Титановые сплавы

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

МИНИСТЕРСТВО  СЕЛЬСКОГО  ХОЗЯЙСТВА

ФГБОУ ВПО

«ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  АГРАРНЫЙ АНИВЕРСИТЕТ»

 

                                            кафедра химии

 

                                                Реферат

                                             на тему:

                «Титановые сплавы»

 

 

                                                                                                                   Выполнил:Филин

Алексей

Николаевич

АИБ 113-5

 

                                                                                                                Проверил:

                                                                                                                доцент 

Ермакова Н. В.

 

 

 

                                   Орёл 2011 год

Титан является переходным металлом и имеет недостроенную d-оболочку. Он находится в четвертой  группе Периодической таблицы Менделеева, имеет атомный номер 22, атомную  массу 47,90 (изотопы: 46 - 7,95%; 48 - 73,45%; 49 - 5,50% и 50 - 5,35%). Титан имеет две аллотропические  модификации: низкотемпературную б-модификацию, имеющую гексагональную атомную  ячейку с периодами а=2,9503±0,0003 ? и с=4,6830±0,0005 ? и соотношением с/а=1,5873±0,0007 ? и высокотемпературную в - модификацию с объемно центрированной кубической ячейкой и периодом а=3,283±0,003 ?. Температура плавления титана, полученного методом иодидного рафинирования, равна 1665±5°С.

Структуры титановых  сплавов

Титан подобно железу является полиморфным металлом и имеет фазовое превращение при температуре 882°С. Ниже этой температуры устойчива гексагональная плотноупакованная кристаллическая решетка б-титана, а выше - объемно центрированная кубическая (о. ц. к.) решетка в-титана.

Титан упрочняется легированием б- и в-стабилизирующими элементами, а также термической обработкой двухфазных (б+в)-сплавов. К элементам, стабилизирующим б-фазу титана, относятся алюминий, в меньшей степени олово и цирконий. б-стабилизаторы упрочняют титан, образуя твердый раствор с б-модификацией титана.

За последние годы было установлено, что, кроме алюминия, существуют и другие металлы, стабилизирующие  б-модификацию титана, которые могут  представлять интерес в качестве легирующих добавок к промышленным титановым сплавам. К таким металлам относятся галлий, индий, сурьма, висмут. Особый интерес представляет галлий для жаропрочных титановых сплавов благодаря высокой растворимости в б - титане. Как известно повышение жаропрочности сплавов системы Ti - Al ограничено пределом 7 - 8% вследствие образования хрупкой фазы. Добавкой галлия можно дополнительно повысить жаропрочность предельно легированных алюминием сплавов без образования б2-фазы.

Алюминий практически применяется почти во всех промышленных сплавах, так как является наиболее эффективным упрочнителем, улучшая прочностные и жаропрочные свойства титана. В последнее время наряду с алюминием в качестве легирующих элементов применяют цирконий и олово.

Цирконий положительно влияет на свойства сплавов при повышенных температурах, образует с титаном непрерывный ряд твердых растворов на основе б - титана и не участвует в упорядочении твердого раствора.

Олово, особенно в сочетании с алюминием и цирконием, повышает жаропрочные свойства сплавов, но в отличие от циркония образует в сплаве упорядоченную фазу .

Преимущество титановых  сплавов с б-структурой - в высокой  термической стабильности, хорошей  свариваемости и высоком сопротивлении  окислению. Однако сплавы типа б чувствительны  к водородной хрупкости ( вследствие малой растворимости водорода в б-титане) и не поддаются упрочнению термической обработкой. Высокая прочность, полученная за счет легирования, сопровождается низкой технологической пластичностью этих сплавов, что вызывает ряд трудностей в промышленном производстве.

Для повышения прочности, жаропрочности и технологической  пластичности титановых сплавов  типа б в качестве легирующих элементов  наряду с б-стабилизаторами применяются  элементы, стабилизирующие в-фазу.

Элементы из группы в-стабилизаторов упрочняют титан, образуя б- и в-твердые растворы.

В зависимости от содержания указанных элементов можно получить сплавы с б+в- и в-структурой.

Таким образом, по структуре  титановые сплавы условно делятся  на три группы: сплавы с б-, (б+в)- и в-структурой.

В структуре каждой группы могут присутствовать интерметаллидные фазы.

Преимущество двухфазных (б+в)-сплавов - способность упрочняться термической обработкой (закалкой и старением), что позволяет получить существенный выигрыш в прочности и жаропрочности.

1.  Методы    получение титановых сплавов:

Все методы получения металлического титана основаны на использовании рутила в качестве основного продукта сырья. В настоящее время известны следующие, главные методы получения титана:

1. Магниетермический метод, заключающийся в хлорировании ТiO2, получении TiCl4 и восстановлении его магнием. Для получения губки титана с малым содержанием кислорода и азота и некоторых других вредных примесей TiCl4 перед восстановлением подвергается тщательной очистке путем многократной фракционной перегонки с одновременной химической очисткой. Восстановление ТiCl4 производится в специальных реакторах в атмосфере аргона при температуре 700—950°. Губка титана затем очищается от MgCl2 и Mg методом вакуумной дисцилляции или путем выщелачивания. Второй способ значительно дешевле, но приводит к насыщению губки титана водородом до 0,05%. Водород удаляется при последующей плавке губки в вакууме. Вместо магния в качестве восстановителя применяется также и натрий. Это позволяет получать титан в виде порошка и облегчает производство гомогенных сплавов титана.

2. Гидридно-кальциевый метод, основанный на получении гидрида титана и последующем разложении его на Ti и Н2 путем нагрева в высоком вакууме. Образующийся СаО отмывается разбавленными кислотами.

3. Электролизный метод, заключающийся в разложении электрическим током ТiO2 или ТiСl4, (растворенных в расплавленных солях хлоридов и фторидов щелочных и щелочно-земельных металлов, при 700—800° в атмосфере инертных газов.

4. Иодидный метод, основанный на термической диссоциации иодида титана TiJ4, который предварительно получают путем реакции металлического титана низкой чистоты с парами иода.

Первые три метода применяются  для производства технического титана, а иодидный для получения титана высокой чистоты, практически свободного от газов и содержащего весьма малое количество других примесей. Основные способы производства технического титана заключаются в использовании магние- или натрие-термического методов.

В 1956 г. в США было произведено 15 тыс. т титановой губки и около 8 тыс. т заготовок, в то время как  в 1953 г. выпуск составлял 2 тыс. т. В 1957 г. намечалось получить 30 тыс. т губки. В СССР производство титана резко  возрастает с каждым годом.

Для заготовок компактного  титана применяют метод иодидного осаждения чистого титана, порошковой металлургии, горячего прессования или прокатки, выплавки в индукционных и дуговых печах. Основным методом в настоящее время является метод однократной выплавки или двойной переплавки в дуговых печах в медной охлаждаемой изложнице плавящимся прессованным титановым электродом под вакуумом или в атмосфере инертных газов. Этот метод позволяет получать слитки металла диаметром до 500 мм и весом до 2,7 т. При двойной переплавке существенно снижается содержание водорода и повышается химическая однородность сплавов. Перспективным является также способ порошковой металлургии, который при производстве проката и изделий сложной конфигурации может оказаться наиболее экономичным и производительным. Этот метод включает прессование, спекание, ковку или прокатку.

Титан и его а + в-сплавы подвергаются ковке при температурах 850—1000°, а а-сплавы при 1100—1150°. Для нагрева применяют муфельные газовые или электрические печи с нейтральной или слегка восстановительной сухой атмосферой для предотвращения водородной хрупкости. Нагрев под ковку желательно производить в две стадии: медленный нагрев до 700° и затем быстрый до температуры ковки. Ковку титана заканчивают при температурах не ниже 780—790°.

Из-за высокой чувствительности титана к надрывам ковку желательно вести постепенно при малых степенях деформации. После ковки рекомендуется  производить отжиг при температуре 600—650° в течение 1 часа с последующим  охлаждением на воздухе.

В настоящее время производится листовой прокат толщиной от 0,3 мм и  выше. В последнее время начался  выпуск титановой фольги толщиной до 0,013 мм методом холодной прокатки с  последующим отжигом в вакуумных  печах. Начинает также широко внедряться горячее прессование различных  титановых профилей. Прессование  титана рекомендуется вести при  более низких температурах и с  более высоким удельным давлением, чем сталь, из-за опасности загрязнения  титана газами. Титан и некоторые  его сплавы можно подвергать также  холодной прокатке со ступенчатым обжатием до 50%, горячей и холодной штамповке, гибке, растяжке, высадке и т. д.

Механическую обработку  титана и его сплавов по трудности  можно сравнить с обработкой нержавеющих  хромоникелевых сталей. Применение кислородной  резки ограничено из-за сильного окисления  кромок, что исключает возможность  сварки без последующей механической обработки.

Наряду с механической обработкой одним из перспективных  методов резки и подготовки кромок под сварку является дуговая резка  в защитных газах. При производстве полуфабрикатов (проката, профилей и  т. д.) и изделий из титана и его  сплавов необходимо производить  очистку поверхности от пленки окислов  и пораженного газами поверхностного слоя, резко снижающего способность  титана к деформации, особенно при  изгибе. Окислы удаляют механическим путем или травлением в расплавленных  солях и некоторых растворах  кислот.

Механическая очистка (проволочными щетками, дробеструйная, пескоструйная  и наждачным кругом) применима  для поковок, отливок и листов большой толщины.

В 1956 г. на отечественный  листовой технический титан ВТ1 разработаны технические условия ЦМТУ-4754-56. Сортамент технических условий предусматривает поставку листов толщиной от 0,6 до 6,0 мм и размерами от 600 X 1500 до 1000—2000 мм. Слитки, предназначенные для прокатки на лист, выплавляют в дуговой печи методом двойной переплавки. Листы поставляются, мягкими и в протравленном состоянии. Отжиг листов производят при 500—550°. Допускается холодная правка листов после их последнего отжига и травления. На поверхности листов не допускаются трещины и инородные включения, видимые невооруженным глазом. Листы должны быть ровно обрезаны по кромкам и не должны иметь грубых заусенцев. Листовой титан поставляется двух сортов: ВТ1-1 и ВТ1-2. Угол загиба листов толщиной от 0,6 до 1,5 мм и более для ВТ1-1 должен составлять, не менее 130—80° и для ВТ1-2— 120—70°.

При приемке листов обязательно  производят наружный осмотр и обмер  каждого листа. Механическим испытаниям на растяжение и загиб подвергают каждый лист, из которого вырезают одному образцу поперек прокатки. Для  проверки химического состава отбирают пробу от одного листа из группы листов одной плавки (слитка). На поверхность  каждого листа наносят марку  сплава толщину листа, номер плавки, номер листа и номер партии, клеймо ОТК завода-изготовителя и  номер браковщика. Каждая партия листов имеет сертификат.

 

2.Особенности  и свойства титановых сплавов

Одним из важных преимуществ  титановых сплавов перед алюминиевыми и магниевыми сплавами является жаропрочность, которая в условиях практического  применения с избытком компенсирует разницу в плотности (магний 1,8, алюминий 2,7, титан 4,5). Превосходство титановых  сплавов над алюминиевыми и магниевыми сплавами особенно резко проявляется  при температурах выше 300°С. Так как при повышении температуры прочность алюминиевых и магниевых сплавов сильно уменьшается, а прочность титановых сплавов остается высокой.

Титановые сплавы по удельной прочности (прочности, отнесенной к  плотности) превосходят большинство  нержавеющих и теплостойких сталей при температурах до 400°С - 500°С. Если учесть к тому же, что в большинстве случаев в реальных конструкциях не удается полностью использовать прочность сталей из-за необходимости сохранения жесткости или определенной аэродинамической формы изделия (например, профиль лопатки компрессора), то окажется, что при замене стальных деталей титановыми можно получить значительную экономию в массе.

Еще сравнительно недавно  основным критерием при разработке жаропрочных сплавов была величина кратковременной и длительной прочности  при определенной температуре. В  настоящее время можно сформулировать целый комплекс требований к жаропрочным  титановым сплавам, по крайней мере, для деталей авиационных двигателей.

В зависимости от условий  работы обращается внимание на то или  иное определяющее свойство, величина которого должна быть максимальной, однако сплав должен обеспечивать необходимый  минимум и других свойств, как  указано ниже.

1. Высокая кратковременная  и длительная прочность во  всем интервале рабочих температур. Минимальные требования: предел  прочности при комнатной температуре  100· Па; кратковременная и 100-ч  прочность при 400° С - 75· Па. Максимальные требования: предел прочности при комнатной температуре 120· Па, 100-ч прочность при 500° С - 65· Па.

2. Удовлетворительные пластические  свойства при комнатной температуре:  относительное удлинение 10%, поперечное  сужение 30%, ударная вязкость 3·  Па·м. Эти требования могут быть  для некоторых деталей и ниже, например для лопаток направляющих аппаратов, корпусов подшипников и деталей, не подверженных динамическим нагрузкам.

3. Термическая стабильность. Сплав должен сохранять свои  пластические свойства после  длительного воздействия высоких  температур и напряжений. Минимальные  требования: сплав не должен охрупчиваться после 100-ч нагрева при любой температуре в интервале 20 - 500°С. Максимальные требования: сплав не должен охрупчиваться после воздействия температур и напряжений в условиях, заданных конструктором, в течение времени, соответствующего максимальному заданному ресурсу работы двигателя.