9.3. Титан і його сплави

Титан – сріблясто-білий метал з атомним номером 22, атомною масою 47,9, густиною =4505 кг/м³, температурою плавлення t_пл=1672^оС. Розрізняють дві поліморфні модифікації титану: низькотемпературну Ті_ з гексагональною щільноупакованою (параметри а=0,2951 нм, с=0,4684 нм) і високотемпературну Ті_ - з об’ємноцентрованою кубічною граткою (а=0,3282 нм при температурі 900 ^оС). Температура поліморфного перетворення титану становить 882,5 ^оС.

Чистий титан має такі механічні характеристики: σ_в=250 МПа, =60%, =80%. Зі зниженням чистоти міцність титану підвищується, а пластичність і в’язкість знижуються.

Титан – хімічно активний метал, але на повітрі швидко покривається захисною плівкою оксидів, через що набуває високої стійкості на повітрі, у воді, в органічних і неорганічних кислотах, тобто має високу стійкість до корозії. Крім того, титан і сплави на його основі характеризуються високою питомою міцністю. Недоліками титану є його активна взаємодія з азотом, киснем та воднем, схильність до водневої крихкості. Азот, вуглець, кисень і водень, зміцнюючи титан, знижують його пластичність, опір корозії, зварюваність.

Титан погано оброблюється різанням і добре – тиском, добре з’єднується дуговим і контактним електричним зварюванням.

Сплави на основі титану

Сплави титану крім основного металу й домішок можуть містити легуючі елементи: алюміній, молібден, ванадій, хром, марганець, залізо, тантал, ніобій, цирконій, олово, мідь, вольфрам, кремній, нікель, свинець, берилій, кобальт, гафній, торій та інші. Вони утворюють з титаном тверді розчини заміщення або інтерметали типу Ti_xMe_y, а домішки (водень, азот, вуглець, кисень) – тверді розчини проникнення або хімічні сполуки (гідриди, нітриди, карбіди й оксиди).

Найістотніше підвищують міцність (при одночасному зниженні пластичності) титанових сплавів залізо, марганець, хром і молібден.

Легуючі елементи за їх впливом на температуру поліморфного перетворення титану поділяють на три групи:

- -стабілізатори;

- -стабілізатори;

- нейтральні.

До першої групи належать алюміній, вуглець, кисень, азот. Кожен з них підвищує температуру перетворення Ті_  Ті_ (рис.9.3, а), збільшує стабільність -фази і таким чином розширює область існування твердих розчинів на базі Ті_. Вуглець, азот і кисень роблять титанові сплави крихкими, тому їхній масовий вміст обмежують сотими і тисячними частками відсотка.

До другої групи належать -стабілізатори – легуючі елементи, які знижують температуру поліморфного перетворення і звужують -область. Елементи другої групи поділяють на -ізоморфні (ванадій, молібден, ніобій, тантал) і -евтектоїдні стабілізатори (хром, марганець, залізо, мідь, нікель, кобальт).

-ізоморфні стабілізатори, як і -титан, мають об’ємноцентровану кубічну гратку і здатні необмежено розчинятися у ньому. Коли концентрація ізоморфних стабілізаторів висока, -твердий розчин у рівноважному стані зберігається аж до кімнатної температури (рис.9.3, б).

У сплавах титану з -евтектоїдними стабілізаторами на лінії евтектоїдного перетворення при достатньо низькій температурі відбувається евтектоїдний розпад β-фази:

β = α + γ , (9.1)

де γ – проміжна фаза Ti_xMe_y.

а б в

Рис.9.3. Діаграми стану сплавів «Ті – легуючий елемент»:

а – Ті – α-стабілізатори; б – Ті – β-ізоморфні стабілізатори; в – Ті – β-евтектоїдні стабілізатори

Утворення евтектоїду (α+γ) істотно підвищує крихкість , що обмежує промислове використання сплавів з такою структурою. У рівноважному стані титанові сплави, леговані β-стабілізаторами, при кімнатній температурі можуть мати однофазну структуру α-твердого розчину низької концентрації (рис.9.3, б, в), двофазну (α+β)-структуру при збільшенні концентрації β-стабілізаторів (рис.9.3, б) і однофазну β-структуру при високій концентрації β-ізоморфних стабілізаторів (рис.9.3, б). У промисловості найчастіше застосовують сплави зі структуроами α і (α+β).

Легуючі елементи третьої групи (олово, гафній, цирконій, тантал)- нейтральні зміцнювачі, які майже не впливають на температуру поліморфного перетворення титану.

Класифікація титанових сплавів. За рівноважною структурою (після відпалу) титанові сплави поділяють на три основні групи: -сплави, (+)-сплави (двофазні) та -сплави. Сплави першої групи (-сплави) малопластичні, а третьої групи (-сплави) найбільш пластичні, але менш міцні. Найбільш високий комплекс властивостей мають двофазні (+)-сплави. Вони більш міцні, ніж однофазні, добре куються і штампуються, піддаються термічній обробці. Тому, як конструкційний матеріал, переважно застосовуються двофазні (+)-сплави.

За технологічною ознакою титанові сплави поділяють на ливарні, ті, що деформуються та порошкові, а за фізико-хімічними і механічними властивостями – на високоміцні, звичайної міцності, високопластичні, жароміцні, корозостійкі.

Титанові сплави, що деформуються. Більшість титанових сплавів легують Al, який підвищує їх жорсткість, міцність, жароміцність і жаростійкість, а також знижує густину.

-титанові сплави термічною обробкою не зміцнюються. Їх зміцнення досягається легуванням твердого розчину і пластичним деформуванням. До цієї групи належить сплав ВТ5-1, який має добру зварюваність, жароміцність, кислотостійкість, пластичність при низьких температурах, термічну стабільність до 450^оС. До складу цього сплаву входять 5%Al і 2,5%Sn. Олово додають у сплав для поліпшення його технологічних і механічних властивостей. Механічні властивості даного сплаву: σ_в=800...1000 МПа, =10...15%. Зі сплаву ВТ5-1 виготовляють листи, поковки, труби, дріт, профілі. (+)-сплави зміцнюються термічною обробкою, що складається із гартування і старіння. Їх зварюваність гірша, ніж -сплавів. Типовим представником цієї групи є сплав ВТ6, який характеризується оптимальним поєднанням технологічних і механічних властивостей. Хімічний склад сплаву ВТ6: 6%Al, 4%V, решта Ті, механічні властивості: σ_в=1100...1250 МПа, =6%.

До двофазних сплавів належить жароміцний сплав ВТ8, який призначений для довготривалої роботи при 450...500^оС під навантаженням. Хімічний склад сплаву ВТ8: 6,4%Al, 3,1%Mg, 3%Si, механічні властивості: σ_в=1000...1250 МПа, =9...11%.

Псевдо--титанові сплави характеризуються високим вмістом -стабілізаторів, високою пластичністю у загартованому стані та високою міцністю після старіння. До цієї групи належить сплав ВТ15, який має високу пластичність (=20%) і невисоку міцність (_в=900 МПа) у загартованому стані. Однак після старіння при 450^оС його міцність підвищується до σ_в=1500 МПа при пластичності =6%. Зі сплаву ВТ15 виготовляють прутки, поковки, листи, штаби. Хімічний склад сплаву ВТ15: 3%Al, 8%Mo, 11%Cr.

Ливарні титанові сплави. Ливарні сплави у порівнянні зі сплавами, що деформуються, мають більш низьку міцність, пластичність і витривалість, але дешевше. Їх склад аналогічний складу сплавів, що деформуються, тільки наприкінці марки ливарних сплавів ставлять літеру “Л”, наприклад, ВТ5Л, ВТ14Л.

Порошкові сплави титану. Порошкові сплави отримують методом порошкової металургії, що забезпечує зниження їх вартості приблизно на 50% і підвищення продуктивності виготовлення виробів у два рази.

Галузі застосування сплавів титану. Основними галузями використання сплавів титану є:

- літако- та ракетобудування (обшивка літаків, корпуси ракет і двигунів, диски і лопаті компресорів авіаційних двигунів);

- хімічна промисловість (компресори, клапани, вентилі);

- обладнання для обробки ядерного палива;

- суднобудування (гребні гвинти, обшивка кораблів);

- кріогенна техніка.