Титановые сплавы
Национальный
Исследовательский Ядерный Университет
МИФИ
Реферат на тему
«Титановые
сплавы»
Выполнила: Дорофеева А.А
Гр. Ф8-241
Москва 2011
Содержание
- История открытия
титана………………………………………………………………
………………3 - Структура титановых
сплавов……………………………………………………………
………….4 - Механические и физические свойства титана и титановых сплавов…………..5
- Коррозионная стойкость титана и титановых сплавов………………………………..8
- Влияние легирующих элементов в титане на коррозионную стойкость…….10
- Водородное охрупчивание титана и титановых сплавов………………..11
- Высокопрочные
титановые сплавы………………………………………………………………
16
- Повышение прочностных свойств термической обработкой…….………16
- Выбор рационального
легирования…………………………………………….…
…..17 - Стабилизирующий
отжиг……………………………………………………………….
…….18
- Список литературы……………………………………………………
……………………………………19
История открытия титана
Вряд ли можно
найти еще один такой металл, история
открытия и изучения которого была
бы так полна драматических
Первооткрывателем
титана считается 28-летний
В 1795 г. немецкий
исследователь-химик Мартин
Ни один конструкционный
металл не знал такой
Структура титановых сплавов
Титан — легкий серебристо-белый металл. Существует в двух кристаллических модификациях: α-Ti с гексагональной плотноупакованной решёткой (a=2,951 Å; с=4,679 Å[9]; z=2; β-Ti с кубической объёмноцентрированной упаковкой (a=3,269 Å; z=2; пространственная группа Im3m), температура перехода α↔β 883 °C, ΔH перехода 3,8 кДж/моль. Точка плавления 1660±20 °C, точка кипения 3260 °C, плотность α-Ti и β-Ti соответственно равна 4,505 (20 °C) и 4,32 (900 °C) г/см³[1], атомная плотность 5,71×1022 ат/см³[источник не указан 591 день]. Пластичен, сваривается в инертной атмосфере. Удельное сопротивление 0,42 мкОм·м при 20 °C
При обычной температуре покрывается защитной пассивирующей плёнкой оксида TiO2
Титан упрочняется легированием α- и β-стабилизирующими элементами, а также термической обработкой двухфазных (α+β)-сплавов. К элементам, стабилизирующим α-фазу титана, относятся алюминий, в меньшей степени олово и цирконий. α-стабилизаторы упрочняют титан, образуя твердый раствор с α-модификацией титана.
За последние годы было установлено, что, кроме алюминия, существуют и другие металлы, стабилизирующие α-модификацию титана, которые могут представлять интерес в качестве легирующих добавок к промышленным титановым сплавам. К таким металлам относятся галлий, индий, сурьма, висмут. Особый интерес представляет галлий для жаропрочных титановых сплавов благодаря высокой растворимости в α - титане. Как известно повышение жаропрочности сплавов системы Ti – Al ограничено пределом 7 – 8% вследствие образования хрупкой фазы. Добавкой галлия можно дополнительно повысить жаропрочность предельнолегированных алюминием сплавов без образования α2-фазы.
Алюминий практически применяется почти во всех промышленных сплавах, так как является наиболее эффективным упрочнителем, улучшая прочностные и жаропрочные свойства титана. В последнее время наряду с алюминием в качестве легирующих элементов применяют цирконий и олово.
Цирконий положительно
влияет на свойства сплавов при повышенных
температурах, образует с титаном
непрерывный ряд твердых
Олово, особенно в
сочетании с алюминием и
Преимущество титановых
сплавов с α-структурой – в
высокой термической
Для повышения прочности,
жаропрочности и
Элементы из группы β-стабилизаторов упрочняют титан, образуя α- и β-твердые растворы.
В зависимости от содержания указанных элементов можно получить сплавы с α+β- и β-структурой.
Таким образом, по структуре титановые сплавы условно делятся на три группы: сплавы с α-, (α+β)- и β-структурой.
В структуре каждой группы могут присутствовать интерметаллидные фазы.
Преимущество двухфазных
(α+β)-сплавов – способность
Механические и физические свойства титана и титановых сплавов
Важнейшей особенностью титана как металла являются его уникальные физико-химические свойства: низкая плотность, высокая прочность, твердость, жаропрочность, высокая коррозионная стойкость и др. Главное же, что эти свойства не меняются существенно при высоких температурах.
Титан весьма
тугоплавкий металл. Долгое время
считалось, что он плавится
при 1800° С, однако в середине
50-х гг. английские ученые Диардорф
и Хейс установили температуру
плавления для чистого
Модули упругости
титана невелики и обнаруживают существенную
анизотропию. При измерении в
направлении оси с модуль Юнга
равен 146 ГПа, а в перпендикулярном
направлении – 106 Гпа. Для поликристаллического
титана среднее значение модуля Юнга
103 ГПа. Небольшое значение модулей
упругости титана – существенный
его недостаток, так как в некоторых
случаях для получения
Титан–легкий металл, его плотность при 0° С составляет всего 4,517 г/см8, а при 100° С – 4,506 г/см3. Титан относится к группе металлов с удельной массой менее 5 г/см3. Сюда входят все щелочные металлы (натрий, кадий, литий, рубидий, цезий) с удельной массой 0,9–1,5 г/см3, магний (1,7 г/см3), алюминий (2,7 г/см3) и др. Титан более чем в 1,5 раза тяжелее алюминия, и в этом он, конечно, ему проигрывает, но зато в 1,5 раза легче железа (7,8 г/см3). Однако, занимая по удельной плотности промежуточное положение между алюминием и железом, титан по своим механическим свойствам во много раз их превосходит.
Каковы же эти свойства, которые позволяют широко использовать титан как конструкционный материал? Прежде всего прочность металла, т. е. его способность сопротивляться разрушению, а также необратимому изменению формы (пластические деформации). Титан обладает значительной твердостью: он в 12 раз тверже алюминия, в 4 раза–железа и меди. Еще одна важная характеристика металла – предел текучести. Чем он выше тем лучше детали из этого металла сопротивляются эксплуатационным нагрузкам. Предел текучести у титана почти в 18 раз выше, чем у алюминия. Удельная прочность сплавов титана может быть повышена в 1,5–2 раза. Его высокие механические свойства хорошо сохраняются при температурах вплоть до нескольких сот градусов.
Чистый титан
пригоден для любых видов
Титан обладает еще
одним удивительным свойством–«памятью».
В сплаве с некоторыми металлами
(например, с никелем, и особенно
с никелкм и водородом) он «запоминает»
форму изделия, которую из него сделали
при определенной температуре. Если
такое изделие потом
Титан имеет довольно высокое удельное электросопротивление, которое в зависимости от содержания примесей колеблется от 42*10-6 до 70*10-6 Ом*см. Однако при температурах ниже 0.45 К титан становится сверхпроводником.
Титан обладает сравнительно
низкой теплопроводностью, всего 22,07 Вт/(мК),
что приблизительно в 3 раза ниже теплопроводности
железа, в 7 раз–магния, в 17–20 раз–алюминия
и меди. Соответственно и коэффициент
линейного термического расширения
у титана ниже, чем у других конструкционных
материалов: при 20 С он в 1,5 раза ниже
чем у железа, в 2 - у меди и почти
в 3 - у алюминия. Титан парамагнитный
металл. Его магнитная восприимчивость
очень слаба, это свойство можно использовать
при строительстве, например, немагнитных
кораблей, приборов, аппаратов.
Одним из важных преимуществ
титановых сплавов перед
Титановые сплавы по удельной прочности (прочности, отнесенной к плотности) превосходят большинство нержавеющих и теплостойких сталей при температурах до 400°С – 500°С. Если учесть к тому же, что в большинстве случаев в реальных конструкциях не удается полностью использовать прочность сталей из-за необходимости сохранения жесткости или определенной аэродинамической формы изделия (например, профиль лопатки компрессора), то окажется, что при замене стальных деталей титановыми можно получить значительную экономию в массе.
Еще сравнительно недавно
основным критерием при разработке
жаропрочных сплавов была величина
кратковременной и длительной прочности
при определенной температуре. В
настоящее время можно
В зависимости от условий работы обращается внимание на то или иное определяющее свойство, величина которого должна быть максимальной, однако сплав должен обеспечивать необходимый минимум и других свойств, как указано ниже.
1. Высокая кратковременная и длительная прочность во всем интервале рабочих температур. Минимальные требования: предел прочности при комнатной температуре 100· Па; кратковременная и 100-ч прочность при 400° С – 75· Па. Максимальные требования: предел прочности при комнатной температуре 120· Па, 100-ч прочность при 500° С – 65· Па.
2. Удовлетворительные пластические свойства при комнатной температуре: относительное удлинение 10%, поперечное сужение 30%, ударная вязкость 3· Па·м. Эти требования могут быть для некоторых деталей и ниже, например для лопаток направляющих аппаратов, корпусов подшипников и деталей, не подверженных динамическим нагрузкам.
3. Термическая стабильность. Сплав должен сохранять свои пластические свойства после длительного воздействия высоких температур и напряжений. Минимальные требования: сплав не должен охрупчиваться после 100-ч нагрева при любой температуре в интервале 20 – 500°С. Максимальные требования: сплав не должен охрупчиваться после воздействия температур и напряжений в условиях, заданных конструктором, в течение времени, соответствующего максимальному заданному ресурсу работы двигателя.
4. Высокое сопротивление усталости при комнатной и высоких температурах. Предел выносливости гладких образцов при комнатной температуре должен составлять не менее 45% предела прочности, а при 400° С – не менее 50% предела прочности при соответствующих температурах. Эта характеристика особенно важна для деталей, подверженных вибрациям в процессе работы, как, например, лопатки компрессоров.
5. Высокое сопротивление ползучести. Минимальные требования: при температуре 400° С и напряжении 50· Па остаточная деформация за 100 ч не должна превосходить 0,2%. Максимальным требованием можно считать тот же предел при температуре 500° С за 100 ч. Эта характеристика особенно важна для деталей, подверженных в процессе работы значительным растягивающим напряжениям, как, например, диски компрессоров.
Однако со значительным увеличение ресурса работы двигателей правильнее будет базироваться на продолжительности испытания не 100 ч, а значительно больше - примерно 2000 – 6000 ч.
Несмотря на высокую стоимость производства и обработки титановых деталей, применение их оказывается выгодным благодаря главным образом повышению коррозионной стойкости деталей, их ресурса и экономии массы.
Стоимость титанового компрессора значительно выше, чем стального. Но в связи с уменьшением массы стоимость одного тонно-километра в случае применения титана будет меньше, что позволяет очень быстро окупить стоимость титанового компрессора и получить большую экономию.
Коррозионная стойкость титана и титановых сплавов
Реакции титана со многими элементами происходят только при высоких температурах. При обычных температурах химическая активность титана чрезвычайно мала и он практически не вступает в реакции. Связано это с тем, что на свежей поверхности чистого титана, как только она образуется, очень быстро появляется инертная, хорошо срастающаяся с металлом тончайшая (в несколько ангстрем (1А=10-10м) пленка диоксида титана, предохраняющая его от дальнейшего окисления. Если даже эту пленку снять, то в любой среде, содержащей кислород или другие сильные окислители (например, в азотной или хромовой кислоте), эта пленка появляется вновь, и металл, как говорят, ею «пассивируется», т. е. защищает сам себя от дальнейшего разрушения.
Рассмотрим несколько подробнее поведение чистого титана в различных агрессивных средах: в таких, как азотная, соляная, серная, «царская водка» и другие кислоты и щелочи.
В азотной
кислоте, являющейся сильным окислителем,
в котором быстро растворяются очень
многие металлы, титан исключительно
стоек. При любой концентрации азотной
кислоты (от 10 до 99%-ной), при любых
температурах скорость коррозии титана
не превышает 0,1–0,2 мм/год. Опасна только
красная дымящая азотная
В соляной
кислоте титан стоек лишь в
разбавленных ее растворах. Например,
в 0,5%-ной соляной кислоте даже
при нагревании до 100° С скорость
коррозии титана не превышает 0,01 мм/год,
в 10%-ной при комнатной
В серной кислоте слабой концентрации (до 0,5–1% ) титан и большинство его сплавов стойкие даже при температуре раствора до 50–95° С. Стоек титан и в более концентрированных растворах (10–20%-ных) при комнатной температуре, в этих условиях скорость коррозии титана не превышает 0,005–0,01 мм/год. Но с повышением температуры раствора титан в серной кислоте даже сравнительно слабой концентрации (10–20%-ной) начинает растворяться, причем скорость коррозии достигает 9–10 мм/год. Серная кислота, так же как и соляная, разрушает защитную пленку диоксида титана и повышает его растворимость. Ее можно резко понизить, если в растворы этих кислот добавлять определенное количество азотной, хромовой, марганцевой кислот, соединений хлора или других окислителей, которые быстро пассивируют поверхность титана защитной пленкой и прекращают его дальнейшее растворение. Вот почему титан практически единственный металл, не растворяющийся в «царской водке»: в ней при обычных температурах (10–20° С) коррозия титана не превышает 0,005 мм/год. Слабо корродирует титан и в кипящей «царской водке», а ведь в ней, как известно, многие металлы, и даже такие, как золото, растворяются почти мгновенно.
Очень слабо
корродирует титан в
В расплаве многих металлов чистый титан обнаруживает удивительную стойкость. В жидких горячих магнии, олове, галлии, ртути, литии, натрии, калии, в расплавленной сере титан практически не корродирует, и лишь при очень высоких температурах расплавов (выше 300–400° С) скорость его коррозии в них может достигать 1 мм/год. Однако есть немало агрессивных растворов и расплавов, в которых титан растворяется очень интенсивно.
Главный «враг»
титана – плавиковая кислота (HF). Даже
в 1%-ном ее растворе скорость коррозии
титана очень высока, а в более
концентрированных растворах
Не может
противостоять титан
В титан
можно вводить некоторые
Влияние легирующих элементов в титане на коррозионную стойкость
Все присутствующие в титане легирующие элементы по коррозионной стойкости можно разделить на четыре группы.
К первой группе
относятся легко
Ко второй группе металлов, оказывающих сходное влияние на коррозионную стойкость титана, относятся Cr, Ni, Mn, Fe. Эти элементы, некоторые из которых сами являются коррозионностойкими (Cr, Ni), хотя и не сильно, но снижают коррозионную стойкость титана, особенно в неокислительных кислотах по мере повышения легирования титана.
К третьей
группе легирующих элементов, имеющих
общие черты влияния на коррозионную
стойкость титана, относятся Al, Sn, О,
N, С. Установлено, что добавки алюминия
снижают коррозионную стойкость
титана в активном и пассивном
состояниях. В нейтральных средах
алюминий (до 5% Al) хотя и оказывает
отрицательное влияние, но оно невелико.
Понижение коррозионной стойкости
при легировании алюминием
К четвертой
группе легирующих элементов, однотипно
влияющих на коррозионную стойкость
титана, относятся металлы с низким
сопротивлением катодному процессу.
По возрастанию эффективности
Доказано, что введение в титановые сплавы таких элементов, как молибден, ниобий, цирконий, тантал не лимитируется по количеству. Они повышают коррозионную стойкость, способствуют увеличению прочности.
Электрохимическая коррозия под действием внутренних макро- и микрогальванических пар
Раньше электрохимическую
коррозию называли гальванической коррозией,
так как разрушение металла происходит
под действием возникающих
Рассмотрим различные случаи возникновения коррозионных гальванических пар.
1. Контакт
с электролитом двух разных
металлов в случае сочетания
в одном узле или детали
металлов различной активности
в данной среде, или в случае
применения сплава
2. Контакт
металла и его соединения, обладающего
металлообразными или

- Титановые сплавы
- Титан: химический элемент
- Титаны Возрождения и их творения
- «Титаны» Возрождения (Леонардо, Микеланджело, Тициан,Рафаэль)
- Титаны Ренессанса
- Титаны эпохи возрождения
- Титаны эпохи Возрождения
- «Титанизм» как феномен Эпохи Возрождения
- Титани італійського Високого Відродження
- Титан и медные сплавы
- Титан и сплавы на его основе
- Титан и сплавы на его основе
- Титан как химический элемент
- Титан металлургиясы