Титан и его сплавы

К этой группе относятся сплавы с  пределом прочности ϭ_в   <700 МПа, а именно: - сплавы марок ВТ1-00, ВТ1-0 (технический титан) и сплавы ОТ4-0, ОТ4-1 (система Ti—Al—Mn), АТ3 (система Ti—Al c небольшими добавками Cr, Fe, Si, B), относящиеся к псевдо-α -сплавам с небольшим количеством β -фазы.

Характеристики прочности этих сплавов выше, чем чистого титана благодаря примесям в сплавах  ВТ1-00 и ВТ1-0 и незначительному  легированию α - и β -стабилизаторами в сплавах ОТ4-0, ОТ4-1, АТ3.

Эти сплавы отличаются высокой пластичностью  как в горячем, так и в холодном состоянии, что позволяет получать все виды полуфабрикатов: фольгу, ленту, листы, плиты, поковки, штамповки, профили, трубы и т. п.

Для снятия внутренних напряжений, образовавшихся в результате механической обработки, листовой штамповки, сварки и др., применяется  неполный отжиг.

Указанные сплавы хорошо свариваются  сваркой плавлением (аргонодуговая, под флюсом, электрошлаковая) и контактной (точечная, роликовая). При сварке плавлением прочность и пластичность сварного соединения, практически аналогичные основному металлу.

Коррозионная стойкость данных сплавов высокая во многих средах (морская вода, хлориды, щелочи, органические кислоты и т. п.), кроме растворов HF, H₂SO₄, HCl и некоторых других.

Применение. Эти сплавы широко применяются как конструкционные материалы для изготовления практически всех видов полуфабрикатов, деталей и конструкций, включая сварные. Наиболее эффективно их применение в авиационно-космической технике, в химическом машиностроении, в криогенной технике, а также в узлах и конструкциях, работающих при температурах до 300–350 ° С.

Титановые сплавы средней прочности

К этой группе относятся сплавы с  пределом прочности ϭ _в = 750–1000 МПа, а именно: α -сплавы марок ВТ5 и ВТ5-1; псевдо-α -сплавы марок ОТ4, ВТ20; (α  + β ) - сплавы марок ПТ3В, а также ВТ6, ВТ6С, ВТ14 в отожженном состоянии.

Сплавы ВТ5, ВТ5-1, ОТ4, ВТ20, ПТ3В, ВТ6С, содержащие небольшое количество β -фазы (2–7 % β -фазы в равновесном состоянии), упрочняющей термообработке не подвергаются и используются в отожженном состоянии. Сплав ВТ6С иногда применяют в термически упрочненном состоянии. Сплавы ВТ6 и ВТ14 используют как в отожженном, так и в термически упрочненном состоянии. В последнем случае их прочность становится выше 1000 МПа, и они будут рассмотрены в разделе, посвященном высокопрочным сплавам.

Рассматриваемые сплавы, наряду с  повышенной прочностью, сохраняют удовлетворительную пластичность в холодном состоянии  и хорошую пластичность в горячем  состоянии, что позволяет получать из них все виды полуфабрикатов: листы, ленту, профили, поковки, штамповки, трубы и др. Исключение составляет сплав ВТ5, из которого листы и  плиты не изготавливают из-за невысокой  технологической пластичности. На эту  категорию сплавов приходится основной объем производства полуфабрикатов, применяемых в машиностроении.

Все среднепрочные сплавы хорошо свариваются  всеми видами сварки, применяемыми для титана. Прочность и пластичность сварного соединения, выполненного сваркой  плавлением, близка к прочности и  пластичности основного металла. После  сварки рекомендован неполный отжиг  для снятия внутренних сварочных напряжений.

Обрабатываемость резанием этих сплавов  хорошая. Коррозионная стойкость в  большинстве агрессивных сред аналогична техническому титану ВТ1-0.

Применение. Данные сплавы рекомендуется применять для изготовления изделий листовой штамповкой (ОТ4, ВТ20), для сварных деталей и узлов, для штампосварных деталей (ВТ5, ВТ5-1, ВТ6С, ВТ20) и др. Сплав ВТ6С широко применяется для изготовления сосудов и емкостей высокого давления. Детали и узлы из сплавов ОТ4, ВТ5 могут длительно работать при температурах до 400 ° С и кратковременно — до 750 ° С; из сплавов ВТ5-1, ВТ20 — длительно при температурах до 450–500 ° С и кратковременно — до 800–850 ° С. Сплавы ВТ5-1, ОТ4, ВТ6С также рекомендуются для применения в холодильной и криогенной технике .

Высокопрочные титановые сплавы

К этой группе относятся сплавы с  пределом прочности ϭ_{в >} 1000 МПа, а именно (α+ β )-сплавы марок ВТ6, ВТ14, ВТ3-1, ВТ22.

Высокая прочность в этих сплавах  достигается упрочняющей термообработкой (закалка + старение). Исключение составляет высоколегированный сплав ВТ22, который даже в отожженном состоянии имеет ϭ _в >  1000 МПа.

Указанные сплавы наряду с высокой  прочностью сохраняют хорошую (ВТ6) и удовлетворительную (ВТ14, ВТ3-1, ВТ22) технологическую пластичность в  горячем состоянии, что позволяет  получать из них различные полуфабрикаты: листы (кроме ВТ3-1), прутки, плиты, поковки, штамповки, профили и др. Сплавы ВТ6 и ВТ14 в отожженном состоянии (ϭ_в > 850 МПа) могут подвергаться холодной листовой штамповке с малыми деформациями.

Несмотря на гетерофазность структуры, рассматриваемые сплавы обладают удовлетворительной свариваемостью всеми видами сварки, применяемыми для титана. Для обеспечения  требуемого уровня прочности и пластичности обязательно проводят полный отжиг, а для сплава ВТ14 (при толщине  свариваемых деталей 10–18 мм) рекомендуется  проводить закалку с последующим  старением. При этом прочность сварного соединения (сварка плавлением) составляет не менее 0,9 от прочности основного  металла. Пластичность сварного соединения близка к пластичности основного  металла.

Обрабатываемость резанием удовлетворительная. Обработку резанием сплавов можно  проводить как в отожженном, так  и в термически упрочненном состоянии.

Данные сплавы обладают высокой  коррозионной стойкостью в отожженном и термически упрочненном состояниях во влажной атмосфере, морской воде, во многих других агрессивных средах, как и технический титан.

Применение. Высокопрочные титановые сплавы применяются для изготовления деталей и узлов ответственного назначения: сварные конструкции (ВТ6, ВТ14), турбины (ВТ3-1), штампосварные узлы (ВТ14), высоконагруженные детали и штампованные конструкции (ВТ22). Эти сплавы могут длительно работать при температурах до 400 ° С и кратковременно до 750 ° С.

Особенность высокопрочных титановых  сплавов как конструкционного материала  — их повышенная чувствительность к концентраторам напряжения. Поэтому  при конструировании деталей  из этих сплавов необходимо учитывать  ряд требований (повышенное качество поверхности, увеличение радиусов перехода от одних сечений к другим и  т. п.), аналогичных тем, которые существуют при применении высокопрочных сталей.

 

Литейные титановые сплавы.

 По сравнению с деформируемыми  литейные сплавы имеют меньшую  прочность, пластичность и выносливость, но более дешевы. Сложность литья  титановых сплавов обусловлена  активным взаимодействием титана  с газами и формовочными материалами.  Литейные сплавы ВТ5Л, ВТ14Л  и ВТЗ-1Л по составу в основном  совпадают с аналогичными деформируемыми  сплавами (в то же время сплав  ВТ14Л дополнительно содержит  железо и хром).

Высокими технологическими свойствами обладает сплав ВТ5Л: он пластичен, не склонен к образованию трещин при литье, хорошо сваривается. Фасонные отливки из сплава ВТ5Л работают при температурах до 400 °C. Недостатком сплава является его невысокая прочность (800 МПа). двухфазный литейный сплав ВТ14Л подвергают отжигу при 850 °C вместо упрочняющей термической обработки, резко снижающей пластичность отливок.

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 (снижение стоимости до 50%) 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 вакууме 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,

 

 

 

 

 

 

Литература.

1.http://www.1metal.com/info/directories/titanium/tisplav/

2.http://www.housetop.ru/titan

3.http://www.diamantvl.ru/books/materialovedenie_shpargalka/47_titan_i_ego_splavy/2.html

4.Г.П.Фетисов, М.Г.Карпман  «Материаловедение и технология материалов», 2001,стр.191-197.

5. http://metallicheckiy-portal.ru/marki_metallov/tit.