Лекция 11. Титан и его сплавы

Титан — металл серого цвета, с невысокой плотностью (g = 4,5 г/см³), находится в IV группе Периодической системы Д. И. Менделеева, относится к переходным ме­таллам. Титан является полиморфным металлом и существует в двух аллотропических формах— a и b. Температура полиморфного превращения a ↔ b. равна 882 °С. a - титан (ниже 882 °С) имеет гексагональную решетку с периодами а = 0,296 Нм, с = 0,472 нм; b -титан (выше 882 °С) имеет решетку объемноцентрированного куба (а = = 0,331 нм).

Физические свойства титана приведены в таблице 11.1.

Таблица 11.1 - Физические свойства титана

Атомный вес	Коэффициент линейного расширения, a .10-6	Температура плавления, оС	Удельная теплоемкость, кал/см.с	Температурный коэффициент электросопротивления, при оС a.103	Удельное электросопротивление, Ом.см.106
47,90	7,14		0,036	4,25	47,5

Высокие темпы роста производства титана и его сплавов объясняются следующими их преимуществами: малой плотностью, высокими механическими свойствами, хоро­шей коррозионной стойкостью (более высокой, чем у нер­жавеющей стали), высокой жаропрочностью, большой удельной прочностью. По удельной прочности ти­тановые сплавы превосходят высокопрочные конструк­ционные стали и алюминиевые сплавы. Высокая коррозионная и химическая стойкость ти­тана обусловлены тем, что на его поверхности в атмосфер­ных условиях образуется прочная и плотная пленка оксида ТО₂, которая обеспечивает высокое сопротивле­ние коррозии более чем в 130 агрессивных средах, в том числе в морской воде и в большинстве органических кислот. Все эти свойства делают титановые сплавы весьма перспективным конструкционным материалом. Их при­меняют в авиационной промышленности, ракетостроении (для работы при температурах 250—500 °С), судостроении, химической промышленности. Свойства технического титана существенно зависят от присутствующих в нем примесей.

Примеси С, О, Н, образующие твердые растворы внедрения, снижают пластичность, сопротивление коррозии, свариваемость титана и его сплавов. Особенно вредной примесью является водород. Из технического титана изготовляют прессованные и катаные полуфабрикаты: листы, трубы, проволоку, по­ковки. Титан хорошо сваривается всеми видами сварки, при этом сварной шов имеет хорошее сочетание прочности и пластичности. К недостаткам титана следует отнести плохую обрабатываемость резанием и низкие антифрикционные свойства.

Сплавы на основе титана. Легирование позволяет значительно повысить механические свойства титана. Для получения сплавов титан легируют различными металлами — алюминием, хромом, железом, марганцем, молибденом, оловом, ванадием. Легирующие элементы, входящие в состав промышленных титановых сплавов, образуют с титаном твердые растворы замещения и наряду с примесями изменяют тем­пературу аллотропического (полиморфного) превраще­ния титана. Элементы, повышающие температуру полиморфного превращения, способ­ствуют стабилизации a-твердого раствора и называются a-стабилизаторами (алюминий, кислород, азот). Элементы, понижающие температуру a↔b, способствуют стабилизации (b-твердого раствора и называются b-стабилизаторами (молибден, ванадий, ниобий, хром, марганец, железо).

Титановые сплавы по способу производства полуфабрикатов и изделий подразделяют на деформируемые и литейные; по склонности к термическому упрочнению — на термически упрочняемые и термически неупрочняемые. Кроме того, титановые сплавы классифицируют по структуре, которую они имеют после охлаждения на воздухе сплавы со структурой a-твердого раствора; сплавы со смешанной структурой (a+b)-твердого раствора и сплавы со структурой b-твердого раствора.

Сплавы каждой из этих групп имеют свои особенности. Титановые сплавы по структуре в равновесном состоянии подразделяют на a-сплавы (однофазные) и (a+b)-сплавы (двухфазные).

a-Сплавы. Преимущества: до 650 °С сохраняют достаточную прочность. До 1090 °С сопротивляются коррозии в атмо­сферной среде, загрязненной газами, что позволяет вести обработку давлением при более высоких температурах. Хорошо свариваются. После термической обработки охрупчивания не наблюдается. Недостатки: пластичность листов при изгибе хуже, чем у b-сплавов; для горячей обработки давлением требуется более значительная мощность, чем для спла­вов а + b; невозможность получения высокопрочных сплавов; закалке и старению не подвергаются.

a+b-Сплавы. Преимущества: удвоенная прочность по сравнению с нелегированным титаном; хорошая пластичность, в частности при изгибе; легче куются, штампуются и прокатываются, чем сплавы a или b; возможно упрочне­ние путем термической обработки. Недостатки: чувствительность к термической обработке (при недостаточном контроле может наблюдаться охрупчивание); пластичность сварного шва хуже, чем у a -сплавов; сохраняют достаточную прочность лишь до 430 °С.

b-Сплавы. Преимущества: отличная пластичность при всех видах штамповки (лист толщиной 0,7 мм может быть согнут без оправки до полного соприкосновения сторон); сохраняют достаточную прочность до 540 °С, для получения высокой прочности необходима термическая обработка.

Недостатки: весьма чувствительны к загрязне­ниям в процессе производства. Чувствительны к загрязнению атмосферными газами при температурах выше 700 °С. Высокая прочность вызывает трудности при штамповке. Относительно высокое содержание дефицитных легирующих элементов. Возможно охрупчивание при старении.

Химический состав и механические свойства титановых сплавов приведены в таблице 11.2..

Сплавы ВТ5 и ВТ5-1 имеют стабильные механические свойства вплоть до 450—500 °С. Их поставляют в виде прутков, поковок, труб, сортового проката, проволоки. Предназначены для изготовления деталей, работающих в широком диапазоне температур. Двухфазные титановые сплавы ВТЗ-1, ВТ6 и ВТ 14 обладают хорошим сочетанием механических и техноло­гических свойств. Сплав ВТЗ-1 относится к системе Ti—А1—Сг—Mo—Fe—Si и является одним из наиболее освоенных в производстве сплавов. ВТЗ-1 жаропрочный сплав, предназначенный для длительной работы при 400—450 °С. Из него изготовляют прутки, профили, плиты, поковки. Однофазные b-сплавы являются высоколегированными (>20 % легирующих элементов) титановыми сплавами. По структуре в равновесном состоянии они относятся к двухфазным, так как в них кроме b-фазы имеется небольшое количество a-фазы.. Такие сплавы называют псевдо-b-сплавами, так как после охлаждения на воздухе в них выявляется только одна b_нест-фаза.

Таблица 11.2 - Химический состав и механические свойства промышленных деформируемых сплавов титана

Марка	Содержание элементов, % (по массе)	sв, МПа	s0,2, МПа	d, %
a-сплавы
ВТ5	Al 5	700-950	660-850	10-15
BT5-1	Al 5, Sn 2,5	750-950	650-850	10-15
a+b-сплавы мартенситного класса
BT3-1	Al 6, Mo 2,5, Si 0,2, Fe 0,5, Cr 2	1100-1200	1050-1100	12-14
BT6	Al 6, V 4	1100-1150	1000-1050	14-16
BT14	Al 4,5< Mo 3, V 1	1150-1400	1080-1300	6-10
Псевдо-b-сплавы
BT16	Al 4, Cr 11, Mo 8	1300-1500	-	4-8

Сплав ВТ 15 системы Ti—А1—Mo—Сг в закаленном с 780—900 °С состоянии обладает высокой пластич­ностью. Это позволяет деформировать сплав в холодном состоянии.

Литейные титановые сплавы (ВТ5Л, ВТЗ-1Л, ВТ14Л и др.) по химическому составу практически совпадают с аналогичными деформируемыми. Из этих сплавов благодаря их высокой жидкотекучести, незначительной ли­нейной усадке и малой склонности к образованию горя­чих трещин получают качественные фасонные отливки. Однако склонность титана и его сплавов к активному взаимодействию с газами и формовочными материалами заставляет проводить плавку и разливку в защитной атмосфере или вакууме. Упрочняющая термическая обра­ботка не применима к литейным титановым сплавам, так как резко снижает их пластичность.

Применение титана и его сплавов в нефтяной, нефтехимической и газовой промышленности. Титан и его сплавы целесообразно применять для изготовления оборудования, подверженного действию сернистой коррозии и соленых вод. Применение титана для изготовления труб при бурении на газ и нефть позволит значительно реже производить их замену. Представляет интерес изготовление стальных емкостей для нефти и нефтепродуктов с обкладками из тонкого листового титана, со­единенного с основным металлом сваркой. Стоимость таких емкостей такая же, как емкостей, целиком выполненных из нержавеющей стали. Высокая коррозионная стойкость титана в кислотах позволяет применять его в нефтяном и химическом машиностроении. Из титана изготовляют трубчатые теплообменники с трубками диаметром 25 мм и длиной 3 м, работающие в среде 15 %-ного раствора гипохлорита натрия.

Титан пригоден для форсунок, работающих на морской воде, сеток фильтров, теплообменников, работающих в азотной кислоте. Так, в 60 %-ной азотной кислоте при 250 °С теплообменники из титана работают без повреждений в течение двух лет, а теплообмен­ники из нержавеющей стали — всего 6 месяцев. Крыльчатки из титана для центробежных насосов показали наи­более высокую коррозионную и эрозионную стойкость.

Срок службы наилучшего из используемых материалов (не титановых) для паровых реактивных диффузоров, регулирующих высокое давление пара, — 6,5 месяцев. Титан же в этих условиях служит без заметных признаков разрушения 5 лет. Как заменитель нержавеющей хромоникелевой стали титан может применяться в нефтяном или химическом машиностроении.

Титановые сплавы марки ВТ1 и ВТ5 можно применять в качестве коррозионно-стойкого материала в аппаратуре по производству жирных кислот. Так, в уксусной, пропионовой и стеариновой кис­лотах при температуре до 300 °С титановые сплавы характеризуются.более высокой коррозионной стойкостью, по сравнению с нержавеющей сталью..

Рекомендуемая литература:

Осн. 1 [224-228]

Контрольные вопросы:

1. Как можно повысить поверхностную прочность титана?

2. Как классифицируются сплавы титана?

3. Назовите температуру полиморфного превращения титана.

4. В каких кислотах титан корродирует?

5. Какой вид сварки применяется для титана и его сплавов?