Титан и сплавы на его основе

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 α-титана, а выше – объемно центрированная кубическая (о. ц. к.) решетка β-титана.

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

Преимущество титановых сплавов  с α-структурой – в высокой термической стабильности, хорошей свариваемости и высоком сопротивлении окислению. Однако сплавы типа α чувствительны к водородной хрупкости ( вследствие малой растворимости водорода в α-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 α в  качестве легирующих элементов наряду с α-стабилизаторами применяются элементы, стабилизирующие β-фазу.

Элементы из группы β-стабилизаторов упрочняют титан, образуя α- и β-твердые растворы.

В зависимости от содержания указанных  элементов можно получить сплавы с α+β- и β-структурой.

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

В структуре каждой группы могут  присутствовать интерметаллидные фазы.

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

Особенности 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.

Влияние примесей на титановые  сплавы

Кислород и азот, образующие с  титаном сплавы типа твердых растворов  внедрения и металлидные фазы, существенно снижают пластичность титана и являются вредными примесями. Кроме азота и кислорода, к числу вредных для пластичности титана примесей следует отнести также углерод, железо и кремний.

Из перечисленных примесей азот, кислород и углерод повышают температуру  аллотропического превращения титана, а железо и кремний понижают ее. Результирующее влияние примесей выражается в том, что технический титан  претерпевает аллотропическое превращение  не при постоянной температуре (882°  С), а на протяжении некоторого температурного интервала, например 865 – 920° С (при содержании кислорода и азота в сумме не более 0,15%).

В настоящее время известно довольно большое разнообразие титановых сплавов, отличающихся по химическому составу, механическим и технологическим свойствам. Наиболее употребляемые легирующие элементы в титановых сплавах: алюминий, ванадий, молибден, марганец, хром, кремний, олово, цирконий, железо.  
 
Титановый сплав ВТ5 содержит помимо титана 5% алюминия. Он отличается более высокими прочностными свойствами по сравнению с титаном, но его технологичность невелика. Сплав куется, прокатывается, штампуется и хорошо сваривается. 
 
Из титана (сплава) ВТ5 получают титановые прутки, титановая проволока и титановые трубы. Его применяют при изготовлении деталей, работающих при температуре до 400 °С.  
 
Сплав титана ВТ5-1 помимо 5% алюминия содержит 2-3% олова. Олово улучшает его технологические свойства. Из титанового сплава ВТ5-1 изготовляют все виды полуфабрикатов, получаемых обработкой давлением: титановые листы, плиты, поковки, штамповки, профили, титановые трубы и титановая проволока. Он предназначен для изготовления изделий, работающих в широком интервале температур: от криогенных до 450 °С.  
 
Титановые сплавы ОТ4 и ОТ4-1 помимо титана содержат алюминий и марганец. Они обладают высокой технологической пластичностью (хорошо деформируются в горячем и холодном состоянии) и хорошо свариваются всеми видами сварки. Титан данных марок идеет в основном на изготовление титановых листов, лент и полос, а также изготовляются титановые прутки, поковки, профили и титановые трубы. Из титановых сплавов ОТ4 и ОТ4-1 изготовляют с применением сварки, штамповки и гибки детали, работающие до температуры 350 °С. Данные сплавы имеют недостатки: 1) сравнительно невысокая прочность и жаропрочность; 2) большая склонность к водородной хрупкости. В сплаве ПТ3В марганец заменяется на ванадий.  
 
Титановый сплав ВТ20 разрабатывали как более прочный 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. Титан ВТ20 отличается высокой жаропрочностью. Он хорошо сваривается, прочность сварного соединения равна прочности основного металла. Сплав предназначен для изготовления изделий, работающих длительное время при температурах до 500 °С.  
 
Титановый сплав ВТ3-1 относится к системе Ti — Al — Cr — Mo — Fe — Si. Он обычно подвергается изотермическому отжигу. Такой отжиг обеспечивает наиболее высокую термическую стабильность и максимальную пластичность. Сплав ВТ3-1 относится к числу наиболее освоенных в производстве сплавов. Он предназначен для длительной работы при 400 — 450 °С; это жаропрочный сплав с довольно высокой длительной прочностью. Из него поставляют титановые прутки, профили, плиты, поковки, штамповки.

Леги́рование (нем. legieren — «сплавлять», от лат. ligare — «связывать») — добавление в состав материалов примесей для изменения (улучшения) физических и химических свойств основного материала. Легирование является обобщающим понятием ряда технологических процедур, различают объёмное (металлургическое) и поверхностное (ионное, диффузное и др.) легирование.