Глава 5 ТИТАН И ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ

Назад: 4.2.3 Технологические рекомендации по сварке.

5.1 Производство и свойства титана и его сплавов

Отличительными особенностями титана и его сплавов являются их высокая удельная прочность ( 1660) при нормальных, повышенных (Т_раб =500-600 ⁰С) и криогенных температурах и удовлетворительная коррозионная стойкость во многих средах, в том числе и в атмосферных условиях Эти качества определили область применения титана и его сплавов в судо- и авиастроении, энерго-, химическом и пищевом машиностроении, производстве медицинского оборудования и т.п.

Производство титана [1] основано на его извлечении из руд: рутила TiO₂, ильменита TiO₂´FeO и перовскита CaO´TiO₂. Руды обогащаются (до 80 % TiO₂) и затем обрабатываются хлором с получением TiC_l4. После такой обработки производится восстановление титана магнием по реакции:

TiC_l4 + 2Mg = Ti+2MgC_l2.

В результате такой переработки руды получается титановая губка (ТГ-90, ТГ-100, ТГ-110), которая после дробления, прессования, спекания в брикеты переплавляется в технический титан. Технологические свойства такого титана и сплавов на его основе существенно зависят от степени очистки губки от вредных примесей.

Получение титана и его сплавов является технически сложным, энергоемким и дорогостоящим процессом, что объясняется как относительно высокой его температурой плавления (Т_пл = 1672-1725 ⁰С), так и высокой химической активностью по отношению к газам (кислороду, водороду, азоту) и углероду. Структура и уровень механических свойств титанового сплава в большой степени зависит от содержания легирующих и примесных элементов, образующих с ним как твердые растворы внедрения, так и промежуточные фазы: гидриды, оксиды, нитриды и карбиды. С повышением содержания кислорода и азота возрастает твердость и прочность титана, снижается его пластичность, коррозионная стойкость, ухудшается свариваемость, штампуемость. Особо вредной примесью является водород, образующий при кристаллизации по границам зерен тонкие хрупкие пластинки гидридной фазы. Допустимое содержание водорода колеблется в пределах 0,006-0,012 %. Согласно ГОСТ 19807-74 технический титан маркируется в зависимости от содержания примесей. В табл. 5.1 и 5.2 приведены химический состав и механические свойства технического титана. Холодная деформация полуфабрикатов (наклеп) улучшает механические свойства технического титана. Для снятия наклепа (когда это необходимо) используют отжиг (Т = 650-750 ⁰С).

Таблица 5.1 – Химический состав технического титана

Марка сплава	Примеси, %, не более
	Fe	Si	C	O2	N2	H2	Прочие
ВТ1-00	0,12	0,08	0,05	0,10	0,04	0,008	0,1
ВТ1-0	0,18	0,10	0,07	0,12	0,04	0,010	0,3

Таблица 5.2 – Механические свойства технического титана

Марка сплава	Т, ^0С	Механические свойства
		в, МПа	02, МПа	, %	КСU, Дж/см^2
ВТ1-00	20	300-450	250-380	30	120-150
	200	250	–	30	–
ВТ1-0	20	400-550	300-420	30	100-200
	200	300	–	30	–

При нагревании титан активно поглощает газы: водород - начиная с 50-70 ⁰С, кислород – с 400-500 ⁰С, азот, окись углерода – с 600-700 ⁰С. Это требует применения при его технологической обработке (в том числе при сварке) инертных защитных газов или вакуума. Технический титан хорошо обрабатывается давлением при нормальной и повышенной температурах. Из него изготавливают листы, трубы, проволоки, поковки. Однако он очень плохо обрабатывается резанием и обладает низкими антифрикционными свойствами. Как конструкционный металл технический титан из-за низкой прочности применяется в ограниченных объемах (обшивка, облицовка, элементы жесткости).

Легированные титановые сплавы обладают более высокой прочностью (_b = 300-1500 МПа) и жаропрочностью, удовлетворительной пластичностью (10-14 %) и коррозионной стойкостью, удовлетворительно свариваются и штампуются. Во многом эти свойства определяются уровнем легирования, количеством и составом фаз, и ограничением содержания примесей.

Титан, как химический элемент, имеет две аллотропические модификации: высокотемпературную -Ti с ОЦК решеткой и низкотемпературную -Ti с ГПУ решеткой. Температура -превращения в равновесных условиях равна Т_пр = 882 ⁰С. Так как плотность -Ti меньше -Ti, то при превращении при охлаждении сплавов с высоких температур не происходит упрочнения сплавов из-за фазового наклепа. Упрочнение сплава достигается регулированием соотношения количества – и -фаз и количеством образовавшихся избыточных фаз при его легировании.

Все легирующие элементы и примеси по влиянию на полиморфизм и фазовый состав (температуру превращения, растворимость, стабильность той или иной фазы и т.п.) разделяются на -стабилизаторы, -стабилизаторы и нейтральные элементы.

-стабилизаторы (Al,O₂,N₂) достаточно хорошо растворяются в титане и повышают температуру полиморфного превращения, расширяя область твердых растворов на основе a-Ti (рис. 5.1,а).

а б в

Рис. 5.1 – Схемы диаграмм состояния титан-легирующий элемент:

а – Ti--стабилизаторы, %; б – Ti-изоморфные -стабилизаторы, %;

в – Ti-эвтектоидообразующие -стабилизаторы, %

Из -стабилизаторов практическое значение имеет только алюминий, так как кислород и азот вызывают снижение пластичности и вязкости. Алюминий снижает плотность сплавов и склонность к водородному охрупчиванию, повышает прочность, жаропрочность, модуль упругости сплавов. Однако при избытке алюминия (> 4/5-6 %) образуется хрупкий интерметаллид типа Ti₃Al.

-стабилизаторы снижают температуру полиморфного превращения титана, расширяя область твердых растворов на основе -Ti. Для легированных титановых сплавов характерны диаграммы состояния двух типов. Изоморфные -стабилизаторы (V, Mo, Ta, Nb), неограниченно растворяющиеся в -Ti, (рис. 5.1,б) образуют диаграммы с твердыми растворами, а эвтектоидообразующие -стабилизаторы (Cr, Mn, Fe, Ni, W, Cu и др.) образуют с титаном диаграммы состояния с эвтектоидным распадом -фазы на - и -фазы (рис. 5.1, в). Следует отметить, что в сплавах систем Ti-Mn, Ti-Cr, Ti-Fe при ускоренном охлаждении эвтектоидного распада может не происходить, а превращение идет по штриховой линии (рис. 5.1, в).

Большинство -стабилизаторов повышает прочность, жаропрочность, несколько снижая их пластичность. При определенных концентрациях -фаза может фиксироваться при нормальной (комнатной) температуре.

Нейтральные элементы (Sn, Zr, Hf) не изменяют температуру полиморфного превращения, незначительно повышая прочность сплава, сопротивление ползучести, длительную прочность.

По технологии изготовления титановые сплавы подразделяются на деформируемые, литейные и порошковые, а по механическим свойствам – на сплавы нормальной прочности, высокой прочности, жаропрочные, повышенной пластичности. По способности упрочняться с помощью термообработки они делятся на неупрочняемые и термоупрочняемые, а по структуре в отожженном состоянии они классифицируются на -, псевдо--, +, псевдо-- и -сплавы.

Сплавы с -структурой термически не упрочняются, и характеризуются термической стабильностью свойств, хорошей свариваемостью, ковкостью и штампуемостью в горячем состоянии.

Псевдо--сплавы (-структура+ небольшое количество -фазы из-за легирования 1-5 % Mn, V, Nb, Mo) обладают хорошей технологической пластичностью, повышенной жаропрочностью и удовлетворительной свариваемостью. Основным недостатком - и псевдо--сплавов является их склонность к водородной хрупкости и пониженная вязкость. Допустимое содержание водорода составляет 0,01-0,005 %, что делает их дорогостоящими при изготовлении полуфабрикатов и осложняет технологическую обработку (сварку, штамповку).

Двухфазные +-сплавы характеризуются повышенной прочностью в широком диапазоне температур, термически стабильны, подвергаются упрочнению (закалка+старение), достаточно жаропрочны и пластичны. Чем больше -фазы в структуре сплава, тем он прочнее в отожженном состоянии и сильнее упрочняется при термообработке. По структуре после закалки двухфазные +-сплавы подразделяются на два класса: мартенситный и переходный. Сплавы мартенситного класса менее легированы и в равновесном состоянии содержат 5-25 % -фазы. В результате закалки образуется структура мартенсита -фаза (или в более легированных сплавах). Сплавы переходного класса более легированы и содержат 25-50 % -фазы. Структура таких сплавов весьма чувствительна к колебанию химического состава и термическому воздействию (например, при сварке). Высокая концентрация -фазы обеспечивает сплавам переходного класса наибольшую прочность среди +-сплавов. Двухфазные +-сплавы удовлетворительно свариваются, обрабатываются резанием, штампуются.. Они менее чувствительны к водородной хрупкости.

Однофазные -сплавы, как правило, мало используются при сварке из-за пониженной пластичности швов и большого расхода -стабилизаторов, удорожающих сплавы. Примерный химический и фазовый состав и механические свойства некоторых титановых сплавов приведены в табл. 5.3, а более подробные сведения о сплавах титана и особенностях их обработки можно получить в литературе [2,3,4].

Таблица 5.3 – Структура, состав и механические свойства промышленных титановых сплавов

Марка сплава	Легирующие элементы, %	Примеси, мас. %				Механические свойства
		О2	N2	Н2	Всего	в, МПа	02, МПа	, %	КСU, Дж/см^2
-сплавы
ВТ5	4,3-6,2 Al, 0,8Мо	0,2	0,05	0,015	1,15	750-950	700-800	10-14	30-50
ВТ5-1	4,3-6,0 Al, 2,0-3,0 Sn, 1,2V	0,15	0,05	0,015	1,15	800-1000	700-850	10-15	45
Псевдо--сплавы
ОТ4-0	0,2-1,4 Al, 0,2-1,3 Mn	0,15	0,05	0,012	1,15	500-650	400	15	80
ОТ4-1	1,0-2,5 Al, 0,7-2,0 Mn	0,15	0,05	0,012	0,15	600-750	500-600	20	50
ВТ20	5,5-7,5 Al, 0,5-2,0 Mo, 0,8-1,8 V, 1,5-2,5 Zr	0,18	0,05	0,015	1,15	950-1150	840	10	40-50
+-сплавы
ВТ6С	5,3-6,8 Al, 3,5-4,5 V	0,2	0,05	0,015	1,15	835-980	-	10	-
ВТ6	5,5-7,0 Al, 4,2-6,0 V	0,2	0,05	0,015	1,15	930-1100	-	10	-
ВТ16	1,8-3,8 Al, 4,5-5,5 Mo, 4,0-5,5 V	0,18	0,05	0,015	1,15	835-930	-	10	-
ВТ22	2,3-3,6 Al, 4,0-5,5 Mo, 4,0-5,5 V, 0,5-2,0 Cr, 0,5-1,5 Fe	0,2	0,03	0,015	1,15	1100-1200	-	8	-
Псевдо--сплавы
ВТ15 (закалка+старение)	2,3-3,6 Al, 6,8-8,0 Mo, 9,5-11,5 Cr	0,12	0,05	0,012	0,85	1270-1470	-	3	-

Далее: 5.2 Основные проблемы свариваемости.