Титановые сплавы и их применение в машиностроении

Пульцин Н.М.

Машгиз, 1962 г.

ПРИМЕНЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ  ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Титан и его сплавы имеют сравнительно короткую историю применения в качестве конструкционных материалов. Несколько лет назад титан был известен лишь как легирующий элемент, с успехом применяемый в сталях и в других сплавах. Титан применялся также в виде карбида при производстве твердых сплавов и в виде окисла — в лакокрасочной промышленности для изготовления титановых белил и эмалей.

Применение титана в качестве основы новых материалов — титановых сплавов — относится к периоду последних 10—15 лет. Тем не менее в этом новом качестве титан получил уже известное распространение. Можно сказать, что по темпам роста применения титан и его сплавы не имеют равных. Конструкционные материалы на основе титана с успехом применяются в различных отраслях машиностроения, в судостроении, а также в производстве самолетов и двигателей для них.

Вместе с тем, несмотря на хорошие свойства при различных условиях эксплуатации, титан еще не получил широкого распространения в качестве конструкционного материала в общем машиностроении. Это объясняется его высокой стоимостью. Использование титановых сплавов ограничивается пока главным образом различными областями специального машиностроения, например химическим машино- и аппаратостроением, авиационным машиностроением, судостроением и т. д. В этих областях при оценке целесообразности применения нового материала на первый план выступают свойства титана и лишь затем ·— его стоимость. Безусловно, что в дальнейшем, с развитием и совершенствованием способов получения и обработки титана-и его сплавов, а также вследствие повышения требований к материалу деталей машин, сплавы на основе титана будут находить все более широкое применение не только в специальном, но и в общем машиностроении.

23. Преимущества титановых сплавов по сравнению с другими конструкционными материалами

Широкое и быстрое распространение титановых сплавов в качестве конструкционных материалов различного назначения объясняется теми преимуществами, которыми обладают титан и его сплавы по сравнению с другими материалами. Как уже отмечалось, к этим преимуществам относятся:

1. высокая температура плавления, являющаяся необходимым условием повышенной жаропрочности;
2. высокая прочность, низкий удельный вес и, как следствие этих двух качеств, высокая удельная прочность;
3. низкий коэффициент теплового расширения, обусловливающий хорошую сопротивляемость материала термической усталости;
4. высокая химическая стойкость, обеспечивающая применение титана и его сплавов в различных агрессивных средах;
5. высокая стойкость против эрозии и кавитации.

По величине предела прочности и модуля упругости, отнесенным к удельному весу, титановые сплавы намного превосходят другие конструкционные материалы. На фиг. 104 приведены графики изменения удельной прочности различных материалов в зависимости от температуры. Как видно из этих графиков, титановый сплав ВТ8 имеет самое высокое отношение — во всем  рассматриваемом интервале температур. То же относится и к удельному модулю упругости — (фиг. 105).

По величине этой характеристики сплав ВТ8 в сравнении с другими конструкционными материалами также является наилучшим. Таким образом, невысокое абсолютное значение модуля упругости   Титана, отмечаемой как недостаток, нивелируется пониженным удельным весом этого металла.

Если вспомнить то, что уже говорилось о других преимуществах титана по механическим и физическим свойствам, а также по коррозионной стойкости, то станет ясно, что титановые сплавы имеют значительное превосходство перед другими конструкционными материалами.

В обзоре А. А. Гольденберга [91] приводится интересный пример, иллюстрирующий преимущества титана перед нержавеющей сталью. В этом примере сравнивается стоимость титана и нержавеющей стали на разных этапах производства и эксплуатации изделий.

Титан в 18 раз дороже нержавеющей - стали. Однако поскольку вес титана, необходимого для изготовления конкретного изделия (название изделия не приводится), меньше веса стали, то титан, идущий на изготовление детали, будет стоить дороже, чем сталь, уже не в 18, а в 10 раз. Далее, поскольку разница в стоимости готовых изделий из титана и исходного материала (титана) ниже, чем для стали, то готовые титановые изделия будут стоить больше, чем изделия из стали, уже только в три раза. Наконец, если учесть, что в ряде случаев срок службы изделий из титана во много раз выше срока службы стальных деталей, то применение титана в этих случаях оказывается более выгодным, чем применение стали.

24. Применение титана в специальном  и общем машиностроении

Применение титана и его сплавов в качестве конструкционных материалов для изготовления деталей оборудования, приборов и аппаратов в специальном и общем машиностроении является значительным завоеванием научно-технической мысли и существенным шагом по пути прогресса машиностроения. Поэтому расширение использования титана в машиностроении как непосредственно — путем изыскания новых конкретных применений его для деталей машин, так и косвенно — путем совершенствования методов производства и обработки этого металла, имеет очень большое практическое и научное значение.

В настоящее время материалы на основе титана применяются или в форме листов, или в виде поковок. В качестве отливок титан и его сплавы применяются еще весьма ограниченно, чтб объясняется трудностью подбора материала для литейных форм. Листы изготовляются из технического титана или из однофазных а-спла- вов, легированных алюминием и оловом.

Техническим называется титан, в котором содержится некоторое количество примесей (около одного процента), причем эти примеси введены не специально, с целью легирования, а практически неизбежно присутствуют в металле в результате особенностей металлургического процесса. Как уже отмечалось, количество примесей в техническом титане зависит от способа его получения, причем нередко содержание кислорода преднамеренно допускается несколько завышенное с целью некоторого увеличения прочности металла.

Технический титан часто называют малолегированным многокомпонентным титановым сплавом. Однако этот сплав в ряде случаев является недостаточно прочным, а повышение прочности за счет увеличения количества примесей вызывает значительное понижение пластичности. Вследствие этого приходится переходить к сплавам, легированным алюминием и оловом. Эти элементы, каждый в отдельности и оба вместе, растворяясь в α-титане, повышают его прочность без существенного снижения пластичности, благодаря чему получаемые сплавы могут быть прокатаны в лист, как и технический титан, но имеют значительно более высокую прочность.

Для поковок применяют главным образом двухфазные сплавы, имеющие структуру α + β. Эти сплавы сравнительно легко обрабатываются и могут упрочняться путем термической обработки. Они имеют значительно более высокие свойства прочности при меньшей пластичности по сравнению с однофазными а-сплавами.

Применяемые в настоящее время титановые сплавы по своим технологическим свойствам являются деформируемыми. Вместе с тем в случае необходимости они могут применяться и в качестве литейных.

Деформируемые титановые сплавы подразделяются на две группы:

1. ковочно-штамповочные и прокатываемые, имеющие достаточную технологическую пластичность в горячем состоянии; к этой группе относятся сплавы ВТЗ, ВТЗ-1, ВТ6, ВТ8 и др.;
2. прокатываемые в листы и ленты, имеющие превосходную пластичность в горячем состоянии и способные деформироваться при обычной температуре; к этой группе относятся сплавы ВТ4, ОТ4, ВТ5, ВТ5-1, ВТ6 и др.

Все листовые сплавы(ВТ4, ОТ4, ВТ5, ВТ5-1, ВТ6 и др.) хорошо свариваются аргоно-дуговой сваркой, а сплавы ВТБ и ВТ6 — еще и контактной (точечной, роликовой, стыковой). Ковочноштамповочные титановые сплавы сварке не подвергаются.

Титан и его сплавы применяют после тщательного учета всех положительных и отрицательных качеств этих материалов. При этом обращают внимание как на эксплуатационные свойства, так и на технологические особенности. Учитывается также и экономический фактор.

Принимая во внимание пока еще высокую стоимость титана, его применяют главным образом в тех случаях, когда первостепенную роль играет не экономический фактор, а комплекс технических и эксплуатационных характеристик материалов на основе титана. Тем не менее перечень областей, где применение титана в той или иной мере уже развернулось или, по крайней мере, достаточно четко обозначилось, является весьма обширным.

В первую очередь титан и его сплавы были применены и в настоящее время получили довольно широкое распространение в конструкциях самолетов и двигателей для них. Они интенсивно внедряются в конструкции кораблей и оборудования морского флота, применяются для различных деталей в химическом машиностроении и аппаратострсении, для изготовления транспортного оборудования, медицинских инструментов и фармацевтического оборудования. Намечается использование титана и его сплавов в общем машиностроении, в автомобилестроении, при производстве спортивного инвентаря, в пищевой, нефтяной и электротехнической промышленности, а также во многих других специальных областях. Ниже по литературным источникам [2; 45; 108; 109; 81—90; 60] приводятся краткие сведения о применении титана и его сплавов в некоторых из указанных областей, причем рассматривается использование этих материалов в таких отраслях промышленности, которые на первый взгляд не имеют непосредственного отношения к машиностроению. Это сделано с целью более наглядного показа преимуществ титана перед другими конструкционными материалами, а также для облегчения правильной оценки возможностей титановых сплавов как машиностроительных материалов.

Самолеты и двигатели. Основными качествами титановых сплавов, привлекающими внимание конструкторов самолетов и двигателей для них, являются малый удельный вес и высокая прочность, особенно при повышенных температурах. Конечно, титан и его сплавы не решают всех проблем, возникающих при конструировании самолетов и двигателей. Каждая группа материалов, будь то стали или алюминиевые сплавы, находит свое специфическое применение, соответствующее свойствам этих материалов. Тем не менее по величине удельной прочности в интервале температур 300—500° титановые сплавы превосходят многие стали и алюминиевые сплавы, а по удельному напряжению потери устойчивости панелей конструкций они уступают лишь высокопрочному алюминиевому сплаву типа В95, причем только до температуры 15Э°, а при более высоких температурах превосходят его [60].

Поэтому в конструкциях самолетов, предназначенных для полетов со сверхзвуковыми скоростями и испытывающих аэродинамический нагрев, а также в конструкциях реактивных двигателей титановые сплавы находят все более широкое применение. При этом достигается снижение веса без потери прочности, что позволяет увеличить полезную нагрузку и дальность полета самолета.

Многочисленные исследования и эксперименты, проведенные в последние годы, говорят о целесообразности использования титановых сплавов для обшивки самолетов, скорости которых соответствуют числу Ма = 3 — 3,5 [88]. Кроме того, титановые сплавы используются Для швеллеров, рам, угольников, поясов шпангоутов, противопожарных перегородок и других деталей внутреннего набора самолета, работающих при температуре до 420°.

На фиг. 106 по данным фирмы Рем-Крю Тайтениум [21 представлена схема реактивного самолета F-2 с отмеченными на ней деталями, изготовленными из титана. Этими деталями являются шпангоуты, кожухи, ленты, балки, коробки, каркас и выходное сопло. Из листовых титановых сплавов изготовляют шпангоуты фюзеляжа, нервюры, элементы жесткости и другие детали каркаса фюзеляжа.

Масштабы использования титана в конструкциях тяжелых самолетов иллюстрируются данными о количестве и общем весе деталей из титана на самолетах Дуглас и на других [83]. Количество деталей из титана на самолетах Комета, Дуглас DC-7 и Дуглас DC 7-С составляет 554 шт., а общий вес их — 363 кГ. У самолета Дуглас ДС-8 вес титановых деталей 428 кГ, а у самолета Бристоль Британия 100 — до 1225 кГ. Для реактивных двигателей титан применяется как в виде листов, так и, главным образом, в виде поковок. На фиг. 107 по данным фирмы Вестингауз [2] представлена схема реактивного двигателя с осевым компрессором, на которой отмечены детали, изготовляемые из титановых сплавов, а именно: диски и лопатки компрессора, листовые детали наружного кожуха двигателя, болты, валы и др.

Для производства поковок, листов и проволоки используется сплав B120VCA, содержащий 13% V, 11 % Сг и 3% А1 и имеющий структуру β. Он обладает хорошей деформируемостью, легко сваривается, подвергается упрочнению закалкой и старением и может быть использован для изготовления сотовых панелей. В течение 2—3 мин. этот сплав может быть использован при температурах до 815° [85].

Для авиационных деталей, изготовляемых штамповкой, и в частности для сотовых панелей, может применяться сплав C105VA, содержащий 16% V и 2,5% А1. Он выпускается в виде листов, полос и проволоки и обладает настолько хорошей пластичностью, что может быть прокатан в фольгу [84]. Для изготовления сотовых панелей может применяться также сплав MST-185, содержащий 1 % А1, 8% V и 5% Fe и являющийся достаточно прочным в отожженном состоянии [86].

Для деталей реактивных двигателей и самолетов при скоростях, соответствующих 3 Ма, рекомендуется сплав MST-881, содержащий 8% А1, 8% Zr и 1 % Та и Nb [87]. Этот сплав имеет высокую длительную прочность до 590° и высокую кратковременную прочность до 815°. По своим механическим свойствам он превосходит многие стали.

Сплав марки 821, содержащий 8% А1, 2% Nb и 1 % Та, обладает повышенной жаропрочностью, хорошо сваривается и может применяться для обшивки самолетов, а также для дисков и лопаток компрессоров газовых турбин. Изготовление из титана деталей ротора компрессора способствует уменьшению напряжений от центробежных сил. Поэтому титановые сплавы в большом количестве идут для изготовления лопаток компрессора.

Титан, примененный в авиационном производстве Англии в 1956 г., был использован для следующих целей: 40% — прутки для лопаток компрессора, 20%—листы для противопожарных перегородок, 20% — листы для капотов двигателей, 5% — поковки для дисков компрессора и распорных колец, 5% — поковки для самолетных деталей и 10%—для других назначений. По сообщению представителя фирмы Imperial Chemical Industries [45], около 90% всего производства титана в Англии потребляется авиационной промышленностью. Это говорит о том, что в настоящее время главным потребителем титана и его сплавов является авиация.