Свойства титана и влияние на них легирующих элементов

Лекция 19

Титан и его сплавы

Свойства титана и влияние на них легирующих элементов

Титан широко распространен в земной коре, где его содержится около 0,6 %, а по распространенности он занимает четвертое место после алюминия, железа и магния. Благодаря прогрессу в области самолето- и ракетостроения производство титана и его сплавов интенсивно развивается. Это объясняется сочетанием таких ценных свойств титана, как малая плотность, высокая удельная прочность (σ_В/γ), коррозионная стойкость, технологичность при обработке давлением и свариваемость, хладостойкость, высокая стойкость против солнечной радиации, немагнитность и ряд других ценных физико-механических характеристик.

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

Титан имеет две полиморфные модификации: α-титана с гексагональной плотноупакованной решеткой и высокотемпературную модификацию β-титана с кубической объемноцентрированной решеткой. Температура полиморфного α ↔ β превращения составляет 882⁰С.

Полиморфное β → α превращение может происходить двумя путями. При медленном охлаждении оно происходит по нормальному механизму с образованием полиэдрической микроструктуры. При быстром - по мартенситному механизму с образованием игольчатой структуры.

Механические свойства титана существенно зависят содержания примесей. Примеси повьппают прочность и одновременно резко снижают пластичность, причем наиболее сильное отрицательное действие оказывают примеси внедрения, особенно газы. При введении всего лишь 0,03 % Н, 0,2 % N или 0,7 % О титан полностью теряет способность к пластическому деформированию и хрупко разрушается.

Технически чистый титан марки BT1-1 по прочности и пластичности не уступает ряду углеродистых и Cr — Ni коррозионностойких сталей: σ_В = 450 — 600 МПа; σ_0,2 = 380 — 500 МПа; δ > 25 %; ψ > 50 %. При понижении температуры от комнатной до криогенных прочностные свойства растут при сохранении высокого уровня пластичности.

По удельной прочности в интервале температур 300 — 600⁰С сплавы титана не имеют себе равных; при температуре ниже 300⁰С сплавы титана уступают алюминиевых сплавам, а выше 600⁰С — сплавам на основе железа и никеля.

Титан имеет низкий модуль нормальной упругости (E = 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.

Благодаря оксидной пленке из ТiO₂ 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 жаропрочность, чем специальные стали. Рабочая температура их использования не более 550 — 600⁰С. При превышении этой температуры титан и его сплавы легко окисляются и интенсивно поглощают газы.

Титан пластичен и легко обрабатывается давлением при комнатной и повышенной температурах. Титан и его сплавы хорошо свариваются контактной и дуговой сваркой в защитной атмосфере, обеспечивая высокую прочность и пластичность сварного соединения. Недостатком титана является плохая обрабатываемость резанием.

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. Как и в сплавах на основе железа, легирующие элементы оказывают большое влияние на полиморфные превращения титана.

Такие элементы, как Alповышают температуру полиморфного превращения α ↔ β, расширяют область твердых растворов на основе α-титана и таким образом являются α-стабилизаторами (рис. 14.1, а). Даже при быстром охлаждении сплавов с α-стабилизаторами из области существования β-фазы полиморфное превращение титана протекает по нормальному механизму с образованием полиэдрической структуры. Поэтому сплавы с устойчивой α-структурой нельзя упрочнить термической обработкой.

(Солнцев стр. 443)

Рис. 14.1. Диаграммы состояния систем титан — легирующий элемент (л.э.):

а — Тi — α-стабилизаторы; б — Ti — изоморфные β-стабилизаторы.

Большинство легирующих элементов (Mo, V, Mn, Fe, Cr и др.), наоборот, понижает температуру полиморфного α ↔ β превращения вплоть до комнатной и расширяют область существования твердых растворов на основе β-Ti, являясь β-стабилизаторами (рис. 14.1, б).

Согласно диаграмме состояния титановые сплавы, легированные β - стабилизаторами могут иметь однофазную структуру α-твердого раствора малой концентрации, двухфазную (α + β) - структуру при большем содержании легирующих элементов и однофазную структуру β - твердого раствора в случае еще большего легирования. Для сплавов с (α + β)-структурой применима упрочняющая термическая обработка, состоящая из закалки и старения.

Закалка состоит в нагреве до β состояния и охлаждения в воде. При этом полиморфное β → α протекает по бездиффузионному мартенситному механизму с образованием игольчатой мартенситной структуры, представляющей собой пересыщеный твердый раствор легирующих элементов в α-титане, обозначаемый как α'. Кристаллическая структура α и α' практически одинакова (гексагональная плотноупакованная решетка), однако решетка пересьпценного твердого раствора α' более искажена, вследствие чего α'-фаза обладает повышенной твердостью. При старении из α'- фазы выделяется β - фаза различной дисперсности, вызывающая уменьшение твердости.

Превращения при закалке и старении в титановых сплавах в принципе похожи на соответствующие превращения в стали. Однако из-за того, что α' мартенсит в титановых сплавах мало отличается по прочности от равновесной α-фазы, 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 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 500⁰С и отжиг при температуре 700 — 800⁰С вполне достаточен для устранения наклепа.

Титановые сплавы обладают низкими аитифрикционными свойствами. Для повышения износостойкости их подвергают азотированию. Азотирование проводят в среде газообразного азота при температуре около 900⁰С и длительности процесса до 50 ч.

Азотрование повышает поверхностную твердость, износостойкость и жаропрочность. Для уменьшения хрупкости азотированного слоя проводят вакуумный отжиг заготовок при 800 — 900⁰С.

Для повышения жаростойкости титановые сплавы подвергают силицированию.