Легирование титана

Глазова В.В.

Металлургия, 1966 г.

Титан — один из наиболее распространенных элементов земной коры. Природные ресурсы его в несколько раз превышают общие запасы хорошо известных и широко применяемых металлов— меди, никеля, олова, свинца, хрома, марганца, молибдена, вольфрама, ртути, висмута, золота, платины, вместе взятых. Среди конструкционных металлов титан по распространенности на земле занимает четвертое место, уступая только алюминию, железу и магнию. Однако еще недавно использование металлического титана и сплавов на его основе не имело перспектив, так как не были разработаны промышленные методы получения ковкого материала.

По прошествии многих лет после открытия в 1790 г. в лаборатории Уильяма Грегора [I] нового металла, который в 1795 г. Клапрот [2] назвал титаном, и после проведения дальнейших работ Берцелиусом [3], Хантером [4], Ван Эркелем [5] и др. по выделению и очистке этого элемента только в 1943 г. выяснились возможности его использования в результате исследования основного процесса получения титана, предложенного Вильгельмом Кроллем [б]. В 1946 г. было опубликовано первое крупное сообщение о металлическом титане и его сплавах [7]. Результаты предварительного исследования пе,рвой достаточно крупной партии материала показали, что титан обладает многообещающими свойствами. Это вызвало быстрое развитие титановой промышленности, которое мы наблюдаем теперь. Такое развитие можно сравнить с ростом выплавки алюминия, поскольку оба этих металла, необходимые для военного производства, осваивались гораздо быстрее других. Производство алюминия в годы наполеоновских войн развивалось со скоростью орудий на конной тяге. Титан же — металл атомной эпохи — и развитие его производства происходило со скоростью реактивной авиации, для которой его впервые применили [8, 9].

Все это объясняется удивительно удачным сочетанием свойств титана как конструкционного материала. Физические, химические и механические свойства его сплавов открывают

широкие возможности для использования их во многих отраслях промышленности, где у титана нет конкурентов по удельной прочности и коррозионной стойкости.

Плотность титана, равная 4,5 г/см³, на 75—80% ниже плотности стали, а прочностные свойства, не уступающие прочности легированных сталей, обеспечивают сплавам титана самую высокую удельную прочность из всех конструкционных материалов, которыми располагает современная техника [10].

Титан обладает высокой коррозионной стойкостью во многих агрессивных средах, таких как соленая и морская вода и промышленная атмосфера. Он очень хорошо сопротивляется коррозии, находясь на границе морская вода—воздух и подвергаясь попеременному воздействию морской атмосферы и соленой воды.

Все эти свойства делают проблему производства титана и его сплавов в высшей степени важной.

В первые годы основным потребителем титана была авиация. Высокая удельная прочность титана и его сплавов при комнатной и при повышенных температурах и хорошая коррозионная стойкость дают возможность изготовлять из них обшивку для самолетов со сверхзвуковой скоростью, применять их для конструктивных и противопожарных перегородок и броневых плит на самолетах, танках и кораблях для баков с агрессивным топливом, для реакторов, резервуаров, фильтров, теплообменников и трубопроводов в химическом машиностроении [8, 9].

В судостроении и химической промышленности большое значение имеет высокая коррозионная стойкость титана. Если для судостроения высокая удельная прочность материала очень важна, то для химического машиностроения эта характеристика в большинстве случаев не имеет особого значения. В химической промышленности титан используется в основном при изготовлении корпусов реакторов, различной аппаратуры, насосов и другого оборудования, работающего при длительном воздействии агрессивных сред. Главным при использовании титана в этой области является не уменьшение зеса конструкции, а снижение расходов на эксплуатацию оборудования, срок службы которого значительно возрастает. В некоторых случаях применение титана в химическом машиностроении может дать и другие выгоды, например повышение производительности благодаря увеличению концентрации реагентов, которого нельзя достигнуть, применяя другие материалы.

Большие природные ресурсы и замечательные свойства титана дают основание утверждать, что уже в ближайшем будущем он станет одним из важнейших конструкционных металлов.

Высокая стоимость в настоящее время не может явиться серьезным препятствием для широкого промышленного приме-

кения титана и его сплавов в будущем, так как нет сомнения б том, что совершенствование технологии и особенно увеличение масштаба производства резко уменьшает его стоимость [12J.

2. ТВЕРДЫЕ РАСТВОРЫ ТИТАНА КАК ОСНОВА ДЛЯ СОЗДАНИЯ ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫХ СПЛАВОВ

Технический титан имеет низкую прочность, вследствие чего он не может получить широкого распространения в качестве конструкционного материала для тяжелонагруженных деталей в авиационных конструкциях, в судостроении и т. д. Такими материалами могут быть титановые сплавы, на создание которых в настоящее время направлены усилия многих исследователей.

При этом необходима разработка общих принципов легирования титана на основе современной теории металлических сплавов, металлохимии и физико-химического анализа [13].

В последние годы в связи с разработкой способов получения технически чистого ковкого титана началось усиленное исследование сплавов на его основе.

Как известно, современная разработка металлических сплавов немыслима без знания диаграмм фазового равновесия, которые определяют поведение сплава при его изготовлении, обработке и службе в готовом изделии. В связи с этим будущее применение титана определится, с одной стороны, совершенствованием его металлургии с целью разработки технологических процессов производства дешевого ковкого титана и, с другой стороны, изысканием рациональных составов сплавов на основе титана путем всестороннего физико-химического исследования взаимодействия титана с легирующими элементами и построения равновесных диаграмм состояния двойных, тройных и более сложных систем.

Еще в 1951 г. диаграммы состояния и свойства сплавов на основе титана _β были исследованы очень неполно. В настоящее же время подробно изучены двойные системы титана почти со всеми элементами, а также очень многие тройные диаграммы состояния, представляющие большой теоретический и практический интерес.

Однако следует подчеркнуть, что фундамент необходимых знаний для оценки поведения титановых сплавов был создан за очень короткий период времени и поэтому в настоящее время ощущается острая необходимость в отсеве и проверке полученного экспериментального материала. Дальнейшее развитие металловедения титана не будет, видимо, столь быстрым, как накопление первичных материалов, особенно, если учесть, что изучение деталей диаграмм состояния на образцах, изготовленных из более чистых материалов, требует значительных затрат Бремени [14].

Для успешного развития науки о создании новых титановых сплавов необходимо дать оценку имеющимся материалам по исследованию диаграмм состояния систем на основе титана, а также свойств титановых сплавов в зависимости от концентрации легирующего элемента.

Как известно, титан имеет различную структуру при комнатной и высокой температурах; низкотемпературная модификация титана устойчива до температуры 882 С и имеет гексагональную плотноупакованную структуру. При 882° С происходит аллотропическое превращение, в результате которого образуется высокотемпературная модификация с кубической объемноцентрированной кристаллической решеткой.

4. НЕКОТОРЫЕ ОБЩИЕ ЗАКЛЮЧЕНИЯ ПО ВОПРОСАМ СЛОЖНОГО ЛЕГИРОВАНИЯ ТИТАНА

На основании подробного рассмотрения вопросов сложного легирования на примере системы титан—цирконий—олово и беглого обзора фазового равновесия и жаропрочности в ряде других тройных систем· можно прийти к некоторым общим заключениям. Прежде всего при подборе легирующих элементов с целью создания сплавов, работающих под нагрузкой при высоких температурах, необходимо ориентироваться в первую очередь на элементы, существенно повышающие характеристики прочности химической связи. Очевидно, в этом аспекте большой интерес должна представлять система титан—алюминий—кислород, по которой пока имеются очень ограниченные сведения [380—383]. Данные по другим системам подобного типа также весьма ограничены. Поэтому мы ограничились рассмотрением только некоторых систем с тем, чтобы проиллюстрировать характер изменения свойств в зависимости от температуры (ос —>β) -превращения и характеристик прочности химической связи.

Дальнейшее перечисление систем нецелесообразно по изложенным выше причинам, что же касается только вопросов фазового равновесия и некоторых свойств, то они подробно освещены в монографиях И. И. Корнилова и П. Б. Будберга [384], В. Н. Еременко [385], а также в книге Е. К. Молчановой [199].

При анализе взаимодействия между легирующими элементами с целью оценки возможного эффекта от сложного легирования в первую очередь следует опираться на характер электронного строения атомов легирующих элементов и основы (см. стр. 1.63), а также на характер двойной диаграммы состояния между легирующими элементами.