Титан и его сплавы. 5

Сибирский государственный аэрокосмический университет

имени академика М.Ф. Решетнева

 

 

 

Реферат

 

Титан и его сплавы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Красноярск 2014

 

 

Содержание.

 

1.Титан и его свойства…………………………………………………………3-6

2.Классификация  сплавов титана………………………………….……………6

3.Фазовые превращения  в титановых сплавах……………………………….7-9

4.Термическая обработка  титановых сплавов…………………………………10

5. Деформируемые титановые сплавы

5.1Титановые сплавы невысокой прочности и повышенной пластичности...11

5.2 Титановые сплавы средней прочности…………..……………………..11-12

5.3 Высокопрочные титановые сплавы………………………………..……12-13

6.Литейные  титановые сплавы………………………………………………….14

7.Порошковые  титановые сплавы…………………………………..………14-15

8.Области применения…………………………………………………………..15

9.Литература…………………………………………………………………..…16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ТИТАН И ЕГО СВОЙСТВА.

Титан – легкий серебристо-белый металл.

Порядковый номер-22.

Первооткрывателем титана считается 28-летний английский монах Уильям Грегор. В 1790 г., проводя минералогические изыскания в своем приходе, он обратил внимание на распространенность и необычные свойства черного песка в долине Менакэна на юго-западе Англии и принялся его исследовать. В песке священник обнаружил крупицы черного блестящего минерала, притягивающегося обыкновенным магнитом. Полученный в 1925 г. Ван Аркелем и де Буром иодидным методом чистейший титан оказался пластичным и технологичным металлом со многими ценными свойствами, которые привлекли к нему внимание широкого круга конструкторов и инженеров. В 1940 г. Кролль предложил магниетермический способ извлечения титана из руд, который является основным и в настоящее время. В 1947 г. были выпущены первые 45 кг технически чистого титана.

Титан широко распространен в земной коре, где его содержится около 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 ХХ 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 (ϭ в/ρ  ×  g), коррозионная стойкость, технологичность при обработке давлением и свариваемость, хладостойкость, немагнитность и ряд других ценных физико-механических характеристик, приведенных ниже.

Характеристики физико-механических свойств титана

Плотность ρ , - 4,5 × 103 кг/м3

Температура плавления Тпл, - 1668± 4 ° С

Коэффициент линейного расширения a -  8,9 ×  10–6 град–1

Теплопроводность l - 16,76 Вт/(м × град)

Предел прочности при растяжении ϭ в, 300–450 МПа

Условный предел текучести ϭ 0,2 - 250–380 МПа

Удельная прочность (ϭ в/r × g) - 7–10 × 10–3 км

Относительное удлинение δ - 25–30 %

Относительное сужение Y - 50–60 %

Модуль нормальной упругости Е´ - 110,25 * 103, МПа

Модуль сдвига G´ - 41*103, МПа

Коэффициент Пуассона m - 0,32

Твердость НВ -103

Ударная вязкость KCU- 120 Дж/см2

Титан имеет две полиморфные модификации: α - титана с гексагональной плотноупакованной решеткой с периодами а = 0,296 нм, с = 0,472 нм и высокотемпературную модификацию β - титана с кубической объемно-центрированной решеткой с периодом а = 0,332 нм при 900 ° С. Температура полиморфного превращения составляет 882 ° С.

Механические свойства титана существенно зависят от содержания примесей в металле. Различают примеси внедрения — кислород, азот, углерод, водород и примеси замещения, к которым относятся железо и кремний. Хотя примеси повышают прочность, но одновременно резко снижают пластичность, причем наиболее сильное отрицательное действие оказывают примеси внедрения, особенно газы. При введении всего лишь 0,003 % Н, 0,02 % N или 0,7 % О титан полностью теряет способность к пластическому деформированию и хрупко разрушается.

Особенно вреден водород, вызывающий водородную хрупкость титановых сплавов. Водород попадает в металл при плавке и последующей обработке, в частности при травлении полуфабрикатов. Водород малорастворим в α - титане и образует пластинчатые частицы гидрида, снижающего ударную вязкость и особенно отрицательно проявляющегося в испытаниях на замедленное разрушение.

Промышленный способ производства титана состоит в обогащении и хлорировании титановой руды с последующим его восстановлением из четыреххлористого титана металлическим магнием (магнийтермический метод). Полученный этим методом титан губчатый (ГОСТ 17746–79)

Для получения монолитного титана губка размалывается в порошок, прессуется и спекается или переплавляется в дуговых печах в вакууме или атмосфере инертных газов.

Механические свойства титана характеризуются хорошим сочетанием прочности и пластичности. Например, технически чистый титан марки ВТ1-0 имеет: ϭ в = 375–540 МПа, ϭ 0,2 = 295–410 МПа, δ= 20 %, и по этим характеристикам не уступает ряду углеродистых и Cr—Ni коррозионностойких сталей.

Высокая пластичность титана по сравнению с другими металлами, имеющими ГПУ- решетку (Zn, Mg, Cd), объясняется большим количеством систем скольжения и двойникования благодаря малому соотношению с/а = 1,587. По-видимому, с этим связана высокая хладостойкость титана и его сплавов.

При повышении температуры до 250 ° С прочность титана снижается почти в 2 раза. Однако жаропрочные Ti-сплавы по удельной прочности в интервале температур 300–600 ° С не имеют себе равных; при температурах выше 600 ° С сплавы титана уступают сплавам на основе железа и никеля.

Титан имеет низкий модуль нормальной упругости (Е = 110,25 ГПа) — почти в 2 раза меньше, чем у железа и никеля, что затрудняет изготовление жестких конструкций.

Титан относится к числу химически активных металлов, однако он обладает высокой коррозионной стойкостью, так как на его поверхности образуется стойкая пассивная пленка TiO2, прочно связанная с основным металлом и исключающая его непосредственный контакт с коррозионной средой. Толщина этой пленки обычно достигает 5–6 нм. Благодаря оксидной пленке, титан и его сплавы не корродируют в атмосфере, в 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 плавку, разливку и дуговую сварку производят в вакууме или в атмосфере инертных газов. При технологических и эксплуатационных нагревах, особенно выше 550–600 °С, необходимо принимать меры для защиты титана от окисления и газонасыщения (альфированный слой).

Титан хорошо обрабатывается давлением в горячем состоянии и удовлетворительно в холодном. Он легко прокатывается, куется, штампуется. Титан и его сплавы хорошо свариваются контактной и аргонодуговой сваркой, обеспечивая высокую прочность и пластичность сварного соединения. Недостатком титана является плохая обрабатываемость резанием из-за склонности к налипанию, низкой теплопроводности и плохих антифрикционных свойств.

 

КЛАССИФИКАЦИЯ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ.

Структура промышленных сплавов титана – твердые растворы легирующих элементов в α и β модификациях титана.

В зависимости от их стабильной структуры (после отжига) при комнатной температуре  делят на 3 группы:

1) α-сплавы;

2) (α+β)-сплавы (двухфазные);

3) β-сплавы.

По технологии производства:

1)деформируемые;

2)литейные;

3)порошковые.

По физико-химическим и механическим свойствам:

1)высокопрочные;

2)обычной прочности;

3)высокопластичные;

4)жаропрочные;

5)коррозионностойкие.

 

ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В ТИТАНОВЫХ СПЛАВАХ

На формирование структуры и, следовательно, свойств титановых сплавов решающее влияние оказывают фазовые превращения, связанные с полиморфизмом титана. Ниже представлены схемы диаграмм состояния «титан-легирующий элемент», отражающие подразделение легирующих элементов по характеру влияния на полиморфные превращения титана на 4 группы.

1) α - Стабилизаторы (Al, O, N), которые повышают температуру полиморфного α-β превращения и расширяют область твердых растворов на основе α-титана (а). Учитывая охрупчивающее действия азота и кислорода, практическое значение для легирования титана имеет только алюминий. Он является основным легирующим элементом во всех промышленных титановых сплавах, уменьшает их плотность и склонность к водородной хрупкости, а также повышает прочность и модуль упругости. Сплавы с устойчивой α-структурой термической обработкой не упрочняются.

2) Изоморфные β-стабилизаторы (Mo, V, Ni, Ta и др.), которые понижают температуру α-β-превращения и расширяют область твердых растворов на основе β -титана (б).

3)Эвтектоидообразующие  β-стабилизаторы (Cr, Mn, Cu и др.) могут образовывать с титаном интерметаллиды типа TiХ. В этом случае при охлаждении β -фаза претерпевает эвтектоидное превращение β→ α + TiХ (в). Большинство β - стабилизаторов повышает прочность, жаропрочность и термическую стабильность титановых сплавов, несколько снижая их пластичность. Кроме того, сплавы с (α +β) и псевдо-β-структурой могут упрочняться термообработкой (закалка + старение).

4)Нейтральные элементы (Zr, Sn) не оказывают существенного влияния на температуру полиморфного превращения и не меняют фазового состава титановых сплавов (г).

Ниже приведена диаграмма, иллюстрирующая  влияние легирующих элементов на прочность титановых сплавов.

Полиморфное β→ α - превращение может происходить двумя путями. При медленном охлаждении и высокой подвижности атомов оно происходит по обычному диффузионному механизму с образованием полиэдрической структуры твердого α - раствора. При быстром охлаждении — по бездиффузионному мартенситному механизму с образованием игольчатой мартенситной структуры, обозначаемой α' или при большей степени легированности — α " . Кристаллическая структура α, α' и α "практически однотипная (ГПУ), однако решетка α' и α " более искажена, причем степень искаженности возрастает с увеличением концентрации легирующих элементов. Есть сведения, что решетка α "- фазы скорее ромбическая, чем гексагональная. При старении из фаз α' и α "выделяется β - фаза или интерметаллидная фаза.

В отличие от мартенсита углеродистых сталей, являющегося раствором внедрения и характеризующегося высокой прочностью и хрупкостью, титановый мартенсит является раствором замещения, и закалка титановых сплавов на мартенсит α " приводит к небольшому упрочнению и не сопровождается резким снижением пластичности.

 

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ.

Для титановых сплавов применяют следующие виды термообработки: отжиг, закалка и старение, а также химико-термическая обработка (азотирование, силицирование, оксидирование и др.).

Отжиг проводится для всех титановых сплавов с целью завершения формирования структуры, выравнивания структурной и концентрационной неоднородности, а также механических свойств. Температура отжига должна быть выше температуры рекристаллизации, но ниже температуры перехода в β - состояние (Тпп) во избежание роста зерна. Применяют:

- Обычный (рекристаллизационный) отжиг холодно-деформируемых сплавов(650-850 °С).

-  Изотермический отжиг: нагрев до 780-980°С с последующим охлаждением в печи до 530-680° С, выдержка при этой температуре и охлаждение на воздухе. Обеспечивает высокую пластичность и термическую стабильность (α+β) – сплавов.

- Двойной ступенчатый отжиг. Отличается от изотермического тем, что переход от 1 ступени ко 2 осуществляется охлаждением сплава на воздухе с последующим повторным нагревом до температуры 2 ступени. Приводит к упрочнению сплава и некоторому снижению пластичности за счет частичного протекания закалки и старения.

-Неполный отжиг при 500-680 °С (для снятия внутренних напряжений).

Закалка и старение (упрочняющая термообработка) применима к титановым сплавам с α-β-структурой. Принцип упрочняющей термообработки заключается в получении при закалке метастабильных фаз , α', α "и последующем их распаде с выделением дисперсных частиц α - и β-фаз при искусственном старении. При этом эффект упрочнения зависит от типа, количества и состава метастабильных фаз, а также дисперсности образовавшихся после старения частиц α и β-фаз.

Химико-термическая обработка проводится для повышения твердости и износостойкости, стойкости к «схватыванию» при работе в условиях трения, усталостной прочности, а также улучшения коррозионной стойкости, жаростойкости и жаропрочности. Практическое применение имеют азотирование, силицирование и некоторые виды диффузионной металлизации.

 

 

Деформируемые титановые сплавы

Титановые сплавы невысокой прочности и повышенной пластичности

К этой группе относятся сплавы с пределом прочности ϭв   <700 МПа, а именно: - сплавы марок ВТ1-00, ВТ1-0 (технический титан) и сплавы ОТ4-0, ОТ4-1 (система Ti—Al—Mn), АТ3 (система Ti—Al c небольшими добавками Cr, Fe, Si, B), относящиеся к псевдо-α -сплавам с небольшим количеством β -фазы.

Характеристики прочности этих сплавов выше, чем чистого титана благодаря примесям в сплавах ВТ1-00 и ВТ1-0 и незначительному легированию α - и β -стабилизаторами в сплавах ОТ4-0, ОТ4-1, АТ3.

Эти сплавы отличаются высокой пластичностью как в горячем, так и в холодном состоянии, что позволяет получать все виды полуфабрикатов: фольгу, ленту, листы, плиты, поковки, штамповки, профили, трубы и т. п.

Для снятия внутренних напряжений, образовавшихся в результате механической обработки, листовой штамповки, сварки и др., применяется неполный отжиг.

Указанные сплавы хорошо свариваются сваркой плавлением (аргонодуговая, под флюсом, электрошлаковая) и контактной (точечная, роликовая). При сварке плавлением прочность и пластичность сварного соединения, практически аналогичные основному металлу.

Коррозионная стойкость данных сплавов высокая во многих средах (морская вода, хлориды, щелочи, органические кислоты и т. п.), кроме растворов HF, H2SO4, HCl и некоторых других.

Применение. Эти сплавы широко применяются как конструкционные материалы для изготовления практически всех видов полуфабрикатов, деталей и конструкций, включая сварные. Наиболее эффективно их применение в авиационно-космической технике, в химическом машиностроении, в криогенной технике, а также в узлах и конструкциях, работающих при температурах до 300–350 ° С.

Титановые сплавы средней прочности

К этой группе относятся сплавы с пределом прочности ϭ в = 750–1000 МПа, а именно: α -сплавы марок ВТ5 и ВТ5-1; псевдо-α -сплавы марок ОТ4, ВТ20; (α  + β ) - сплавы марок ПТ3В, а также ВТ6, ВТ6С, ВТ14 в отожженном состоянии.

Сплавы ВТ5, ВТ5-1, ОТ4, ВТ20, ПТ3В, ВТ6С, содержащие небольшое количество β -фазы (2–7 % β -фазы в равновесном состоянии), упрочняющей термообработке не подвергаются и используются в отожженном состоянии. Сплав ВТ6С иногда применяют в термически упрочненном состоянии. Сплавы ВТ6 и ВТ14 используют как в отожженном, так и в термически упрочненном состоянии. В последнем случае их прочность становится выше 1000 МПа, и они будут рассмотрены в разделе, посвященном высокопрочным сплавам.

Рассматриваемые сплавы, наряду с повышенной прочностью, сохраняют удовлетворительную пластичность в холодном состоянии и хорошую пластичность в горячем состоянии, что позволяет получать из них все виды полуфабрикатов: листы, ленту, профили, поковки, штамповки, трубы и др. Исключение составляет сплав ВТ5, из которого листы и плиты не изготавливают из-за невысокой технологической пластичности. На эту категорию сплавов приходится основной объем производства полуфабрикатов, применяемых в машиностроении.

Все среднепрочные сплавы хорошо свариваются всеми видами сварки, применяемыми для титана. Прочность и пластичность сварного соединения, выполненного сваркой плавлением, близка к прочности и пластичности основного металла. После сварки рекомендован неполный отжиг для снятия внутренних сварочных напряжений.

Обрабатываемость резанием этих сплавов хорошая. Коррозионная стойкость в большинстве агрессивных сред аналогична техническому титану ВТ1-0.

Применение. Данные сплавы рекомендуется применять для изготовления изделий листовой штамповкой (ОТ4, ВТ20), для сварных деталей и узлов, для штампосварных деталей (ВТ5, ВТ5-1, ВТ6С, ВТ20) и др. Сплав ВТ6С широко применяется для изготовления сосудов и емкостей высокого давления. Детали и узлы из сплавов ОТ4, ВТ5 могут длительно работать при температурах до 400 ° С и кратковременно — до 750 ° С; из сплавов ВТ5-1, ВТ20 — длительно при температурах до 450–500 ° С и кратковременно — до 800–850 ° С. Сплавы ВТ5-1, ОТ4, ВТ6С также рекомендуются для применения в холодильной и криогенной технике .

Высокопрочные титановые сплавы

К этой группе относятся сплавы с пределом прочности ϭв > 1000 МПа, а именно (α+ β )-сплавы марок ВТ6, ВТ14, ВТ3-1, ВТ22.

Высокая прочность в этих сплавах достигается упрочняющей термообработкой (закалка + старение). Исключение составляет высоколегированный сплав ВТ22, который даже в отожженном состоянии имеет ϭ в >  1000 МПа.

Указанные сплавы наряду с высокой прочностью сохраняют хорошую (ВТ6) и удовлетворительную (ВТ14, ВТ3-1, ВТ22) технологическую пластичность в горячем состоянии, что позволяет получать из них различные полуфабрикаты: листы (кроме ВТ3-1), прутки, плиты, поковки, штамповки, профили и др. Сплавы ВТ6 и ВТ14 в отожженном состоянии (ϭв > 850 МПа) могут подвергаться холодной листовой штамповке с малыми деформациями.

Несмотря на гетерофазность структуры, рассматриваемые сплавы обладают удовлетворительной свариваемостью всеми видами сварки, применяемыми для титана. Для обеспечения требуемого уровня прочности и пластичности обязательно проводят полный отжиг, а для сплава ВТ14 (при толщине свариваемых деталей 10–18 мм) рекомендуется проводить закалку с последующим старением. При этом прочность сварного соединения (сварка плавлением) составляет не менее 0,9 от прочности основного металла. Пластичность сварного соединения близка к пластичности основного металла.

Обрабатываемость резанием удовлетворительная. Обработку резанием сплавов можно проводить как в отожженном, так и в термически упрочненном состоянии.

Данные сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью в отожженном и термически упрочненном состояниях во влажной атмосфере, морской воде, во многих других агрессивных средах, как и технический титан.

Применение. Высокопрочные титановые сплавы применяются для изготовления деталей и узлов ответственного назначения: сварные конструкции (ВТ6, ВТ14), турбины (ВТ3-1), штампосварные узлы (ВТ14), высоконагруженные детали и штампованные конструкции (ВТ22). Эти сплавы могут длительно работать при температурах до 400 ° С и кратковременно до 750 ° С.

Особенность высокопрочных титановых сплавов как конструкционного материала — их повышенная чувствительность к концентраторам напряжения. Поэтому при конструировании деталей из этих сплавов необходимо учитывать ряд требований (повышенное качество поверхности, увеличение радиусов перехода от одних сечений к другим и т. п.), аналогичных тем, которые существуют при применении высокопрочных сталей.

 

Литейные титановые сплавы.

 По сравнению с деформируемыми  литейные сплавы имеют меньшую  прочность, пластичность и выносливость, но более дешевы. Сложность литья  титановых сплавов обусловлена  активным взаимодействием титана  с газами и формовочными материалами. Литейные сплавы ВТ5Л, ВТ14Л и  ВТЗ-1Л по составу в основном  совпадают с аналогичными деформируемыми  сплавами (в то же время сплав  ВТ14Л дополнительно содержит  железо и хром).

Высокими технологическими свойствами обладает сплав ВТ5Л: он пластичен, не склонен к образованию трещин при литье, хорошо сваривается. Фасонные отливки из сплава ВТ5Л работают при температурах до 400 °C. Недостатком сплава является его невысокая прочность (800 МПа). двухфазный литейный сплав ВТ14Л подвергают отжигу при 850 °C вместо упрочняющей термической обработки, резко снижающей пластичность отливок.

Порошковые титановые сплавы.

Высокая стоимость изготовления и трудность механической обработки сплавов на основе титана являются серьезным препятствием на пути их широкого применения. Методы порошковой технологии позволяют повысить коэффициент использования металла путем уменьшения отходов при механической обработке (снижение стоимости до 50%) и открывают потенциальные возможности получения готовых деталей для конструкций летательных аппаратов и двигателей.

Получение порошков из сплавов на основе титана является сложной проблемой вследствие вредного влияния различных примесей. Высокая химическая активность расплавленного титана исключает применение большинства огнеупоров в качестве материала для тиглей.

Использование современных методов получения легированных порошков дуговой плавкой с вращающимся анодом и неподвижным вольфрамовым катодом, электроплазменной плавкой либо распылением в вакууме и других позволяет исключить загрязнения. Повышение качества полуфабрикатов и готовых деталей сложных форм может быть достигнуто в результате использования новых прогрессивных методов, таких, как горячее компактирование гранул, горячее изостатическое прессование легированных порошков (ГИП) с последующим спеканием в вакууме и др.

Несмотря на определенные сложности и недостатки (пористость, наличие неметаллических включений и примесей), ухудшающих качество изделий из порошковых сплавов на основе титана, преимущество порошковой металлургии, особенно в ее новом варианте, очевидно.

Для изготовления деталей методами порошковой технологии используют сплавы ВТ5, ВТ5-1, ОТ4, ВТЗ-1 и др. Из зарубежных сплавов весьма перспективными являются сплав Ti-6A1-4V и особенно Корона-5, обладающий высокой вязкостью разрушения.

Применение титановых сплавов.

В авиастроении, ракетостроении — каркасные детали, обшивка, топливные баки, детали реактивных двигателей, диски и лопатки компрессоров, детали воздухозаборника, детали корпусов ракетных двигателей второй и третьей ступени и т. д.

В судостроении — обшивка корпусов судов и подводных лодок, сварные трубы, гребные винты, детали насосов и др.

В химической промышленности: реакторы для агрессивных сред, насосы, змеевики, центрифуги и др.

В гальванотехнике: ванны для хромирования, анодные корзины, теплообменники, трубопроводы, подвески и др.

В газовой и нефтяной промышленности: фильтры, седла клапанов, резервуары, отстойники и др.

В криогенной технике: детали холодильников, насосов компрессоров, теплообменники и др.

В пищевой промышленности: сепараторы, холодильники, емкости для продуктов, цистерны и др.

В медицинской промышленности: инструмент, наружные и внутренние протезы, внутрикостные фиксаторы, зажимы и др,

 

 

 

 

 

 

Литература.

1.http://www.1metal.com/info/directories/titanium/tisplav/

2.http://www.housetop.ru/titan

3.http://www.diamantvl.ru/books/materialovedenie_shpargalka/47_titan_i_ego_splavy/2.html

4.Г.П.Фетисов, М.Г.Карпман  «Материаловедение и технология материалов», 2001,стр.191-197.

5. http://metallicheckiy-portal.ru/marki_metallov/tit.