку азотирование в аммиаке способствует охрупчиванию титановых сплавов вследствие насыщения водородом. Азотируют сплавы при температуре 850…950°С в течение 10…50 ч. При этом на поверхности образуются тонкий нитридный слой и обогащенный азотом α-твердый раствор. Толщина нитридного слоя равна 0,06…0,2 мм, твердость – 1200 HV. Глубина слоя, обогащенного азотом α-твердого раствора, равна 0,1…0,15 мм, твердость – 500…800 HV. Для устранения хрупкого нитридного слоя и уменьшения хрупкости азотирования слоя рекомендуется проводить вакуумный отжиг при 800…900°С.

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