Сплавы титана

Основные преимущества титановых сплавов, определяющие область применения этого сравнительно нового конструкционного материала, следующие: небольшая плотность — 4,5 кг/м³, высокая стойкость против коррозии и высокие прочностные свойства при отсутствии хладноломкости, в том числе при очень низких температурах. Для некоторых сплавов титана характерны, кроме того, хорошие жаропрочные свойства (но они ниже, чем у стали). Титановые сплавы практически превосходят нержавеющие стали, медные и никелевые сплавы в стойкости против коррозии в морской воде, в том числе и при длительной работе, а также в таких агрессивных средах, как влаж­ный хлор, горячая азотная кислота высокой концентрации (и некоторых других). Коррозионная стойкость титановых сплавов дополнительно возрастает при введении очень малых количеств палладия.

Прочностные свойства титановых сплавов различаются в зависимости от состава и структуры, получаемой при термической обработке. Некоторые сплавы титана, обладая меньшей плотностью, не уступают в прочности легированным конструкционным сталям после улучшающей термической обработки. Марки титановых сплавов распределены в табл. по прочности и структуре. Повышенные прочностные свойства, в том числе при нагреве до 550—600°С, имеют титановые сплавы, легированные хромом, что при меньшей плотности, чем у стали, делает их особенно пригодным для деталей, в работе которых развиваются значительные центробежные силы. Вместе с тем сплавы титана уступают сталям, особенно с повышенным содержанием углерода, в твердости и износостойкости, что сильно затрудняет использование их для деталей, работающих в условиях повышен­ного изнашивания.

Легирование позволяет значительно повысить механические свойства титана. Для получения сплавов титан легируют Al, Cr, Fe, Mn, Mo, Sb,V.

Легирующие элементы, входящие в состав сплавов, образуют с титаном твердые растворы замещения (рис. 16.1). Элементы, повышающие тем­пературу aÛb превращения способствуют стабилизации a-твердого раствора и называются a-стабилизаторами (Al, О₂, N₂). Элемен­ты, понижающие температуру Тa-b, способствуют стабилизации b-твердого раствора и называются b-стабилизаторами (Mo,V, N_b).

Рис. 16.1. Зависимость фазового состава титановых сплавов от легирующих сплавов

В сплавах титана с Cr, Mn, Fe, Si происходит эвтектоидный распад b-фазы по типу b®a+TiMе с образованием химических соединений – интерметаллидов (титанидов).

Во всех сплавах титана содержится ≈5% алюминия.

Кроме a- и b-стабилизаторов, различают нейтральные упрочнители (Sn, Zr, Hf), не оказывающие существенного влияния на температуру Т_α→β. Титановые сплавы (рис. 16.2) подраз­деляют на a-сплавы (одно­фазные), (a+b) - сплавы (двух­фазные), b-сплавы (однофаз­ные).

Рис. 16.2. Диаграмма состояния Ti-Cr, Mn, Fe, Si

1) a - сплавы – ВТ1, ВТ5, ВТ4.

Преимущества: до 650°С сохраняют достаточную прочность, до 1090 °С устойчивы к коррозии, хорошо свариваются.

Недостатки:закалке и старению не подвергаются.

2) ( a+b )- сплавы: ВТ6, ВТ8, ВТ14.

Преимущества: удвоенная прочность по сравнению с нелеги­рованным титаном, хорошая ковкость, пластичность, штампуемость и прокатываемость.

Недостатки:пластичность сварного шва хуже,чем у a-сплавов.

3) b -сплавы: ВТ3-1, ВТ22, ВТ15.

Преимущества: отличная пластичность, прочность до 540°С.

Недостатки: чувствительность к загрязнениям.

Термическая обработка титановых сплавов.

Согласно двойным диаграммам состояния титан - легирую­щий элемент, титановые сплавы в зависимости от их состава и назна­чения можно подвергать всем основным видам термической обработ­ки:

- рекристаллизационный отжиг применяется в a - сплаве для снятия деформационных напряжений при температуре рекристаллизации Т_р =520-850°С в зависимо­сти от химического состава и вида полуфабриката;

- отжиг с фазовой перекристаллизацией применяют для (a+b ) - сплавов с целью снижения твердости, повышения пластичности, измельчения зерна, устранения структурной неоднородности при температуре отжига Т_о = 750-950°С;

- закалка применяется только для двухфазных сплавов. В этом случае может происходить либо мартенситное превращение, либо фиксирование отдельных фаз.

Основными марками титановых сплавов являются:

ВТ5 (5А1) s =700-950 МПа, d = 10-15 %

ВТ4 (4А1, 1,5 Мn) s =850-1050 МПа, d =10-15 %

ВТ6 (6A1, 4V) s =1100-1150 МПа, d =14-16 %

ВТ15 (4А1, 11Cr, 8Mo) s=1300-1500 МПа, d =4-8%

Литейные сплавы ВТ5Л, ВТЗ-1Л и др. используют для получе­ния фасонных отливок. Для получения качественных отливок исполь­зуют атмосферу инертного газа, либо вакуум, т.к. титан активно взаи­модействует с газами и формовочной смесью.

Титановые сплавы обладают низкими антифрикционными свойства и не пригодны для изготовления трущихся деталей. Для повышения износостойкости применяется азотирование при ≈900 ⁰С в течение 15-25 ч в диссоциированном аммиаке или в сухом, очищенном от кислорода азоте.

Maгний

Магний - очень легкий металл. Плотность 1,74×10³ кг/м³ .Температура плавления 650°С. Это металл серебристо-белого цвета. Полиморфных превращений не обнаружено. Кристаллизуется в гексагональной плотноупакованной решетке с параметрами а=0,32 нм, с=0,52 нм. Электронная конфигурация магния 1s²2s²2p⁶3s². В воз­бужденном состоянии за счет расспаривания 3s² -электронов проявля­ет валентность +2. Магний химически активный металл, легко окис­ляется на воздухе, а при 623 °С воспламеняется, не доходя до темпера­туры плавления. Большую опасность представляет собой магниевая стружка и порошок магния, т.к. они самовоспламеняются на воздухе при обычных температурах и излучают ослепительно белый свет.

Из-за низких механических свойств чистый магний как конст­рукционный материал практически не применяется. Его используют в качестве раскислителя и модификатора при производстве чугунов и цветных металлов, пиротехнике, химической промышленности (катализаторы и т.д.).