2.3. Титан и его сплавы

Титан - металл серебристо-белого цвета, имеющий малую плотность (4,5 г/см³). Температура плавления титана

(1668 ± 4)°С в зависимости от степени его чистоты.

Титан имеет две полиморфные модификации: α-титан с гексагональной плотноупакованной решеткой с периодами а = 0,296 нм, с = 0,472 нм и высокотемпературную модификацию (-титан с кубической объемно-центрированной решеткой с периодом а = 0,332 нм при 900°С. Температура полиморфного α↔ превращения составляет 882°С.

Механические свойства титана существенно зависят от чистоты металла от примесей.

Чистый титан с малым содержанием водорода (менее 0,002 %) не обладает хладноломкостью при прочности _в = 1300 МПа и сохраняет высокую пластичность даже при температуре жидкого гелия.

По удельной прочности в интервале температур

300÷600°С сплавы титана не имеют себе равных; при темпе-ратуре ниже 300°С они уступают алюминиевым сплавам, а выше 600°С - сплавам на основе железа и никеля.

Титан имеет низкий модуль нормальной упругости

(Е = 112 ГПа), почти в 2 раза меньший, чем у железа и никеля, что затрудняет изготовление жестких конструкций. Для повышения жесткости приходится увеличивать толщину деталей и их массу.

Хотя титан относится к числу химически активных металлов, он обладает высокой коррозионной стойкостью, так как на его поверхности образуется стойкая пассивная пленка ТiO₂, прочно связанная с основным металлом и исключающая его непосредственный контакт с электролитом. Оксидная пленка на титане возникает при окислении на воздухе, анодном окислении и самопассивации его не только в сильно окисли-тельных, но и в слабокислых и нейтральных растворах. Толщи-на оксидной пленки, образующейся на титане после длительного пребывания на воздухе, обычно достигает 5÷6 нм.

Благодаря оксидной пленке титан и его сплавы не корродируют в атмосфере, пресной и морской воде, устойчивы против кавитационной коррозии и коррозии под напряжением, а также в кислотах органического происхождения.

Производство изделий из титана и его сплавов имеет ряд технологических особенностей. Из-за высокой химической активности расплавленного титана его выплавку, разливку и дуговую сварку производят в вакууме или в атмосфере инертных газов.

Сплавы титана имеют несколько меньшую жаро-прочность, чем специальные стали. Рабочая температура их использования не более 500÷550°С. При превышении этой температуры титан и его сплавы легко окисляются и интенсивно поглощают газы.

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 некоторыми другими элементами.

Титановые сплавы подвергают термической обработке - рекристаллизационному отжигу, закалке и старению, а также химико-термической обработке.

Отжиг титановых сплавов проводят после холодной деформации. Температура их рекристаллизации составляет в среднем 500°С, и отжиг при температуре 700÷800°С вполне достаточен для устранения наклепа.

Превращения при закалке и старении в титановых сплавах в принципе похожи на соответствующие превращения в стали. Однако столь существенного упрочнения, как в сталях, в титановых сплавах не происходит. В результате фазовой перекристаллизации происходит измельчение зерна, что положительно сказывается на их пластических свойствах.

Титановые сплавы обладают низкими антифрикци-онными свойствами. Для повышения износостойкости их под-вергают азотированию. Азотирование проводят в среде газообразного азота при температуре около 900°С, длительность процесса до 50 ч.

Азотирование повышает поверхностную твердость, износостойкость и жаропрочность. Для уменьшения хрупкости азотированного слоя проводят вакуумный отжиг заготовок при 800÷900°С.

Для повышения жаростойкости титановые сплавы подвергают силицированию.

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

В табл. 4.9 приведены основные промышленные титановые сплавы. За основу классификации принято соотношение α- и -фаз в структуре сплава и особенности структурных превращений, происходящих при их термической обработке.

Сплавы с α-структурой характеризуются невысокой прочностью при комнатной температуре и не упрочняются при термообработке. Их недостатком является низкая технологи-ческая пластичность, а достоинством - хорошая свариваемость и высокие механические свойства при крио-генных температурах.

Псевдо-α-сплавы, сохраняя достоинства α-сплавов, благодаря присутствию небольших количеств -фазы (до 5 %) имеют более высокую технологическую пластичность и хорошо обрабатываются давлением.

Двухфазные (α)-сплавы характеризуются наилучшим сочетанием механических и технологических свойств. По структуре после закалки различают мартенситный и переходный классы (α)-сплавов. Сплавы мартенситного класса менее легированы и в равновесном состоянии содержат не более 25 % -фазы. Увеличение количества -фазы в сплавах переходного класса до 50 % обеспечивает им самую высокую прочность этой группы сплавов как в отожженном, так и в закаленном состояниях.

Таблица 4.9

Классификация титановых сплавов (ГОСТ 19807 – 74)

Группа сплавов	Марка сплава	Средний химический состав, %
α-Сплавы	ВТ-00	Нелегированный титан
	ВТ-0	То же
	ВТ5	Ti-5Al
	ВТ5-1	Ti-5Al-2,5Sn
Псевдо-α-сплавы	ОТ4-0	Ti-0,8Al-0,8Mn
	ОТ4	Ti-3,5Al-1,5Mn
(α)-Сплавы мартенситного класса	ВТ6С	Ti-5Al-4,0V
	ВТ6	Ti-6Al-4,5V
	ВТ16	Ti-2,5Al-5Mo-5V
(α)-Сплавы переходного класса	ВТ22	Ti-5Al-5Mo-5V-1Fe-1Cr
	ВТ30	Ti-3Al-7Mo-11Cr
Псевдо -сплавы	ВТ35	Ti-3Al-1,5Mo-15V-3Sn-3Cr
-сплавы	4201	Ti-33Mo

Псевдо--сплавы после закалки имеют структуру метастабильной -фазы. В этом состоянии они имеют хорошую пластичность и сравнительно низкую прочность, благодаря чему хорошо обрабатываются давлением. После старения их прочность возрастает в 1,5 раза.

Однофазные -сплавы отличаются высокой коррозион-ной стойкостью. Однако сплавы со стабильной -структурой сравнительно редко применяют из-за необходимости их легирования большим количеством изоморфных элементов (V, Мо, Nb), имеющих высокую стоимость, и из-за высокой плотности, понижающей удельную прочность изделий.

Титановые сплавы склонны к повышенному налипанию на инструмент, что в сочетании с их низкой теплопроводостью затрудняет процесс механической обработки. При обработке резанием целесообразно применение инструмента с твердосплавными пластинами.

Устойчивость титана к хлорсодержащим окислительным средам обусловила его широкое использование в химической промышленности для производства хрома, хлоратов, диоксида хлора. При этом оборудование из титановых сплавов характеризуется высокой долговечностью и низкими затратами на текущий ремонт.

Титан пригоден для форсунок, работающих на морской воде, сеток фильтров, теплообменников, работающих в азотной кислоте. Так, в 60 %-ной азотной кислоте при 250°С теплообменники из титана работают без повреждений в течение двух лет, а теплообменники из нержавеющей стали - всего 6 месяцев.

Крыльчатки из титана для центробежных насосов показали наиболее высокую коррозионную и эрозионную стойкость.

Паровые реактивные диффузоры, регулирующие высокое давление пара, изготовленные из титана, работают без заметных признаков разрушения 5 лет.

Технический титан марки ВТ1 и сплав 0Т4 применяются при изготовлении теплообменно-конденсационной аппаратуры нефтеперерабатывающих заводов.

Высокая коррозионная стойкость титана в кислотах позволяет применять его в нефтяном и химическом машиностроении. Из титана изготовляют трубчатые теплообменники с трубками диаметром 25 мм и длиной 3 м, работающие в среде 15 %-ного раствора гипохлорита натрия. Коррозионная стойкость сварных соединений ВТ1 и 0Т4 в средах процесса прямой перегонки нефти (совместное воздействие хлористого водорода и сероводорода), а также и в жирных кислотах не уступает коррозионной стойкости основного металла. Глубинный показатель скорости коррозии составляет 0,001÷0,064 мм/год.

Титан и его сплавы являются перспективным материалом для изготовления труб конденсационно-холодильного оборудования. В химической промышленности успешно применяют конденсаторы и холодильники с трубными пучками из титана.