2.2 Классификация и свойства некоторых титановых сплавов

Сплавы титана делятся на три группы в зависимости от стабильности структуры при нормальной температуре:

• –сплавы - ВТ1-00, ВТ1-0, ВТ5, ВТ5-1, ПТ-7М;

• ( + )–сплавы (двухфазные сплавы) - ВТ6С, ВТ6, ВТ14, ВТ8, ВТ9, ПТ-3В, ВТ3-1, АТ3;

• –сплавы - 4201*.

Средний химический состав, % и механические свойства деформируемых титановых сплавов приведен в таблице 10 (примечание: свойства сплавов* приведены после закалки и старения. Свойства псевдо--сплавы после старения, остальных—в отожженном состоянии).

Основные легирующие элементы

Аl – повышает удельную прочность сплава, жаропрочность, модуль упругости, уменьшает склонность к водородной хрупкости. Содержание алюминия в титановых сплавах ограничено до 7,0 % из-за уменьшения технологической пластичности.

Sn и Zr – нейтральные упрочнители, повышающие термическую стабильность, увеличивающие предел ползучести, прочность при низких и средних температурах, понижающие склонность к хладноломкости и улучшающие свариваемость.

W и Мо – введение их наряду с алюминием создает возможность создания жаропрочных титановых сплавов с высокими рабочими характеристиками.

Nb – повышает стабильность поверхности, увеличивая жаростойкость при высоких температурах.

Si – повышает сопротивление ползучести, ограничивая подвижность дислокаций, и увеличивает прочность при всех температурах.

С, Si, О, N, Н и Fe считаются вредными примесями в титановых сплавах.

Средний химический состав, % и механические свойства деформируемых титановых сплавов приведен в таблице 2. 3. Предел прочности титановых сплавов в зависимости от температуры и сравнительные значения длительной прочности и предела ползучести жаропрочных титановых сплавов приведины на рисунках 2.2 и 2.3 соответственно.

2.3 Применение титановых сплавов

Свойства титана и его сплавов определяют широкие возможности их применения в авиастроении.

Особенно выгодно применять титановые сплавы в условиях нагрева до температур 300—600°С; в этом интервале алюминиевые и магниевые сплавы не могут быть использованы в связи с низкой прочностью, а стали нецелесообразно применять вследствие их большой плотности.

Сегодня самолеты становятся еще более титаноемкими. Это связано с тем, что в новых авиалайнерах увеличивается доля композиционных материалов, с которыми алюминий активно взаимодействует и коррозирует. Титан не подвержен таким процессам и увеличивает ресурс комплектующих изделий.

Три основных направления использования титана в авиастроении (рисунок 2.4):

1. для изготовления изделий сложной пространственной формы:

• окантовки люков и дверей, где возможно скопление влаги (используется высокая коррозионная стойкость титана);

• обшивки, на которые действует струя продуктов сгорания двигателя, огнеблокирующие противопожарные перегородки (используется высокая температура плавления и химическая инертность титана);

• тонкостенные трубопроводы воздушной системы (используется минимальный из всех металлов коэффициент термического расширения титана);

• настил пола грузовой кабины (используется высокая прочность и твердость);

2. для изготовления ответственных высоконагруженных узлов и агрегатов:

• стойки шасси;

• силовые элементы (кронштейны) механизации крыла;

• гидроцилиндры;

3. изготовление частей двигателя:

• лопаток и дисков компрессоров;

• воздухозаборников;

• роторов;

• корпусов компрессоров.

Таблица 2.3 – Средний химический состав, % и механические свойства деформируемых титановых сплавов

Сплав	AI	Mn	V	Mo	Cr	Прочие	, МПа	,%	KCU, МДж/м
-сплавы
ВТ5	5	—	—	—	—	—	700...900	10...15	0,45…0,6
ВТ5-1	5	—	—	—	—	2,5Sn	750...950	10...15	0,5...0,8
Псевдо--сплавы
ОТ4	3	1,5	—	—	—	—	700...900	10…15	0,5 ... 1,0
ОТ4-2	6	1,5	—	—	—	—	1000...1200	12...20	0,4 ... 0,8
ВТ18	7,5	—	—	1,0	—	11Zr	1100	9	0,2 ... 0,4
ВТ20	6,5—7,0		1—2,0	1—1,8	—	1INb	950...1100	8…10	—
						0,3Si
						2Zr
-сплавы
ВТ6*	6	—	4	—	—	—	1100…1150	15	0,4...0,8
ВТ8*	6,5	—	—	3,5	—	0,3Si	1100…1250	10…15	0,2...0,6
ВТ9*	6,5	—	—	3,5	—	2Zr	1100…1300	8…14	0,2...0,5
						0,2Si
						0,2Fe
ВТ 14*	5,5	—	1	3,0	—	—	1150…1400	6...10	0,3
ВТ16*	2,5	—	4,5	4,5	—	—	1250...1450	4...6	0,4...0,6
ВТ22*	5,0	—	5,0	5,0	1	1Fe	1200...1600	4...12	0,3
ВТЗ-1	6,0	—	—	2,5	2	1Fe	1000…1200	10…16	0,3...0,6
Псевдо--сплавы
ВТ15	3	—	—	8	11	—	1300...1500	6	0,25
ВТЗ0	—	—	—	11	—	4,5Sn	1400...1500	7…11	—
-сплавы
ТС6	3	—	6	5	11	—	—	—	—
4201	—	—	—	33	—	—	860...900	16	0,8

Рисунок 2.2 - Предел прочности титановых сплавов в зависимости от температуры

Рисунок 2.3 - Сравнительные значения длительной прочности () и предела ползучести () при 500 и 600 °С жаропрочных титановых сплавов.

Из титановых сплавов в самолетах изготавливают: элероны, панели и поворотные узлы крыльев, стенки лонжеронов, панели, кронштейны, рули, решетки клина, каналы воздухозаборника, трубопроводы, шпангоуты, предкрылки и закрылки, гидросистемы, крепеж и ряд других деталей.

В самолетостроении высокотемпературные титановые сплавы применяют на передних кромках плоскостей сверхзвуковых самолетов, так как более дешевый алюминий теряет свою прочность вследствие аэродинамического нагрева; в деталях горизонтального хвостового оперения.

Титановые сплавы применяют для изготовления горячих секций планера, шпангоутов, фюзеляжа, смотровых панелей, соплового аппарата самолетов вертикального взлета.

Титан применяется в авиационной электронике. Напыление титана на поверхность электровакуумных приборов позволяет сохранять высокий вакуум. Здесь используется высокая газопоглощающая способность титана при нагревах выше 400 °С.

1 - передняя кромка крыла;

2 - элерон;

3 - конус;

4 - передняя кромка стабилизатора

Рисунок 2.4 - Детали самолета, изготовляемые из титановых сплавов

Титан получает все большее применение при постройке самолетов F-86 и F-100. В будущем из титана будут делать створки шасси, трубопроводы гидросистем, выхлопные патрубки и сопла, лонжероны, закрылки, откидные стойки и т. д.

Титан можно применять для изготовления броневых плит, лопастей пропеллера и снарядных ящиков.

В настоящее время титан применяется в конструкции самолетов военной авиации Дуглас Х-3 для обшивки, Рипаблик F-84F, Кертисс-Райт J-65 и Боинг В-52.

Применяется титан и при постройке гражданских самолетов DC-7. Фирма «Дуглас» заменой алюминиевых сплавов и нержавеющей стали титаном при изготовлении мотогондолы и противопожарных перегородок уже добилась экономии в весе конструкции самолета около 90 кг. В настоящее время вес титановых деталей в этом самолете составляет 2%, причем эту цифру предусматривается довести до 20% общего веса самолета.

Обычно для изготовления шассийных детелей заказывают титановые прутки, титановую проволоку, которые получают путем перекова и перекатки титановых слитков в титановый пруток, титановый лист, титановая проволока титановая труба, титановый сляб, следующих марок ВТ6, Ti6AL-4V, ВТ20, ВТ22, ВТ23, ОТ4, ОТ4-1, ОТ4-0, ВТ1-0, ВТ1-00, ВТ8, ВТ9, ВТ25, ВТ14, ВТ15, 2В, 3М, ВТ16, ВТ3-1, ВТ5, ВТ5-1, ПТ3В, СП3В, ПТ7М, ПТ1-М, Grade1, Grade2, Grade5, ВТ18, ВТ18У, Сплав14, Сплав19, Сплав27, Сплав40, Сплав37, Сплав ТС6, АТ3, АТ6.

Наиболее подходящими марками титановых прутков, титановых листов Из титановых сплавов в самолетах изготавливают: элероны, панели и поворотные узлы крыльев, стенки лонжеронов, панели, кронштейны, рули, решетки клина, каналы воздухозаборника, трубопроводы, шпангоуты, предкрылки и закрылки, гидросистемы, крепеж и ряд других деталей.

для деталей фюзеляжа, шасси самолета используют титановые сплавы ВТ6, ВТ6С или по ASTM Ti6AL4V и Grade-5.

Титановые прутки марок ВТ6, Ti6AL-4V, ВТ20, ВТ22, ВТ23, ОТ4, ОТ4-1, ОТ4-0, ВТ1-0, ВТ1-00, ВТ8, ВТ9, ВТ25, ВТ14, ВТ15, 2В, 3М, ВТ16, ВТ3-1, ВТ5, ВТ5-1, ПТ3В, СП3В, ПТ7М, ПТ1-М, Grade1, Grade2, Grade5, ВТ18, ВТ18У, Сплав14, Сплав19, Сплав27, Сплав40, Сплав37, Сплав ТС6, АТ3, АТ6, которые используются для изготовления основных и второстепенных узлов и механизмов летательных аппаратов и обладают повышенной износостойкостью, карозионной стойкостью и высокой прочностью.

За последние годы разработаны новые сплавы – ВТ25У, ВТ36, ВТ8-1 (модификация сплава ВТ8 для дисков компрессора), ВТ8М и ВТ8М-1 (последовательные модификации сплава ВТ8 для лопаток компрессора), а также освоены хорошо известные старые сплавы ВТ22 и ВТ6 для применения в авиадвигателях.

Титановые сплавы, работающие в двигателе при аналогичных температурных условиях:

• сплавы для изготовления деталей вентилятора и компрессора низкого давления (для температур до 300-350°С) - ВТ6 с Тi64, IМI318; ВТ22 с Тi6246, Тi-17;

• сплавы для производства деталей компрессора высокого давления (для температур до 450- 500°С) - ВТ8-1 с Тi6242S, IМI550, IМI685;

• сплавы, предназначенные для получения деталей компрессора высокого давления (для температур до 550°С) - ВТ25У с IМI829, IМI834;

• сплавы для изготовления деталей компрессора высокого давления (для температур до 600°С) - ВТ18У с IMI829, IMI834.