Титан и его сплавы
Оглавление
Введение 2
Глава 1. Титановые сплавы 5
1.1
Промышленные титановые сплавы
1.2
Полуфабрикаты из титановых
1.3 Титановые сплавы, применяемые для изготовления труб 10
Глава 2. Особенности технологии изготовления титановых труб 14
2.1 Трубная заготовка 14
2.2
Особенности технологии
2.3
Дефекты труб и их
Список литературы 25
Введение
Титан как химический элемент был открыт английским священником Уильямом Грегором в 1791 году.[4] Почти 90 лет понадобилось ученым, чтобы выделить титан в чистом виде, так как титан имеет большое сродство к кислороду. В 1875 году Д.К.Кириллов сумел получить металлический титан. [4] Методы выделения титана из тетрахлорида титана, фтортитана калия и оксида титана, разработанные разными экспериментаторами (Кирилловым, Волластоном, Веллером, Нильсоном, Муассоном, Хантером), позволяли получать, только относительно чистый титан, содержащий от десятых долей до двух процентов примесей, которые делают титан хрупким, непрочным, не поддающимся ни пластической, ни механической обработке.
Однако в начале ХХ века химические соединения титана нашли конкретное применение. Например, двуокись титана успешно заменила свинцовые и цинковые белила.[4] Она не только более экономичная, но и, самое главное, безвредная для человеческого организма. Двуокись титана стали вводить в состав фарфоровых масс, тугоплавких стекол, керамических материалов с высокой диэлектрической проницаемостью.[4] Как наполнитель, повышающий прочность и термостойкость, диоксид титана начали вводить в резиновые смеси. Другое соединение титана – тетрахлорид – успешно применяли для создания дымовых завес при защите растений в период заморозков.
Вместе с тем все достоинства соединений титана кажутся несущественными на фоне позже открытых уникальных свойств чистого металлического титана. В 1925 году голландцы Ван Аркель и де Бур йодидным способом получили титан высокой степени чистоты (до 99,9%).[4] Исследования показали, что такой металл обладает очень высокой пластичностью – он куется на холоде, прокатывается в листы, проволоку и даже в фольгу.
Титан – полиморфный материал и может существовать в двух модификациях: α и β. Полиморфное α↔β превращение титана при нагреве и охлаждении происходит при 882,5°С. Низкотемпературная α-модификация имеет гексагональную плотноупакованную кристаллическую решетку.[5] Высокотемпературная β–модификация титана имеет объемноцентрированную кубическую кристаллическую решетку. Структуры α и β – титана на примере сплава ВТ1-0 показаны на рисунке 1.[4]
Значение температуры полиморфного превращения у титана весьма стабильно: охлаждение со скоростью в несколько сотен или тысяч градусов в секунду не изменяет её величины, и только при охлаждении со скоростью около 10000°С обнаруживается снижение температуры полиморфного превращения примерно на 30°С.[5]
Рис.1 Микроструктура сплава ВТ1-0
а – после медленного охлаждения из β-области; б – после деформации и отжига в α- области, ×200
Существенное изменение температуры полиморфного превращения может быть достигнуто легированием.
Изучение физико-химических
свойств металлического титана показало,
что он, будучи почти вдвое легче
железа, по прочности превосходит
многие стали.[4] Сравнения с алюминием
тоже оказались в пользу титана;
последний всего в полтора
раза тяжелее, но зато более чем и
шесть раз прочнее алюминия. Что
особенно важно, титан сохраняет
необходимую прочность при
Все эти характеристики, свидетельствующие об уникальности титана, вызвали к нему широкий интерес как к конструкционному материалу во многих странах. Однако йодидный способ получения титана из-за сложности технологического процесса и весьма ограниченного объема его получения не мог широко применяться в промышленном масштабе. И только в 1940 году В. И. Кроллем впервые был разработан процесс, открывший перспективы производства титанового сырья в промышленном объеме.[4] Он состоял в восстановлении четыреххлористого титана магнием. Этот процесс в усовершенствованном варианте до настоящего времени является основой промышленного производства губчатого титана — исходного сырья для изготовления слитков титана и его сплавов. До получения ковкого компактного титана в слитках прошло почти десятилетие, когда процесс их выплавки приобрел тот вид инженерного решения, который применяется в настоящее время.
Температура плавления титана
1665°С. Она превышает температуру
плавления стали и алюминия. Титан
имеет высокую вязкость, при механической
обработке склонен к налипанию
на режущий инструмент, и поэтому
требуется нанесение
Если рассмотреть химические свойства титана, то увидим, что титан устойчив к коррозии благодаря оксидной плёнке (ТiO2), но при измельчении в порошок горит на воздухе (температура вспышки 400°C).[1]
Титан устойчив к разбавленным растворам многих кислот и щелочей (кроме HF, H3PO4 и концентрированной H2SO4).
Легко реагирует даже со
слабыми кислотами в
Титан – немагнитный материал, относится к классу парамагнетиков
Анализ физических свойств обнаруживает недостатки и достоинства титана. К его достоинствам относятся низкие значения термических напряжений в конструкциях, работающих при теплосменах, а так же отсутствие термической усталости. Эти достоинства обусловлены низкими значениями модуля нормальной упругости и коэффициента теплового расширения титана. В то же время низкая теплопроводность приводит к необходимости применения специальных мер при проектировании теплообменной аппаратуры.
Глава 1. Титановые сплавы
1.1 Промышленные титановые сплавы
По характеру взаимодействия с титаном легирующие элементы в литературе разделяют на три основные группы [7]:
- a-стабилизаторы - элементы, повышающие температуру (a®b)– превращения титана (Al, Ga, Zn, C, N, O);
- b-стабилизаторы - элементы, снижающие температуру полиморфного превращения в титане (Mo, V, Nb, Ta, Cr, Mn, Fe, Cu, Ni, Pb, Be, Co, Ru, Rh, Re, Os, Zr, W и т.п.);
- нейтральные упрочнители - элементы, мало влияющие на температуру полиморфного превращения (Sn, Zr, Ge, Hf, Th).
Формирование свойств
титановых сплавов, кроме химического
состава, определяется фазовым составом
и структурой. В основу классификации
положен фазовый принцип. При
этой системе классификации
- a-сплавы
- псевдо– или бетированные a-сплавы;
- a+b-сплавы (двухфазные сплавы);
- b-сплавы
Промышленностью России выпускается более 30 титановых сплавов и еще большее количество модификаций. До сих пор единой системы маркировки титановых сплавов не существует, тем не менее, по маркировке сплава можно определить его ведомственную принадлежность.
Поскольку главной отраслью, широко применявшей титановые сплавы, являлась авиационная промышленность, большое количество сплавов разработано Всесоюзным институтом авиационных материалов (ВИАМ) и имеют маркировку буквами ВТ или ОТ. К эти сплавам относятся ВТ1-00, ВТ1-0 (технически чистый титан), ВТ3-1, ВТ5, ВТ6, ВТ8, ВТ9, и т.д.; ОТ4, ОТ4-1, ОТ4-0.[7]
Морские сплавы были разработаны ЦНИИ Конструкционных материалов "Прометей" для нужд судостроения, имеют маркировки ПТ-1М, ПТ-7М, ПТ-3В, 19, 3М, 40, 5В и 37.[7]
Кроме того, промышленностью выпускается экономно легированные сплавы АТ3 и АТ6, разработанные в Институте металлургии (ИМЕТ) АН СССР, и два коррозионно-стойких сплава 4200 и 4201.[7]
Сплавы ОТ4-0, ОТ4-1, ОТ4, ПТ-3В, 3М, ПТ-7М, ВТ5, ВТ5-1 обладают удовлетворительной пластичностью при обработке давлением и предназначены для изготовления практически всех видов полуфабрикатов, получаемых обработкой давлением, в том числе: листы, полосы, плиты, поковки, штамповки, прессованные профили, трубы и проволока. Эти сплавы хорошо свариваются всеми видами сварки и достаточно технологичны. Применяются в качестве конструкционных сплавов со средним уровнем прочности.[7]
Сплавы ВТ6, ВТ20, 5В и 37 являются конструкционными сплавами с высоким уровнем прочности. Сплавы ВТ6, 5В и 37 отличает удачное сочетание высоких механических и технологических свойств. Из них изготавливают листы, поковки, прутки, штамповки. Они хорошо свариваются, однако, если сплав ВТ6 после сварки требует термической обработки (обычно отжиг при 700-800°С), то для сплавов 5В и 37 она не требуется. Сплав ВТ6 по своему химическому составу является аналогом наиболее распространенного за рубежом сплава Ti-6Al-4V.[7]
Сплавы ВТ3-1, ВТ8, ВТ18 обладают
высокой термической
- сплав ВТ3-1 400 – 450°С;
- сплав ВТ8 450 – 400°С;
- сплав ВТ18 550 – 600°С.
Из сплавов этой группы изготавливают прутки, поковки и штамповки. Следует отметить, что все эти сплавы сравнительно плохо свариваются.
Сплав ВТ14 достаточно технологичен в закаленном состоянии, удовлетворительно сваривается всеми видами сварки и применяется для изготовления сварных конструкций, однако, требует после сварки обязательной термической обработки.
Сплав ВТ16 обладает высокой технологичностью в отожженном состоянии и специально разработан как сплав для изготовления деталей крепления. Он с успехом может заменить сталь 30ХГСА в деталях крепления. Благодаря высокому содержанию бета фазы сплав ВТ16 может эффективно упрочняться путем закалки и старения.[7]
Выбор сплава в каждом конкретном
случае определяется условиями эксплуатации
изделия, уровнем прочности материала,
конструктивными и
1.2 Полуфабрикаты из титановых сплавов
Отечественная металлургическая промышленность имеет возможность производить и поставлять самые разнообразные полуфабрикаты из всех основных марок титана и титановых сплавов [7]:
- листовой прокат и плиты из сплавов ОТ4-0, ВТ1-0, ОТ4-1, ВТ5-1, ВТ6с, ВТ14, ВТ20, ВТ22, 40, ПТ-3В, АТ3; (таблицы 2.2 и 2.3)
- полосу из сплавов ВТ1-00 и ВТ1-0;
- ленту из сплавов ВТ1-00, ВТ1-0 и ОТ4-0 обычной и повышенной точности;
- фольгу из титана марок ВТ1-00 и ВТ1-0 обычной или повышенной точности;
- проволоку сварочную из сплавов ВТ1-00, 2В и других сплавов;
- прутки кованные из сплавов ВТ1-00, ВТ1-0, ОТ4-0, ОТ4, ОТ4-1, ВТ3-1, ВТ5, ВТ5-1, ВТ6, ВТ6с, ВТ16, ВТ18, ВТ8, ВТ9, ВТ14, ВТ18У, ВТ20, ВТ22, ВТ23, ВТ25, ВТ25У, ПТ-3В, 3М, АТ3, ПТ-1М, ПТ-7М;
- прутки катанные из сплавов ВТ1-00, ВТ1-0, ОТ4-0, ОТ4-1, ОТ4, ВТ5, ВТ5-1, ВТ6, ВТ6с, ВТ3-1, ВТ8, ВТ9, ВТ14, ВТ16, ВТ18, ВТ20, ВТ22, ВТ23, ВТ25У, ПТ-3В, 3М, ПТ-7М, 5В, 37, АТ3;
- трубы бесшовные круглые катаные и тянутые из сплавов ВТ1-00, ВТ1-0, ПТ-1М, ПТ-7М, ПТ-3В, ОТ4-0, ОТ4-1, ОТ4;
- трубы сварные из сплавов ВТ1-00, ВТ1-0, ОТ4-0, 14;
- плиты биметаллические "сталь-титан";
- прокат биметаллический листовой "сталь-титан" и другие виды полуфабрикатов.
Поскольку наиболее перспективными для атомной энергетики являются титан марок ВТ1-00 и ВТ1-0, а также сплав ПТ-3В, далее более подробно приведены основные виды полуфабрикатов, производимые в настоящее время на предприятиях России.
Прутки катаные:
Размеры прутков из титана марок ВТ1-00 и ВТ1-0 и из сплава ПТ-3В – Æ10¸150мм
По длине прутки изготавливаются:
- немерной длины:
- от 0,5 до 4 м – при диаметре прутков от 10 до 18 мм включительно;
- от 0,5 до 6 м – при диаметре прутков от 18 до 60 мм включительно;
- от 0,5 до 2 м – при диаметре прутков от 60 до 150 мм включительно;
- мерной и кратной мерной длины в пределах немерной.
Прутки (поковки) диаметром свыше 150 мм производятся по согласованию с производителем.
Плиты биметаллические [7]:
- Для поставки крупногабаритных биметаллических плит "сталь-титан", изготавливаемых методом сварки взрывом, ЦНИИ КМ "Прометей" разработал и выпустил технические условия №ТУ5.961-11772-2001 «Плиты биметаллические "сталь-титан". Технические условия. Опытная партия». Изготавливаемые по этим техническим условиям биметаллические плиты могут иметь следующие характеристики:
- толщина плиты 30…40 мм;
- плакируемая основа – сталь с пределом текучести s0.2³ 230 МПа (стали типа 22К, 09Г2С);
- плакирующий слой номинальной толщиной 5 мм – листовой прокат из титана марки ВТ1-0;
- ширина биметаллической плиты – 2600 мм;
- длина биметаллической плиты – 3450…5500 мм;
- отклонение от плоскостности плит не более 6 мм на всей длине или ширине плит.
- Для поставки крупногабаритных биметаллических заготовок "сталь-титан", изготавливаемых методом прокатки, ЦНИИ КМ "Прометей" разработал и выпустил технические условия №ТУ5.961-11771-2001 «Прокат биметаллический листовой "сталь-титан". Технические условия. Опытная партия». Получаемые по этим техническим условиям биметаллические заготовки могут иметь следующие характеристики:
- толщина плит 30…40 мм;
- плакируемая основа – сталь с пределом текучести s0.2³ 230 МПа (стали типа 22К, 09Г2С);
- плакирующий слой номинальной толщиной 5 мм – листовой прокат из титана марки ВТ1-0;
- ширина биметаллических плит – 2700…3450 мм;
- длина биметаллических плит – 3450…5350 мм.
1.3 Титановые сплавы, применяемые для изготовления труб
В России освоено промышленное производство широкого сортамента изделий из титана и его сплавов, качество которых находится на уровне мировых стандартов.
Накопленный опыт производства
и применения титана позволил приступить
к осуществлению программы
- увеличению производства титанового проката (в 3-4 раза) для обеспечения все возрастающих потребностей народного хозяйства;
- повышению экономичности производства и приближению стоимости титановых изделий к стоимости изделий из коррозионностойких сталей.
Значительное место среди освоенных профилей проката занимают титановые трубы, применяющиеся в судостроительной, химической, авиационной, машиностроительной и других отраслях промышленности. Изготовление труб из титана в лабораторных условиях начато в 50х годах.[6]
В настоящее время трубные
заводы России выпускают горячекатаные
и холоднодеформированные трубы
диаметром 3-480мм практически из всех
серийных титановых сплавов (в опытном
порядке изготовляли трубы
Трубы бесшовные из сплавов на основе титана изготовляют по ГОСТ 21945-76 (горячекатаные) и ГОСТ 22897-77 (холоднодеформированные), а также по техническим условиям. Например, наибольшее количество горячедеформированных труб диаметром 83-325мм из ставов ПТ-1М, ПТ-7М, ПТ-3В поставляется по ТУ 14-3-821-79, холоднодеформированных труб диаметром 5-89мм из сплавов ПТ-1М и ПТ-7М по ТУ 14-3-820-79.
В основу технологии производства труб из титана и его сплавов положена схема, применяющаяся на отечественных заводах для прокатки труб из коррозионностойких сталей.
В России производятся три марки технически чистого титана BT1-00, ВТ1-0 и ПТ-1М с содержанием общего количества в них технологических примесей соответственно до 0.7, 0.8 и 1.0 %. Титан марки ПТ-1М поставляется сейчас в ограниченном количестве и стабилизирован по свойствам искусственным добавлением легирующей примеси алюминия (до 0.5%).
Одним из простейших методов
классификации сплавов может
быть разделение их по группам прочности
и областям применения, и, кроме того,
по методам металлургического
Для трубного производства представляют интерес сплавы, поддающиеся деформированию. Наиболее пластичные из них используются для изготовления холоднокатаных труб широкого сортамента, некоторые из наиболее прочных сплавов пригодны лишь для изготовления горячекатаных труб из-за малой пластичности при комнатной температуре.
Из разработанных и применяемых в отечественной промышленности к чистым α-сплавам относят: технически чистый титан BT1-00, BT1-0, ПТ-1М; сплавы ВТ5, 4200, ВТ5-1 и ПТ-7М. К бетированным α-сплавам относят сплавы ОТ4-0, ОТ4-1, ПТ-3В, АТ3, АТ4, АТ6. К β-сплавам относятся ВТ15, и 4201, остальные считаются α+β сплавами.[6]
Структуры α, α+β и β – сплавов представлены на рисунке 2 [4].
Рис. 2 Микроструктуры титанового сплава.
а) α-фаза; б) α+β – фаза; в) α+β - фаза
Способность металла к деформированию в значительной степени определяются общим количеством элементов скольжения и двойникования у кристаллической решетки, присущей данному металлу или сплаву. Титан в α-модификации имеет значительно большее количество элементов двойникования и скольжения, чем хорошо известные металлы с гексогональной решеткой (Zn, Cd, Mg).
Двойникование является важным механизмом пластической деформации титана. Преимущество механизма деформации скольжением или двойникованием в значительной степени зависит от температуры, скорости деформирования и ориентации кристаллов по отношению к действующим напряжениям. Увеличение скорости деформирования α-титана заметно интенсифицирует процесс двойникования.
Вторая высокотемпературная модификация титана - β-фаза имеет большое количество кристаллографических плоскостей и направлений скольжения и двойникования, как всякая кубическая решетка, поэтому, как правило, в β-состоянии титан обладает очень хорошей пластичностью. Единственной, но очень неблагоприятной, особенностью высокотемпературной модификации титана является исключительно большая склонность к росту зерна, что сильно сказывается на конечных свойствах деформированного металла.
Формирование конечных механических
свойств титановых сплавов
Промышленный сортамент включает более 2000 типов труб из 12 титановых сплавов. По действующим техническим условиям трубы из титана и его сплавов подразделяются на: горячепрессованные, горячекатаные, холоднодеформированные и сварные.
Трубы бесшовные горячекатаные:
По длине трубы
- немерной длины:
- при диаметре 83-325 мм – от 1,5 до 6 м;
- при диаметре 351-480 мм – от 2 до 4,5 м;
- мерной длины – согласно ОСТ.
- кратной мерной длины – в пределах мерной, минимальная кратность – 300 мм.
Трубы бесшовные холоднодеформированные:
Трубы бесшовные
По длине трубы
- немерной длины:
- длиной от 0,8 до 8,0 м, толщиной стенки 0,5 – 0,8 мм;
- длиной от 1,0 до 8,0 м, толщиной стенки 1,0 мм и более;
- мерной длины – согласно ТУ, ОСТ.
Трубы поставляются со шлифованной или с травленой поверхностью.
Трубы сварные
круглые прямошовные
Трубы сварные круглые
прямошовные повышенного
Таблица 1 – Трубы сварные круглые прямошовные
Наружный диаметр, мм |
Предельное отклонение по наружному диаметру, мм |
Толщина стенки, мм |
Предельное отклонение на толщину стенки, мм |
10,1-25,0 25,1-38,0 38,1-40,0 |
±0,10 ±0,13 ±0,15 |
0,50-0,65 0,66-1,00 1,10-1,50 1,51-1,80 |
±0,05 ±0,08 ±0,13 ±0,15 |
По длине трубы
- немерной длиной – максимальная длина до 24 м;
- мерной длиной и кратной ей – в пределах максимальной.
Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод о том, что для изготовления труб представляют интерес сплавы, поддающиеся деформированию. Наиболее пластичные используются для изготовления холоднодеформированных труб, наиболее прочные походят только для изготовления горячекатаных труб.
Так же было указано, что двойникование является важным механизмом пластической деформации титана.
В ходе анализа, было выяснено, что формирование конечных свойств титановых сплавов происходит в процессе пластической деформации, наклепа и рекристаллизации.
Основными титановыми сплавами для изготовления труб являются ВТ1-00, ВТ1-0, ПТ-3В, ПТ-1М, ПТ-7М. Из них сплавы ВТ1-00, ВТ1-0 и ПТ-1М являются марками технически чистого титана.
Глава 2. Особенности технологии изготовления титановых труб
2.1 Трубная заготовка
В зависимости от способа производства труб применяются различные виды трубной заготовки.[6]
Для горячей прокатки передельных труб на трубопрокатных агрегатах с автомат-станом обычно используется сплошная цилиндрическая заготовка, получаемая ковкой, прессованием или прокаткой слитка. При этом кованая трубная заготовка чаще применяется для изготовления передельных горячекатаных труб диаметром 83-325 мм, а катаная - для горячекатаных передельных труб, идущих в дальнейшем на холодную прокатку труб более мелких размеров диаметром 6-80 мм. На агрегатах с автомат-станом применяется трубная заготовка диаметром 90-300 мм в зависимости от диаметра прокатываемых труб.
Ковка, прессование или прокатка заготовок производится из круглых слитков весом 0,8-2,5 тонн до диаметра, на 5-10 мм превышающего заданный размер трубной заготовки, то есть дается припуск на механическую обработку. Последняя имеет целью удаление газонасыщенного слоя и поверхностных дефектов, а также обеспечение точности диаметра.
Для горячей прокатки труб на ТПА с пилигримовым станом в качестве заготовки применяется кованая сверленая заготовка диаметром до 630мм либо сверленый слиток. Диаметр отверстий в обоих случаях до 120мм. Как слиток, так и кованая заготовка перед поставкой на трубный завод подвергаются сплошной обдирке и торцовке.[6]
При изготовлении труб горячим прессованием в качестве трубной заготовки применяется кованая засверленая заготовка ("шашка"), размеры которой определяются размером прессуемой трубы и применяемой пресс-формы (контейнера).
Технологическая схема прокатки труб из титановых сплавов на трубопрокатных агрегатах с автомат-станом практически не отличается от схемы прокатка стальных труб. При прокатке сравнительно тонкостенных труб гильза передается по наклонной решетке к автоматическому стану, где прокатывается за два прохода с кантовкой перед вторым проходом на 90°. После автомат-стана труба поступает на раскатной, а затем на калибровочный стан.
При прокатке толстостенных труб обычно с прошивного стана гильза, минуя автомат-стан, поступает на раскатной и затем на калибровочный стан.
Прокатка труб большого диаметра (146-325 мм) производится на ТПА с автомат-станом, имеющих в составе два прошивных стана. Заготовка в этом случае подвергается двойной прошивке последовательно в первом и втором прошивном станах.
После прошивки заготовок в гильзы в процессе дальнейшей прокатки и охлаждения трубы, изготовленные из сплавов разных групп, могут иметь различную структуру.
К числу особенностей прошивки заготовок из титана относятся: отсутствие полости перед носком оправки при любых величинах обжатия; сравнительно небольшие нагрузки на стан; повышенные осевые усилия, особенно при прошивке высокопрочных сплавов.
В качестве заготовки для изготовления холоднокатаных труб служат передельные горячекатаные или горячепрессованные трубы, прошедшие соответствующую подготовку и контроль. Выбор способа получения заготовки зависит от конкретных условий каждого завода, имеющего в своем составе необходимое для этого оборудование.
Важной для качества холоднодеформированных труб является тщательная подготовка труб-заготовок перед холодной прокаткой. Наличие на их поверхности альфированного слоя или следов грубой механической обработки оказывает отрицательное влияние на процесс холодной прокатки и качество продукции. С этой точки зрения применение в качестве заготовки прессованных труб, для которых характерно наличие глубоких задиров, менее желательно.