Титановые сплавы: классификация, обработка, свойства и применение

Несмотря на большую распространенность, признание титана как конструкционного материала состоялось относительно недавно — лишь в 20 веке. Его сплавы выгодно отличаются от других соединений. Благодаря длинному списку преимуществ они находят широкое применение в различных областях. Современные технологические возможности позволяют производить самый разнообразный прокат — трубы, листы, шестигранники, фольгу, ленты, плиты. Рассмотрим в статье подробнее все основные особенности материала.

Общая характеристика

В периодической системе элементов Д. И. Менделеева Ti расположен в IV группе 4-го периода под номером 22. В важнейших и наиболее устойчивых соединениях металл четырехвалентен. По внешнему виду напоминает сталь. Очень распространен в природе. Его содержание в земной коре выше, чем меди, свинца и цинка.

Относительная молекулярная масса вещества показывает, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода. Титан в свободном состоянии существует в виде одноатомных молекул Ti. Значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 47,867.

К основным механическим свойствам титановых сплавов относят:

Стойкость к коррозийным процессам. Превосходит по этому свойству стали. Не корродирует в воздухе, морской воде, влажном хлоре и других технологических растворах и реагентах, поэтому материал незаменим в химической, целлюлозно-бумажной, нефтяной промышленности.
Легковесность. Востребован там, где нужно очень легкое вещество, выдерживающее большие нагрузки и сверхвысокие температурные диапазоны — авиа-, ракетостроение.
Высокую удельную прочность. Показатель примерно в 2 раза выше железа и в 6 раз — алюминия. При растяжении предел прочности — 300–450 МПа, но его можно увеличить до 2 000 МПа посредством закалки, старения и примеси некоторых элементов. При этом материал сохраняет прочностные характеристики даже под воздействием низких температур.
Парамагнитность. В магнитном поле он не намагничивается, но и не выталкивается из него.
Низкую теплопроводность. При комнатной температуре в среднем составляет — 18 Вт/(м·град). По мере нагревания показатель увеличивается. Температурное расширение в 3 раза меньше железа и в 12 алюминия.
Удовлетворительную технологическую пластичность некоторых сплавов. В горячем состоянии получают различные полуфабрикаты — листы, прутки, штамповки, профили и др. При этом механическая обработка вызывает много сложностей.

Таким образом, металл хорошо сочетает прочность и пластичность, но большинство механических свойств определяет содержание примесей. На формирование структуры решающее значение оказывают полиморфные превращения. Это играет важную роль при термической обработке деталей в соответствии с требованиями чертежа.

Общая характеристика титана и его сплавов

Именно основные механические свойства титановых сплавов определяют их большое распространение. Если не уделять внимание химическому составу, то все титановые сплавы можно охарактеризовать следующим образом:

Высокая коррозионная стойкость. Недостатком большинства металлов можно назвать то, что при воздействии высокой влажности на поверхности образуется коррозия, которая не только ухудшает внешний вид материала, но и снижает его основные эксплуатационные качества. Титан менее восприимчив к воздействию влажности, чем железо.
Хладостойкость. Слишком низкая температура становится причиной того, что механические свойства титановых сплавов существенно снижаются. Часто можно встретить ситуацию, когда эксплуатация при отрицательных температурах становится причиной существенного повышения хрупкости. Титан довольно часто применяется при изготовлении космических кораблей.
Титан и титановые сплавы имеют относительно низкую плотность, что существенно снижает вес. Легкие металлы получили широкое применение в самых различных отраслях промышленности, к примеру, в авиастроении, строительстве небоскребов и так далее.
Высокая удельная прочность и низкая плотность – характеристики, которые довольно редко сочетаются. Однако именно за счет подобного сочетания титановые сплавы сегодня получили самое широкое распространение.
Технологичность при обработке давлением определяет то, что сплав применяется часто в качестве заготовки при прессовании или другом виде обработки.
Отсутствие реакции на воздействие магнитного поля также назовем причиной, по которой рассматриваемые сплавы получили широкое применение. Часто можно встретить ситуацию, когда проводится производство конструкций, при работе которых образуется магнитное поле. Применение титана позволяет исключить вероятность возникновения связи.

Эти основные преимущества титановых сплавов определили их достаточно большое распространение. Однако, как ранее было отмечено, многое зависит от конкретного химического состава. Примером можно назвать то, что твердость изменяется в зависимости от того, какие именно вещества применяются при легировании.

Важно, что температура плавления может достигать 1700 градусов Цельсия. За счет этого существенно повышается устойчивость состава к нагреву, но также усложняется процесс обработки.

Особенности маркировки

В соответствии с ГОСТ 19807-91 обозначаются буквами ВТ, ОТ, ПТ (В, О, П — идентификатор организации-разработчика или производителя, Т — титан) и цифрами, указывающими порядковый номер сплава в зависимости от химического состава.

В — ВИАМ титан — Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов (ВИАМ, г. Москва);

О — Опытный титан — совместная разработка ВИАМ и Верхнесалдинского металлургического производственного объединения (ВСМПО, г. Верхняя Салда, Свердловская область);

П — Прометей титан — Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов «Прометей» (г. Санкт-Петербург).

Кроме общего разделения, сплавам Ti присваиваются другие специальные обозначения. Они соответствуют составу и параметрам:

технические марки ВТ1-1, ВТ1-0, ВТ1-00 содержат титан от 99,3 до 99,9%;
титановые губки ТГ-90, ТГ-110, ТГ-150, ТГ-120, ТГ-Тв, ТГ-130, ТГ-100;
литейные — ВТ20Л, ВТ21Л, ВТ14Л, ВТ9Л, ВТ6Л, ВТ1Л, ВТ3-1Л, ВТ5Л.

В некоторых случаях после порядкового номера сплава ставится дополнительная буква:

У — улучшенный,

М — модифицированный,

И — специального назначения,

В — с преобладанием ванадия в качестве легирующего элемента.

Титановые сплавы. Основные характеристики

Важнейшими преимуществами титановых сплавов перед другими конструкционными материалами являются их высокие удельная прочность и жаропрочность в сочетании с высокой коррозионной стойкостью. Кроме того, титан и его сплавы хорошо свариваются, парамагнитны и обладают некоторыми другими свойствами, имеющими важное значение в ряде отраслей техники. Перечисленные качества титановых сплавов открывают большие перспективы их применения в тех областях машиностроения, где требуются высокая удельная прочность и жаропрочность в сочетании с высокой коррозионной стойкостью. Это относится, в первую очередь, к таким отраслям техники как авиастроение, ракетостроение, судостроение, химическое, пищевое и транспортное машиностроение.

Касаясь некоторых специфических свойств титана, можно отметить, что он представляет большой интерес как конструкционный материал для космических кораблей.

Классификация

Титановые сплавы целесообразно разделить на три большие группы:

Конструкционные и высокопрочные титановые сплавы представляют собой — твердые растворы, что позволяет им обеспечивать оптимальное соотношение характеристик прочности и пластичности.

Жаропрочные титановые сплавы представляют собой — твердые растворы с большим или меньшим количеством химического соединения (или начальной стадии его образования), что обеспечивает им повышенную жаропрочность при минимальном снижении пластичности.

Титановые сплавы на основе химического соединения — представляют интерес как жаропрочный материал с низкой плотностью, способный конкурировать с жаропрочными никелиевыми сплавами в определенном температурном интервале.

В настоящее время титан — один из важнейших конструкционных металлических материалов. Для этого титану в течение 200 лет пришлось пройти путь от признания его непригодным в конструкционных целях до всеобщего поклонения как перед одним из самых перспективных и вечных металлов. ВТ1-00 и ВТ1-0

Технический титан. Металлургическая промышленность поставляет полуфабрикаты технического титана двух марок ВТ1 — 00 и ВТ1 — 0 отличающихся содержанием примесей (кислорода, азота, углерода, железа, кремния и др.). Это материалы малой прочности, причем титан ВТ1 — 00, содержащий меньше примесей, отличается меньшей прочностью и большей пластичностью. Основное достоинство технического титана — высокая технологическая пластичность, что позволяет получать из него даже фольгу.

Прочностные свойства титана могут быть повышены нагартовкой но при этом сильно снижаются пластические свойства. Снижение характеристик пластичности выражено сильнее, чем повышение характеристик прочности, так что нагартовка не самый лучший способ улучшения комплекса свойств титана. К недостаткам титана следует отнести высокую склонность к водородной хрупкости, в связи с чем содержание водорода не должно превышать 0,008 % в титане ВТ1 — 00 и 0,01 % в ВТ1 — 0.

Сплав ВТ5 (ВТ5Л)

Сплав ВТ5 (ВТ5Л) легирован только алюминием. Алюминий относится к числу наиболее распространенных легирующих элементов в титановых сплавах. Это обусловлено следующими преимуществами алюминия перед остальными легирующими компонентами:

а) алюминий широко распространен в природе, доступен и сравнительно дешев;

б) плотность алюминия значительно меньше плотности титана, и поэтому введение алюминия повышает их удельную прочность;

в) с увеличением содержания алюминия повышается жаропрочность и сопротивление ползучести сплавов титана;

г) алюминий повышает модули упругости;

д) с увеличением содержания алюминия в сплавах уменьшается их склонность к водородной хрупкости. Сплав ВТ5 отличается от технического титана большей прочностью и жаропрочностью. Вместе с тем алюминий значительно уменьшает технологическую пластичность титана. Сплав ВТ5 деформируется в горячем состоянии: куется, прокатывается, штампуется. Из него изготовляют прутки, профили, поковки, штамповки. Тем не менее, его предпочитают применять не в деформированном состоянии, а в виде фасонного литья (в этом случае ему присваивают марку ВТ5Л). Сплав предназначен для изготовления деталей систем управления, внутреннего набора фюзеляжа, сварных деталей и узлов, длительно работающих (10 000 ч) при температурах до 400 °С.

Сплав ВТ5-1

Сплав ВТ5-1 относится к системе Ti-Al-Sn. Олово улучшает технологические свойства сплавов титана с алюминием, замедляет их окисление, повышает сопротивление ползучести. Этот сплав, по прочностным характеристикам относится к материалам средней прочности, мало чувствителен к надрезу, имеет удовлетворительный предел выносливости, сохраняет значительную жаропрочность до 450 °С. Сплав ВТ5-1 более технологичен, чем ВТ5, и из него изготавливают все виды полуфабрикатов, получаемых обработкой давлением, в том числе: листы, плиты, поковки, штамповки, профили, трубы и проволоку. Сплав сваривается всеми видами сварки, причем сварные соединения и основной металл почти равнопрочны. Сплав термически не упрочняется. При применении этого сплава для работы при криогенных температурах содержание примесей должно быть сведено к минимуму, так как они вызывают хладноломкость, состав сплава с пониженным содержанием примесей обозначают ВТ5-1кт. За рубежом сплав Ti-5A1-2,5Sn аналогично применяют в двух вариантах: для обычного назначения и для работы при криогенных температурах. Во втором случае также ограничивают содержание примесей и обозначают сплав как Ti-5AI-2,5Sn ELI.

Сплав ПТ-7М

Сплав ПТ-7М относится к малолегированным, малопрочным и высокопластичным сплавам системы Ti-Al-Zr. Он довольно легко деформируется не только при повышенных, но и комнатной температуре, что обусловлено небольшим содержанием в нем алюминия. Сплав производится в основном в форме горячепрессованных, горячекатаных и холоднодеформированных труб. Высокая пластичность сплава позволяет получать из него особо тонкостенные трубы. Сплав ПТ-7М применяют в основном для изготовления различного рода трубопроводов, работающих при комнатной и повышенных температурах в агрессивных средах.

Сплав ОТ4-0

Сплав ОТ4-0 малой прочности и высокой технологичности. Марганец повышает технологичность при горячей обработке давлением. Сплав псевдо-α-класса с небольшим количеством β-фазы. Термически не упрочняется. Основными полуфабрикатами являются: листы, ленты, полосы, прутки, поковки, штамповки. Хорошо деформируется в горячем и холодном состояниях, допускает штамповку при комнатной температуре; хорошо сваривается всеми видами сварки. Используется в деталях для изготовления которых требуется высокая технологичность при холодной штамповке.

Сплав ОТ4-1

Сплав ОТ4-1 относится к числу наиболее технологичных титановых сплавов; является малопрочным, малолегированным псевдо а-сплавом системы Ti-Al-Mn. Он хорошо деформируется в горячем и холодном состояниях и предназначен в основном для изготовления листов, лент и полос. Из них получают также плиты, поковки, прутки, трубы и профили. Листовая штамповка деталей простой формы может производиться в холодном состоянии; при штамповке деталей сложной формы необходим подогрев до 500°С. Сплав хорошо сваривается всеми видами сварки, причем прочность и пластичность сварного соединения практически одинаковы с основным металлом. Сплав ОТ4-1 предназначен для изготовления деталей, работающих до температуры 350 °С в течение не более 2000 ч и до 300 °С — не более 30 000 ч и изготавливаемых с применением сварки, штамповки и гибки. В отожженном состоянии сплав ОТ4-1 применяется для изготовления деталей типа обшивок крыла, закрылков, внутреннего набора крыла. Полный отжиг проводится при 640-690°С (листовые полуфабрикаты и детали из них) и при 740-790°С (прутки, поковки, штамповки и т.п. и детали из них); неполный отжиг — при 520-560°С. Недостатки этого сплава: сравнительно невысокая прочность; очень большая склонность к водородной хрупкости (содержание водорода не должно превышать 0,005%).

Псевдо
α-сплав ОТ4
Псевдо α-сплав ОТ4 относится к той же системе Ti-A1-Мп, что и ОТ4-1, но отличается от него большим содержанием алюминия. В связи с этим он прочнее сплава ОТ4-1. Этот сплав средней прочности. Вместе с тем сплав ОТ4 менее пластичен и технологичен, чем сплав ОТ4-1. Сплав хорошо деформируется в горячем и ограниченно холодном состояниях. Его поставляют в виде листов, плит, профилей, труб, прутков. Основные операции листовой штамповки (вытяжка, гибка, отбортовка) осуществляются в холодном состоянии. При штамповке сложных по конфигурации деталей требуется подогрев. Сплав ОТ4 хорошо сваривается аргонодуговой, контактной (точечной, роликовой, стыковой) и электронно-лучевой сваркой. Сплав обладает хорошей термической стабильностью и предназначен для изготовления деталей, работающих при температурах до 350°С в течение 2000 ч и до 300°С — 30 000 ч. Сплав термически не упрочняется, единственный вид термической обработки, которому он подвергается, это полный или неполный (для снятия остаточных напряжений) отжиг. Полный отжиг проводят при 660-710°С (листовые полуфабрикаты и детали из них) и при 740-790°С (прутки, поковки, штамповки и т.п. и детали из них); неполный отжиг — при 545-585 °С.

Сплав ВТ18 (ВТ18У)

Сплав ВТ18 (ВТ18У) системы Ti-Al-Zr-Mo-Nb-Si относится к высокопрочным псевдо α-сплавам. Большое содержание алюминия и циркония обеспечивает высокое сопротивление ползучести и высокую длительную прочность до температур 550 — 600°С. Это один из наиболее жаропрочных титановых сплавов. Пластические свойства и технологичность при обработке давлением у сплава ВТ18 ниже, чем у сплавов типа ОТ4. Поэтому он предназначен в основном для производства прутков, поковок и штамповок. Оптимальное сочетание свойств сплава обеспечивает отжиг при температурах 900 — 950 °С, выдержка 1 — 4 ч, охлаждение на воздухе. Помимо этого применяют двойной отжиг: при 900 — 980 °С 1 — 4 ч + при 550 — 680 °С 2 — 8 ч, что позволяет получить более высокое сопротивление разрыву сплава при 600 °С (770 МПа вместо 670 МПа). Сплав ВТ 18 рекомендуется для деталей, работающих длительно (до 500 ч) при 550 — 600 °С и кратковременно (детали разового действия) — до 800 °С.

Псевдо

α
-сплав ВТ18У
Псевдо a-сплав ВТ18У отличается от ВТ18 более низким содержанием алюминия и циркония, а также дополнительным легированием оловом. В связи с этим он несколько технологичнее ВТ18. Поэтому из него получают не только прутки, поковки и штамповки, но и листы, хотя и с большим трудом. Термическая обработка полуфабрикатов из сплава ВТ18У производится по режимам, принятым для сплава ВТ18. По жаропрочным свойствам сплав ВТ18У не уступает сплаву ВТ 18 и рекомендуется для тех же условий эксплуатации, что и сплав ВТ 18.

Псевдо
α-сплав ВТ20
Псевдо α-сплав ВТ20 принадлежит к системе Ti-Al-Zr-Mo-V. Довольно высокое содержание алюминия обеспечивает значительную прочность и жаропрочность этого сплава. Его пластичность и технологичность при обработке давлением ниже, чем у сплавов типа ОТ4. Тем не менее он хорошо деформируется в горячем состоянии и поставляется в виде поковок и штамповок толщиной до 250 мм, профилей, прутков, плит и листа. В листовом варианте этот сплав по жаропрочным характеристикам уступает только сплаву ВТ18У. Из этого сплава изготовляют сварные кольца из горячекатаных и прессованных профилей, а также цельнокатаные кольца. Сплав хорошо сваривается всеми видами сварки, применяемыми для титановых сплавов. Механические свойства сварного соединения не уступают свойствам основного металла. Сплав ВТ20 может свариваться с титановыми сплавами ВТЗ-1, ОТ4, ОТ4-1, ВТ5-1, ВТ6, ВТ14, ВТ5Л, ВТ21Л. Этот сплав поставляется также в виде фасонного литья под маркой ВТ20Л.

Единственным видом термической обработки сплава ВТ20 является отжиг. Полный отжиг проводят при температурах 700-800 °С для снятия наклепа от предшествующих операций обработки давлением. Неполный отжиг листов и прутков для снятия остаточных напряжений проводят при 600-650 °С. Сварные соединения отжигают при

650-750 °С. Сплав ВТ20 применяют для изготовления обшивок крыла, деталей и сварных узлов, длительно работающих при температурах от -70 до 450 °С (6000 ч) — 500 °С (3000 ч).

Сплавы типа ВТ6

Сплавы типа ВТ6 (Ti-6A1-4V) (a + b)-класса относятся к числу наиболее распространенных за рубежом титановых сплавов. Сплав Ti-6А1-4V используется для изготовления крупногабаритных сварных и сборных конструкций летательных аппаратов, для изготовления баллонов, работающих под внутренним давлением в широком интервале температур от 196 до 450 °С, и целого ряда других конструктивных элементов. По данным зарубежной печати, около 50 % используемого в авиакосмической промышленности титана приходится на сплав Ti-6A1-4V, аналогом которого являются отечественные сплавы типа ВТ6.

Такое широкое распространение этого сплава объясняется удачным его легированием. Алюминий в сплавах системы Ti-Al-V повышает прочностные и жаропрочные свойства, а ванадий относится к числу тех немногих легирующих элементов в титане, которые повышают не только прочностные свойства, но и пластичность.

Наряду с высокой удельной прочностью сплавы этого типа обладают меньшей чувствительностью к водороду по сравнению со сплавами ОТ4 и ОТ4-1, низкой склонностью к солевой коррозии и хорошей технологичностью.

Сплавы хорошо деформируются в горячем состоянии. Из сплавов типа ВТ6 получают прутки, трубы, профили, поковки, штамповки, плиты, листы. Они свариваются всеми традиционными видами сварки, в том числе и диффузионной. При сварке ЭЛС прочность сварного шва практически равна прочности основного материала, что выгодно отличает этот сплав от ВТ22. Сплавы типа ВТ6 применяют в отожженном и термически упрочненном состояниях. Отжиг листов, тонкостенных труб, профилей и деталей из них обычно проводят при 750-800 °С с последующим охлаждением на воздухе или вместе с печью. Отжиг прутков, поковок, штамповок и других крупногабаритных полуфабрикатов и деталей из них проводят при 750-800 «С. Охлаждение вместе с печью крупных полуфабрикатов предотвращает их коробление, а для мелких деталей позволяет избежать .частичной закалки. Однако в последнее время было доказано, что целесообразно повысить температуру отжига до 900-950 °С, что приведет к повышению вязкости разрушения и ударной вязкости при сохранении высоких пластических свойств из-за формирования смешанной структуры с большой долей пластинчатой составляющей. Двойной отжиг также позволяет повысить вязкость разрушения и сопротивление коррозионному

Сплав ВТ14

Сплав ВТ14 относится к высокопрочным термически упрочняемым титановым (α + β)-сплавам мартенситного типа системы Ti-A1-Мо-V. Этот сплав хорошо деформируется в горячем состоянии и из него получают прутки, трубы, профили, листы, плиты, поковки, штамповки. Листовую штамповку сплава в отожженном или закаленном состоянии с небольшими деформациями можно проводить в холодном состоянии, но основные операции штамповки удается успешно провести лишь при повышенных температурах.

Сплав удовлетворительно сваривается всеми видами сварки, применяемыми для титана. Для восстановления пластичности сварного соединения после сварки необходимо проводить отжиг. Сплав применяют в отожженном и термически упрочненном состояниях. Отжиг листов, прутков, поковок, штамповок и деталей из них осуществляют при температурах 740-810 °С. Термическое упрочнение состоит из закалки с температуры 870-910 °С и старения при 480- 560 °С в течение 8 — 16 ч. Сплав рекомендован для изготовления штампосварных конструкций, длительно работающих при температурах до 400 °С.

Сплав ВТ16

Сплав ВТ16 относится к высокопрочным (α + β)-сплавам той же системы Ti-A1-Мо-V, что и ВТ 14, но отличается от последнего меньшим содержанием алюминия и большим содержанием Р-стабилизаторов. В связи с этим сплав ВТ 16 по сравнению со сплавом ВТ 14 содержит больше β-фазы в отожженном состоянии (10 % — в ВТ14, 25-30 % — в ВТ16). Благодаря высокому содержанию β-фазы сплав ВТ 16 отличается высокой технологичностью. Он хорошо деформируется не только в горячем, но и в холодном состоянии, что обусловлено не только (α + β)-структурой, но и невысоким содержанием алюминия. Хотя ,из сплава ВТ 16 можно изготавливать почти все виды полуфабрикатов, основная часть продукций из него — проволока и прутки диаметром от 4 до 20 мм, полученные прокаткой или волочением. Это связано с тем, что сплав ВТ 16 предназначен в основном для изготовления деталей крепления: болтов, винтов, заклепок и т.д. Состав этого сплава подбирался специально к условиям работы этих деталей.

К структуре прутков, предназначенных для изготовления деталей крепления, предъявляются довольно строгие требования: она должна быть мелкозернистая и однородная. Помимо этого, предъявляются повышенные требования к геометрическим размерам прутков и качеству их поверхности. Состав сплава ВТ 16 определяет также хорошую его свариваемость и высокую пластичность сварного соединения непосредственно после сварки. Сплав ВТ16 применяют в отожженном и термически упрочненном состояниях. Листы, тонкостенные трубы, профили и детали из них отжигают при температурах 680-790 °С, а прутки, толстостенные трубы и профили при 770-790 °С. Для термического упрочнения сплав закаливают с 780-830 °С и затем подвергают старению при 560-580 °С в течение 4-10 ч. Сплав в закаленном и состаренном состоянии с временным сопротивлением разрыву, 1200 МПа мало чувствителен к концентраторам напряжений: надрезу, перекосу и т.п. Сплав ВТ 16 может применяться для изготовления деталей крепления и других элементов самолетных конструкций длительной работы при температурах до 350 °С.

Сплав ВТЗ-1

Сплав ВТЗ-1 системы Ti-Al-Mo-Cr-Fe-Si относится к высокопрочным (α + β) — сплавам мартенситного класса. Алюминий в сплаве ВТЗ-1 упрочняет а- и b-фазы и уменьшает плотность сплава. Эвтектоидообразующие β-стабилизаторы хром, железо и кремний упрочняют α — и β-фазы и повышают прочностные и жаропрочные свойства при умеренных температурах. Молибден не только увеличивает прочностные и жаропрочные свойства сплава, но и затрудняет эвтектоидный распад b-фазы, повышая термическую стабильность.

Сплав хорошо деформируется в горячем состоянии; из него получают катаные, прессованные и кованые прутки, катаные и прессованные профили, различные поковки и штамповки, полосы, плиты, раскатные кольца, в опытном порядке — трубы. Сплав удовлетворительно сваривается всеми видами сварки, применяемыми для титана. После сварки необходимо проводить отжиг для восстановления пластичности сварного соединения.

Изделия из сплава ВТЗ-1 обычно применяют после изотермического отжига, который состоит из нагрева при температурах 870- 920 °С и изотермической выдержки при 630-680 °С в течение 2-5 ч с последующим охлаждением на воздухе. После такого отжига сплав приобретает стабильную (а + b)-структуру, которая обеспечивает наиболее высокую термическую стабильность и максимальную пластичность. После одинарного отжига при температурах 800-850 °С сплав имеет большую прочность, чем после изотермического, но меньшие пластичность и термическую стабильность. Прочностные свойства сплава можно несколько повысить закалкой при 840-900 °С с последующим старением при 500-620 °С в течение 1-4 ч. Однако упрочняющая термическая обработка применяется редко, так как приводит к снижению термической стабильности сплава.

Сплав ВТЗ-1 используется при изготовлении деталей двигателей, работающих длительное время (до 6000 ч и более) при температурах до 400 °С; деталей типа арматуры, ушковых болтов; деталей системы управления. В последнее время наметилась тенденция к замене сплава ВТЗ-1 сплавом ВТ6, по-видимому, в основном в связи с тем, что сплав Ti-6A1-4V успешно используется многие годы в зарубежной практике для изготовления самых ответственных конструкций. Дополнительным легированием удается повысить прочностные свойства сплава Ti-6A1-4V при сохранении удовлетворительной пластичности, мо механические свойства сварных соединений при этом значительно ухудшаются, так что при свариваемости, в частности, электронно-лучевой сваркой, сплавы типа ВТ6 не имеют себе равных, кроме, может быть, сплава ВТ20.

Сплав ВТ22

Сплав ВТ22 (α + β)-класса относится к сильнолегированным высокопрочным сплавам системы Ti-Al-Mo-V-Fe-Cr. По содержанию b-стабилизирующих элементов сплав 1ГГ22 близок ко второй критической концентрации (К* ~ 1,0). Структура и свойства сплава ВТ22 сильно зависят от колебания химического состава в пределах, установленных техническими условиями. В зависимости от содержания легирующих элементов его структура после закалки из β -области может быть представлена или одной β-фазой, или β-фазой и мартенситом. Таким образом, по структуре в закаленном состоянии — это сплав переходного класса.

Сплав обладает хорошей технологической пластичностью при горячей обработке давлением. Из него получают прутки, профили, трубы, поковки, штамповки, плиты. Сплав удовлетворительно сваривается сваркой плавлением, аргонодуговой сваркой, сваркой под флюсом, роликовой и точечной сваркой. После сварки необходимо проводить отжиг для повышения комплекса механических свойств сварного соединения.

Сплав ВТ22 применяют в отожженном и термически упрочненном состояниях. Структура отожженного сплава ВТ22 представлена примерно равными количествами а- и b-фаз, и поэтому он относится к самым прочным титановым сплавам в отожженном состоянии. Его прочностные свойства в отожженном состоянии такие же, как у сплавов ВТ6, ВТЗ-1, ВТ 14 после закалки и старения. Это открывает новые возможности использования титановых сплавов в крупногабаритных изделиях, когда упрочняющая термическая обработка затруднена. Из сплава ВТ22 могут быть изготовлены поковки и штамповки массой в несколько тонн.

Для обеспечения наилучшего сочетания прочностных и пластических характеристик сплав ВТ22 подвергают отжигу по довольно сложному режиму: нагрев при 820-850 °С в течение 1-3 ч, охлаждение с печью до 740-760 °С, выдержка 1-3 ч, далее охлаждение на воздухе и последующий нагрев до 500-650 °С в течение 2-4 ч. .Дополнительное упрочнение сплава ВТ22 может быть достигнуто закалкой с температур 720-780 °С и старением при 480-600 °С в течение 4-10 ч. Временные сопротивление разрыву закаленного сплава составляет 1000-1100 МПа при удлинении 10-15 %, а состаренного — 1300-1600 МПа при удлинении 5-10 %. Сплав предназначен для получения высоконагруженных деталей и конструкций, длительно работающих до температур 350-400 °С. Из него изготавливают силовые детали фюзеляжа, крыла, штамповки, детали системы управления, крепежные детали типа ушковых болтов.

Сплав ВТ9

Сплав ВТ9 обеспечивает более высокие прочностные и жаропрочные свойства по сравнению со сплавом ВТ6 за счет высокого содержания алюминия и легированием кремния. Предназначен для работы при 400 — 500 °С. Двойной отжиг обеспечивает оптимальное сочетание механических свойств; содержание β — фазы после отжига примерно 10%. Сплав термически упрочняется путем закалки и старения. Основными вида полуфабриката являются прутки, поковки, штамповки и плиты. Удовлетворительно деформируется в горячем состоянии. Технологические свойства при обработке давлением хуже, чем у сплава ВТ6. Сварка не рекомендуется. В основном применяется в деталях ГТД (дисках, лопатках) и других деталях компрессора.

Сплав ВТ8

Сплав ВТ8 обеспечивает более высокие прочностные и жаропрочные свойства по сравнению со сплавом ВТ6 за счет высокого содержания алюминия и легированием кремния. Максимальная рабочая температура 480 0С. Сплавы ВТ8-1 и ВТ8-1М превосходят сплавы ВТ3-1 и ВТ9 по термической стабильности, пластичности, технологичности и характеристикам трещиностойкости. Двойной и изотермический отжиги обеспечивают оптимальное сочетание свойств; содержание β — фазы в отожженном сплаве примерно 10%. Сплав термически упрочняется. Основными вида полуфабриката являются прутки, поковки, штамповки и плиты. Удовлетворительно деформируется в горячем состоянии. Технологические свойства при обработке давлением хуже, чем у сплава ВТ6. Сварка не рекомендуется. В основном применяется в деталях ГТД (дисках, лопатках компрессора низкого давления, деталях крепления вентилятора).

Сплав ВТ35

Сплав ВТ35 высоколегированный псевдо — β — сплав с β — фазой, легко сохраняющейся при охлаждении; сплав ВТ35Л сохраняет b фазу в процессе естественного охлаждения. Обладает большой прокаливаемостыо. В закаленном состоянии сплав обладает высокой пластичностью и способен к холодной деформации. Старение приводит к существенному упрочнению (σb > 1200МПа; δ = 6%) при высокой вязкости разрушения. Применяется для изготовления листов, фольги, фасонных отливок. Удовлетворительно обрабатывается давлением в горячем состоянии; после закалки способен к холодной деформации. В основном используется в сотовых

Виды титановых сплавов

Классификация ведется по достаточно большому количеству признаков.

По технологии изготовления подразделяются:
- на деформируемые. Сюда входят сплавы с алюминием (ВТ5), а также дополнительно легированные оловом или цирконием (ВТ5-1). Характеризуются повышенной жаропрочностью, высокой термической стабильностью, отсутствием хладноломкости, хорошей свариваемостью;
По уровню механических свойств:
- на сплавы невысокой прочности и повышенной пластичности. В группу входят марки ВТ1-00, ВТ1-0 (технический титан) и ОТ4-0, ОТ4-1 (система Ti-Al-Mn), АТ3 (система Ti-Al c небольшими добавками Cr, Fe, Si, B);
высокой прочности — достигается в марках ВТ6, ВТ14, ВТ3-1 за счет упрочняющей обработки. ВТ22 — высоколегированный сплав, который имеет предел прочности σв > 1000 МПа даже в отожженном состоянии.
По условиям применения:
- на хладостойкие — промышленные отечественные модификации ВТбкт, ВТ5-1кт, ПТЗВкт и зарубежные Ti-5Al-2,5Sn ELI, Ti-6A1-4V ELI. Сохраняют достаточную ударную вязкость при криогенных температурах;
коррозиестойкие. В качестве легирующих присадок часто используют тантал, ниобий, молибден, цирконий.
По способности упрочняться термообработкой:
- на упрочняемые — (α+β) и β сплавы;

Свойства и применение титановых сплавов

Ниже представлен обзор наиболее часто встречающихся титановых сплавов, которые делятся на классы, их свойства, преимущества и промышленные применения.

7 класс

Класс 7 механически и физически эквивалентен классу 2 чистого титана, за исключением добавления промежуточного элемента палладия, что делает его сплавом. Он обладает превосходной свариваемостью и эластичностью, наиболее коррозионной стойкостью из всех сплавов этого типа.

Класс 7 используется в химических процессах и компонентах производственного оборудования.

11 класс

Класс 11 очень похож на класс 1, за исключением добавления палладия для повышения коррозионной стойкости, что делает его сплавом.

Другие полезные свойства включают оптимальную пластичность, прочность, ударную вязкость и отличную свариваемость. Этот сплав можно использовать особенно в тех случаях, когда коррозия вызывает проблемы:

химическая обработка;
производство хлоратов;
опреснение;
морские применения.

Ti 6Al-4V, класс 5

Сплав Ti 6Al-4V, или титан 5 класса, наиболее часто используется. На его долю приходится 50% общего потребления титана во всём мире.

Удобство использования заключается в его многочисленных преимуществах. Ti 6Al-4V может подвергаться термообработке для повышения его прочности. Этот сплав обладает высокой прочностью при малой массе.

Это лучший сплав для использования в нескольких отраслях промышленности, таких как аэрокосмическая, медицинская, морская и химическая перерабатывающая промышленность. Его можно использовать при создании:

авиационных турбин;
компонентов двигателя;
конструктивных элементов самолёта;
аэрокосмических крепёжных изделий;
высокопроизводительных автоматических деталей;
спортивного оборудования.

Ti 6AL-4V ELI, класс 23

Класс 23 — хирургический титан. Сплав Ti 6AL-4V ELI, или класс 23, является версией более высокой чистоты Ti 6Al-4V. Он может быть изготовлен из рулонов, нитей, проводов или плоских проводов. Это лучший выбор для любой ситуации, когда требуется сочетание высокой прочности, малой массы, хорошей коррозионной стойкости и высокой вязкости. Он обладает превосходной устойчивостью к повреждениям.

Он может использоваться в биомедицинских применениях, таких как имплантируемые компоненты из-за его биосовместимости, хорошей усталостной прочности. Его также можно использовать в хирургических процедурах для изготовления таких конструкций:

ортопедические штифты и винты;
зажимы для лигатуры;
хирургические скобы;
пружины;
ортодонтические приборы;
криогенные сосуды;
устройства фиксации кости.

12 класс

Титан класса 12 обладает отличной высококачественной свариваемостью. Это высокопрочный сплав, который обеспечивает хорошую прочность при высоких температурах. Титан класса 12 обладает характеристиками, подобными нержавеющим сталям серии 300.

Его способность формироваться различными способами делает его полезным во многих приложениях. Высокая коррозионная стойкость этого сплава также делает его неоценимым для производственного оборудования. Класс 12 можно использовать в следующих отраслях:

теплообменники;
гидрометаллургические применения;
химическое производство с повышенной температурой;
морские и воздушные компоненты.

Сферы применения

Идеальный материал для многих отраслей, в которых требуется низкий вес, высокая прочность и длительный срок службы. Широко используются:

в авиации, ракетостроении и космической технике. В авиастроении из титана изготавливают изделия сложной пространственной конфигурации, места для высоконагруженных узлов и агрегатов, а также части двигателя. В космической индустрии особо распространен титановый сплав с никелем;
судостроении. Незаменим для обшивки, производства деталей насосов и трубопроводов. Малая плотность позволяет значительно снизить массу корабля, при этом улучшаются маневренность и дальность хода. Благодаря высокой коррозионной устойчивости обшивка не требует покраски, а корпус десятилетиями не ржавеет и не разрушается в соленой воде;
машиностроении — в химическом, тяжелом, энергетическом и транспортном, для легкой, пищевой промышленности и бытовых приборов. Выпускаемое оборудование условно делят на специализированное серийное и нестандартное (для нужд конкретного машиностроительного завода);
черной металлургии — оборудование для коксохимических, металлургических, сталеплавильных и ферросплавных производств;
цветной металлургии — занимает второе место среди гражданских отраслей промышленности. Наибольшее распространение получило на предприятиях кобальтово-никелевой и титано-магниевой промышленности, а также в производстве меди, цинка, свинца, ртути и других металлов;
целлюлозно-бумажной и пищевой промышленности. Материал обеспечивает надежную защиту от коррозии, а также отвечает высоким санитарно-гигиеническим требованиям пищевых производств;
медицинской промышленности. Коммерчески чистый титан и Тi6-4Eli используют в производстве хирургического инструмента, внутренних и внешних протезов, костылей и инвалидных колясок.

Характеристики и свойства

Титан — это химический элемент с символом Ti и атомным номером 22. Это блестящий металл с серебристым цветом, низкой плотностью и высокой прочностью. Он устойчив к коррозии в морской воде и хлоре.

Элемент встречается в ряде месторождений полезных ископаемых, главным образом рутила и ильменита, которые широко распространены в земной коре и литосфере.

Титан используется для производства прочных лёгких сплавов. Двумя наиболее полезными свойствами металла являются коррозионная стойкость и отношение твёрдости к плотности, самое высокое из любого металлического элемента. В своём нелегированном состоянии этот металл столь же прочен, как некоторые стали, но менее плотный.

Физические свойства металла

Это прочный металл с низкой плотностью, довольно пластичный (особенно в бескислородной среде), блестящий и металлоидно-белый. Относительно высокая температура плавления более 1650 °C (или 3000 °F) делает его полезным в качестве тугоплавкого металла. Он парамагнитный и имеет довольно низкую электрическую и теплопроводность.

По шкале Мооса твёрдость титана равняется 6. По этому показателю он немного уступает закалённой стали и вольфраму.

Коммерчески чистые (99,2%) титаны имеют предельную прочность на разрыв около 434 МПа, что соответствует обычным низкосортным стальным сплавам, но при этом титан гораздо легче.

Химические свойства титана

Как алюминий и магний, титан и его сплавы сразу же окисляются при воздействии воздуха. Он медленно реагирует с водой и воздухом при температуре окружающей среды, потому что образует пассивное оксидное покрытие, которое защищает объёмный металл от дальнейшего окисления.

Атмосферная пассивация даёт титану отличную стойкость к коррозии почти эквивалентную платине. Титан способен противостоять атаке разбавленных серных и соляных кислот, растворов хлорида и большинства органических кислот.

Титан является одним из немногих элементов, которые сгорают в чистом азоте, реагируя при 800° C (1470° F) с образованием нитрида титана. Из-за своей высокой реакционной способности с кислородом, азотом и некоторыми другими газами титановые нити применяются в титановых сублимационных насосах в качестве поглотителей для этих газов. Такие насосы недороги и надёжно производят чрезвычайно низкое давление в системах сверхвысокого вакуума.

Обычными титаносодержащими минералами являются анатаз, брукит, ильменит, перовскит, рутил и титанит (сфен). Из этих минералов только рутил и ильменит имеют экономическое значение, но даже их трудно найти в высоких концентрациях.

Титан содержится в метеоритах и он был обнаружен на Солнце и звёздах M-типа с температурой поверхности 3200° C (5790° F).

Известные в настоящее время способы извлечения титана из различных руд являются трудоёмкими и дорогостоящими.

Производство и изготовление

В настоящее время разработаны и используются около 50 сортов титана и титановых сплавов. На сегодняшний день признаётся 31 класс титанового металла и сплавов, из которых классы 1−4 являются коммерчески чистыми (нелегированными). Они отличаются прочностью на разрыв в зависимости от содержания кислорода, причём класс 1 является наиболее пластичным (самая низкая прочность на разрыв с содержанием кислорода 0,18%), а класс 4 — наименее пластичный (максимальная прочность на разрыв с содержанием кислорода 0,40%).

Оставшиеся классы представляют собой сплавы, каждый из которых обладает конкретными свойствами:

пластичность;
прочность;
твёрдость;
электросопротивление;
удельная коррозионная стойкость и их комбинации.

В дополнение к данным спецификациям титановые сплавы также изготавливаются для соответствия требованиям аэрокосмической и военной техники (SAE-AMS, MIL-T), стандартам ISO и спецификациям по конкретным странам, а также требованиям конечных пользователей для аэрокосмических, военных, медицинских и промышленных применений.

Коммерчески чистый плоский продукт (лист, плита) может быть легко сформирован, но обработка должна учитывать тот факт, что металл имеет «память» и тенденцию к возврату назад. Особенно это касается некоторых высокопрочных сплавов.

Титан часто используется для изготовления сплавов:

с алюминием;
с ванадием;
с медью (для затвердевания);
с железом;
с марганцем;
с молибденом и другими металлами.

Области применения

Титановые сплавы в форме листа, плиты, стержней, проволоки, отливки находят применение на промышленных, аэрокосмических, рекреационных и развивающихся рынках. Порошковый титан используется в пиротехнике как источник ярких горящих частиц.

Поскольку сплавы титана имеют высокое отношение прочности на разрыв к плотности, высокую коррозионную стойкость, устойчивость к усталости, высокую стойкость против трещин и способность выдерживать умеренно высокие температуры, они используются в самолётах, при бронировании, в морских кораблях, космических кораблях и ракетах.

Для этих применений титан легирован алюминием, цирконием, никелем, ванадием и другими элементами для производства различных компонентов, включая критические конструктивные элементы, огневые стены, шасси, выхлопные трубы (вертолёты) и гидравлические системы. Фактически около двух третей произведённого титанового металла используется в авиационных двигателях и рамах.

Поскольку сплавы титана устойчивы к коррозии морской водой, они используются для изготовления гребных валов, оснастки теплообменников и т. д. Эти сплавы используются в корпусах и компонентах устройств наблюдения и мониторинга океана для науки и военных.

Удельные сплавы применяются в скважинных и нефтяных скважинах и никелевой гидрометаллургии для их высокой прочности. Целлюлозно-бумажная промышленность использует титан в технологическом оборудовании, подверженном воздействию агрессивных сред, таких как гипохлорит натрия или влажный хлорный газ (в отбеливании). Другие применения включают ультразвуковую сварку, волновую пайку.

Кроме того, эти сплавы используются в автомобилях, особенно в автомобильных и мотоциклетных гонках, где крайне важны низкий вес, высокая прочность и жёсткость.

Титан используется во многих спортивных товарах: теннисные ракетки, клюшки для гольфа, валы из лакросса; крикет, хоккей, лакросс и футбольные шлемы, а также велосипедные рамы и компоненты.

Благодаря своей долговечности титан стал более популярным для дизайнерских ювелирных изделий (в частности, титановых колец). Его инертность делает его хорошим выбором для людей с аллергией или тех, кто будет носить украшения в таких средах, как плавательные бассейны. Титан также легирован золотом для производства сплава, который может быть продан как 24-каратное золото, потому что 1% легированного Ti недостаточно, чтобы потребовать меньшую отметку. Полученный сплав представляет собой примерно твёрдость 14-каратного золота и более прочен, чем чистое 24-каратное золото.

Меры предосторожности

Титан является нетоксичным даже в больших дозах. В виде порошка или в виде металлической стружки, он представляет собой серьёзную опасность пожара и, при нагревании на воздухе, опасность взрыва.

Особенности термообработки

Проводится для повышения эксплуатационных качеств. В зависимости от химического состава и назначения сплавы подвергают:

отжигу. Является одним из самых распространенных видов термообработки и при образовании гетерофазных структур обеспечивает достаточную прочность. Различают несколько видов отжига:
с фазовой перекристаллизацией — температура нагрева зависит от сплава и составляет 750–950 °С. Таким образом, снижают твердость, повышают пластичность, добиваются измельчения зерна и устранения структурной неоднородности;

закалке и старению. Первое проводят с целью фиксации метастабильных фаз (β, α», α’) при быстром охлаждении. Основными технологическими параметрами этого процесса являются t нагрева, время выдержки и скорость охлаждения, которая должна быть высокой. Для сплавов с преобладанием α-фазы закалка не эффективна. Чтобы полученные при закалке метастабильные фазы распались, производят старение. Оно состоит из нагрева до t ниже ТПП и охлаждения на воздухе;

химико-термической обработке. Чтобы повысить антифрикционные свойства, выполняют азотирование и оксидирование. Процессы очень ограниченно применяются в промышленном масштабе. Азотирование в десятки раз увеличивает износостойкость и жаростойкость, но в несколько раз снижает пластичность, относительное удлинение и поперечное сужение. Во время оксидирования, если образуется слой небольшой толщины при не очень высокой температуре окисления, удается добиться повышения износостойкости деталей без существенной потери механических и служебных свойств.

Сплавы на основе магния, титана.

Магний— металл светло-серого цвета. Характерным свойством магния является его малая плотность (1.74 г/см3). Температура плавления магния 650°С. Кристаллическая решетка гексагональная. Технический магний выпускают трех марок МГ90, МГ95 и МГ96. Механические свойства литого магния: sв=115МПа, s0.2=25МПа, d=8%, 30НВ. На воздухе магний легко воспламеняется. Используется магний в пиротехнике и химической промышленности.

Сплавы магния обладают малой плотностью, высокой удельной прочностью, хорошо поглощают вибрации, что определило их широкое использование в авиационной и ракетной технике. Однако сплавы магния имеют низкий модуль нормальной упругости 43000МПа и плохо сопротивляются коррозии.

Литейные сплавы. Широко применяется сплав МЛ5, в котором сочетаются высокие механические и литейные свойства. Он используется для литья нагруженных крупногабаритных отливок.

Сплав МЛ6 обладает лучшими литейными свойствами, чем МЛ5, и предназначается для изготовления тяжелонагруженных деталей.

Сплав МЛ5 – sв=226МПа, s0.2=85МПа, d=5%.

Деформируемые сплавы изготовляют в виде горячекатаных прутков, полос, профилей, а также поковок и штамповых заготовок.

Сплав МА1 обладает сравнительно высокой технологической пластичностью, хорошей свариваемостью и коррозионной стойкостью.

Сплав МА2-1 обладает достаточно высокими механическими свойствами, хорошей свариваемостью, однако склонен к коррозии под напряжением, поддается всем видам листовой штамповки и легко прокатывается.

Сплав МА1 — sв=190-220МПа, s0.2=120 — 140МПа, d=5 — 10%.

Чистый магний из-за малой коррозионной стойкости и малой прочности для сварных конструкций непригоден. В качестве конструкционного материала применяют сплавы магния с алюминием, марганцем, церием и др. (табл. 1.2.3).

Из всех конструкционных материалов магниевые сплавы отличаются наименьшей плотностью (в 4 раза меньше, чем у стали), что обусловливает их применение для конструкций, у которых масса является основным показателем.

В отличие от алюминиевых, сплавы на основе магния и их сварные соединения, имеют меньшую пластичность.

Маркируют магниевые сплавы буквой М с другой рядом стоящей буквой А для обрабатываемых сплавов и Л для литейных сплавов.

Собственная окисная пленка слабо защищает металл от воздействия атмосферы и влаги даже при комнатной температуре.

Таблица 1.2.3. Состав и свойства магниевых сплавов, наиболее часто применяемых при сварке.

Марка сплава	Содержание элементов (не более) или пределы, %
Mg	Mn	Al	Cl	Сu	Be	Ni
МА-1 МА-2 МА-3	«Основа»	1,3-1,5 0,15-0,5 1,5-2,5	0,3 3-4 0,3	— — 0,15-0,5	0,05 0,05 0,05	0,02 0,02 0,02	0,01 0,005 0,01
Марка сплава	Содержание элементов (не более) или пределы, %	Механические свойства
Zn	Si	Fe	Другие элементы	σв, кгс/мм2	σ0.2, кгс/мм2	σ, %
МА-1 МА-2 МА-3	0,3 0,2-0,8 0,3	0,15 0,1 0,15	0,15 0,1 0,05	0,2 0,3 0,2	19-21 24 22-23	10-12 14 13-14	3-5 5 12-14

Проникая сквозь рыхлую пленку, кислород непрерывно взаимодействует с внутренними слоями металла. Для повышения коррозионной стойкости его поверхность покрывают искусственной хроматной защитной пленкой.

При повышении температуры окисление магния резко усиливается, что затрудняет его сварку. Магниевые сплавы необходимо тщательно очистить от окиси магния и защитной пленки до начала сварки, а затем нанести защитную пленку на поверхность сварного соединения. Длительное хранение металла после зачистки до сварки ухудшает качество швов.

Сплавы на основе титана.

Лёгкость, высокая прочность в интервале температур от криогенных (-250º С) до умеренно высоких (300º — 600º С) и отличная коррозионная стойкость обеспечивают титановым сплавам хорошие перспективы применения в качестве конструкционных материалов во многих областях, в частности в авиации и других отраслях транспортного машиностроения.

Титановые сплавы получают путём легирования титана следующими элементами (числа в скобках — максимальная для промышленных сплавов концентрация легирующей добавки в % по массе): Al (8), V (16), Mo (30), Mn (8), Sn (13), Zr (10), Cr (10), Cu (3), Fe (5), W (5), Ni (32), Si (0,5); реже применяется легирование Nb (2) и Та (5).

Как микродобавки применяются Pd (0,2) для повышения коррозионной стойкости и В (0,01) для измельчения зерна. Легирующие добавки имеют различную растворимость в a и b-Ti и изменяют температуру a/b-превращения. Алюминий, а также кислород и азот, предпочтительнее растворяющиеся в a-Ti, повышают эту температуру по мере увеличения их концентрации, что ведёт к расширению области существования a-модификации; такие элементы называются a-стабилизаторами. Sn и Zr хорошо растворяются в обеих аллотропических модификациях титана и очень мало влияют на температуру a/b-превращения; они относятся к так называемым нейтральным упрочнителям. Все остальные добавки к промышленным титановым сплавам предпочтительнее растворяются в b-Ti, являются b-стабилизаторами и снижают температуру полиморфного превращения титана. Их растворимость в a и b-модификациях титана меняется с температурой, что позволяет упрочнять сплавы, содержащие эти элементы, путём закалки и старения.

В связи с наличием полиморфизма титана и его способностью образовывать твёрдые растворы и химические соединения со многими элементами диаграммы состояния титановые сплавы отличаются большим разнообразием. Однако в промышленных титановых сплавах концентрация легирующих элементов, как правило, не выходит за пределы твёрдых растворов на основе a-Ti и b-Ti и металлидные фазы обычно не наблюдаются.

В нелегированном титане, а также в сплавах титана с a-стабилизаторами и нейтральными упрочнителями нельзя зафиксировать высокотемпературную b-модификацию путём закалки ввиду наличия мартенситного превращения, в результате которого образуется вторичная a-фаза игольчатой формы. В сплавах же с b-стабилизаторами можно, в зависимости от концентрации, зафиксировать любое количество b-фазы вплоть до 100%. На сплошную b-структуру могут закаливаться двойные сплавы, содержащие не менее 4% Fe, 7% Mn, 7% Cr, 10% Mo, 14% V, 35% Nb, 50% Ta — эти концентрации называются критическими.

В закалённых сплавах докритического и критического составов (b-фаза является нестабильной и при последующей низкотемпературной обработке (старении) распадается с образованием дисперсных выделений вторичной a-фазы, что даёт эффект упрочнения. В сплавах закритического состава (например, Ti — 30% Mo) образуется стабильная b-фаза и эффекта упрочнения не наблюдается.

Общепринято деление промышленных титановых сплавов на 3 группы по типу структуры. К сплавам на основе a-структуры относятся сплавы с Al, Sn и Zr, а также с небольшим количеством b-стабилизаторов (0,5-2%). Ввиду незначительного количества или даже отсутствия в их структуре b-фазы они практически не упрочняются термической обработкой и поэтому относятся к категории сплавов средней прочности (sb = 700-950 Мн/м²; или 70-95 кгс/мм²). Листовая штамповка этих титановых сплавов возможна только в горячую. Достоинства a-сплавов — отличная свариваемость, высокий предел ползучести и отсутствие необходимости в термической обработке, а также отличные литейные свойства, что важно для фасонного литья. Малолегированные a-сплавы, а также относимый к этой группе технический титан, имеющие предел прочности менее 700 Мн/м2 (70 кгс/мм2), поддаются листовой штамповке вхолодную. Двухфазные a+ b-сплавы — наиболее многочисленная группа промышленных титановых сплавов. Эти сплавы отличаются более высокой технологической пластичностью, чем a-сплавы, и вместе с тем могут быть термически обработаны до очень высокой прочности (sb = 1500-1800 Мн/м², или 150-180 кг/мм²); они могут обладать высокой жаропрочностью. К недостаткам двухфазных сплавов следует отнести несколько худшую свариваемость по сравнению со сплавами предыдущей группы, так как в зоне термического влияния возможно появление хрупких участков и образование трещин, для предотвращения чего требуется специальная термическая обработка после сварки. Сплавы на основе b-структуры имеют наиболее высокую технологическую пластичность и хорошо поддаются листовой штамповке вхолодную; после старения приобретают высокую прочность; хорошо свариваются, но сварные соединения нельзя подвергать упрочняющей термической обработке из-за охрупчивания, что ограничивает применение сплавов этого типа. Другим недостатком (b-сплавов является сравнительно невысокая предельная рабочая температура — примерно 300ºС; при более высоких температурах большинство сплавов этого типа становится хрупким.

Сплав МЛ5 – sв=226МПа, s0.2=85МПа, d=5%.

Сплав МА1 — sв=190-220МПа, s0.2=120 — 140МПа, d=5 — 10%.

В отличие от алюминиевых, сплавы на основе магния и их сварные соединения, имеют меньшую пластичность.

Таблица 1.2.3. Состав и свойства магниевых сплавов, наиболее часто применяемых при сварке.

Марка сплава	Содержание элементов (не более) или пределы, %
Mg	Mn	Al	Cl	Сu	Be	Ni
МА-1 МА-2 МА-3	«Основа»	1,3-1,5 0,15-0,5 1,5-2,5	0,3 3-4 0,3	— — 0,15-0,5	0,05 0,05 0,05	0,02 0,02 0,02	0,01 0,005 0,01
Марка сплава	Содержание элементов (не более) или пределы, %	Механические свойства
Zn	Si	Fe	Другие элементы	σв, кгс/мм2	σ0.2, кгс/мм2	σ, %
МА-1 МА-2 МА-3	0,3 0,2-0,8 0,3	0,15 0,1 0,15	0,15 0,1 0,05	0,2 0,3 0,2	19-21 24 22-23	10-12 14 13-14	3-5 5 12-14

Сплавы на основе титана.

Интерметаллические сплавы титана

Сегодня увеличивается потребность в принципиально новых конструкционных материалах. Например, упрочненные жаропрочные сплавы уже не могут в полной мере удовлетворить требованиям авиакосмической техники. Из интерметаллических сплавов титана наиболее широкое применение нашли:

никелиды Ti₂Ni, TiNi, TiNi₃. Наиболее известен нитинол — сплав титана и никеля, который обладает высокой стойкостью к коррозии и эрозии, свойством памяти формы;

силициды Ti₃Si, Ti₅Si₃, Ti₅Si₄, TiSi и TiSi₂. Хотя кремний считается вредной примесью, но он способен повышать жаропрочность и жаростойкость благодаря ограниченной растворимости;

бориды TiB₂. При сильном нагревании титан взаимодействует с элементарным бором и образует очень твердые сплавы, которые востребованы для защиты автомобильных деталей и механизмов аппаратов от абразивного износа, в металлургии в составе напыляемых порошков, в атомной промышленности для производства нейронопоглощающих экранов и боропластов, а также как компонент испарителей алюминия;

алюминиды Ti₂Al, TiAl и TiAl₃. Среди преимуществ можно выделить высокую температуру плавления, упругость, низкую плотность, возрастание предела текучести с повышением температуры, устойчивость к окислению и возгоранию, жаропрочность. Используют для изготовления аэрокосмических деталей нового поколения, в транспортном машиностроении, в газо- и нефтеперерабатывающих установках химпромышленности, а также в атомном машиностроении.

Металл титан

Основная часть титана расходуется на нужды авиационной и ракетной техники и морского судостроения. Его, а также ферротитан используют как легирующую добавку к качественным сталям и как раскислитель. Технический титан идет на изготовление емкостей, химических реакторов, трубопроводов, арматуры, насосов, клапанов и других изделий, работающих в агрессивных средах. Из компактного титана изготавливают сетки и другие детали электровакуумных приборов, работающих при высоких температурах. По использованию в качестве конструкционного материала Ti находится на 4-ом месте, уступая лишь Al, Fe и Mg. Алюминиды титана являются очень стойкими к окислению и жаропрочными, что в свою очередь определило их использование в авиации и автомобилестроении в качестве конструкционных материалов. Биологическая безвредность данного металла делает его превосходным материалом для пищевой промышленности и восстановительной хирургии.

Титан и его сплавы нашли широкое применение в технике ввиду своей высокой механической прочности, которая сохраняется при высоких температурах, коррозионной стойкости, жаропрочности, удельной прочности, малой плотности и прочих полезных свойств. Высокая стоимость данного металла и материалов на его основе во многих случаях компенсируется их большей работоспособностью, а в некоторых случаях они являются единственным сырьем, из которого можно изготовить оборудование или конструкции, способные работать в данных конкретных условиях.

Титановые сплавы играют большую роль в авиационной технике, где стремятся получить наиболее легкую конструкцию в сочетании с необходимой прочностью. Ti легок по сравнению с другими металлами, но в то же время может работать при высоких температурах. Из материалов на основе Ti изготавливают обшивку, детали крепления, силовой набор, детали шасси, различные агрегаты. Также данные материалы применяются в конструкциях авиационных реактивных двигателей. Это позволяет уменьшить их массу на 10-25%. Из титановых сплавов производят диски и лопатки компрессоров, детали воздухозаборников и направляющих в двигателях, различный крепеж.

Еще одной областью применения является ракетостроение. Ввиду кратковременной работы двигателей и быстрого прохождения плотных слоев атмосферы в ракетостроении в значительной мере снимаются проблемы усталостной прочности, статической выносливости и отчасти ползучести.

Технический титан из-за недостаточно высокой тепловой прочности не пригоден для применения в авиации, но благодаря исключительно высокому сопротивлению коррозии в ряде случаев незаменим в химической промышленности и судостроении. Так его применяют при изготовлении компрессоров и насосов для перекачки таких агрессивных сред, как серная и соляная кислота и их соли, трубопроводов, запорной арматуры, автоклав, различного рода емкостей, фильтров и т. п. Только Ti обладает коррозионной стойкостью в таких средах, как влажный хлор, водные и кислые растворы хлора, поэтому из данного металла изготовляют оборудование для хлорной промышленности. Также из него делают теплообменники, работающие в коррозионно активных средах, например в азотной кислоте (не дымящей). В судостроении титан используется для изготовления гребных винтов, обшивки морских судов, подводных лодок, торпед и т.д. На данный материал не налипают ракушки, которые резко повышают сопротивление судна при его движении.

Титановые сплавы перспективны для использования во многих других применениях, но их распространение в технике сдерживается высокой стоимостью и недостаточной распространенностью данного металла.

Соединения титана также получили широкое применение в различных отраслях промышленности. Карбид (TiC) обладает высокой твердостью и применяется в производстве режущих инструментов и абразивных материалов. Белый диоксид (TiO2) используется в красках (например, титановые белила), а также при производстве бумаги и пластика. Титанорганические соединения (например, тетрабутоксититан) применяются в качестве катализатора и отвердителя в химической и лакокрасочной промышленности. Неорганические соединения Ti применяются в химической электронной, стекловолоконной промышленности в качестве добавки. Диборид (TiB2)- важный компонент сверхтвердых материалов для обработки металлов. Нитрид (TiN) применяется для покрытия инструментов.

Конструкционные высокопрочные ТС

Предел прочности σв > 1000 МПа марок ВТ6, ВТ14, ВТ3-1, ВТ22, ВТ23М. Отличаются удовлетворительной свариваемостью всеми видами сварки. Данные сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью в отожженном и термически упрочненном состояниях во влажной атмосфере, морской воде, во многих других агрессивных средах.

Кроме того, сферы применения всегда будут требовать повышения их эксплуатационных свойств за счет новых термических и термомеханических обработок. Среди наиболее перспективных можно назвать ВТ23М. Он сочетает в себе высокую прочность, трещиностойкость как основного материала, так и сварных соединений. Во многом превосходит зарубежные аналоги по свойствам и стоимости за счет уменьшенного содержания молибдена и ванадия, исключения олова и циркония. Из него изготавливают все виды прокатных, кованых, прессованных полуфабрикатов, а также монолитные, сварные и паяные конструкции.

Области применения

Химическая промышленность является крупнейшим потребителем титана из-за его превосходной коррозионной стойкости, особенно в присутствии окисляющих веществ. Следующим по величине пользователем является аэрокосмическая промышленность, в первую очередь из-за возможностей, проявляющихся при повышенных и криогенных температурах. Кроме того, достигается также экономия веса. В связи с более широким использованием композитов, армированных полимерным графитовым волокном, для сплавов титана, используемых в аэрокосмической промышленности, важным фактором является также низкий коэффициент теплового расширения.

Нормализованная плотность обеспечивает данным материалам высокие баллистические свойства боеприпасов.

Сплавы Ti широко используются в медицине: для операций по восстановлению кости, включая полную замену бедра, тотальную артропластику коленного сустава, динамическую компрессионную пластику. Материалы обладают также высокой коррозионной стойкостью, относительно более низким модулем упругости и биосовместимостью, что минимизирует защиту от напряжений.

Жаропрочные Ti-сплавы

В 60-х гг. 20 века отечественные специалисты разработали, среди прочих, новые титановые сплавы ВТ3-1, ВТ8, ВТ8-1, ВТ8М-1, ВТ9, ВТ25У, ВТ18У. В настоящее время они уступают лучшим зарубежным сплавам IMI834 и Ti1100 только по сопротивлению ползучести и при температурах выше 500 °С. Отечественный ВТ-25 обладает прочностными показателями до 1150 МПа и достигает пика своих свойств при температуре 550 °С. При этом одним из самых лучших наших сплавов, используемых в промышленности, можно назвать ВТ-18. Он обладает самыми прочностными свойствами при температуре 600 °С.

Следует отметить, что перспектив повышения жаропрочности Ti-сплавов остается крайне мало. Это связано с тем, что при температуре 620 °С механизм окисления альфа-фазы титана кардинально меняется. Свойства ухудшаются за счет проникновения кислорода через оксидную пленку в толщу металла. А область применения защитных покрытий еще только предстоит изучить. Сейчас основной поиск жаропрочных соединений все более смещается в сторону титановых интерметаллидов.

Показатели удельного веса других металлов

Удельный вес – показатель, являющийся неотъемлемой характеристикой и других металлов.

На удельный вес серебра влияет проба сплава. При добавлении в него других металлов (медь, никель) удельный вес и плотность теряются. Так, плотность меди составляет 8,93 г/см3, никеля – 8,91 г/см3. Все значения рассчитываются по формулам.

Серебро – такой же благородный металл, как и золото. Его удельный вес составляет 10,5 г/см3. Плавится оно при температуре 960 градусов. Основными физическими характеристиками серебра являются:

устойчивость к коррозии;
низкая сопротивляемость;
повышенная светоотражаемость.

Несмотря на природную мягкость, серебро обладает высокой плотностью и удельным весом.

Титан – цветной металл бело-серебристого оттенка. Он обладает высокой прочностью, хоть и легкий на вес. Так, он в 12 раз прочнее алюминия и в 4 раза – меди и железа. По степени нахождения в земной коре титану отводится четвертое место среди остальных.

Низкий удельный вес титана – 4,505 г/см3 более соответствует щелочным металлам. На его поверхности образуется оксидная пленка, которая препятствует образованию коррозии.

Цинк – также цветной металл бело-синеватого оттенка. Обладает средней твердостью и начальной температурой плавления 419 градусов. Под воздействием температуры 913 градусов этот металл приобретает парообразное состояние. У цинка удельный вес составляет 7,13 г/см3.

Обычная температура делает цинк хрупким, но ее повышение до 100 градусов превращает металл в гибкий и пластичный. При взаимодействии с воздухом, на поверхности цинка образуется пленка из оксида.

Цвет свинца – грязно-серый, но это не влияет на природный блеск металла. Однако сияние довольно быстро прекращается за счет образования на поверхности свинца оксидной пленки. Свинцовый сплав обладает повышенным удельным весом – 11,337 г/см3. По этому показателю он превышает цинк, алюминий, железо и некоторые другие металлы. Несмотря на высокий показатель плотности, свинец – очень мягкий металл.

В таблице приведены значения удельного веса и температура плавления других металлов.

Наименование металла	Температура плавления, °C	Удельный вес, г/куб.см
Цинк	419.5	7.13
Алюминий	659	2.69808
Свинец	327.4	11.337
Олово	231.9	7.29
Медь	1083	8.96
Титан	1668	4.505
Никель	1455	8.91
Магний	650	1.74
Ванадий	1900	6.11
Вольфрам	3422	19.3
Хром	1765	7.19
Молибден	2622	10.22
Серебро	1000	10.5
Тантал	3269	16.65
Железо	1535	7.85
Золото	1095	19.32
Платина	1760	21.45

Особенности производства

Производство титана является сложным, длительным и дорогостоящим процессом. Элемент образует химические соединения и твердые растворы со многими металлами, поэтому при создании требует особых условий.

Среди наиболее распространенного сырья для получения титана выделяют титано-магнетитовые руды, из которых получают ильменитовый концентрат. Процесс занимает несколько этапов:

получение титанового шлака восстановительной плавкой. В электродуговую печь загружают концентрат и восстановитель. Производят нагрев до 1650 градусов Цельсия. Из восстановленного и науглероживающегося железа образуется чугун, а оксид титана переходит в шлак, который содержит 82—90% TiO2;
получение тетрахлорида титана хлорированием. Проводят в шахтных хлораторах непрерывного действия или в солевых хлораторах. Газообразный хлор воздействует на TiO2 при температурах 700–900 °С;
производство титана (губки, порошка) восстановлением из тетрахлорида. Для этого используют магний или натрий.

Полезные советы от команды «МАЗПРОМа»

Хотели бы обратить ваше внимание на несколько моментов при выборе титанового проката.

В связи со сложными и энергозатратными технологическими процессами время производственного цикла титанового листа составляет около 90 дней. Поэтому если вы сталкиваетесь с тем, что компания предлагает вам приобрести любые марки и размеры, а в наличии указаны тысячи тонн, то не спешите этому верить. Конечно, при имеющихся на производстве заготовках срок может быть сокращен примерно до одного месяца.
Обязательно проверьте перед покупкой возраст материала. Хотя титан и сохраняет все свойства на протяжении долгого времени, рекомендуется, чтобы он был не старше 10 лет. Дело в том, что до сих пор в продаже встречается металл, который был изготовлен еще в 1980-х гг. Хорошо еще, если он был на хранении у одного из оборонных предприятий, которое потом реализовало его на рынке как неликвид. Гораздо опаснее купить прокат, который мог уже использоваться ранее. Например трубы, листы срезают с теплообменников, которые уже вышли из употребления. Опасность кроется не только в различных дефектах, но и возможном высоком уровне радиации.
Чтобы точно быть уверенным в качестве продукции, запрашивайте образец для предварительной проверки.

При обращении к нам вы получаете титановый прокат, полностью соответствующий действующим ГОСТам и ТУ. Для консультации обратитесь по указанному на сайте телефону.