1. Титан и его сплавы

Титан широко распространен в земной коре, где его содержится около 0,6 %, а по распространенности он занимает четвертое место после алюминия, железа и магния. Однако промышленный способ его извлечения был разработан лишь в 40-х годах XX века. Бла­годаря прогрессу в области самолето- и ракетостроения производ­ство титана и его сплавов интенсивно развивалось. Это объяс­няется сочетанием таких ценных свойств титана, как малая плот­ность, высокая удельная прочность ( ) и коррозионная стой­кость. Символично, что облицовка монумента покорителям кос­моса у входа на ВДНХ в Москве изготовлена из листового титана.

Титан — металл серебристо-белого цвета, имеющий малую плотность (4,5 г/см³). Температура плавления титана 1672 ± 5 °С в зависимости от степени его чистоты.

Титан имеет две полиморфные модификации: низкотемпера­турную модификацию -титана с гексагональной плотноупакованной решеткой и высокотемпературную модификацию -титана с кубической объемно-центрированной решеткой. Температура полимерного превращения составляет 882 °С.

По удельной прочности в интервале температур 300—600 °С титан не имеет себе равных; при температуре ниже 300 °С сплавы титана уступают алюминиевым сплавам, а выше 600 °С — сплавам на основе железа и никеля.

Титан имеет низкий модуль нормальной упругости Е = = 112 000 МПа, 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 пассивирующая пленка ТiO₂. Благодаря этому 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 другую сварку производят в вакууме или в атмосфере инертных газов. Сплавы титана имеют несколько меньшую жаропрочность, чем специальные стали. Рабочая температура их использования составляет не выше 550—600 °С. При повышении температуры более 500 °С титан и его сплавы легко окисляются и интенсивно поглощают водород и другие газы (азот, кислород). Газы образуют с титаном твердые растворы внедрения разной предельной кон­центрации, в то время, как легирующие элементы (алюминий, ванадий, олово и др.) образуют твердые растворы замещения. Примеси внедрения оказывают сильное влияние на свойства титана, увеличивая прочность и резко уменьшая вязкость и пластичность. При технических и эксплуатационных нагревах необходимо принимать меры для защиты титана от газонасыщения. Кроме газов, вредной примесью для титана является углерод, образующий карбиды.

Высокая способность к газопоглощению обусловила примене­ние титана в качестве геттерного материала для повышения вакуума в электронных лампах.

Титан пластичен и легко обрабатывается давлением при ком­натной и повышенной температурах. Титан и его сплавы хорошо свариваются, обеспечивая высокую прочность и пластичность сварного соединения,

Основной целью легирования титановых сплавов является повышение механических свойств. Широкое применение нашли сплавы титана с алюминием, хромом, молибденом, ванадием, марганцем. Основным легирующим элементом является алюминий, который обычно содержится во всех сплавах.

П о структуре различают три класса титановых сплавов; 1. Сплавы с -структурой, легированные -стабилизаторами, из которых наиболее широко используется алюминий. Сплавы обычно содержат 4—6 % алюминия, находящегося в виде твердого рас­твора в а-титане. К сплавам этой группы относятся сплавы марок ВТ5, ВТ4, имеющие б_в = 700-900 МПа, = 10-12 % . 2. Сплавы с ( )-структурой (двухфазные), содержащие 4—6 % алюми­ния и 2—4 % -стабилизаторов: Сг, V, Мп, Мо. К ним относятся сплавы марок ВТЗ-1, В16, имеющие а_в = 1000-1200 МПа и 6 = 8%. Сплавы этой группы упрочняются с помощью терми­ческой обработки. 3. Сплавы с устойчивой р-структурой имеют меньшее промышленное применение из-за необходимости исполь­зования большого количества дорогих легирующих V, Mo, Mb, Та, к тому же обладающих высокой плотностью. Сплавы этого типа менее пластичны и более дороги.

Состав и свойства некоторых титановых сплавов при­ведены в табл. 17.

Упрочнение титановых сплавов может достигаться легирова­нием, наклепом или термической обработкой в результате про­текания полиморфного превращения.

В титановых сплавах а-стабилизаторы повышают температуру а ** р полиморфного превращения. В сплавах с устойчивой а-структурой нельзя переохладить р-фазу до низких температур даже при очень высоких скоростях охлаждения. Поэтому такие сплавы не упрочняются термической обработкой.

Наоборот, р-стабилизаторы снижают температуру полиморф­ного превращения титана и расширяют область твердых растворов на основе р-титана. При закалке титановых сплавов от темпера­туры р-области протекает мартенситное превращение Р -» а. Образующаяся фаза является пересыщенным твердым раствором легирующих элементов в а-титане. Кристаллы этой фазы, как и в сталях, образуются бездиффузионным путем по сдвиговому механизму. Они имеют игольчатое строение и ГП решетку.

Термообработка титановых сплавов подобна стали и состоит из закалки от температуры 800—950 °С и отпуска (старения) при 450—600 °С, но в отличие от стали в результате термообра­ботки достигается меньшее упрочнение.

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

При проведении сварки титановых сплавов во избежание появления дефектов в швах, основными из которых являются поры и холодные трещины, необходимо тщательное удаление поверхностной оксидной пленки основного и присадочного мате­риала. Из-за химической активности титана обязательна защита инертными газами сварочной ванны и остывающих участков от соприкосновения с воздушной атмосферой.

В настоящее время титан широко используется в ракетно-космической и авиационной технике, в судостроении и транспорт­ном машиностроении, где особенно важную роль играют малая плотность в сочетании с высокой прочностью и сопротивляемостью коррозии. Из сплавов титана делают обшивку фюзеляжа и крыльев сверхскоростных самолетов, панели и шпангоуты ракет, морскую аппаратуру и обшивку корпусов судов, диски и лопатки тур­бин. Титановая обшивка морских судов не обрастает ракуш­ками.

Благодаря пластичности и вязкости при низких температурах, титановые сплавы начинают применяться в холодильной и крио­генной технике.

Высокая коррозионная стойкость в различных средах делает сплавы титана перспективными для применения в пищевой про­мышленности. Некоторые пищевые продукты могут портиться от контакта со сталью, тогда как титан не придает им постороннего запаха, цвета или вкуса.

Титан используется в медицине благодаря высокой устойчи­вости в тканях человеческого организма. Титан не отторгается костной и мышечной тканями и легко обрастает ими. По своей биологической инертности превосходит все известные коррозион-ностойкие стали и сплавы.

Несмотря на то, что пока стоимость титановых сплавов (около 8000 руб/т) примерно в 8 раз превышает стоимость коррозионно-стойких хромоникелевых сталей (около 1000 руб/т), они имеют широкие перспективы применения в различных отраслях народ­ного хозяйства, являясь важнейшими конструкционными мате­риалами недалекого будущего.