Цветные металлы и их сплавы

Титан имеет две полиморфные модификации:

·   низкотемпературную модификацию a -Ti, устойчивую до 882°С, (ГП - решетка а = 0,296 нм, с = 0,472 нм)

·    высокотемпературную b -Ti, устойчивую выше 882оС (ОЦК решетка а= 0,332 нм).

На механические свойства титана значительно влияют примеси кислорода, водорода, углерода и азота, которые образуют с титаном твердые растворы внедрения и промежуточные фазы: оксиды, гидриды, карбиды и нитриды, повышая его характеристики прочности при одновременном снижении пластичности. Поэтому содержание этих примесей в титане ограничено сотыми и даже тысячными долями процента. Опасность водородной хрупкости, особенно в напряженных сварных конструкциях ограничивает содержание водорода. В техническом титане оно находится в пределах 0,008 - 0,012%.

Титан обладает высокой прочностью и удельной прочностью и в условиях глубокого холода, сохраняя при этом достаточную пластичность.

Магниетермический способ производства титана.

Двуокись титана с помощью хлора (в присутствии углерода) переводят в четыреххлористый титан: TiO2 + С + 2Сl2 → TiCl4 + CO2.

Процесс идет в шахтных электропечах при 800...1250°C. Другой вариант – хлорирование в расплаве солей щелочных металлов NaCl и KCl.

Следующая операция (в одинаковой мере важная и трудоемкая) – очистка TiCl4от примесей – проводится разными способами и веществами. Четыреххлористый титан в обычных условиях представляет собой жидкость с температурой кипения 136°C.

Разорвать связь титана с хлором легче, чем с кислородом. Это можно сделать с помощью магния по реакции TiCl4 + 2Mg → Ti + 2MgCl2.

Эта реакция идет в стальных реакторах при 900°C. В результате образуется так называемая титановая губка, пропитанная магнием и хлоридом магния. Их испаряют в герметичном вакуумном аппарате при 950°C, а титановую губку затем спекают или переплавляют в компактный металл.

Натриетермический метод получения металлического титана в принципе мало чем отличается от магниетермического. Эти два метода наиболее широко применяются в промышленности.

Для получения более чистого титана и поныне используется иодидный метод. Металлотермический губчатый титан превращают в иодид TiI4, который затем возгоняют в вакууме. На своем пути пары иодида титана встречают раскаленную до 1400°C титановую проволоку. При этом иодид разлагается, и на проволоке нарастает слой чистого титана.

Сплавы на основе титана

Для получения сплавов титан легируют Al, Mo, V, Mn, Cr, Sn, Fe, Zr, Nb. Титан легируют для улучшения механических свойств, реже — для повышения коррозионной стойкости. Удельная прочность  титановых сплавов выше, чем легированных сталей.

Технический титан и его сплавы получают из титановой губки. Титановая губка — это пористое серое вещество с насыпной массой 1,5—2,0 г/см3 и очень высокой вязкостью.

В зависимости от содержания примесей технический титан подразделяют на несколько сортов: ВТ1-00 (99,53% Ti), ВТ1-0 (99,48 % Ti) и ВТ1-1 (99,44 % Ti).

Принятая в настоящее время классификация титановых сплавов основана на структуре, которая формируется при отжиге по промышленным режимам. Она включает:

1. a -сплавы, структура которых представлена a -фазой.

2. Псевдо- a -сплавы, структура которых представлена a - фазой и небольшим количеством b -фазы (не более 5%) или интерметаллидов.

3. (a +b ) -сплавы, структура которых  представлена a - и b -фазами; сплавы этого  типа также могут содержать  интерметаллиды.

4. Псевдо-b -сплавы со структурой в отожженном состоянии, представленной a -фазой и большим количеством b -фазы; в этих сплавах закалкой или нормализацией из b -области можно легко получить однофазную b -структуру.

5.b -сплавы, структура которых представлена термически стабильной b -фазой.

6.Сплавы на основе интерметаллидов.

Практически все титановые сплавы, за редким исключением, легируют алюминием, который имеет следующие преимущества перед остальными легирующими компонентами:

а) широко доступен и сравнительно дешев;

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

в) алюминий эффективно упрочняет a -, (a +b )- и b - сплавы при сохранении удовлетворительной пластичности;

г) с увеличением содержания алюминия повышается жаропрочность сплавов;

д) алюминий повышает модули упругости;

е)с увеличением содержания алюминия в сплавах уменьшается их склонность к водородной хрупкости.

Однако с увеличением содержания алюминия повышается чувствительность титановых сплавов к солевой коррозии, а также уменьшается их технологическая пластичность.

Поэтому если есть опасность контакта сплавов с поваренной солью при работе в интервале температур 250—550°С или необходима высокая технологическая пластичность, содержание алюминия в титановых сплавах следует ограничивать.

Титановые a -сплавы, помимо Al, легируют нейтральными упрочнителями (Sn и Zr). Весьма ценным свойством a -сплавов титана является их хорошая свариваемость; эти сплавы даже при значительном содержании алюминия однофазны, поэтому не возникает охрупчивания шва и околошовной зоны.

К недостаткам a -сплавов относится их сравнительно невысокая прочность, сплавы этого класса термически не упрочняются. При содержании более 6% (по массе) Al технологическая пластичность сплавов невелика. С увеличением содержания алюминия повышаются рабочие температуры титановых a -сплавов. Однако при этом возникает опасность их охрупчивания в результате выделения фазы a 2. Сплавы этого класса, хотя и в меньшей степени, чем титан, склонны к водородной хрупкости.

Сплав ВТ5, содержащий 5%Al отличается более высокими прочностными свойствами по сравнению с титаном, но его технологичность невелика. Применяются для деталей, работающих при температурах до 400°С.

Сплав ВТ5-1, относящийся к системе Ti—Al— Sn более технологичный, чем BT5 и предназначен для изготовления изделий, работающих в широком интервале температур: от криогенных до 450°С.

Дисперсионно твердеющие a-сплавы представлены английским сплавом Ti+2%Cu. В отожженном и закаленном состоянии сплав малопрочен и пластичен и имеет такую же технологичность, как и технический титан. При старении сплав упрочняется на 30—50% за счет дисперсионного твердения и приобретает sВ=750—800 МПа. Из сплава Ti+2%Cu в Англии изготовляют листы и полосы. Этот сплав сваривается, причем пластичность сварного соединения практически такая же, как у основного металла.

В псевдо-a -сплавы для повышения прочности и жаропрочности при сохранении достаточной технологичности и свариваемости наряду с алюминием следует вводить b -стабилизаторы. Псевдо-a -сплавы при одинаковой с a -сплавами пластичности обладают на 10—20% более высокой прочностью, что обусловлено существенным измельчением зерна при переходе от a - к (a +b ) -структуре. При комнатной температуре псевдо-a -сплавы отличаются более высокой технологической пластичностью по сравнению с a -сплавами.

Псевдо-a -сплавы отличаются высокой термической стабильностью, хорошей свариваемостью. Существенный недостаток псевдо-a -сплавов — их высокая склонность к водородной хрупкости.

Эту группу представляют сплавы системы Ti—Al—Mn (ОТ4-0; ОТ4-1; ОТ4; ВТ4; ОТ4-2), обладают высокой технологической пластичностью. Сплавы хорошо свариваются всеми видами сварки. Недостатки этих сплавов: а) сравнительно невысокая прочность и жаропрочность; б) большая склонность к водородной хрупкости. С повышением содержания алюминия и марганца в этой серии сплавов прочность их возрастает, а пластичность и технологичность ухудшаются.

К этой группе принадлежат также сплавы ВТ20, ВТ18.

Сплав ВТ20 разрабатывали как более прочный и жаропрочный листовой сплав по сравнению с ВТ5-1. Упрочнение сплава ВТ20 обусловлено его легированием, помимо алюминия, цирконием и небольшими количествами молибдена и ванадия. Технологическая пластичность сплава ВТ20 невысока из-за большого содержания алюминия. Сплав предназначен для изготовления изделий, работающих длительно при температурах до 500°С.

Сплав ВТ18 относится к наиболее жаропрочным титановым сплавам; он может длительно работать при температурах 550—600°С. Высокая жаропрочность сплава обусловлена большим содержанием в нем алюминия и циркония. Однако, в отличие от других псевдо-a -сплавов сплав ВТ18 плохо сваривается.

Большинство a - и псевдо-a -сплавов применяют в отожженном состоянии.

Наиболее благоприятным сочетанием всех свойств отличаются двухфазные сплавы, состоящие из a +b - фаз. Эти сплавы характеризуются лучшей технологической пластичностью в отожженном состоянии по сравнению с a -сплавами, высокой прочностью, способностью к термическому упрочнению закалкой и старением, меньшей склонностью к водородной хрупкости по сравнению с a  и псевдо-a сплавами.

В отличие от a - и псевдо-a -сплавов a +b сплавы существенно упрочняются в результате закалки и старения.

Механические свойства отожженных (a +b )-сплавов существенно зависят от характера микроструктуры. Наибольшие различия наблюдаются для сплавов с зернистой и пластинчатой структурой. Для сплавов с зернистой структурой характерны высокая циклическая прочность, пластичность, технологичность.

Сплавы с пластинчатой структурой отличаются высокой вязкостью разрушения, ударной вязкостью, жаропрочностью при пониженных характеристиках пластичности и циклической прочности. Высокая вязкость разрушения титановых сплавов с такой структурой обусловлена сильным ветвлением трещин при их распространении.

Классическим примером таких сплавов является ВТ6 (Ti-6%Al-4%V) ВТ14 - Ti - 5Al - 1V - 3Mo и ВТ16 - Ti -2,5Al -5V - 5Mo). Их применяют в отожженном и термически упрочненном состоянии. К этой же группе принадлежат ВТ22 (Ti - 5Al - 5V - 5Mo - 1Fe - 1Cr) и новый сплав ВТ23 - Ti—4,5Al—4,5V—2Mo—1Cr—0,6Fe. Это среднелегированный (a +b)-сплав мартенситного класса.

 

Сплав этой группы ВТ8 (Ti - 6,5Al - 3,3Mo - 0,3Si - 0,5Zr) легирован молибденом, алюминием и небольшими количествами кремния, его структура в отожженном состоянии представлена a -фазой, b -фазой (10%) и небольшим количеством дисперсных силицидов. Сплав ВТ8 обладает высокой термической стабильностью; удовлетворительной пластичностью, но плохо сваривается, недостаточно технологичен. Сплав применяют в отожженном и термически упрочненном состоянии при температурах до 450— 500°С.

Сплав ВТ9 в отличие от ВТ8 дополнительно легирован цирконием (1,6Zr). Введение циркония в сплавы системы Ti—Al—Mo—Si приводит к повышению прочности почти без снижения пластичности при сохранении достаточно высокой термической стабильности. Ввиду благоприятного влияния циркония и высокого содержания алюминия сплав ВТ9 более жаропрочен, чем другие титановые (a +b ) сплавы. Сплав может работать до 500—550°С.

Псевдо-b -сплавы относятся к высоколегированным титановым сплавам, в которых суммарное .содержание легирующих элементов доходит до 20% и более. Хотя при закалке из b -области в этих сплавах фиксируется только b -фаза, она термически нестабильна и при старении распадается с выделением дисперсной a -фазы.

К преимуществам псевдо-b -сплавов относятся:

1. Высокая технологическая пластичность  в закаленном состоянии. Это связано  с тем, что b -фаза с ОЦК. решеткой  по своей природе более пластична, чем гексагональная a -фаза.

2. Большой эффект термического упрочнения, что связано с большим пересыщением закаленной b -фазы. Распад пересыщенной b -фазы при старении обеспечивает повышение прочности сплавов в 1,5—1,7 раза.

3. Малая склонность к водородной  хрупкости.

Недостатки псевдо b -сплавов:

 

а) невысокая термическая стабильность, в результате чего их нельзя применять для длительной работы при температурах выше 350°С;

б) неудовлетворительная свариваемость;

в) большой разброс механических свойств, вызванный химической неоднородностью сплавов в связи с высокой степенью их легирования и большой чувствительностью процесса старения к содержанию примесей внедрения;

г) сравнительно высокая плотность (5—5,1 г/см3).

Разработанные к настоящему времени псевдо-b -титановые сплавы можно разделить на две группы: а) легированные алюминием, b -стабилизаторами, а в некоторых случаях и нейтральными упрочнителями; б) легированные b -стабилизаторами и нейтральными упрочнителями.

Псевдо-b -сплав ВТ15 содержит 3-4% Al; 7- 8% Mo и 10-11,5%Cr. В закаленном состоянии сплав ВТ15 отличается невысокой прочностью, большой пластичностью (s в = 880—1000 МПа; d =12-20%) и хорошо штампуется. Затем сплав термически упрочняют старением. При старении из пересыщенного b -раствора выделяются дисперсные частицы a -фазы, которые и обеспечивают упрочнение. После закалки и старения временное сопротивление разрыву составляет 1300-1500 МПа при удлинении около 6%.

Свариваемость этих сплавов затрудняет бурный рост зерна в b -области. По указанным причинам псевдо-b -сплавы первой группы применяют ограниченно.

Сплав ВТ30 (Ti - 11Mo - 5,5Zr - 4,5Sn). Сплав ВТ30 обладает высокой технологической пластичностью в закаленном состоянии, в котором хорошо поддается холодной обработке давлением. Сплав закаливают с температуры 800°С, а затем подвергают старению при 530°С. Отличительная его особенность — большая разница в прочностных свойствах в закаленном состоянии и после старения: временное сопротивление разрыву составляет 650—750 МПа после закалки, а после старения достигает 1400—1600 МПа.