Титан и его сплавы

Российский химико-технологический университет имени Д.И.Менделеева

 

 

 

 

Кафедра композиционных материалов и технологий защиты от коррозии.

Реферат

 

Титан и его сплавы.

 

 

 

Выполнила студентка группы О-35

Еналова Татьяна Андреевна

Преподаватель

Мазурова Диана Викторовна

 

 

 

 

 

 

 

 

Москва 2012

Содержание.

1.Титан и его свойства…………………………………………………………3-6

2.Классификация  сплавов титана………………………………….……………6

3.Фазовые превращения  в титановых сплавах……………………………….7-9

4.Термическая обработка  титановых сплавов…………………………………10

5. Деформируемые титановые сплавы

5.1Титановые сплавы невысокой прочности и повышенной пластичности...11

5.2 Титановые сплавы средней прочности…………..……………………..11-12

5.3 Высокопрочные титановые сплавы………………………………..……12-13

6.Литейные  титановые сплавы………………………………………………….14

7.Порошковые  титановые сплавы…………………………………..………14-15

8.Области применения…………………………………………………………..15

9.Литература…………………………………………………………………..…16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ТИТАН И ЕГО СВОЙСТВА.

Титан – легкий серебристо-белый металл.

Порядковый номер-22.

Первооткрывателем титана считается 28-летний английский монах Уильям Грегор. В 1790 г., проводя минералогические изыскания  в своем приходе, он обратил внимание на распространенность и необычные  свойства черного песка в долине Менакэна на юго-западе Англии и принялся его исследовать. В песке священник  обнаружил крупицы черного блестящего минерала, притягивающегося обыкновенным магнитом. Полученный в 1925 г. Ван Аркелем  и де Буром иодидным методом чистейший  титан оказался пластичным и технологичным  металлом со многими ценными свойствами, которые привлекли к нему внимание широкого круга конструкторов и  инженеров. В 1940 г. Кролль предложил  магниетермический способ извлечения титана из руд, который является основным и в настоящее время. В 1947 г. были выпущены первые 45 кг технически чистого  титана.

Титан широко распространен в земной коре, где его содержится около 6 %, а по распространенности он занимает четвертое место после алюминия, железа и магния. Однако промышленный способ его извлечения был разработан лишь в 40-х годах ХХ века. Благодаря прогрессу в области самолето- и ракетостроения производство титана и его сплавов интенсивно развивалось. Это объясняется сочетанием таких ценных свойств титана, как малая плотность, высокая удельная прочность (ϭ _в/ρ  ×  g), коррозионная стойкость, технологичность при обработке давлением и свариваемость, хладостойкость, немагнитность и ряд других ценных физико-механических характеристик, приведенных ниже.

Характеристики  физико-механических свойств титана

Плотность ρ , - 4,5 × 10³ кг/м³

Температура плавления Т_пл, - 1668± 4 ° С

Коэффициент линейного расширения a -  8,9 ×  10^–6 град^–1

Теплопроводность l - 16,76 Вт/(м × град)

Предел прочности при  растяжении ϭ _в, 300–450 МПа

Условный предел текучести  ϭ _0,2 - 250–380 МПа

Удельная прочность (ϭ _в/r × g) - 7–10 × 10^–3 км

Относительное удлинение  δ - 25–30 %

Относительное сужение Y - 50–60 %

Модуль нормальной упругости Е´ - 110,25 * 10³, МПа

Модуль сдвига G´ - 41*10³, МПа

Коэффициент Пуассона m - 0,32

Твердость НВ -103

Ударная вязкость KCU- 120 Дж/см²

Титан имеет две полиморфные модификации: α - титана с гексагональной плотноупакованной решеткой с периодами а = 0,296 нм, с = 0,472 нм и высокотемпературную модификацию β - титана с кубической объемно-центрированной решеткой с периодом а = 0,332 нм при 900 ° С. Температура полиморфного превращения составляет 882 ° С.

Механические свойства титана существенно  зависят от содержания примесей в  металле. Различают примеси внедрения — кислород, азот, углерод, водород и примеси замещения, к которым относятся железо и кремний. Хотя примеси повышают прочность, но одновременно резко снижают пластичность, причем наиболее сильное отрицательное действие оказывают примеси внедрения, особенно газы. При введении всего лишь 0,003 % Н, 0,02 % N или 0,7 % О титан полностью теряет способность к пластическому деформированию и хрупко разрушается.

Особенно вреден водород, вызывающий водородную хрупкость титановых сплавов. Водород попадает в металл при плавке и последующей обработке, в частности при травлении полуфабрикатов. Водород малорастворим в α - титане и образует пластинчатые частицы гидрида, снижающего ударную вязкость и особенно отрицательно проявляющегося в испытаниях на замедленное разрушение.

Промышленный способ производства титана состоит в обогащении и  хлорировании титановой руды с последующим  его восстановлением из четыреххлористого  титана металлическим магнием (магнийтермический  метод). Полученный этим методом титан губчатый (ГОСТ 17746–79)

Для получения монолитного титана губка размалывается в порошок, прессуется и спекается или переплавляется в дуговых печах в вакууме  или атмосфере инертных газов.

Механические свойства титана характеризуются  хорошим сочетанием прочности и  пластичности. Например, технически чистый титан марки ВТ1-0 имеет: ϭ _в = 375–540 МПа, ϭ _0,2 = 295–410 МПа, δ= 20 %, и по этим характеристикам не уступает ряду углеродистых и Cr—Ni коррозионностойких сталей.

Высокая пластичность титана по сравнению  с другими металлами, имеющими ГПУ- решетку (Zn, Mg, Cd), объясняется большим  количеством систем скольжения и  двойникования благодаря малому соотношению с/а = 1,587. По-видимому, с этим связана высокая хладостойкость титана и его сплавов.

При повышении температуры до 250 ° С прочность титана снижается  почти в 2 раза. Однако жаропрочные Ti-сплавы по удельной прочности в интервале  температур 300–600 ° С не имеют  себе равных; при температурах выше 600 ° С сплавы титана уступают сплавам  на основе железа и никеля.

Титан имеет низкий модуль нормальной упругости (Е = 110,25 ГПа) — почти в 2 раза меньше, чем у железа и никеля, что затрудняет изготовление жестких конструкций.

Титан относится к числу химически  активных металлов, однако он обладает высокой коррозионной стойкостью, так  как на его поверхности образуется стойкая пассивная пленка TiO₂, прочно связанная с основным металлом и исключающая его непосредственный контакт с коррозионной средой. Толщина этой пленки обычно достигает 5–6 нм. Благодаря оксидной пленке, титан и его сплавы не корродируют в атмосфере, в пресной и морской воде, устойчивы против кавитационной коррозии и коррозии под напряжением, а также в кислотах органического происхождения.

Производство изделий из титана и его сплавов имеет ряд  технологических особенностей. Из-за высокой химической активности расплавленного титана его плавку, разливку и дуговую  сварку производят в вакууме или  в атмосфере инертных газов. При технологических и эксплуатационных нагревах, особенно выше 550–600 °С, необходимо принимать меры для защиты титана от окисления и газонасыщения (альфированный слой).

Титан хорошо обрабатывается давлением  в горячем состоянии и удовлетворительно  в холодном. Он легко прокатывается, куется, штампуется. Титан и его  сплавы хорошо свариваются контактной и аргонодуговой сваркой, обеспечивая  высокую прочность и пластичность сварного соединения. Недостатком титана является плохая обрабатываемость резанием из-за склонности к налипанию, низкой теплопроводности и плохих антифрикционных  свойств.

 

КЛАССИФИКАЦИЯ ТИТАНОВЫХ  СПЛАВОВ.

Структура промышленных сплавов титана – твердые растворы легирующих элементов в α и β модификациях титана.

В зависимости от их стабильной структуры (после отжига) при комнатной температуре делят на 3 группы:

1) α-сплавы;

2) (α+β)-сплавы (двухфазные);

3) β-сплавы.

По технологии производства:

1)деформируемые;

2)литейные;

3)порошковые.

По физико-химическим и механическим свойствам:

1)высокопрочные;

2)обычной прочности;

3)высокопластичные;

4)жаропрочные;

5)коррозионностойкие.

 

ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В ТИТАНОВЫХ СПЛАВАХ

На формирование структуры и, следовательно, свойств титановых сплавов решающее влияние оказывают фазовые превращения, связанные с полиморфизмом титана. Ниже представлены схемы диаграмм состояния «титан-легирующий элемент», отражающие подразделение легирующих элементов по характеру влияния на полиморфные превращения титана на 4 группы.

1) α - Стабилизаторы (Al, O, N), которые повышают температуру полиморфного α-β превращения и расширяют область твердых растворов на основе α-титана (а). Учитывая охрупчивающее действия азота и кислорода, практическое значение для легирования титана имеет только алюминий. Он является основным легирующим элементом во всех промышленных титановых сплавах, уменьшает их плотность и склонность к водородной хрупкости, а также повышает прочность и модуль упругости. Сплавы с устойчивой α-структурой термической обработкой не упрочняются.

2) Изоморфные β-стабилизаторы (Mo, V, Ni, Ta и др.), которые понижают температуру α-β-превращения и расширяют область твердых растворов на основе β -титана (б).

3)Эвтектоидообразующие  β-стабилизаторы (Cr, Mn, Cu и др.) могут образовывать с титаном интерметаллиды типа TiХ. В этом случае при охлаждении β -фаза претерпевает эвтектоидное превращение β→ α + TiХ (в). Большинство β - стабилизаторов повышает прочность, жаропрочность и термическую стабильность титановых сплавов, несколько снижая их пластичность. Кроме того, сплавы с (α +β) и псевдо-β-структурой могут упрочняться термообработкой (закалка + старение).

4)Нейтральные элементы (Zr, Sn) не оказывают существенного влияния на температуру полиморфного превращения и не меняют фазового состава титановых сплавов (г).

Ниже приведена диаграмма, иллюстрирующая  влияние легирующих элементов на прочность титановых сплавов.

Полиморфное β→ α - превращение может происходить двумя путями. При медленном охлаждении и высокой подвижности атомов оно происходит по обычному диффузионному механизму с образованием полиэдрической структуры твердого α - раствора. При быстром охлаждении — по бездиффузионному мартенситному механизму с образованием игольчатой мартенситной структуры, обозначаемой α' или при большей степени легированности — α " . Кристаллическая структура α, α' и α "практически однотипная (ГПУ), однако решетка α' и α " более искажена, причем степень искаженности возрастает с увеличением концентрации легирующих элементов. Есть сведения, что решетка α "- фазы скорее ромбическая, чем гексагональная. При старении из фаз α' и α "выделяется β - фаза или интерметаллидная фаза.

В отличие от мартенсита углеродистых сталей, являющегося раствором внедрения  и характеризующегося высокой прочностью и хрупкостью, титановый мартенсит  является раствором замещения, и  закалка титановых сплавов на мартенсит α " приводит к небольшому упрочнению и не сопровождается резким снижением пластичности.

 

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ТИТАНОВЫХ  СПЛАВОВ.

Для титановых сплавов применяют  следующие виды термообработки: отжиг, закалка и старение, а также  химико-термическая обработка (азотирование, силицирование, оксидирование и  др.).

Отжиг проводится для всех титановых сплавов с целью завершения формирования структуры, выравнивания структурной и концентрационной неоднородности, а также механических свойств. Температура отжига должна быть выше температуры рекристаллизации, но ниже температуры перехода в β - состояние (Т_пп) во избежание роста зерна. Применяют:

- Обычный (рекристаллизационный) отжиг холодно-деформируемых сплавов(650-850 °С).

-  Изотермический отжиг: нагрев до 780-980°С с последующим охлаждением в печи до 530-680° С, выдержка при этой температуре и охлаждение на воздухе. Обеспечивает высокую пластичность и термическую стабильность (α+β) – сплавов.

- Двойной ступенчатый отжиг. Отличается от изотермического тем, что переход от 1 ступени ко 2 осуществляется охлаждением сплава на воздухе с последующим повторным нагревом до температуры 2 ступени. Приводит к упрочнению сплава и некоторому снижению пластичности за счет частичного протекания закалки и старения.

-Неполный отжиг при 500-680 °С (для снятия внутренних напряжений).

Закалка и старение (упрочняющая термообработка) применима к титановым сплавам с α-β-структурой. Принцип упрочняющей термообработки заключается в получении при закалке метастабильных фаз , α', α "и последующем их распаде с выделением дисперсных частиц α - и β-фаз при искусственном старении. При этом эффект упрочнения зависит от типа, количества и состава метастабильных фаз, а также дисперсности образовавшихся после старения частиц α и β-фаз.

Химико-термическая  обработка проводится для повышения твердости и износостойкости, стойкости к «схватыванию» при работе в условиях трения, усталостной прочности, а также улучшения коррозионной стойкости, жаростойкости и жаропрочности. Практическое применение имеют азотирование, силицирование и некоторые виды диффузионной металлизации.

 

 

Деформируемые титановые  сплавы

Титановые сплавы невысокой прочности и повышенной пластичности