3.9.Сплавы на основе титана, никеля

Титан имеет две аллотропические модификации: низкотемпературную модификацию -Ti (ГПУ-решетка), устойчивую до 882 С, и высоко-температурную модификацию -Ti (ОЦК-решетка), устойчивую выше 882 С. Титан, как алюминий и магний, относится к легким металлам, его плотность равна 4,5 г/см³. Температура плавления титана довольно высокая – 1668 С. Титан – химически активный металл, но обладает высокой коррозионной стойкостью, так как на его поверхности образуется стойкая защитная оксидная пленка TiO₂. Благодаря этому, титан и его сплавы не корродируют в атмосфере, пресной и морской воде, а также во многих агрессивных средах.

При высоких температурах, особенно в расплавленном состоянии, титан химически очень активен и взаимодействует со всеми компонентами воздуха и огнеупорными материалами, что создает большие трудности при плавке и горячей обработке. Поэтому выплавку титана и его сплавов, а также изготовление отливок производят в вакууме, дуговую сварку – в атмосфере инертных газов, отжиг – в защитной атмосфере или с применением защитных покрытий. Титан и его сплавы хорошо обрабатываются давлением, свариваются аргонодуговой и точечной сваркой. Из-за малой теплопроводности титан и его сплавы плохо обрабатываются резанием, налипают на инструмент, поэтому для обработки титановых сплавов требуются инструменты из быстрорежущей стали и твердых сплавов. По удельной прочности в интервале температур 250–600 С титановые сплавы не имеют себе равных, но выше 600 С – уступают сплавам на основе железа и никеля. Титановые сплавы обладают высокой прочностью и удельной прочностью не только при температуре 20–25 С, но и в условиях глубокого космического холода.

Уникальное сочетание свойств титановых сплавов обуславливает их широкое использование в авиационной и космической технике, судостроении, химической промышленности, криогенной технике.

В зависимости от влияния элементов на стабильность - и -фаз, различают три группы легирующих элементов: -стабилизаторы Al, O, N, H, -стабилизаторы V, Mo, W, Nb, Cr, Ni, Co, и нейтральные элементы Zr, Sn. Алюминий является основным легирующим элементом и присутствует практически во всех титановых сплавах, повышая прочность, жаропрочность, снижая их плотность. Особенно вредными для титана являются примеси кислорода, азота, водорода и углерода, образующие твердые растворы внедрения в обеих модификациях титана. Поэтому они названы примесями внедрения. Их отрицательное действие усугубляется тем, что они образуют также хрупкие оксиды, карбиды, нитриды и гидриды. Примеси внедрения очень сильно снижают пластичность сплавов и их свариваемость, повышают твердость и прочность, ухудшают сопротивление коррозии. Поэтому допустимое содержание примесей жестко ограничено концентрациями 0,008 – 0,15 % (индивидуально для каждой примеси).

Технический титан маркируют в зависимости от содержания примесей: ВТ1-0 и ВТ1-00 (сумма примесей не более 0,55 % и 0,40 % соответственно). Маркировка титановых сплавов состоит из букв ВТ, ОТ, АТ и числа, не связанного с химическим составом, а обозначающего условный номер сплава. (Буквы, как правило указывают на организацию – разработчика сплава).

В соответствии с принятой в настоящее время классификацией по структуре в отожженном состоянии различают 4 группы сплавов:

1) -сплавы, структура которых представлена стабильной -фазой, ВТ1-0, ВТ5, ВТ5-1;

2) псевдо--сплавы, структура которых наряду со стабильной -фазой содержит до 5 % -фазы, ОТ4-1, ВТ4, ВТ18, ВТ20;

3) двухфазные ()-сплавы, это основная группа промышленных сплавов, ВТ6, ВТ3-1, ВТ9, ВТ16, ВТ22, ВТ23;

4) -сплавы со стабильной -структурой, ВТ15, ВТ32.

По назначению выделяют:

– конструкционные сплавы общего назначения;

– жаропрочные сплавы, они предназначены для работы при температурах 450-700 °С;

– коррозионностойкие сплавы;

– сплавы криогенного назначения.

По прочности сплавы условно разбивают на группы:

– малопрочные сплавы, _В  500 МПа – ВТ1, ОТ4-1;

– сплавы средней прочности, _В от 500 до 1000 МПа – ВТ5-1, ВТ4, ВТ16, ВТ20;

– высокопрочные сплавы, _В  1000 МПа – ВТ14, ВТ22, ВТ23, ВТ15;

– жаропрочные титановые сплавы, _В1000–1500 МПа – ВТ3-1, ВТ9, ВТ18, ВТ25.

Химический состав и механические свойства наиболее распространенных деформируемых сплавов приведены в табл. 3.9.

Классификация и химический состав литейных титановых сплавов соответствуют аналогичным маркам деформируемых сплавов; в конце марки литейного сплава добавляют букву Л. Наиболее широко в качестве литейных применяют сплавы ВТ1Л, ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ20Л, ВТ9Л. Свойства сплавов в литом состоянии близки к свойствам деформированных полуфабрикатов по показателям прочности, заметно ниже по показателям пластичности и ударной вязкости и существенно уступают по сопротивлению усталостному разрушению.

Уникальный комплекс свойств и очень высокая стоимость первых промышленных партий титана привели к тому, что он был сразу же признан военно-стратегическим металлом и направлен на изготовление деталей и узлов военной техники. Американская печать долгое время именовала его «War baby» - дитя войны. Из сплавов титана изготавливают обшивку самолетов, морских судов и подводных лодок, корпуса ракет и двигателей, диски и лопатки стационарных турбин и компрессоров авиационных двигателей, гребные вины, оборудование химической промышленности. Титан используют в медицине: благодаря полной биологической совместимости с тканями человеческого организма из титановых сплавов можно изготавливать протезы суставов, электронные стимуляторы. Применение титановых сплавов сдерживается их сравнительно высокой стоимостью. Но совершенствование технологических процессов получения и обработки приводит к снижению стоимости титановых сплавов и открывает широкие перспективы их применения.

Таблица 3.9