17. Титан и его свойства.
Титан и его свойства. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства титана. Конструкционные сплавы титана, их свойства и области применения. Термическая обработка титана и его сплавов.
Титан и его свойства. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства титана.
Титан серебристо-белый легкий металл с плотностью 4,5 г/см3. Температура плавления титана зависит от степени чистоты и находится в пределах 1660…1680oС.
Чистый иодидный титан, в котором сумма примесей составляют 0,05…0,1 %, имеет модуль упругости 112 000 МПа, предел прочности около 300 МПа, относительное удлинение 65%. Наличие примесей сильно влияет на свойства. Для технического титана ВТ1, с суммарным содержанием примесей 0,8 %, предел прочности составляет 650 МПа, а относительное удлинение – 20 %.
При температуре 882oС титан претерпевает полиморфное превращение, –титан с гексагональной решеткой переходит в – титан с объемно-центрированной кубической решеткой. Наличие полиморфизма у титана создает предпосылки для улучшения свойств титановых сплавов с помощью термической обработки.
Титан имеет низкую теплопроводность. При нормальной температуре обладает высокой коррозионной стойкостью в атмосфере, в воде, в органических и неорганических кислотах ( не стоек в плавиковой, крепких серной и азотной кислотах), благодаря тому, что на воздухе быстро покрывается защитной пленкой плотных оксидов. При нагреве выше 500oС становится очень активным элементом. Он либо растворяет почти все соприкасающиеся и ним вещества, либо образует с ними химические соединения.
Титановые сплавы имеют ряд преимуществ по сравнению с другими:
сочетание высокой прочности (
МПа) с хорошей пластичностью (
);малая плотность, обеспечивающая высокую удельную прочность;
хорошая жаропрочность, до 600…700oС;
высокая коррозионная стойкость в агрессивных средах.
Однородные титановые сплавы, не подверженные старению, используют в криогенных установках до гелиевых температур.
В результате легирования титановых сплавов можно получить нужный комплекс свойств. Легирующие элементы, входящие в состав промышленных титановых сплавов, образуют с титаном твердые растворы замещения и изменяют температуру аллотропического превращения. Влияние легирующих элементов на полиморфизм титана показано на рис. 17.1.
Элементы, повышающие температуру превращения, способствуют стабилизации — твердого раствора и называются –стабилизаторами, это – алюминий, кислород, азот, углерод.
Элементы, понижающие температуру превращения, способствуют стабилизации – твердого раствора и называются – стабилизаторами, это – молибден, ванадий, хром, железо.
Кроме – и –стабилизаторов различают нейтральные упрочнители: олово, цирконий, гафний.
В
соответствии с влиянием легирующих
элементов титановые сплавы при нормальной
температуре могут иметь структуру
или
.
Рис.17.1. Влияние легирующих элементов на полиморфизм титана:
Конструкционные сплавы титана, их свойства и области применения. Термическая обработка титана и его сплавов.
Сплавы на основе титана можно подвергать всем видам термической обработки, химико-термической и термомеханической обработке. Упрочнение титановых сплавов достигается легированием, наклепом, термической обработкой.
Часто титановые сплавы легируют алюминием, он увеличивает прочность и жаропрочность, уменьшает вредное влияние водорода, увеличивает термическую стабильность. Для повышения износостойкости титановых сплавов их подвергают цементации или азотированию.
Основным недостатком титановых сплавов является плохая обрабатываемость режущим инструментом.
По способу производства деталей различаются деформируемые (ВТ 9, ВТ 18) и литейные (ВТ 21Л, ВТ 31Л) сплавы.
Областями применения сплавов титана являются:
авиация и ракетостроение (корпуса двигателей, баллоны для газов, сопла, диски, детали крепежа);
химическая промышленность (компрессоры, клапаны, вентили для агрессивных жидкостей);
оборудование для обработки ядерного топлива;
морское и речное судостроение (гребные винты, обшивка морских судов, подводных лодок);
криогенная техника (высокая ударная вязкость сохраняется до –253oС).
Титановые сплавы в основном подвергают отжигу, закалке и старению, а также химико-термической обработке.
Отжиг проводят главным образом после холодной деформации для снятия наклепа. Температура отжига должна быть выше температуры рекристаллизации, но не выше границы перехода в -состояние во избежание роста зерна. Температура рекристаллизации титана, в зависимости от его чистоты и степени предшествующей деформации, лежит в интервале температур 400-600 oС. Легирующие элементы повышают температуру рекристаллизации титана. Практически отжиг титановых сплавов проводят при температуре 670--800 oС с выдержкой от 0,25 до 3 часов. Целью отжига ( )-сплавов помимо снятия наклепа является стабилизация -фазы, так как эвтектоидный распад вызывает охрупчивание сплавов.
Упрочняющая термическая обработка (закалке и старение) применима только к сплавам с ( )-структурой. Закалка состоит в нагреве до -состояния и охлаждения в воде. В некоторых случаях, чтобы избежать интенсивного роста зерна, который происходит в -состоянии, закалку производят из ( )-области. При этом увеличиваются степень легированности -фазы и прочность сплавов при повышенных температурах.
Элементы, которые наиболее часто применяют для легирования титановых сплавов, имеют следующие критические концентрации: V - 15, Mo - 11, Mn - 8, Cr - 6, Fe - 4%. С увеличением концентрации легирующих элементов, особенно выше критической, температура начала и конца мартенситного превращения резко снижаются. Когда температура начала мартенситного превращения становится ниже комнатной, закалка фиксирует переохлажденную -фазу, обозначаемую .
Для повышения износостойкости титановые сплавы подвергают азотированию. Лучшие результаты дает азотирование в среде сухого, очищенного от кислорода, азота. Оно повышает поверхностную твердость, износостойкость, жаропрочность и жаростойкость, способствует охрупчиванию титановых сплавов вследствие насыщения водородом. Азотируют сплавы при температуре 850-950 oС в течение 10-50 ч. При этом на поверхности образуются тонкий нитридный слой и обогащенный азотом -твердый раствор. Толщина нитридного слоя равна 0,06-0,2 мм, HV 12000. Для повышения жаростойкости титановые сплавы подвергают силицированию и другим видам диффузионной металлизации.