Титан и его сплавы

Титан — полиморфный металл серебристо-белого цвета, плотностью

γ= 4,5 г/см³, Тпл = 1665 °С. При температуре 882,5 °С α-фаза с ГПУ решеткой перестраивается в β-фазу с ОЦК решеткой.

Свойства титана очень сильно зависят от содержания примесей. Чистый титан пластичен (δ= 40...70%), мало прочен (σв = 230...250 МПа). Технически чистый титан ВТ-1(≤0,8% примесей) имеет σв= 300...550 МПа, δ= 20...30%.

При нормальной температуре титан отличается высокой коррозионной и химической стойкостью, что объясняется образованием на его поверхности в атмосферных условиях прочной и плотной окисной пленки.

При нагреве до температуры выше 500 °С титан становится очень активным элементом: растворяет все соприкасающиеся с ним вещества или образует с ними химические соединения.

К основным недостаткам титана следует отнести плохую обрабатываемость резанием, низкие антифрикционные свойства.

Сплавы титана обладают высокой коррозионной стойкостью и высокой удельной прочностью (σ_в/γ > 25...40 — выше, чем у высокопрочных сталей и алюминиевых сплавов). При прочности σ_в= 800... 1500 МПа титановые сплавы имеют хорошую пластичность (δ= 12...25%).

Широкое применение их в авиастроении и ракетной технике позволяет экономить до 40% металла по массе детали.

Благодаря хорошей коррозионной стойкости титановые сплавы широко используют в химической промышленности для изготовления трубопроводов, насосов, реакторов, работающих в агрессивных средах. Так, скорость коррозии теплообменников из титановых сплавов, работающих на азотной кислоте, в 60 раз меньше, чем теплообменников из нержавеющей стали.

Титан и его сплавы (с алюминием, марганцем, молибденом, хромом и др.) хорошо обрабатываются давлением, легко свариваются, обладают высокими литейными свойствами, устойчивы против кавитационной коррозии и др.

Структура титановых сплавов определяется характером взаимодействия титана с легирующими элементами (рис. 24).

Примеси, повышающие температуру α →β-перехода (азот, водород, кислород, углерод, алюминий и др.), называются α-стабилизаторами. Они образуют с титаном однофазный α-твердый раствор. Из α-стабилизаторов практическое значение имеет только алюминий, так как твердые растворы внедрения углерода, азота, кислорода в титане очень хрупкие. Введение 2...7% А1 делает титановые сплавы более прочными, жаропрочными, устойчивыми к «водородной болезни», если содержание водорода не более 0,02...0,05%.

Однофазные сплавы (ВТ5, ВТ5-1) имеют высокие механические свойства при криогенных температурах, высокую жаропрочность (до 400...500 °С), отличаются термической стабильностью, высокой коррозионной стойкостью, хорошо свариваются и удовлетворительно обрабатываются резанием.

Среди недостатков следует в первую очередь назвать низкую технологическую пластичность и отсутствие упрочнения термообработкой. Добавление олова (например, сплав ВТ5-1) позволяет повысить технологическую пластичность, жаростойкость и сопротивление ползучести при той же себестоимости сплава.

Введение марганца и уменьшение содержания алюминия также повышают пластичность сплавов, в их структуре появляется 1...5% β-фазы. Такие сплавы (например, марок ВТ-4, ОТ4 и др.) хорошо обрабатываются давлением.

Однофазные β-сплавы образуются при добавлении к титану β-стабилизаторов (тантала, молибдена, хрома, железа, марганца и др.), понижающих температуру α→β-перехода. Устойчивая β-фаза получается при добавлении к титану дорогих, дефицитных металлов (ванадий, тантал, ниобий), что удорожает сплавы и понижает их удельную прочность. Поэтому β-сплзвы не нашли промышленного применения, а используются псевдо-β-сплавы (например, ВТ15), имеющие в структуре наибольшее количество β-фазы. Эти сплавы (термически упрочняемые) в метастабильном состоянии хорошо обрабатываются давлением, удовлетворительно резанием, имеют высокую удельную прочность. К недостаткам их относятся низкая термическая стабильность и хрупкость сварных соединений.

Двухфазные (α + β)-сплавы (ВТЗ-1, ВТ6, ВТ-14 и др.), упрочняемые термообработкой, обладают хорошим сочетанием технологических и механических свойств. Они содержат алюминий, сильно упрочняющий α-фазу и повышающий термическую стабильность β-фазы, ванадий, молибден и хром.

Двухфазные сплавы лучше, чем однофазные, обрабатываются давлением, но хуже свариваются (после сварки нуждаются в отжиге), удовлетворительно обрабатываются резанием.

Литейные сплавы (ВТ5Л, ВТЗ-1 Л, ВТ21Л и др.) обладают хорошей жидкотекучестью и плотностью отливок. Малая линейная усадка (около 1%) при сравнительно большой объемной (3%) и малая склонность к образованию горячих трещин позволяют получать качественные отливки сложной фасонной формы. Но эти сплавы активно поглощают газы и взаимодействуют со всеми формовочными материалами, поэтому их плавка и разливка ведутся в защитной атмосфере или в вакууме. Литьем в чугунные и стальные формы получают отливки массой до 300...500 кг, в оболочковые — более мелкие детали.