15.5. Титан и его сплавы

Титан имеет две аллотропические модификации. Низкотемпературная модификация , существующая до 882 С, имеет гексагональную плотноупакованную решетку с периодами и . Высокотемпературная модификация имеет решетку объемноцентрированного куба с периодом .

Полиморфное превращение (882 С) при медленном охлаждении происходит по нормальному механизму с образованием равноосных зерен, а при быстром охлаждении - по мартенситному механизму с образованием игольчатой структуры.

Титан обладает высокой коррозионной и химической стойкостью благодаря защитной окисной пленке на его поверхности. Он не корродирует в пресной и морской воде, минеральных кислотах, царской водке и др.

Механические свойства титана характеризуются хорошим сочетанием прочности и пластичности. Примеси ( и др.) повышают твердость и прочность, но при этом значительно уменьшается пластичность и коррозионная стойкость.

Технический титан хорошо обрабатывается давлением при комнатной и повышенной температурах. Из него изготавливают все виды прессованного и катанного полуфабриката: листы, трубы, проволоку, поковки и др.

Применение технического титана как конструкционного материала в общем машиностроении ограничено из-за его высокой стоимости, а в авиации и ракетостроении - вследствие невысокой жаропрочности. Он широко применяется в химической промышленности для изделий, работающих в сильно агрессивных средах (например, компрессоры и насосы для перекачки серной, соляной кислот и растворов их солей). Способность не образовывать накипь и высокая химическая стойкость позволяет изготавливать из титана, несмотря на низкую теплопроводность, тонкостенные теплообменники. Благодаря высокой коррозионной стойкости в морской воде и тому, что на титан не налипают ракушки, он используется в судостроении для обшивки морских судов, подводных лодок, изготовления гребных винтов и др. Титан является перспективным материалом для изготовления костных имплантантов и других изделий, к которым предъявляются требования высокой стойкости в физиологических средах.

Титановые сплавы имеют более высокую прочность, жаропрочность и жаростойкость по сравнению с техническим титаном; по удельной прочности они в 2 раза превосходят сталь. Поэтому они получили широкое применение в авиации, ракетной технике, судостроении, химической и других отраслях промышленности. Их применяют для обшивки сверхзвуковых самолетов (при скорости, равной утроенной скорости звука, она нагревается до 250...320 С), деталей реактивных авиационных двигателей (дисков и лопаток компрессора, деталей воздухозаборника и др.), корпусов ракетных двигателей второй и третьей ступени, баллонов для сжатых и сжиженных газов, обшивки судов, подводных лодок и торпед и т.д.

Титановые сплавы классифицируют по технологии, способности к термообработке, а также по структуре.

Сплавы с - структурой (ВТ5, ВТ5-1) имеют высокую температуру полиморфного превращения. В этих сплавах -превращение происходит при высоких температурах, когда реализуется нормальный механизм полиморфного превращения. Переохладить - фазу до низких температур, при которых возможно мартенситное превращение, в этих сплавах не удается даже при очень больших скоростях охлаждения, поэтому сплавы с устойчивой - структурой не способны упрочняться путем термической обработки. Недостатком этих сплавов является также низкая технологическая пластичность.

К группе сплавов с - структурой относится технически чистый титан, а также псевдо - - сплавы, имеющие преимущественно - структуру и небольшое количество - фазы (1...5 %: ОТ4, ВТ4 и др.). Наличие - фазы придает им повышенную пластичность.

Сплавы с - структурой имеют низкую температуру полиморфного - превращения; при закалке происходит переход - фазы в метастабильную - фазу. В этом состоянии сплав имеет высокую пластичность и хорошо штампуется.

При старении по границам - фазы выделяется тонкодисперсная - фаза, значительно упрочняющая сплав.

Промышленное применение однофазных - сплавов не является эффективным, т.к. для получения устойчивой - структуры сплав должен быть легирован большим количеством - стабилизаторов (V, Mo, Nb, Ta) - дорогих, дефицитных и обладающих высокой плотностью. В настоящее время применяются так называемые псевдо - - сплавы (ВТ15), имеющие преимущественно -структуру с небольшим количеством - фазы.

Двухфазные ( ) - сплавы (ВТ3-1, ВТ8, ВТ14 и др.) обладают лучшим сочетанием технологических и механических свойств. Они упрочняются с помощью термической обработки - закалки и старения. В отожженном и закаленном состояниях они имеют хорошую пластичность, а после закалки и старения - высокую прочность при нормальной и повышенной температурах.