Склад, структура, якості та застосування титану та його сплавів

Титан винайшли в 1790 році., названий в 1795 році.

Промисловий титан з'явився в 1950 році.

По вмісту в земної корі титан (Ті – 0,63%) займає четверте місце після

Аl (8,8%), Fe (5,1%), Мg (2,1%).

Україна має дуже великі запаси титану.

Виробляють в рік 50 тис. тон.

( В США  28 тис.т., в Японії  27 тис.т., ФРГ  5 тис.т. )

Одержують з рутилу ТіО₂. Складний та коштовний процес. Вартість титану в 40 разів вища за вартість сталі.

Фізичні якості титану.

1,74 1,22 3,56

Титан та його сплави мають дві основних переваги в порівнянні зіншими

конструкційними матеріалами: висока питома міцність ( міцність, віднесену до

питома міцність ( σв/γ ) густини ) аж до температур 450-

8 450 – 500⁰С та відмінну корозій-

8 ну стійкість в багатьох агреси-

6 вних середовищах.

6 (За 4000 років Ті кородує на

4 на товщину листа паперу, при-

4 4 чому точкова, щербина, межзе-

2 3 ренна корозія буває рідко, а ко-

2,5 родує рівномірно по всієї по-

верхні).

Ті Мg Аl Nі Сu Fе

Питома теплопровідність в ≈ 3,5 разів меньша, ніж у Fе ( у алюмінію, міді  навпаки ), що призводить до концентрації нагріву в зоні зварювання 

довгі та вузькі шви, а питомий електроопір в ≈ 5,5 разів більший, ніж у Fе

( у Аl, Сu навпаки ). Дріт плавиться швидше, ніж у сталі. Треба зменшити ви-

літ електроду.

Ті  поліморфний метал, він може знаходитися у вигляді двох алотро-пичних модифікацій :

а) низькотемпературної ά  Ті, стійкий до

Т = 882,50С, що має ГПУ гратку, гексагональну,

щільно упаковану.

б) від Т = 882,50С до точки плавлення стабільна високотемпературна β- модифікація ( β  Ті ) з ОЦК граткою, об'емноцентрованою, кубічною.

Чистий Ті має гарну пластичність та невисоку міцність.

Одним з недоліків титану являється невеликі значення модулю пружності (до-

мішки < 0,2%, О₂, N₂, Н₂  0%).

Титан максимально досягаємого ступеня чистоти називають по способу виробництва йодидним титаном. Його застосовують в радіоелектроніці.

Для йодидного титану σв = 24,5 кг/мм², δ = 60…80%.

Враховуючи високу вартість йодидного Ті та недостатню міцність, як конструктивний метал використовують технічний титан ВТ1-00, ВТ1-0, що міс-

тить більшу кількість домішок ( О2, N2, Н2, С  всього домішок 0,4…0,67%).

Для технічного титану σв = 29…54 кг/мм², δ = 20…25%.

Технічний титан та більшість його сплавів піддаються всім відомим мето-

дам обробки тиском, з нього виготовляють різні напівфабрикати: прутки, листи,

безшовні труби, штамповки, дріт та інше. Мають знижену оброблюваність різа-нням.

Титан відноситься до парамагнітних металів. Проте, він відрізняється від них тим, що при нагріві його магнітна сприйнятливість істотно зростає, до 800⁰С .

Титан  хімічно активний метал. Він легко вступає в реакції з газами атмосфери.  О₂ та N₂. З підвищенням температури реакційна здатність Ті підвищується. З металами титан утворює інтерметаліди ( титаніди ).

При нормальній температурі на поверхні титану утворюється щільна оксид-на плівка, наявність якої визначає його високу корозійну стійкість в атмосфер-них умовах, морський воді та в інших агресивних середовищах. Найбільш стійкий в окислювальних середовищах. В відновлювальних середовищах від до-статньо швидко кородує внаслідок руйнування захисної оксидної плівки.

Титан стійкий в НNО₃ будь-якої концентрації та при будь-якої температу-рі, в слабоконцентророваній Н₂SО₄, розбавленій НСl. Стійкий в розбавленому лугу, розчинах хлористих солей.

Оскільки технічний Ті має відносно низьку границю міцності  до 55 кг/мм2, області застосування його в якості конструкційного матеріалу обмежені.

Сплави на основі титану дозволяють забезпечити високу міцність при нормаль-ній та високій температурах ( жаропрочність), достатні пластичність та в’язкість, зберігають стійкість проти агресивних середовищ, а також мають спеціальні якості.

Дію легуючих елементів та домішок характеризують по їх впливу на тем-

пературу поліморфного перетворення.

Елементи, що підвищують цю температуру, відносяться до I групи  ά - стабілізаторів:

Аl ( основний легуючий елемент ), домішки: О₂, N₂, С,

ті, що понижують температуру поліморфних перетворень відносяться до

II групи  β - стабілізаторів :

Мо, Сr, V, МП, Nв, Fе, Сu, Nі, Со, Та, домішки Н₂.

III група  нейтральні елементи-зміцнювачи  Sn, Zr, НS, які мало впливають на температуру поліморфного перетворення .

Діаграми стану.

Для сплавів з ά – ста- Для сплавів з β-стабілізаторами

білізаторами. β-стабілізатори ізоморф- β-стабілізатори - евтекто- При кімнатній тем- ні необмежено розчин- ідообразуючи, що мають

пера турі ні в β-фазі (V, Nв, Та, більшу, але обмежену

Ма, W). розчинність в β-фазі,

В залежності від % лег. ніж в ά-фазі (Мп, Fе,

елементів при кімнатній Сr, Со, Nі, Сu, Sі ).

температурі можуть бути Сприяють евтектичному

ά-сплави, (ά + β)- сплави, розпаду β-фаза γ-низь-

β-сплави. котемпературна фаза

Найбільш сильний β-стабі- впровадження (гідрид

затор  Мо ( при Мо >11% титану )

β-сплав)

Всі β-стабілізатори обмежено розчинні в ά-фазі

Лег. елементи в різному ступеню підвищують міцність та зменшують його пластичні якості.

Зменшення міцності.

Si → Fe → Mn → Or → Mo → Al → V → Sn → Zr → Nb

Зменшення пластичності

Sn. → Cr → Mn → Al → Re → Fe → Co

В залежності від вмісту легуючих елементів та фазового складу при нор-мальній температурі Ті сплави можуть бути поділені на 3 основні групи:

I  однофазні ά –сплави ( які вміщують > 95%, ά – фаза)

II  двохфазні ( ά + β )  сплави

III  однофазні β  сплави.

Крім того, виділяють дві перехідні групи:

 псевдо ά – сплави ( не більше 5% β – фаза );

 псевдо β  сплави ( невелика кількість ά  фаза ).

Хімічний склад та механічні якості промислових титанових сплавів,

що деформуються.

α ─ сплавы не зміцнюються термообробкою, технологічні, добре зварюються, корозійно стійки, найчастіше застосовуються.

Псевдо α - сплави добре зварюються та відрізняються високою технологіч-нстю.

( α + β ) - сплави задовільно зварюються, зміцнюються термообробкою відпус-ом ( загартування з наступним штучним старінням ). При цьому підвищується міцність ( до 140 кг/мм²) при задовільній пластичності та в'язкості.

Псевдо β - сплави ефективно зміцнюються термообробкою ( загартування + наступне старіння при 400…500⁰С ), задовільно зварюютья.

β - сплав марки 4201 корозійно стійкий, не зміцнюється термообробкою.

По гарантованій міцності Ті сплаві підрозділяються на:

а) маломіцні високо пластичні з σв < 70 кг/мм², добре деформуються та зва-

рюються ( ВТ1-00, ОТ4-0 )

б) середньоміцні з σв = 75 - 100 кг/мм², задовільно деформуються та зварю-ться. (ВТ6С, ВТ5, ВТ5-1, ОТ4 )

в) високоміцні з σв > 100 кг/мм² . Застосовуються після відпалу, а в деяких

випадках після термічного зміцнення. Вони деформуються в підігрітому стані

та обмежено зварюються ( лобова поверхня крила, балони, трубопроводи ).

( ВТ6, ВТ14, ВТ22, ВТ3-1 ).

Титан та його сплави застосовуються в авіабудівництві та ракетної техніці,

хімічному машинобудуванні ( реактори ) та металургійній промисловості, судобу-

дівництві ( підводні човни ), приладобудівництві , харчовій промисловості та інше.

(Медтехніка ).

ОТ4

ОТ4-1 В конструкціях, що працюють тривало при 350…450⁰С,

ОТ4-2 тонкостінні конструкції.

ВТ5 зварювальні силові вузли для тривалої роботи при Т < 450⁰С.

ВТ5-1

ВТ20 ─ підвищена жароміцність (Т < 500⁰С тривало, короткочасно до Т=800⁰С.

4201 ─ корозійна стійкість при підвищених температурах.

АТ3 ─ висока корозійна стійкість ─ хімічне машинобудування.

АТ6 ─ деталі компресорів холодильних установок.

ПТ-7м ─ трубопроводи для агресивних середовищ при підвищеній температурі.

ВТ6С ─ листи, прутки, поковки, профілі.

ВТ-3-1 ─ деталі турбін ( жароміцні ).

ВТ22 ─ важко завантажені конструкції до 350 – 400⁰С.