Титан и его сплавы

СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ ТИТАНА

Титан (Ti) открыт в 1795 г. и назван в честь героя греческого эпоса Титана. Он входит в состав более чем 70 минералов и является одним из самых распространенных элементов — содержание его в земной коре составляет примерно 0,6%. Титан существует в двух модификациях: до 882°С в виде модификации а с гексагональной плотно упакованной кристаллической решеткой, а выше 882°С устойчивостью является  модификация β с объемноцентрированной кубической решеткой. Ниже приведены основные физические свойства титана:

Титан сочетает большую прочность с малой плотностью и высокой коррозионной стойкостью. Благодаря этому во многих случаях он обладает значительными преимуществами перед такими основными конструкционными материалами, как сталь и алюминий. Ряд титановых сплавов по прочности в два раза превосходит сталь при значительно меньшей плотности и лучшей коррозионной стойкости. Однако из-за низкой теплопроводности затрудняется его применение для конструкций и деталей, работающих в условиях больших температурных перепадов, и при работе на термическую усталость. К недостаткам титана как конструкционного материала следует отнести также относительно низкий модуль нормальной упругости.

Титан высокой чистоты обладает хорошими пластическими свойствами. Под влиянием примесей пластичность его резко изменяется. Кислород хорошо растворяется в титане и сильно снижает его пластические свойства уже в области малых концентраций.

Уменьшаются пластические свойства титана и при введении в него азота. При содержании азота в титане >0,2% наступает хрупкое его разрушение. Вместе с тем кислород и азот повышают временное сопротивление и выносливость титана и в этом отношении являются полезными примесями.

Вредной примесью в титане является водород. Он резко снижает ударную вязкость титана даже при очень малых концентрациях.

На прочностные характеристики титана водород не оказывает заметного влияния в широком интервале концентраций.

Механические свойства титана в значительно большей степени, чем у других металлов, зависят от скорости приложения нагрузки. Поэтому механические испытания титана следует проводить при более строго регламентированных и фиксированных условиях, чем испытания других конструкционных материалов.

Ударная вязкость титана существенно возрастает при отжиге в интервале 200— 300°С, заметного изменения других свойств не наблюдается. Наибольшее повышение пластичности титана достигается после закалки с температур, превышающих температуру полиморфного превращения, и последующего отпуска.

Чистый титан не относится к жаропрочным материалам, так как прочность его резко уменьшается с повышением температуры.

Важной особенностью титана является его способность образовывать твердые растворы с атмосферными газами и водородом. При нагревании титана на воздухе на его поверхности, кроме обычной окалины, образуется слой, состоящий из твердого раствора на основе α-Ti (альфитированный слой), стабилизированного кислородом, толщина которого зависит от температуры и продолжительности нагрева. Этот слой имеет более высокую температуру превращения, чем основной слой металла, и его образование на поверхности деталей или полуфабрикатов может вызвать хрупкое разрушение.

Титан и сплавы на основе титана характеризуются высокой коррозионной стойкостью в атмосфере воздуха, в естественной холодной и горячей пресной воде, в морской воде, а также в растворах щелочей, неорганических солей, органических кислот и соединений даже при кипячении. Он не подвергается коррозии в морской воде, находясь в контакте с нержавеющей сталью и медно-никелевыми сплавами. Высокая коррозионная стойкость титана объясняется образованием на его поверхности плотной однородной пленки, которая защищает металл от дальнейшего взаимодействия с окружающей средой.

Как конструкционный материал титан наибольшее применение находит в авиации, ракетной технике, при сооружении морских судов, в приборостроении и машиностроении. Титан и его сплавы сохраняют высокие прочностные характеристики при высоких температурах и поэтому с успехом могут применяться для изготовления деталей, подвергающихся высокотемпературному нагреву.

В настоящее время основное количество титана используется для приготовления титановых белил. Титан широко применяют в металлургии, в том числе в качестве легирующего элемента в нержавеющих и жаростойких сталях. Добавки титана в сплавы алюминия, никеля и меди повышают их прочность. Он является составной частью твердых сплавов для режущих инструментов. Двуокись титана используют для обмазки сварочных электродов. Четыреххлористый титан применяют в военном деле для создания дымовых завес.

В электротехнике и радиотехнике используют порошкообразный титан в качестве поглотителя газов — при нагревании до 500°С титан энергично поглощает газы и тем самым обеспечивает в замкнутом объеме высокий вакуум.

Титан в ряде случаев является незаменимым материалом в химической промышленности и в судостроении. Из него изготовляют детали, предназначенные для перекачки агрессивных жидкостей, теплообменники, работающие в коррозионно- активных средах, подвесные приспособления, используемые при анодировании различных деталей. Титан инертен в электролитах и других жидкостях, применяемых в гальваностегии, и поэтому пригоден для изготовления различных деталей гальванических ванн. Его широко используют при изготовлении гидрометаллургической аппаратуры для никелево-кобальтовых заводов, так как он обладает высокой стойкостью против коррозии и эрозии в контакте с никелевыми и кобальтовыми шламами при высоких температурах и давлениях.

Титан наиболее стоек в окислительных средах. В восстановительных средах титан корродирует довольно быстро вследствие разрушения защитной окисной пленки.

Технический титан и его сплавы поддаются всем известным методам обработки давлением. Они могут прокатываться в холодном и горячем состояниях, штамповаться, обжиматься, поддаваться глубокой вытяжке, развальцовываться. Из титана и его сплавов получают стержни, прутки, полосы,

различные профили проката, бесшовные трубы, проволоку и фольгу.

Сопротивление деформации у титана выше, чем у конструкционных сталей или медных и алюминиевых сплавов. Титан и его сплавы обрабатываются давлением примерно так же, как и нержавеющие стали аустенитного класса. Наиболее часто титан подвергают ковке при 800—1000°С. Чтобы предохранить титан от загрязнения газами, нагрев и обработку его давлением производят в возможно короткое время. Ввиду того, что при температурах >500°С водород диффундирует в титан и его сплавы с огромными скоростями, нагрев ведут в окислительной атмосфере.

Титан и его сплавы имеют пониженную обрабатываемость резанием подобно нержавеющим сталям аустенитного класса. При всех видах резания наиболее успешные результаты достигаются при небольших скоростях и большой глубине резания, а также при использовании режущего инструмента из быстрорежущих сталей или твердых сплавов.

Из-за высокой химической активности титана при высоких температурах сварку его ведут в атмосфере инертных газов (гелия, аргона). При этом защищать от взаимодействия с атмосферой и газами необходимо не только расплавленный металл шва, но все сильно нагретые части свариваемых изделий.

Большие технологические трудности возникают при производстве из титана и его сплавов отливок.

СПЛАВЫ ТИТАНА

Многие сплавы титана с другими элементами являются более перспективными материалами, чем технический титан.

Основными легирующими элементами в промышленных титановых сплавах являются ванадий, молибден, хром, марганец, медь, алюминий и олово. Практически же титан образует сплавы со всеми металлами, за исключением щелочноземельных, а также с кремнием, бором, водородом, азотом и кислородом.

Наличие полиморфных превращений титана, хорошая растворимость многих элементов в титане и образование химических соединений, обладающих переменной растворимостью в титане, позволяют получить широкую гамму титановых сплавов с разнообразными свойствами.

В зависимости от характера влияния, оказываемого на полиморфные превращения титана, все элементы можно разбить на три группы:

стабилизирующие α-фазу (алюминий);

повышающие стабильность β-фазы (хром, марганец, железо, медь, никель, бериллий, вольфрам, кобальт, ванадий, молибден, ниобий, тантал);

легирующие, мало влияющие на стабильность α- и β-фаз (олово, цирконий, германий).

Титановые сплавы, легированные элементами, повышающими стабильность α-фазы, обычно не упрочняются термической обработкой. Сплавы, легированные элементами, повышающими стабильность β-фазы, значительно упрочняются в результате термической обработки.

Титановые сплавы можно подвергать всем основным видам термической обработки: закалке, отжигу, старению, отпуску, химико-термической обработке. Чаще всего применяют отжиг.

Сплавы титана с алюминием имеют меньшую плотность и большую удельную прочность, чем чистый или технически чистый титан. По удельной прочности сплавы титана с алюминием превосходят многие нержавеющие и теплостойкие сплавы в интервале 400—500°С. Сплавы титана с алюминием обладают более высокой жаропрочностью и более высоким сопротивлением ползучести, чем многие другие сплавы титана.

Алюминий повышает модуль нормальной упругости титана.

Сплавы титана с алюминием не подвергаются коррозии и слабо окисляются при высоких температурах. Это позволяет производить горячую обработку сплавов при более высоких нагревах, чем нелегированного титана. Они обладают хорошей свариваемостью, причем даже при значительном содержании алюминия материал шва и околошовной зоны не приобретает хрупкости. Добавка алюминия уменьшает пластичность титана. Наиболее интенсивно это влияние сказывается при содержании алюминия более 7,5%.

Добавка олова в сплавы титана с алюминием повышает прочностные характеристики сплава. При концентрации в таких сплавах олова до 5% заметного снижения пластических свойств не наблюдается. Кроме того, добавка олова в сплавы титана с алюминием повышает их сопротивляемость окислению и ползучести. Сплавы, содержащие 4—5% Аl и 2—3% Sn, сохраняют значительную механическую прочность до 500°С.

Цирконий не оказывает большого влияния на механические свойства сплавов титана с алюминием, но его присутствие способствует увеличению сопротивления ползучести и повышению длительной прочности. Цирконий является ценным компонентом титановых сплавов.

Основой для получения высокожаропрочных титановых сплавов является сплав, содержащий —36% А1. Добавки в этот сплав других легирующих элементов дают жаропрочные материалы, обладающие высокой прочностью при 1000°С и выше и хорошими технологическими свойствами.

Сплав ВТ5 прокатывается, штампуется и куется в горячем состоянии, сваривается аргоно-дуговой и контактной сваркой, удовлетворительно обрабатывается резанием, обладает хорошей коррозионной стойкостью в концентрированной азотной кислоте и морской воде. Из этого сплава изготовляют детали, работающие при температурах до 400°С. Он обладает низкими антифрикционными свойствами и непригоден для изготовления трущихся деталей. Сплав ВТ5 поставляется в виде листов, прутков, паковок, труб и проволоки.

Сплавы типа ВТ5-1 предназначаются для изготовления деталей, работающих при температурах до 500°С при длительных нагрузках и до 900°С при кратковременных нагрузках. Они достаточно пластичны при горячей обработке давлением и могут изготовляться в виде листов, полос, плит, поковок, штамповок, прессованных профилей, труб и проволоки, хорошо свариваются и обладают высокой коррозионной стойкостью в атмосфере и растворах поваренной соли при цикличных нагрузках.

Сплав ВТ4 предназначен в основном для изготовления листов, лент и полос. Для деталей простой формы допускается штамповка в холодном состоянии. При штамповке деталей более сложной формы требуется подогрев до 500°С. Сплав обладает удовлетворительной обрабатываемостью резанием и сваривается аргоно-дуговой сваркой. По коррозионной стойкости сплав ВТ4 близок к сплавам ВТ5. Из сплава ВТ4 изготовляют детали, работающие при температурах до 350°С.

Сплав ОТ4 по свойствам и областям применения аналогичен сплаву ВТ4.

Сплав ВТ 10 обладает высоким сопротивлением ползучести и высокой термической стойкостью. Он удовлетворительно сваривается всеми видами сварки и предназначен для изготовления деталей,, работаю-

щих при температурах до 500°С. Из сплава ВТ10 приготовляют поковки, штамповки прутки и полосы.

Сплавы ВТ5, ВТ5-1, ВТ4, ОТ4 и ВТ10 при комнатной температуре сохраняют кристаллическую решетку, присущую модификации α-титана. В большинстве случаев эти сплавы применяют в отожженном состоянии. Температура их отжига выше температуры отжига технического титана. В качестве сплава с α-структурой можно рассматривать и технический титан (ВТ1-00, ВТ1-0, ВТ1-1, ВТ1-2).

Титановые сплавы с термодинамически устойчивой β-фазой можно получить лишь при высоких концентрациях легирующих элементов (ванадия, молибдена, ниобия, тантала и др.). Однако при этом теряется одно из основных преимуществ титановых сплавов — относительно малая плотность. Это является основной причиной того, что титановые сплавы со стабильной β-фазой не получили широкого распространения.

Титановые сплавы со структурой, представленной одной β-фазой, можно механически получить закалкой титановых сплавов, содержащих достаточно высокую концентрацию переходных элементов. К таким сплавам относится сплав ВТ 15, содержащий 3—4% А1, 7—8% Мо и 10—15% Сr. После закалки с 760—780° С и старения при 450— 480°С сплав имеет временное сопротивление 130—150 кГ/мм2, это эквивалентно стали с временным сопротивлением 255 кГ/мм2. Однако эта прочность не сохраняется при нагревании, что является основным недостатком указанных сплавов. Сплав поставляется в виде листов, прутков и поковок.

Наилучшее сочетание свойств достигается в сплавах, состоящих из смеси α- и β-фаз. Непременным компонентом почти во всех таких сплавах является алюминий. Содержание в сплавах алюминия не только расширяет область температур, при которых сохраняется стабильность α-фазы, но повышает и термическую стабильность β-фазы. Кроме того, алюминий уменьшает плотность сплава и тем самым компенсирует увеличение плотности, связанное с введением тяжелых легирующих элементов.

Из сплава ВТ6 изготовляют листы, прутки, поковки и штамповки. Они обладают хорошей прочностью и пластичностью. Температура нагрева сплава при обработке давлением обычно не превышает 1000°С. Детали из сплава ВТ6 можно соединять точечной, стыковой и аргоно-дуговой сваркой в защитной атмосфере. Для восстановления пластичности металла после сварки требуется отжиг при 700—800°С. Сплавы этого типа удовлетворительно обрабатываются резанием, обладают высокой коррозионной стойкостью во влажной атмосфере и в морской воде. Прочность сплавов повышается после закалки с последующим старением при 450—550°С. Сплавы обладают хорошей термической стабильностью.

К сплавам группы ВТ6 можно отнести и сплав BT5. Этот сплав, кроме алюминия и молибдена, легируется небольшим количеством кремния. Сплав в горячем состоянии хорошо поддается прокатке, штамповке и ковке. Ковка осуществляется при 900— 1000°С. Сплав обладает также высокой коррозионной стойкостью и термической стабильностью и сопротивлением ползучести. Он удовлетворительно обрабатывается резанием и хорошо сваривается точечной, роликовой и стыковой сваркой. Применяют сплав главным образом в термически обработанном состоянии.

Самостоятельную группу сплавов составляют сплавы ВТ3 и ВТ3-1. Эти сплавы обладают большей термохимической стабильностью по сравнению со сплавами типа ВТ6. Сплав ВТ3-1, содержащий, кроме алюминия и хрома, молибден, обладает более высокой термической стабильностью и меньшей склонностью к проявлению хрупкости при нагревании, чем сплав ВТ3, и имеет более мелкозернистую структуру.

Титановые сплавы, состоящие из смеси α- и β-фаз, применяют в отожженном или стабилизированном состоянии.

Для сплава ВТ3 рекомендуется проводить отжиг при 750±10°С и охлаждение на воздухе, для сплава ВТ3-1 гомогенизацию при 870 ±10°С, охлаждение с печью до 650°С, выдержку при этой же температуре примерно 1 ч и последующее охлаждение; для сплава ВТ6 — отжиг при 80 ±10°С и охлаждение на воздухе; для сплава ВТ8— гомогенизацию при 800±10°С в течение 1 ч, охлаждение на воздухе до 590±10°С, выдержку 1 ч, охлаждение на воздухе. Эффект от термического упрочнения сплавов ВТЗ, ВТЗ-1, ВТ6 и ВТ8 относительно невелик.

Для сплава ВТ 14 упрочняющей термической обработкой является закалка в воде с 860—880°С с последующим старением при 480—500°С. Отжиг этого сплава, обеспечивающий получение высокой пластичности и удовлетворительной прочности, проводится нагреванием до 750—850°С с последующим охлаждением на воздухе. Сплав ВТ 14 чувствителен к перегреву в процессе горячей обработки давлением и термической обработки. При нагревании выше 920—930°С резко ухудшаются его механические свойства. В связи с этим горячую деформацию сплава ВТ 14 целесообразно проводить при температурах не более 930°С.

В настоящее время разработаны титановые сплавы, обладающие в закаленном состоянии высокой пластичностью, необходимой для изготовления сложных деталей, и сильно упрочняющиеся при последующем старении или отпуске.

Практически все деформируемые титановые сплавы могут применяться в качестве литейных материалов. Наиболее часто для изготовления деталей методом литья применяется сплав ВТ6 и технический титан (ВТ1-1). Металл для фасонного литья выплавляют в вакуумных дуговых печах с графитовым тиглем, покрытым гарниссажем. Заливка металла и охлаждение форм производятся либо в атмосфере инертных газов, либо в вакууме. Формы изготовляют из графита, керамических материалов или металлов, которые не взаимодействуют с титаном и титановыми литейными сплавами.

Широкое применение находит карбид титана TiC и сплавы на основе карбида титана. Карбид титана обладает большой твердостью и очень высокой температурой плавления, что и определяет основные области его применения. Карбид титана давно применяют как компонент твердых сплавов для режущего инструмента и штампов. Особенно эффективно использование режущего инструмента, содержащего карбид титана, для вязких материалов. Типичными титансодержащими твердыми сплавами для режущего инструмента являются сплавы Т5КЮ, Т5К7, Т14К8, Т15К6, Т30К4 (первая цифра соответствует содержанию карбида титана, а вторая — содержанию цементирующего металлического кобальта в %. Карбид титана применяют также в качестве абразивного материала как в порошке, так и в цементированном виде.

Температура плавления карбида титана >3000°С. Он обладает большой электропроводностью, а при низких температурах— сверхпроводимостью. Ползучесть титана ничтожна мала вплоть до температуры 1800°С. При комнатной температуре он хрупок. Карбид титана стоек в холодных и горячих кислотах — соляной, серной, фосфорной, щавелевой, на холоде — в хлорной кислоте, а также в смесях некоторых кислот.

Многие методы получения чистого карбида титана сводятся к химическому отделению карбида из науглероженного ферросплава. Однако наибольшее практическое значение имеет метод науглероживания порошкообразного металлического титана или двуокиси титана ниже температуры плавления составляющих. Примером такого метода может служить прокаливание двуокиси титана с сажей в угольных патронах. Значительное количество карбида титана получается в виде промежуточного продукта при изготовлении четыреххлористого титана.

Большое распространение получили жаростойкие материалы на основе карбида титана, легированного молибденом, танталом, ниобием, никелем, кобальтом и другими элементами. Легирование карбида титана металлами позволяет получить материалы, в которых сочетаются большая прочность, сопротивляемость ползучести и окислению при высоких температурах карбида титана с пластичностью и сопротивлением тепловому удару металлов. На этом же принципе основано получение жаростойких материалов на основе других карбидов, а также боридов, силицидов, которые объединяются под общим названием керамико-металлических материалов.

Сплавы на основе карбида титана сохраняют достаточно высокую жаропрочность до 1000—1100°С. Эти сплавы обладают высокой износоустойчивостью и стойкостью против коррозии. Ударная вязкость сплавов на основе карбида титана мала, и это является основным препятствием для широкого их распространения.

Карбид титана и сплавы карбида титана с карбидами других металлов применяют в качестве огнеупорных материалов. Тигли из карбида титана и сплава карбида титана с карбидом хрома не смачиваются и практически не взаимодействуют в течение длительного времени с расплавленным оловом, висмутом, свинцом, кадмием и цинком. Не смачивают карбид титана расплавленная медь при 1100—1300°С и серебро при 980°С в вакууме, алюминий при 700°С в атмосфере аргона. Сплавы на основе карбида титана с карбидом вольфрама или карбидом тантала с добавкой до 15% Со при 900—1000° в течение длительного времени почти не поддаются действию расплавленного натрия и висмута.

Для приготовления сплавов на основе карбида титана составляющие их размалываются вместе до очень высокой степени дисперсности и затем смеси прессуют с применением пластификатора в заданные формы. Полученные таким образом заготовки спекают при высоких температурах. Композиции на основе карбида практически не обладают ковкостью. Слегка спеченные прессовки можно обрабатывать на токарном станке алмазным инструментом, а сложные детали — абразивными кругами. После окончательного спекания материал обрабатывается только шлифованием. Методом выдавливания из массы на основе карбида титана можно изготовить трубы, стержни, листы и изделия сложного сечения. Более плотный продукт можно получить методом горячего прессования. Основным исходным материалом для получения компактного титана и титановых полуфабрикатов является губчатый титан (титановая губка), получаемая различными методами из титанового сырья.