Титановые сплавы

сплавы на основе Титана. Лёгкость, высокая прочность в интервале температур от криогенных (-250 °С) до умеренно высоких (300—600 °С) и отличная коррозионная стойкость обеспечивают Т. С. Хорошие перспективы применения в качестве конструкционных материалов во многих областях, в частности в авиации и других отраслях транспортного машиностроения. Т. С. Получают путём легирования титана следующими элементами (числа в скобках — максимальная для промышленных сплавов концентрация легирующей добавки в % по массе). Al (8), V (16), Mo (30), Mn (8), Sn (13), Zr (10), Cr (10), Cu (3), Fe (5), W (5), Ni (32), Si (0,5). Реже применяется легирование Nb (2) и Та (5). Как микродобавки применяются Pd (0,2) для повышения коррозионной стойкости и В (0,01) для измельчения зерна.

Легирующие добавки имеют различную растворимость в α и β-Ti и изменяют температуру α/β-превращения. Алюминий, а также кислород и азот, предпочтительнее растворяющиеся в α-Ti, повышают эту температуру по мере увеличения их концентрации, что ведёт к расширению области существования α-модификации. Такие элементы называются α-стабилизаторами. Sn и Zr хорошо растворяются в обеих аллотропических модификациях титана и очень мало влияют на температуру «α/β-превращения. Они относятся к так называемым нейтральным упрочнителям. Все остальные добавки к промышленным Т. С. Предпочтительнее растворяются в β-Ti, являются β-стабилизаторами и снижают температуру полиморфного превращения титана. Их растворимость в α и β-модификациях титана меняется с температурой, что позволяет упрочнять сплавы, содержащие эти элементы, путём закалки и старения.

В связи с наличием полиморфизма титана и его способностью образовывать твёрдые растворы и химические соединения со многими элементами диаграммы состояния Т. С. Отличаются большим разнообразием. Однако в промышленных Т. С. Концентрация легирующих элементов, как правило, не выходит за пределы твёрдых растворов на основе α-Ti и β-Ti и металлидные фазы обычно не наблюдаются. В нелегированном титане, а также в сплавах титана с α-стабилизаторами и нейтральными упрочнителями нельзя зафиксировать высокотемпературную β-модификацию путём закалки ввиду наличия мартенситного превращения (См. Мартенситное превращение), в результате которого образуется вторичная α-фаза игольчатой формы. В сплавах же с β-стабилизаторами можно, в зависимости от концентрации, зафиксировать любое количество β-фазы вплоть до 100%.

На сплошную β-структуру могут закаливаться двойные сплавы, содержащие не менее 4% Fe, 7% Mn, 7% Cr, 10% Mo, 14% V, 35% Nb, 50% Ta. Эти концентрации называются критическими. В закалённых сплавах докритического и критического составов (β-фаза является нестабильной и при последующей низкотемпературной обработке (старении) распадается с образованием дисперсных выделений вторичной α-фазы, что даёт эффект упрочнения. В сплавах закритического состава (например, Ti — 30% Mo) образуется стабильная β-фаза и эффекта упрочнения не наблюдается. Общепринято деление промышленных Т. С. На 3 группы по типу структуры. К сплавам на основе α-структуры относятся сплавы с Al, Sn и Zr, а также с небольшим количеством β-стабилизаторов (0,5—2%).

Ввиду незначительного количества или даже отсутствия в их структуре β-фазы они практически не упрочняются термической обработкой и поэтому относятся к категории сплавов средней прочности (σb = 700—950 Мн/м2. Или 70—95 кгс/мм2). Листовая штамповка этих Т. С. Возможна только вгорячую. Достоинства α-сплавов — отличная свариваемость, высокий предел ползучести и отсутствие необходимости в термической обработке, а также отличные литейные свойства, что важно для фасонного литья. Малолегированные α-сплавы, а также относимый к этой группе технический титан, имеющие предел прочности менее 700 Мн/м2 (70 кгс/мм2), поддаются листовой штамповке вхолодную. Двухфазные α + β-сплавы — наиболее многочисленная группа промышленных Т.

С. Эти сплавы отличаются более высокой технологической пластичностью, чем α-сплавы, и вместе с тем могут быть термически обработаны до очень высокой прочности (σb = 1500—1800 Мн/м2, или 150—180 кг/мм2). Они могут обладать высокой жаропрочностью. К недостаткам двухфазных сплавов следует отнести несколько худшую свариваемость по сравнению со сплавами предыдущей группы, так как в зоне термического влияния возможно появление хрупких участков и образование трещин, для предотвращения чего требуется специальная термическая обработка после сварки. Сплавы на основе β-структуры имеют наиболее высокую технологическую пластичность и хорошо поддаются листовой штамповке вхолодную. После старения приобретают высокую прочность.

Хорошо свариваются, но сварные соединения нельзя подвергать упрочняющей термической обработке из-за охрупчивания, что ограничивает применение сплавов этого типа. Другим недостатком (β-сплавов является сравнительно невысокая предельная рабочая температура — примерно 300 °С. При более высоких температурах большинство сплавов этого типа становится хрупким. Химический состав промышленных Т. С., выпускаемых в СССР, приведён в табл. 1 (с разбивкой по типу структуры). По областям применения и виду полуфабрикатов можно приблизительно подразделить сплавы на следующие группы. Свариваемые сплавы преимущественно для листов (ВТ5-1, ОТ4-0, ОТ4-1, ОТ4, ВТ20, ВТ6С, ВТ14, ВТ15). Сплавы повышенной прочности для штамповок (ВТ5, ВТ6, ВТ14, ВТ16, ВТ22).

Жаропрочные сплавы для штамповок (ВТЗ-1, ВТ8, ВТ9, ВТ18). Сплав ВТ6С специально рекомендуется для баллонов высокого давления, все жаропрочные сплавы — для дисков, лопаток и других деталей компрессоров газотрубных двигателей, сплав ВТ22 — для массивных нагруженных штамповок, сплав ВТ16 — для болтов. В случае необходимости (например, при изготовлении штампосварных конструкций) все листовые сплавы могут применяться для изготовления штамповок. Табл. 1. — Химический состав промышленных титановых сплавов СССР -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- | Тип сплава | Марка | Химический состав, % (остальное Ti)  | | | сплава |-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| | | | Аl | V  | Mo  | Mn | Cr  | Si  | другие элементы | |------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| | α | ВТ5 | 4,3—6,2 | —  | — | —  | —  | — | — | | | ВТ5-1  | 4,5—6,0 | —  | — | —  | —  | — | 2—3 Sn | |------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| | Псевдо-α | ОТ4-0 | 0,2—1,4 | —  | — | 0,2—1,3  | —  | — | — | | | ОТ4-1 | 1,0—2,5 | —  | — | 0,7—2,0  | —  | — | — | | | ОТ4  | 3,5—5,0 | —  | — | 0,8—2,0  | —  | — | — | | | ВТ20 | 6,0—7,5 | 0,8—1,8  | 0,5—2,0  | —  | —  | — | 1,5—2,5 Zr | | | ВТ18 | 7,2—8,2 | —  | 0,2—1,0  | —  | —  | 0,18—0,5  | 0,5—1,5 Nb | | | | | | | | |  | 10—12 Zr | |------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| | α + β  | ВТ6С  | 5,0—6,5 | 3,5—4,5  | — | —  | —  | — | — | | | ВТ6 | 5,5—7,0 | 4,2—6,0  | — | —  | —  | — | — | | | ВТ8 | 6,0—7,3 | —  | 2,8—3,8  | —  | —  | 0,20—0,40 | — | | | ВТ9 | 5,8—7,0 | —  | 2,8—3,8  | —  | —  | 0,20—0,36 | 0,8—2,5 Zr | | | ВТ3-1  | 5,5—7,0 | —  | 2,0—3,0  | —  | 1,0—2,5  | 0,15—0,40 | 0,2—0,7 Fe  | | | ВТ14 | 4,5—6,3 | 0,9—1,9  | 2,5—3,8  | —  | —  | — | — | | | ВТ16 | 1,6—3,0 | 4,0—5,0  | 4,5—5,5  | —  | —  | — | — | | | ВТ22 | 4,0—5,7 | 4,0—5,5  | 4,5—5,0  | —  | 0,5—2,0  | — | 0,5—1,5 Fe  | |------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| | β  | ВТ15 | 2,3—3,6 | —  | 6,8—8,0  | —  | 9,5—11,0 | —  | 1,0 Zr | -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Механические свойства Т.

С. В отожжённом и термически упрочнённом состоянии приведены в табл. 2. Кроме обычной термической обработки, состоящей из закалки и старения, применяются различные режимы отжига, термомеханическая обработка (например, закалка из-под штампа с последующим старением), а также изотермическая деформация (медленная штамповка в штампах, нагретых до температуры деформации). В последнем случае достигаются очень однородные и высокие механические свойства. Титан и его сплавы могут подвергаться ковке, объёмной и листовой штамповке, прокатке, прессованию, волочению. Из них можно получать те же полуфабрикаты, что и из др. Конструкционных металлов, с учётом повышенной склонности титана к окислению при нагреве. Рекомендуется применять защитные эмалевые покрытия, которые при обработке давлением одновременно являются технологическими смазками.

Термическую обработку следует проводить в печах с нейтральной атмосферой или в вакууме. Большинство промышленных Т. С. Имеют довольно узкий интервал кристаллизации и поэтому обладают удовлетворительными литейными свойствами. Для получения фасонных отливок предпочтительнее α-сплавы, которые, кроме хороших литейных свойств, позволяют заваривать дефекты. Наиболее употребительный в СССР литейный Т. С. — сплав ВТ5Л. Для деталей повышенной прочности применяются сплавы ВТ6Л, ВТ9Л, ВТ20Л и др. В качестве материала для форм используются специальные керамические и графитовые смеси а также стальные кокили. Табл.2. — Механические свойства титановых сплавов (типичные) ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- | Марка  | Вид | Размеры (диа-  | Режим термообра- | Предел прочности, | Относи- | | сплава | полуфа- | метр прутка или | ботки | Мн/м2 (≈0,1 кгс/ | тельное | |  | бриката  | толщина листа,  |  | мм2) | удлинение, | |  | | мм) | | | % | |--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| | ВТ5  | Пруток | 10—60 | Отжиг | 750—950 | 10 | | ВТ5-1 | Лист | 0,8—10 | »  | 750—950 | 15—8*  | |--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| | ОТ4-0  | Лист | 0,3—10 | Отжиг | 500—650 | 25—20 | | ОТ4-1  | »  | 0,3—10 | »  | 600—750 | 20—13 | | ОТ4 | »  | 0,5—10 | »  | 700—900 | 20—12 | | ВТ20 | »  | 1,0—10 | »  | 950—1150  | 12—8 | | ВТ18 | Пруток | 25—35 | »  | 950—1150  | 10 | |--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| | ВТ6С | Лист | 1—10 | Отжиг | 850—1000  | 12—8 | | ВТ6  | Пруток | 10—60 | Закалка и старение | 1050 | 8  | | ВТ8  | »  | 10—60 | Отжиг | 920—1120  | 10 | | ВТ9  | »  | 10—60 | Закалка и старение | 1100 | 6  | | ВТ3-1 | »  | 10—60 | Отжиг | 1000—1200 | 9  | | ВТ14 | Лист | 0,6—10 | Закалка и старение | 750 (при 450 °C) 600 | 6  | | ВТ16 | Пруток | 4—16 | Отжиг | (при 500 °C) 1200 | 9  | | ВТ22 | »  | 25—60 | Закалка и старение | 1050—1250 | 6  | |  | |  | Отжиг | 1200 | 8  | |  | |  | Закалка и старение | 1000—1200 | 6  | |  | |  | Отжиг | 750 (при 400 °C) 650 | 8  | |  | |  | Закалка и старение | (при 450 °C) 1200 | 6—4  | |  | |  | Отжиг | 850—1070  | 16 | |  | |  | »  | 1100—1200 | 10 | |  | |  | | 830—950 | | |  | |  | | 1100—1250 | | |--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| | ВТ15 | Лист | 1—4 | Закалка | 850—1000  | 12 | |  | |  | Закалка и старение | 1300 | 4  | ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- * Первое значение для минимальной толщины, второе — для максимальной.

В стадии промышленной разработки находятся высоколегированные сплавы Ti — Ni, представляющие собой по составу практически чистое химическое соединение никелид титана. Сплавы такого типа, получившие название «нитинол», обладают способностью при определённых условиях восстанавливать свою первоначальную форму после некоторой пластической деформации («эффект памяти»), что используется, например, в автоматическом реле противопожарных устройств и т. П. К недостаткам Т. С. Следует отнести низкие антифрикционные свойства. Это требует применения покрытий и смазок трущихся поверхностей. С. Г. Глазунов..