Титан

Промышленный способ производства титана состоит в обогащении и хлорировании титановой руды с последующим восстановлением из четыреххлористого титана металлическим магнием. Полученная при этом титановая губка маркируется по твердости специально выплавленных из нее образцов.

Полученный в результате последовательного дробления губки, прессования, спекания и переплавки брикетов технический титан маркируется в зависимости от содержания примесей.

Механические свойства титана в большой степени зависят от содержания примесей, особенно Н, О, N и С, образующих с титаном твердые растворы внедрения и промежуточные фазы: гидриды, оксиды, нитриды и карбиды. Небольшое содержание кислорода, азота, углерода повышает твердость и прочность, но при этом значительно уменьшается пластичность, снижается коррозионная стойкость, ухудшается свариваемость, способность к пайке и штампуемость. Поэтому со-

Отличительными особенностями титана являются высокие механические свойства, небольшая плотность и поэтому высокая удельная прочность при 20—25 °С и криогенных температурах, хорошая коррозионная стойкость.

Держание каждой из этих примесей ограничивается ~0,02—0,06 %. Аналогично, но в меньшей степени, на свойства влияют железо и кремний. Особо вредная примесь в титане и однофазных а-сплавах титана - водород. При наличии водорода по границам зерен выделяются тонкие хрупкие пластины гидридной фазы, вызывая значительную хрупкость. Водородная хрупкость наиболее опасна в сварных конструкциях из-за наличия в них внутренних напряжений. Допустимое содержание водорода в техническом титане и однофазных сплавах находится в пределах 0,008— 0,012 %.

Наиболее чистый иодидный титан получают методом термической диссоциации из четырехиодистого титана или методом зонной плавки.

Модуль упругости титана почти в 2 раза меньше, чем у железа и никеля, что затрудняет изготовление жестких конструкций.

Несмотря на высокую температуру плавления, чистый титан не обладает жаропрочностью. Он склонен к ползучести даже при 20—25 °С. Кислород, азот, а также пластическая деформация повышают сопротивленце ползучести.

Титан обладает высокими прочностью и удельной прочностью в условиях глубокого холода.

Пластическая деформация значительно повышает прочность титана. Для снятия наклепа проводят рекристаллизационный отжиг. Температура рекристаллизации титана понижается с 600 до 500 °С при увеличении степени предшествующей деформации с 10 до 60 %, после чего не меняется. Наилучшее сочетание механических свойств титан имеет после отжига при 650-750 °С.

При повышении температуры титан активно поглощает газы: начиная с 50-70 °С - водород, свыше 400-500 °С - кислород, с 600-700 °С - азот, окись углерода и углекислый газ. Высокая химическая активность расплавленного титана вызывает необходимость применения при плавке и ду-

говой сварке вакуума или атмосферы инертных газов. Вместе с тем благодаря способности к газопоглощению титан нашел применение в радио- и электронной промышленности в качестве геттерного материала.

Технический титан хорошо обрабатывается давлением при 20-25 °С и повышенных температурах. Из него изготовляют все виды прессованного и катаного полуфабриката (листы, трубы, проволоку, поковки и др.). Ковку проводят при температуре 1000-750 °С, горячую прокатку - на 100 °С ниже температуры ковки. Горячей прокаткой получают листы толщиной более 6 мм, листы меньшей толщины изготовляют холодной прокаткой или с нагревом до 650-700 °С. Температура прессования 950-1000 °С. Титан хорошо сваривается аргонодуговой и всеми видами контактной сварки. Сварной шов обладает хорошим сочетанием прочности и пластичности. Прочность шва составляет 90 % прочности основного металла.

Титан плохо обрабатывается резанием, налипает на инструмент, что приводит к его быстрому износу. Для обработки титана требуется инструмент из быстрорежущей стали и твердых сплавов, малые скорости резания при большой подаче и глубине резания, интенсивное охлаждение. Недостатком титана является также низкая антифрикционность.

Титановые сплавы. Достоинством титановых сплавов по сравнению с титаном являются более высокие прочность и жаропрочность при достаточно хорошей пластичности, высокой коррозионной стойкости и малой плотности.

По влиянию на полиморфизм титана все легирующие элементы подразделяются на три группы: а-стабилизаторы, в-стабилизаторы и нейтральные элементы.

а-стабилизаторы (А1, О, N) повышают температуру полиморфного превращения, расширяя область твердых растворов на основе Ti_a. Практическое значение для легирования титана имеет только алюминий, так как остальные вызывают снижение пластичности и вязкости титановых сплавов. Алюминий уменьшает плотность и склонность к водородной хрупкости, повышает прочность, жаропрочность, модуль упругости титановых сплавов.

Р-стабилизаторы снижают температуру полиморфного превращения титана, расширяя область твердых растворов на основе Tig. Они образуют с титаном диаграммы состояния двух типов.

Изоморфные в-стабилизаторы Mo, V, Та, Nb, имеющие, как и Ti, кристаллическую решетку объемно-центрированного куба, неограниченно растворяются в Ti. Сг, Мп, Fe, Ni, W, Си и другие образуют с титаном диаграммы состояния с эвтектоидным распадом. В некоторых сплавах (Ti—Mn, Ti—Cr, Ti—Fe) при охлаждении в условиях, отличающихся от равновесных, эвтектоидного распада не происходит, а превращение идет по штриховой линии.

Большинство B-стабилизаторов, особенно V, Мо, Мп, Сг, повышают прочность при 20—25 °С и отрицательных температурах, жаропрочность и термическую стабильность титановых сплавов, несколько снижая их пластичность.

Нейтральные элементы (Sn, Zr, Hf) мало влияют на температуру полиморфного превращения. Наибольшее практическое значение имеют олово и цирконий. Олово упрочняет титановые сплавы без заметного снижения пластичности, повышает жаропрочность; цирконий увеличивает предел ползучести и длительную прочность.

По технологии изготовления титановые сплавы подразделяются на деформируемые, литейные и порошковые, по механическим свойствам — на сплавы нормальной прочности, высокопрочные, жаропрочные, повышенной пластичности. По способности упрочняться с помощью термической обработки они делятся на упрочняемые и неупрочняемые термической обработкой; по структуре в отожженном состоянии они классифицируются на а-, псевдо-а, а + р, псевдо-р и р-сплавы.

Сплавы с а-структурой. К этой группе сплавов относят и технический титан. Это сплавы нормальной прочности при 20—25 °С, обладающие высоким сопротивлением разрушению при повышенных (350—500 °С) и криогенных температурах. Сплавы имеют высокую термическую стабильность свойств и обладают отличной свариваемостью. Они свариваются аргонодуговой, всеми видами контактной и электронно-лучевой сварки. При этом прочность сварного шва составляет 90 % прочности основного сплава. Обрабатываемость резанием удовлетворительная.

а-сплавы не упрочняются термической обработкой и применяются в отожженном состоянии. Сплавы с цирконием наиболее технологичны, но это самые дорогие из а-сплавов. В горячем состоянии сплавы куют, прокатывают и штампуют. Из сплава ПТ7М изготовляют горяче- и холоднокатаные трубы. Сплавы поставляют в виде прутков сортового проката, поковок, труб, проволоки. Они предназначены для изготовления деталей, работающих в широком диапазоне температур: от криогенных до 500 °С.

Псевдо-а-сплавы имеют преимущественно а-структуру и, вследствие дополнительного легирования B-стабиливаторами (Мп, V, Nb, Mo),— 1—5 % Р-фазы. Благодаря наличию р-фазы они обладают хорошей технологической пластичностью при сохранении достоинств а-сплавов. Сплавы с низким содержанием алюминия (2—3 %) обрабатываются давлением в холодном состоянии и только при изготовлении деталей сложной формы подогреваются до 500—700 °С (ОТ4, ОТ4-1). Сплавы с большим содержанием алюминия при обработке давлением требуют подогрева до 600—800 °С. На жаропрочность сплавов помимо алюминия благоприятно влияют цирконий и кремний. Цирконий способствует увеличению растворимости p-стабилизаторов в а-фазе и повышает температуру рекристаллизации. Кремний повышает жаропрочность вследствие образования тонкодисперсных силицидов, трудно растворимых в а-фазе. Поэтому псевдо-а-сплавы с повышенным содержанием алюминия (7—8 %), легированные Zr, V, Mo, Nb, Si, используются в изделиях, работающих при наиболее высоких температурах.

Недостатком этих сплавов является склонность к водородной хрупкости. Водород мало растворим в а-фазе и присутствует в структуре в виде гидридной фазы, снижающей пластичность, особенно при медленном нагружении, и вязкость сплавов. Допустимое содержание водорода находится в пределах 0,01 — 0,005 %.

Двухфазные (а + Р)-сплавы. Физические свойства сплавов приведены. Сплавы легированы алюминием и p-стабилизаторами. Алюминий значительно упрочняет а-фазу при 20—25 °С и повышенных температурах, увеличивает термическую стабильность Р-фазы, снижает плотность (а + Р)-сплавов, что позволяет удерживать ее на уровне титана, несмотря на присутствие элементов высокой плотности V, Mo, Сг, Fe, Nb. Наибольшее упрочнение достигается при легировании титана эвтектоидообразующими B-стабилизаторами Fe, Сг, Мn и изоморфными Mo, V, Nb стабилизаторами. Ванадий и ниобий упрочняют сплавы слабее других, но и меньше снижают пластичность. Двухфазные сплавы упрочняются с помощью термической обработки — закалки и старения. В отожженном и закаленном состояниях они имеют хорошую пластичность, а после старения — высокую прочность и жаропрочность. Чем больше B-фазы содержится в структуре сплава, тем он прочнее в отожженном состоянии и сильнее упрочняется при термической обработке.

По структуре после закалки двухфазные сплавы подразделяют на два класса: мартенситный и переходный.

Сплавы мартенситного класса менее легированы и в равновесном состоянии содержат сравнительно немного Р-фазы (5—25 %). В результате закалки образуется структура мартенсита а (или а" — в более легированных сплавах). К этому классу относятся высокопрочные сплавы ВТ6, ВТ14, ВТ16 и жаропрочные сплавы ВТ8, ВТ9, ВТЗ-1,

Сплавы переходного класса содержат больше легирующих элементов и соответственно больше B-фазы (25— 50%) в равновесной структуре, чем сплавы мартенситного класса. Структура этих сплавов чувствительна к колебаниям химического состава и режимам термической обработки. Так, после закалки в этих сплавах можно получить однофазную структуру переохлажденной B-фазы или структуру, состоящую из этой фазы и мартенсита а". Наличие большого количества B-фазы обеспечивает сплавам переходного класса самую высокую прочность среди (а + B)-сплавов. Например, сплав ВТ22 (50 % B-фазы) имеет после отжига такое же временное сопротивление, как сплав ВТ6 после закалки и старения.

Двухфазные сплавы удовлетворительно обрабатываются резанием и свариваются. После сварки требуется отжиг для повышения пластичности сварного шва. Они менее склонны к водородной хрупкости, чем а- и псевдо-а-сплавы, так как водород обладает большей растворимостью в B-фазе. Двухфазные сплавы куются, штампуются и прокапываются легче, чем сплавы с а-структурой. Они поставляются в виде поковок, штамповок, прутков, листов, ленты.

Однофазные B-сплавы не имеют промышленного значения, так как для получения устойчивой B-структуры сплавы должны быть легированы большим количеством изоморфных B-стабилизаторов (V, Mo, Nb, Та) — дорогих, дефицитных и обладающих высокой плотностью.

Псевдо-B-сплавы. Это высоколегированные в основном B-стабилизаторами сплавы. Суммарное количество легирующих элементов в них, как правило, превышает 20 % . Наиболее часто их легируют Mo, V, Сг, реже Fe, Zr, Sn. Алюминий присутствует почти во всех сплавах в небольшом количестве (~ 3%). В равновесном состоянии они имеют в основном p-структуру и небольшое количество а-фазы.

После закалки имеют структуру переохлажденной метастабильной B-фазы, обеспечивающей высокую пластичность сплавам и хорошую обрабатываемость давлением. При старении сплавов временное сопротивление увеличивается приблизительно в 1,5 раза и достигает 1300-1800 МПа. Плотность сплавов находится в интервале 4,9—5,1 т/м³, а удельная прочность, самая высокая среди титановых сплавов, превышает 30 км. Сплавы обладают низкой склонностью к водородной хрупкости, но чувствительны к примесям — кислороду и углероду, вызывающим снижение пластичности и вязкости; сварные швы имеют пониженную пластичность; термическая стабильность низкая. Наибольшее распространение в промышленности получил сплав ВТ15 (~3 % А1, ~8% Мо и 11 % Сг). Этот сплав выпускается в виде полос, листов, прутков, поковок и рекомендуется для длительной работы при температуре до 350 ^оС.

Литейные титановые сплавы. Небольшой температурный интервал кристаллизации обеспечивает высокую жидкотекучесть и плотность отливок из титановых сплавов. Они отличаются малой склонностью к образованию горячих трещин; линейная усадка 1 %; объемная усадка 3 %.

Плавку и заливку сплавов на основе титана осуществляют в среде нейтральных газов или в вакууме в связи с их высокой химической активностью при нагреве.

Отливки изготовляют методом фасонного литья в чугунные, стальные и специальные формы. Для получения высококачественных сложных титановых отливок необходим комплексный подход к выбору оптимальных режимов литья как при плавке и заливке металла, так и при формировании отливки в литейной форме.

Литейные сплавы обладают более низкими механическими свойствами, чем соответствующие деформируемые. Упрочняющая термическая обработка не применяется, так как резко снижает пластичность сплавов.

Порошковые титановые сплавы. Высокая стоимость изготовления и трудность механической обработки сплавов на основе титана являются серьезным препятствием на пути их широкого применения. Методы порошковой технологии позволяют повысить коэффициент использования металла путем уменьшения отходов при механической обработке и открывают потенциальные возможности получения готовых деталей для конструкций летательных аппаратов и двигателей.

Получение порошков из сплавов на основе титана является сложной проблемой вследствие вредного влияния различных примесей. Высокая химическая активность расплавленного титана исключает применение большинства огнеупоров в качестве материала для тиглей.

Использование современных методов получения легированных порошков дуговой плавкой с вращающимся анодом и неподвижным вольфрамовым катодом, электроплазменной плавкой либо распылением в вакууме и других позволяет исключить загрязнения. Повышение качества полуфабрикатов и готовых деталей сложных форм может быть достигнуто в результате использования новых прогрессивных методов, таких, как горячее компактирование гранул, горячее изостатическое прессование легированных порошков (ГИП) с последующим спеканием в вакуума и др.

Несмотря на определенные сложности и недостатки (пористость, наличие неметаллических включений и примесей), ухудшающих качество изделий из порошковых сплавов на основе титана, преимущество порошковой металлургии, особенно в ее новом варианте, очевидно.

Для изготовления деталей методами порошковой технологии используют сплавы ВТ5, ВТ5-1, ОТ4, ВТЗ-1 и др. Из зарубежных сплавов весьма перспективными являются сплав Ti-6A1-4V и особенно Корона-5, обладающий высокой вязкостью разрушения.

Применение титановых сплавов.

В авиастроении, ракетостроении — каркасные детали, обшивка, топливные баки, детали реактивных двигателей, диски и лопатки компрессоров, детали воздухозаборника, детали корпусов ракетных двигателей второй и третьей ступени и т. д.

В судостроении — обшивка корпусов судов и подводных лодок, сварные трубы, гребные винты, детали насосов и др.

В химической промышленности: реакторы для агрессивных сред, насосы, змеевики, центрифуги и др.

В гальванотехнике: ванны для хромирования, анодные корзины, теплообменники, трубопроводы, подвески и др.

В газовой и нефтяной промышленности: фильтры, седла клапанов, резервуары, отстойники и др.

В криогенной технике: детали холодильников, насосов компрессоров, теплообменники и др.

В пищевой промышленности: сепараторы, холодильники, емкости для продуктов, цистерны и др.

В медицинской промышленности: инструмент, наружные и внутренние протезы, внутрикостные фиксаторы, зажимы и др.

Также статьи по свойствам титана: размерная стабильность титановых сплавов при закалке и охлаждении.