Характеристика титановых сплавов: виды, сферы применения

Несмотря на большую распространенность, признание титана как конструкционного материала состоялось относительно недавно — лишь в 20 веке. Его сплавы выгодно отличаются от других соединений. Благодаря длинному списку преимуществ они находят широкое применение в различных областях. Современные технологические возможности позволяют производить самый разнообразный прокат — трубы, листы, шестигранники, фольгу, ленты, плиты. Рассмотрим в статье подробнее все основные особенности материала.

Общая характеристика

В периодической системе элементов Д. И. Менделеева Ti расположен в IV группе 4-го периода под номером 22. В важнейших и наиболее устойчивых соединениях металл четырехвалентен. По внешнему виду напоминает сталь. Очень распространен в природе. Его содержание в земной коре выше, чем меди, свинца и цинка.

Относительная молекулярная масса вещества показывает, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода. Титан в свободном состоянии существует в виде одноатомных молекул Ti. Значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 47,867.

К основным механическим свойствам титановых сплавов относят:

1. Стойкость к коррозийным процессам. Превосходит по этому свойству стали. Не корродирует в воздухе, морской воде, влажном хлоре и других технологических растворах и реагентах, поэтому материал незаменим в химической, целлюлозно-бумажной, нефтяной промышленности.
2. Легковесность. Востребован там, где нужно очень легкое вещество, выдерживающее большие нагрузки и сверхвысокие температурные диапазоны — авиа-, ракетостроение.
3. Высокую удельную прочность. Показатель примерно в 2 раза выше железа и в 6 раз — алюминия. При растяжении предел прочности — 300–450 МПа, но его можно увеличить до 2 000 МПа посредством закалки, старения и примеси некоторых элементов. При этом материал сохраняет прочностные характеристики даже под воздействием низких температур.
4. Парамагнитность. В магнитном поле он не намагничивается, но и не выталкивается из него.
5. Низкую теплопроводность. При комнатной температуре в среднем составляет — 18 Вт/(м·град). По мере нагревания показатель увеличивается. Температурное расширение в 3 раза меньше железа и в 12 алюминия.
6. Удовлетворительную технологическую пластичность некоторых сплавов. В горячем состоянии получают различные полуфабрикаты — листы, прутки, штамповки, профили и др. При этом механическая обработка вызывает много сложностей.

Таким образом, металл хорошо сочетает прочность и пластичность, но большинство механических свойств определяет содержание примесей. На формирование структуры решающее значение оказывают полиморфные превращения. Это играет важную роль при термической обработке деталей в соответствии с требованиями чертежа.

Особенности маркировки

В соответствии с ГОСТ 19807-91 обозначаются буквами ВТ, ОТ, ПТ (В, О, П — идентификатор организации-разработчика или производителя, Т — титан) и цифрами, указывающими порядковый номер сплава в зависимости от химического состава.

В — ВИАМ титан — Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов (ВИАМ, г. Москва);

О — Опытный титан — совместная разработка ВИАМ и Верхнесалдинского металлургического производственного объединения (ВСМПО, г. Верхняя Салда, Свердловская область);

П — Прометей титан — Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов «Прометей» (г. Санкт-Петербург).

Кроме общего разделения, сплавам Ti присваиваются другие специальные обозначения. Они соответствуют составу и параметрам:

• технические марки ВТ1-1, ВТ1-0, ВТ1-00 содержат титан от 99,3 до 99,9%;
• титановые губки ТГ-90, ТГ-110, ТГ-150, ТГ-120, ТГ-Тв, ТГ-130, ТГ-100;
• литейные — ВТ20Л, ВТ21Л, ВТ14Л, ВТ9Л, ВТ6Л, ВТ1Л, ВТ3-1Л, ВТ5Л.

В некоторых случаях после порядкового номера сплава ставится дополнительная буква:

У — улучшенный,

М — модифицированный,

И — специального назначения,

В — с преобладанием ванадия в качестве легирующего элемента.

Применение

Частично мы уже сказали о применении титана и его сплавов. Из него производят детали для авиационной промышленности, в машиностроении, космической отрасли, подводных лодок, товаров народного потребления. Однако, статистические исследования Titanium Corporation на 2005 год дают следующую оценку по потреблению этого материала.

• Только 7 % титана используется в машиностроении.
• 13 % уходит на бумажное производство.
• 20 % используется при изготовлении пластика.
• И 60 % при изготовлении красок.

Но давайте обратимся к рекомендациям. Сплавы Ti низкой прочности и высокой пластичности предназначены для эффективного использования в авиационной и космической отрасли, химической промышленности, производстве тепловой и криогенной техник. Из него производят практически все виды заготовок, и применяют для изготовления сварных элементов конструкций.

Ti средней прочности рекомендован для применения в производстве холодильной техники, в судостроении, производстве различных ёмкостей, деталей работающих длительное время при температуре 400 °C, 750-800 °C – кратковременно, в зависимости от типа сплава эти рекомендации могут отличаться.

Сплавы же Ti высокой прочности рекомендовано использовать при изготовлении ответственных деталей и элементов конструкций, работающих под нагрузкой, турбин, сварных элементов конструкций, штампованных изделий и деталей, рассчитанных для работы при температуре 400 °C, 750 °C – кратковременно.

Виды титановых сплавов

Классификация ведется по достаточно большому количеству признаков.

1. По технологии изготовления подразделяются:
   • на деформируемые. Сюда входят сплавы с алюминием (ВТ5), а также дополнительно легированные оловом или цирконием (ВТ5-1). Характеризуются повышенной жаропрочностью, высокой термической стабильностью, отсутствием хладноломкости, хорошей свариваемостью;

   литейные. Используют технический титан и сплавы марок ВТ5Л, ВТ14Л, ВТ6Л, ВТ9Л, ВТЗ-1Л. По химсоставу они практически идентичны предыдущей группе, однако в них допускается большее содержание примесей. Кроме того, механические свойства ниже деформируемых.

2. По уровню механических свойств:
   • на сплавы невысокой прочности и повышенной пластичности. В группу входят марки ВТ1-00, ВТ1-0 (технический титан) и ОТ4-0, ОТ4-1 (система Ti-Al-Mn), АТ3 (система Ti-Al c небольшими добавками Cr, Fe, Si, B);

   средней прочности — ВТ5 и ВТ5-1; псевдо-a-сплавы ОТ4, ВТ20; (α + β )-сплавы ПТ3В, а также ВТ6, ВТ6С, ВТ14 в отожженном состоянии;

3. высокой прочности — достигается в марках ВТ6, ВТ14, ВТ3-1 за счет упрочняющей обработки. ВТ22 — высоколегированный сплав, который имеет предел прочности σв > 1000 МПа даже в отожженном состоянии.
4. По условиям применения:
   • на хладостойкие — промышленные отечественные модификации ВТбкт, ВТ5-1кт, ПТЗВкт и зарубежные Ti-5Al-2,5Sn ELI, Ti-6A1-4V ELI. Сохраняют достаточную ударную вязкость при криогенных температурах;

   жаропрочные — ВТ6, ВТ8-1, ВТ8М-1, ВТ25У, ВТ41 и др. Представляют собой твердые растворы с большим или меньшим количеством химического соединения. Это обеспечивает им повышенную жаропрочность при минимальном снижении пластичности;

5. коррозиестойкие. В качестве легирующих присадок часто используют тантал, ниобий, молибден, цирконий.
6. По способности упрочняться термообработкой:
   • на упрочняемые — (α+β) и β сплавы;

   неупрочняемые — α-сплавы.

Титан и его сплавы

Титан по распространенности в земной коре занимает среди конструкционных металлов четвертое место, уступая лишь алюминию, железу и магнию (рис. 1). Титан обладает удельным весом порядка 4500 кг/м3 и довольно высокой температурой плавления, ~1665± 5оС. Титан – парамагнитный металл.

а б

Рис. 1. Титанит – потенциальный источник титана (а), брусок кристаллического титана (б)

Титан – твердый металл: он в 12 раз твёрже алюминия, в 4 раза — железа и меди. Титан химически стоек. На поверхности титана легко образуется стойкая оксидная пленка TiO2, вследствие чего он обладает высокой сопротивляемостью коррозии в пресной и морской воде и в некоторых кислотах, устойчив против коррозии под напряжением. Во влажном воздухе, в морской воде и азотной кислоте он противостоит коррозии не хуже нержавеющей стали, а в соляной кислоте во много раз лучше ее. При температурах выше 500°С титан и его сплавы легко окисляются и поглощают водород, который вызывает охрупчивание (водородная хрупкость).

Титан имеет две полиморфные модификации (рис. 2):

• низкотемпературную модификацию α – Ti, устойчивую до 882°С, (ГП – решетка, а = 0,296 нм, с = 0,472 нм)
• высокотемпературную β – Ti, устойчивую выше 882оС (ОЦК – решетка, а= 0,332 нм).

Рис. 2. Две полиморфные модификации титана: а – αТi (гексагональная плотноупакованная решётка), б – β-Тi (объёмноцентрированная кристаллическая решётка)

Механические свойства титана.

Примечание. 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 приводит к небольшому упрочнению и не сопровождается резким снижением пластичности.

Значительное влияние на механические свойства титана оказывают 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.

Высокая пластичность титана по сравнению с другими металлами, имеющими ГПУ— решетку (Zn, Mg, Cd), объясняется большим количеством систем скольжения и двойникования (рис. 3) благодаря малому соотношению с/а = 1,587. По-видимому, с этим связана высокая хладостойкость титана и его сплавов.

Рис. 3. Схемы систем скольжения и двойникования

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) в зависимости от химического состава и механических свойств выпускают следующих марок: ТГ-90, ТГ-100, ТГ-110, ТГ-120, ТГ-130, ТГ-150, ТГ-ТВ(см. табл.1).

Цифры означают твердость по Бринеллю НВ, ТВ — твердый.

Таблица 1. Марки, химический состав (%) и твердость титана губчатого (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: σв = 375–540 МПа, σ0,2 = 295–410 МПа, δ = 20 %, и по этим характеристикам не уступает ряду углеродистых и Cr—Ni коррозионностойких сталей.

Титан хорошо обрабатывается давлением в горячем состоянии и удовлетворительно в холодном. Он легко прокатывается, куется, штампуется (рис. 4). Титан и его сплавы хорошо свариваются контактной и аргонодуговой сваркой, обеспечивая высокую прочность и пластичность сварного соединения (рис. 5). Недостатком титана является плохая обрабатываемость резанием из-за склонности к налипанию, низкой теплопроводности и плохих антифрикционных свойств.

Рис. 4. Заготовка титанового шпангоута истребителя до и после прессования на штамповочном прессе

Рис. 5. Аргонная сварка титана

Примечание. При сварке титана и его сплавов требуется уделить особое внимание чистоте рабочего места. Для сварочных цехов, где производятся работы с различными металлами, необходимо выделить специальную область, которая будет использоваться специально для сварки титана. Место, отведенное для этого, должно быть защищено от потоков воздуха, влаги, пыли, жира и других загрязнений, которые могут препятствовать качественной сварке. Это место должно быть защищено от воздействия таких процессов, как зачистка, резка и окраска. Кроме того, должна быть под контролем и влажность воздуха.

Фазовые превращения в титановых сплавах

На формирование структуры и, следовательно, свойств титановых сплавов решающее влияние оказывают фазовые превращения, связанные с полиморфизмом титана. В табл.2 представлены схемы диаграмм состояния «титан – легирующий элемент», отражающие подразделение легирующих элементов по характеру влияния на полиморфные превращения титана на четыре группы.

1. α – Стабилизаторы (Al, O, N), которые повышают температуру полиморфного превращения α↔β и расширяют область твердых растворов на основе α –титана. 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.
3. Эвтектоидообразующие β – стабилизаторы (Cr, Mn, Cu и др.) могут образовывать с титаном интерметаллиды типа TiХ. В этом случае при охлаждении β – фаза претерпевает эвтектойдное превращение β + TiХ. 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.

Основной целью легирования титановых сплавов является повышение прочности, жаропрочности и коррозионной стойкости. Широкое применение нашли сплавы титана с алюминием, хромом, молибденом, ванадием, марганцем, оловом и др. элементами. Легирующие элементы оказывают большое влияние на полиморфные превращения титана.

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 во избежание роста зерна. Применяют обычный отжиг, двойной или изотермический (для стабилизации структуры и свойств), неполный (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 β и α с 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.

Таблица 2

Промышленные титановые сплавы.

Титановые сплавы по сравнению с техническим титаном имеют более высокую прочность, в том числе и при высоких температурах, сохраняя при этом достаточно высокую пластичность и коррозионную стойкость.

По технологии изготовления титановые сплавы подразделяются на деформируемые и литейные; по уровню механических свойств — на сплавы невысокой прочности и повышенной пластичности, средней прочности, высокопрочные; по условиям применения — на хладостойкие, жаропрочные, коррозионностойкие. По способности упрочняться термообработкой они делятся на упрочняемые и не упрочняемые, по структуре в отожженном состоянии — на α, псевдо-α, (α + β), псевдо-β и β –сплавы (табл.3).

Таблица 3

Дефармируемые титановые сплавы

Титановые сплавы невысокой прочности и повышенной пластичности

К этой группе относятся сплавы с пределом прочности σ ≥ 700 МПа, а именно: α – 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. (рис. 6).

Рис. 6. Изделия из титановых сплавов

Ковка, объемная и листовая штамповка, прокатка, прессование производятся в горячем состоянии. Окончательная прокатка, листовая штамповка, волочение и другие операции производятся в холодном состоянии.

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 (рис. 7), в химическом машиностроении, криогенной технике (высокая ударная вязкость сохраняется до –253oС), (табл. 4), а также в узлах и конструкциях, работающих при температурах до 300–350 ° С.

Рис. 7. Применение титановых сплавов в авиационно-космической технике

Таблица 4 Механические характеристики титановых сплавов при низких температурах

Титановые сплавы средней прочности

К этой группе относятся сплавы с пределом прочности σв = 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. Классификация и химический состав этих сплавов смотри табл. 5.

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 (для сплавов ВТ20 и ВТ6С это соотношение составляет 0,9– 0,95). После сварки рекомендован неполный отжиг для снятия внутренних сварочных напряжений.

Таблица 5

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 ёмкостей высокого давления (рис. 8). 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.

Рис. 8. Изделия из титановых сплавов ВТ6С Высокопрочные титановые сплавы

К этой группе относятся сплавы с пределом прочности σв ≥ 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 σв > 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 (σв ≥ 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.

Термическая обработка. Сплавы ВТ3-1, ВТ6, ВТ6С, ВТ14, ВТ22 подвергаются закалке и старению. Рекомендуемые режимы нагрева под закалку и старение для монолитных изделий, полуфабрикатов и сварных деталей приведены в табл. 6.6.

Охлаждение при закалке производится в воде, а после старения — на воздухе. Полная прокаливаемость обеспечивается для деталей из сплавов ВТ6, ВТ6С с максимальным сечением до 40 – 45 мм, а из сплавов ВТ3-1, ВТ14, ВТ22 — до 60 мм.

Для обеспечения удовлетворительного сочетания прочности и пластичности сплавов с (α + β) – структурой после закалки и старения необходимо, чтобы их структура перед упрочняющей термической обработкой была равноосной или «корзиночного плетения». Примеры исходных микроструктур, обеспечивающие удовлетворительные свойства, приведены на рис. 9.

Таблица 6. Режимы упрочняющей термической обработки титановых сплавов

Рис. 9. Структура ВТ14 сплава перед упрочняющей термообработки

Применение. Высокопрочные титановые сплавы применяются для изготовления деталей и узлов ответственного назначения: сварные конструкции (ВТ6, ВТ14) рис. 10, 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.

Рис. 10. Сварная конструкция из ВТ14 сплава

Литейные титановые сплавы

Титановые литейные сплавы подразделяется на 5 групп в зависимости от микроструктуры (α – сплавы, псевдо α – сплавы, α + β сплавы, псевдо β – сплавы, β – сплавы).

В состав титановых сплавов входят алюминий, ванадий, молибден, кремний, хром, цирконий и др. Эти сплавы обладают свойствами, выгодно выделяющих их из остальных сплавов: по прочности они не уступают сталям, имеют достаточно низкую плотность (~4,5 г/мм3), высокую химическую стойкость при температуре до 500 °С, высокую коррозионную стойкость во влажном воздухе, морской воде, азотной и соляной кислоте. Благодаря этим свойствам титановые сплавы интенсивно внедряются в авиа-, ракета- и кораблестроении.

В справочной литературе приводятся химический состав и механические свойства восьми литейных титановых сплавов – ВТ1Л, ВТ5Л, ВТ20Л, ВТ3-1Л, ВТ6Л, ВТ9Л, ВТ14Л, ВТ22Л, где буква В означает наименование организации-разработчика (ВИАМ), Т – титановый сплав, Л – литейный, цифра – номер сплава. Упоминается и новый сплав ВТ35Л.

Титановые сплавы обладают хорошей жидкотекучестью (460–520 мм), небольшой линейной (0,8–1,2 %) и объемной (2,4–3,2%) усадкой.

Сплав ВТ3-1Л относится к числу наиболее освоенных в производстве (рис. 11).

Прочность титановых сплавов σв = 34…93 кг/мм2, пластичность δ = 4–10%.

Главный недостаток титановых литейных сплавов – высокая температура плавления (до 1665 °С) и активное взаимодействие (при плавке) со всеми газами и огнеупорными материалами. Отсюда – проблема плавки (вакуумная, в атмосфере нейтральных газов) и материалов для литейных форм, что резко удорожает технологические процессы литья.

Рис. 11. Детали из титана марки ВТ3-1Л
313

Сферы применения

Идеальный материал для многих отраслей, в которых требуется низкий вес, высокая прочность и длительный срок службы. Широко используются:

• в авиации, ракетостроении и космической технике. В авиастроении из титана изготавливают изделия сложной пространственной конфигурации, места для высоконагруженных узлов и агрегатов, а также части двигателя. В космической индустрии особо распространен титановый сплав с никелем;
• судостроении. Незаменим для обшивки, производства деталей насосов и трубопроводов. Малая плотность позволяет значительно снизить массу корабля, при этом улучшаются маневренность и дальность хода. Благодаря высокой коррозионной устойчивости обшивка не требует покраски, а корпус десятилетиями не ржавеет и не разрушается в соленой воде;
• машиностроении — в химическом, тяжелом, энергетическом и транспортном, для легкой, пищевой промышленности и бытовых приборов. Выпускаемое оборудование условно делят на специализированное серийное и нестандартное (для нужд конкретного машиностроительного завода);
• черной металлургии — оборудование для коксохимических, металлургических, сталеплавильных и ферросплавных производств;
• цветной металлургии — занимает второе место среди гражданских отраслей промышленности. Наибольшее распространение получило на предприятиях кобальтово-никелевой и титано-магниевой промышленности, а также в производстве меди, цинка, свинца, ртути и других металлов;
• целлюлозно-бумажной и пищевой промышленности. Материал обеспечивает надежную защиту от коррозии, а также отвечает высоким санитарно-гигиеническим требованиям пищевых производств;
• медицинской промышленности. Коммерчески чистый титан и Тi6-4Eli используют в производстве хирургического инструмента, внутренних и внешних протезов, костылей и инвалидных колясок.

Титановая промышленность

В мире имеется порядка одного миллиарда тон подтверждённых запасов титана. Хотя титан бал обнаружен в XVIII веке, в XIX веке был выделен в чистом виде, промышленные обороты производство титана приняло только в XX веке. Титановая промышленность и основные запасы титановых руд сосредоточены в КНР, России, США, Японии, Казахстане и Украине. С сохранением темпов расходования ресурсов титана, запасов Ti хватит ещё примерно на 150 лет. Для наглядности нами приведена сводка по титановой промышленности за 1996-2001 годы.

Титановая промышленность в России набирает обороты, ВСМПО-Ависма является одним из ведущих производителей в этой отрасли. Опыт этого предприятия весьма интересен и наглядно описывается в статье журнала Forbes — «Титаническое производство: как работает крупнейший производитель титана в мире». В этой статье говориться о том, что ВСМПО располагает двумя заводами вблизи Уральского хребта. ТГ — титановая губка производится в Березняках Пермского края, а заготовки в виде слитков и других полуфабрикатов производят в Верхней Следе.

На заводе, где из титана изготавливают детали, работает порядка 100 человек в три смены. Продукция производится по передовым технологиям, с применением дорогостоящих станков и автоматов, стоимость каждого составляет порядка 5 млн $. Станки доставлены из США, с согласия самого президента — Барака Обамы. Продукция заводов пользуется спросом по всему миру. На этом предприятии изготавливают детали для болидов формулы-1, продукции Boeing, Airbus и других.

Особенности термообработки

Проводится для повышения эксплуатационных качеств. В зависимости от химического состава и назначения сплавы подвергают:

• отжигу. Является одним из самых распространенных видов термообработки и при образовании гетерофазных структур обеспечивает достаточную прочность. Различают несколько видов отжига:
  рекристаллизационный — температура 520–850 °С. Ее показатели увеличиваются для легирующих элементов. Также на температуру влияет вид полуфабриката — более высокая для прутков, поковок, штамповки и более низкая для листов;
• с фазовой перекристаллизацией — температура нагрева зависит от сплава и составляет 750–950 °С. Таким образом, снижают твердость, повышают пластичность, добиваются измельчения зерна и устранения структурной неоднородности;

Особенности титановых сплавов и их получения

Общие особенности, которые имеют марки титана:

• немагнитность (отсутствие реакции на воздействие магнитного поля или его создание);
• прочность в сочетании с низкой плотностью, дающие небольшой вес и поразительную хладостойкость (последнее свойство даёт «зелёный свет» применению титана в условиях постоянного и сильного холода);
• технологичность в процессе прессования (благодаря этому сплав используется, как заготовка для обработки прессом);
• высокая коррозионная стойкость (сплав настолько хорошо выдерживает высокую влажность, что может применяться даже в воде).

Сплав проявляет свои механические свойства в зависимости от содержания внутри него таких веществ, как водород, азот, кислород и углерод. Именно они образуют с титаном, основным элементов сплава, твёрдые соединения, называемые в химии нитритами, оксидами, гидридами, карбидами. Так, повышение содержания перечисленных элементов влияет на сплав в сторону увеличения плотности, твёрдости и уменьшения пластичности, способности подвергаться сварке (штамповке и пайке) либо противостоять коррозии. Сплав при большом содержании водорода значительно увеличивает свою хрупкость.

Метод изготовления сплава из титана зависит от той разновидности материала, которую необходимо получить на выходе. Например, чистейший йодный титан-сплав можно произвести путём диссоциации термического типа, в которой участвует четырёхйодистый сплав, либо применяется способ зонной плавки. Однако, благодаря невысокому модулю упругости титана, изготовление жёстких конструкций из данного составного вещества становится затруднительным, поэтому не производится.

Интерметаллические сплавы титана

Сегодня увеличивается потребность в принципиально новых конструкционных материалах. Например, упрочненные жаропрочные сплавы уже не могут в полной мере удовлетворить требованиям авиакосмической техники. Из интерметаллических сплавов титана наиболее широкое применение нашли:

Достоинства и недостатки

Как и у любого другого металла, у титана есть сильные и слабые стороны. К преимуществам относятся:

• малый вес;
• коррозийная стойкость;
• устойчивость к воздействию высоких температур;
• высокая прочность — больше, чем у лучших образцов стали.

Недостатки:

1. Пыль и стружка, остающаяся после обработки титановых заготовок, может воспламенится при температуре в 400 градусов.
2. Этот металл плохо сваривается и практически не поддаётся резке.
3. Затратный способ получения металла из руды обуславливает его высокую стоимость.

Однако, несмотря на имеющиеся минусы, материал и его сплавы широко распространены в различных отраслях производства.

Малый вес

Конструкционные высокопрочные ТС

Предел прочности σв > 1000 МПа марок ВТ6, ВТ14, ВТ3-1, ВТ22, ВТ23М. Отличаются удовлетворительной свариваемостью всеми видами сварки. Данные сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью в отожженном и термически упрочненном состояниях во влажной атмосфере, морской воде, во многих других агрессивных средах.

Кроме того, сферы применения всегда будут требовать повышения их эксплуатационных свойств за счет новых термических и термомеханических обработок. Среди наиболее перспективных можно назвать ВТ23М. Он сочетает в себе высокую прочность, трещиностойкость как основного материала, так и сварных соединений. Во многом превосходит зарубежные аналоги по свойствам и стоимости за счет уменьшенного содержания молибдена и ванадия, исключения олова и циркония. Из него изготавливают все виды прокатных, кованых, прессованных полуфабрикатов, а также монолитные, сварные и паяные конструкции.

Свойства и применение титановых сплавов

Ниже представлен обзор наиболее часто встречающихся титановых сплавов, которые делятся на классы, их свойства, преимущества и промышленные применения.

7 класс

Класс 7 механически и физически эквивалентен классу 2 чистого титана, за исключением добавления промежуточного элемента палладия, что делает его сплавом. Он обладает превосходной свариваемостью и эластичностью, наиболее коррозионной стойкостью из всех сплавов этого типа.

Класс 7 используется в химических процессах и компонентах производственного оборудования.

11 класс

Класс 11 очень похож на класс 1, за исключением добавления палладия для повышения коррозионной стойкости, что делает его сплавом.

Другие полезные свойства включают оптимальную пластичность, прочность, ударную вязкость и отличную свариваемость. Этот сплав можно использовать особенно в тех случаях, когда коррозия вызывает проблемы:

• химическая обработка;
• производство хлоратов;
• опреснение;
• морские применения.

Ti 6Al-4V, класс 5

Сплав Ti 6Al-4V, или титан 5 класса, наиболее часто используется. На его долю приходится 50% общего потребления титана во всём мире.

Удобство использования заключается в его многочисленных преимуществах. Ti 6Al-4V может подвергаться термообработке для повышения его прочности. Этот сплав обладает высокой прочностью при малой массе.

Это лучший сплав для использования в нескольких отраслях промышленности, таких как аэрокосмическая, медицинская, морская и химическая перерабатывающая промышленность. Его можно использовать при создании:

• авиационных турбин;
• компонентов двигателя;
• конструктивных элементов самолёта;
• аэрокосмических крепёжных изделий;
• высокопроизводительных автоматических деталей;
• спортивного оборудования.

Ti 6AL-4V ELI, класс 23

Класс 23 — хирургический титан. Сплав Ti 6AL-4V ELI, или класс 23, является версией более высокой чистоты Ti 6Al-4V. Он может быть изготовлен из рулонов, нитей, проводов или плоских проводов. Это лучший выбор для любой ситуации, когда требуется сочетание высокой прочности, малой массы, хорошей коррозионной стойкости и высокой вязкости. Он обладает превосходной устойчивостью к повреждениям.

Он может использоваться в биомедицинских применениях, таких как имплантируемые компоненты из-за его биосовместимости, хорошей усталостной прочности. Его также можно использовать в хирургических процедурах для изготовления таких конструкций:

• ортопедические штифты и винты;
• зажимы для лигатуры;
• хирургические скобы;
• пружины;
• ортодонтические приборы;
• криогенные сосуды;
• устройства фиксации кости.

12 класс

Титан класса 12 обладает отличной высококачественной свариваемостью. Это высокопрочный сплав, который обеспечивает хорошую прочность при высоких температурах. Титан класса 12 обладает характеристиками, подобными нержавеющим сталям серии 300.

Его способность формироваться различными способами делает его полезным во многих приложениях. Высокая коррозионная стойкость этого сплава также делает его неоценимым для производственного оборудования. Класс 12 можно использовать в следующих отраслях:

• теплообменники;
• гидрометаллургические применения;
• химическое производство с повышенной температурой;
• морские и воздушные компоненты.

Жаропрочные Ti-сплавы

В 60-х гг. 20 века отечественные специалисты разработали, среди прочих, новые титановые сплавы ВТ3-1, ВТ8, ВТ8-1, ВТ8М-1, ВТ9, ВТ25У, ВТ18У. В настоящее время они уступают лучшим зарубежным сплавам IMI834 и Ti1100 только по сопротивлению ползучести и при температурах выше 500 °С. Отечественный ВТ-25 обладает прочностными показателями до 1150 МПа и достигает пика своих свойств при температуре 550 °С. При этом одним из самых лучших наших сплавов, используемых в промышленности, можно назвать ВТ-18. Он обладает самыми прочностными свойствами при температуре 600 °С.

Следует отметить, что перспектив повышения жаропрочности Ti-сплавов остается крайне мало. Это связано с тем, что при температуре 620 °С механизм окисления альфа-фазы титана кардинально меняется. Свойства ухудшаются за счет проникновения кислорода через оксидную пленку в толщу металла. А область применения защитных покрытий еще только предстоит изучить. Сейчас основной поиск жаропрочных соединений все более смещается в сторону титановых интерметаллидов.

Особенности производства

Производство титана является сложным, длительным и дорогостоящим процессом. Элемент образует химические соединения и твердые растворы со многими металлами, поэтому при создании требует особых условий.

Среди наиболее распространенного сырья для получения титана выделяют титано-магнетитовые руды, из которых получают ильменитовый концентрат. Процесс занимает несколько этапов:

• получение титанового шлака восстановительной плавкой. В электродуговую печь загружают концентрат и восстановитель. Производят нагрев до 1650 градусов Цельсия. Из восстановленного и науглероживающегося железа образуется чугун, а оксид титана переходит в шлак, который содержит 82—90% TiO2;
• получение тетрахлорида титана хлорированием. Проводят в шахтных хлораторах непрерывного действия или в солевых хлораторах. Газообразный хлор воздействует на TiO2 при температурах 700–900 °С;
• производство титана (губки, порошка) восстановлением из тетрахлорида. Для этого используют магний или натрий.

Полезные советы от команды «МАЗПРОМа»

Хотели бы обратить ваше внимание на несколько моментов при выборе титанового проката.

1. В связи со сложными и энергозатратными технологическими процессами время производственного цикла титанового листа составляет около 90 дней. Поэтому если вы сталкиваетесь с тем, что компания предлагает вам приобрести любые марки и размеры, а в наличии указаны тысячи тонн, то не спешите этому верить. Конечно, при имеющихся на производстве заготовках срок может быть сокращен примерно до одного месяца.
2. Обязательно проверьте перед покупкой возраст материала. Хотя титан и сохраняет все свойства на протяжении долгого времени, рекомендуется, чтобы он был не старше 10 лет. Дело в том, что до сих пор в продаже встречается металл, который был изготовлен еще в 1980-х гг. Хорошо еще, если он был на хранении у одного из оборонных предприятий, которое потом реализовало его на рынке как неликвид. Гораздо опаснее купить прокат, который мог уже использоваться ранее. Например трубы, листы срезают с теплообменников, которые уже вышли из употребления. Опасность кроется не только в различных дефектах, но и возможном высоком уровне радиации.
3. Чтобы точно быть уверенным в качестве продукции, запрашивайте образец для предварительной проверки.

При обращении к нам вы получаете титановый прокат, полностью соответствующий действующим ГОСТам и ТУ. Для консультации обратитесь по указанному на сайте телефону.