2 Титан и его сплавы

2.1 Свойства титана

Титан – имеет серебристо-белый цвет, металл IV группы периодической системы Д. И. Менделеева с атомным номером 22, относящийся к переходным элементам, модуль упругости у титана низкий – почти в два раза меньше, чем у железа и никеля. Коэффициент теплопроводности составляет 18,85 Вт/(м·К), почти в 13 раз ниже, чем у алюминия и в 4 раза ниже, чем у железа. Титан обладает большим удельным электросопротивлением, которое в зависимости от содержания примесей колеблется в пределах от 0,0042 до 0,008 Ом м. Титан – металл парамагнитный. Свойства технического титана приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 - Свойства технического титана

Свойства	99,6 Ti	93,9 Ti
Атомная масса	47,9	47,9
Плотность, г/см^3	4,5	4,5
Температура плавления, ^0С	1660	1720
Температура кипения, ^0С	5100	5100
Коэффициент линейного расширения (20-600 ^0С), 1/^0С	8,2•10^-6	8,2•10^-6
Предел прочности , Н/мм^2	500-560	300
Предел текучести , Н/мм^2	450-500	190-300
Удлинение , %	25-40	40
Поперечное сужение , %	55	61
Твердость по Бринелю НВ, Н/мм^2	1200-2000	1100-1200
Модуль нормальной упругости Е, кН/мм^2	115	–

Титан – твердый металл, он в 12 раз тверже алюминия, в 4 раза – железа и меди. Необходимо подчеркнуть высокую коррозионную стойкость титана и его сплавов по отношению к действию морской воды, влажного воздуха и азотной кислоты превосходящую стойкость нержавеющей хромоникелевой стали. Титан по распространенности в земной коре занимает среди конструкционных металлов 4 место, уступая лишь алюминию, железу и магнию.

Удельная прочность высокопрочных титановых сплавов выше, чем у максимально прочных сталей. Сплавы титана удовлетворительно обрабатываются, прокатываются и штампуются при обычных температурах, хорошо свариваются. Высокопрочные титановые сплавы по абсолютной прочности уступают высокопрочным сталям, но вследствие небольшой плотности титана их удельная прочность оказывается выше, чем у максимально прочных сталей. Преимущество титановых сплавов в определенном диапазоне температур иллюстрирует рисунке 2.1.

К недостаткам титана относятся высокая стоимость производства, низкий модуль упругости, активное взаимодействие при высоких температурах со всеми атмосферными газами, склонность титана к водородной хрупкости.

1 - титановые сплавы;

2 - сталь и никелевые сплавы;

3 - бериллий;

4 - алюминиевые сплавы

Рисунок 2.1 - Зависимость относительной прочности различных материалов от температуры:

Технология плавки титановых сплавов – вакуумно-дуговой переплав.

Основную долю титановых полуфабрикатов получают обработкой давлением. В среднем на готовую деталь, изготовленную из деформированного титанового сплава, расходуется лишь 16 %. Это означает, что соотношение между весом затраченного титана и титана, воплощенного в конструкцию составит 6,67, что представляет огромную потерю материала. Повышение коэффициента использования материала (КИМ), снижение металлоемкости конструкции, уменьшение отходов при механической обработке деталей из титановых сплавов может быть получено при использовании метода порошковой металлургии, в особенности в ее новом гранульном варианте. Порошковая металлургия дает возможность получить почти готовые детали, обеспечивает более высокую однородность материала и открывает потенциальные возможности получения новых сплавов и новых типов микроструктур.

Титан имеет две полиморфные модификации: низкотемпературную модификацию –Ti, устойчивую до 882 ⁰С, (ГП – решетка с периодами а = 0,296 нм, с = 0,472 нм) и высокотемпературную –Ti, устойчивую выше 882 ^оС (ОЦК решетка с периодом а = 0,332 нм).

Технический титан маркируют в зависимости от содержания примесей BT1–0 (сумма примесей < 0,55 %), BT1–00 (сумма примесей < 0,398 %). Методом зонной плавки или методом термической диссоциации четырех иодидного титана получают чистейший иодидный титан (сумма примесей < 0,1 %).

Путем легирования могут быть созданы сплавы с высокими механическими свойствами; небольшой коэффициент расширения облегчает применение его в условиях резкого изменения температур. Жаростойкость увеличивается путем легирования хромом, алюминием и крем ем. После азотирования или поверхностного упрочнения детали из титана хорошо работают в условиях трения.

На механические свойства титана значительно влияют 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 (таблица 2.2).

Таблица 2.2 - Свойства титана при разных температурах

t, ^оС	+ 20	– 70	– 196
в, МПа	600 – 700	800 – 900	1000 – 1200
, %	20 – 30	10 – 5	3 – 10

Достоинства титана определяют его перспективность во многих областях техники.