Титановые сплавы: свойства, классификация, применение

СОДЕРЖАНИЕ

• Общая характеристика титана и его сплавов
• Применение титановых сплавов
• Классификация и маркировка титановых сплавов
• Технология производства сплавов титана
• Термообработка титановых сплавов

Общая характеристика титана и его сплавов

Титан занимает важное место в современной промышленности. Без него не обходится практически ни одно инновационное производство, где детали подвергаются повышенной нагрузке и агрессивному воздействию. Например, титан применяется в ракетостроении, авиации, медицине. Он считается одним из самых распространенных металлов на земле и уступает по процентному содержанию в почве только алюминию, железу и магнию.

Титановые сплавы отличаются малой плотностью, хорошей удельной прочностью и стойкостью к неблагоприятным условиям окружающей среды.

Эксплуатационные свойства металла определяют популярность его применения в разных промышленных отраслях. Титан обладает следующими характеристиками:

1. Хорошая устойчивость к коррозии. Сплав не подвержен влиянию влаги, которая является причиной разрушения многих металлов. Детали из титана используют при работе в воде, с кислотами и в прочих неблагоприятных условиях.
2. Хладостойкость. Из-за критически низких температур механические свойства титана снижаются. Постоянное применение в холодных условиях деталей из этого металла повышает его хрупкость. Титан обширно используется в строительстве космических кораблей.
3. Легковесность. Из-за невысокой плотности титана детали из него обладают малым весом. Данное свойство металла нашло свое использование в производстве самолетов, строительстве небоскребов и других сферах.
4. Высокая удельная прочность и низкая плотность. Данное необычное сочетание свойств определило использование сплава во многих промышленных производствах.
5. Пластичность. Металл не разрушается при воздействии давления, поэтому титановые заготовки используют при производстве деталей методом прессования и в других технологиях.
6. Немагнитность. Металл не реагирует на магнитные волны, что определяет его использование при производстве разных деталей и конструкций, которые не должны образовывать магнитного поля.

Читайте также: «Высокоуглеродистая сталь»

Обозначенные свойства стали причиной популярности этого металла во многих отраслях промышленности. Большое значение также имеет конкретный химический состав сплава. Например, твердость металла зависит от легирующих компонентов.

При обработке титана используют очень большой нагрев – до 1 700 градусов Цельсия. Это повышает стойкость справа к увеличению температуры.

Существует обширная таблица титановых сплавов. Все многообразие можно поделить на несколько групп:

• Высокопрочные и конструкционные титановые сплавы. Они пластичные и подходят для производства элементов, подвергающихся переменной нагрузке.
• Жаропрочные с небольшой плотностью. По стоимости они ниже никелевых сплавов и имеют большой температурный диапазон, при котором металл остается прочным и не теряет своих свойств. Большое значение имеет химический состав титанового сплава.
• Сплавы на основе титана с другими химическими соединениями обладают устойчивостью к высоким температурам и малой плотностью. Эти свойства объясняют низкий вес металла, поэтому он подходит для выпуска летательных аппаратов. Данная марка титана отличается хорошей пластичностью, что необходимо для сложных форм изделий.

Применение титановых сплавов

Материал чаще всего используется в авиации и строительстве ракет, при изготовлении морских кораблей. Детали авиадвигателей во время работы сильно нагреваются, и никакие металлы, кроме титана, не могут выдерживать подобную нагрузку. Высокая температура приводит к плавлению стальных изделий, чего не случается с титановыми сплавами. Малая плотность и легкий вес сплава также необходимы для летательных аппаратов, так как эти характеристики напрямую влияют на функционирование изделий.

Титан используют в производстве:

• труб, пропускающих различные вещества;
• запорной арматуры;
• клапанов и прочих элементов, применяемых в неблагоприятных условиях;
• обшивки, крепежных элементов, компонентов шасси и других деталей летательных аппаратов, что объясняется малым весом, которым обладает данный металл;
• конструкций, двигателей для ракет по причине хорошей переносимости титаном высоких перепадов атмосферного давления, температур и прочих перегрузок;
• резервуаров и рабочих деталей в химической промышленности, что объясняется способностью титана не вступать в реакции с другими веществами;
• деталей и конструкций в судостроении, так как сплав невосприимчив к соленой воде.

Титановые сплавы применяются в разнообразной деятельности промышленных предприятий. Повысить и активизировать главные свойства металла помогает легирование разнообразными добавками.

Классификация и маркировка титановых сплавов

В химической системе Менделеева элемент титан (Ti) расположен под 22 номером. Его важнейшим свойством является четырехвалентность. Температура плавления составляет +1 168 °С, кипения – +33 300 °С. Есть два типа титановых сплавов:

• Низкотемпературная альфа-модификация, которая существует до температуры +882,5 °С.
• Высокотемпературная бета-модификация – устойчива до температуры плавления.

Титан и титановые сплавы относятся к парамагнитным материалам. При нагревании их восприимчивость к температуре снижается. Материал характеризуется высокими удельным электросопротивлением – 42·10-8–80·10-6 Ом·см. В условиях, когда температура опускается ниже 0,45 К, металл превращается в проводник. Внешне он напоминает сталь.

По удельной теплоемкости и плотности титан находится между алюминием и железом. При этом его механическая прочность практически в 13 раз превышает чистое железо и в 6 раз – алюминий.

Выделенный титан присутствует в виде альфа-фазы при нагреве более 883 ?C и в виде бета-фазы при параметрах ниже 883 ?C. Термические показатели, при которых альфа-титан переходит в фазу бета, называются температурой бета-трансуса. С целью стабилизации определенной фазы в сплав добавляют легирующие компоненты.

Стабилизации альфа-фазы можно добиться с помощью алюминия (Al), галлия (Ga), азота (N), кислорода (O).

Фиксацию бета-фазы обеспечивают молибден (Mo), ванадий (V), вольфрам (W), тантал (Ta), кремний (Si).

Читайте также: «Аустенитная сталь»

По типу фазы все производные титана делятся на несколько групп:

1. Коммерчески чистые и низколегированные сплавы: включают зерна-фазы и дисперсные частицы-сферы бета-фаз. Добавка железа стабилизирует бета-фазу, создает материал с невысокой механической прочностью и устойчивостью к коррозии.
2. Титановые альфа-сплавы: преобладает альфа-фаза. Для легирования используют алюминий, он обеспечивает стабилизацию. Сплав имеет достаточную вязкость и сопротивление ползучести, небольшую прочность к механическим нагрузкам, невосприимчив к высоким температурам. Металл просто сварить, но функциональность в нагретом виде значительно снижается.
3. Титановые альфа-бета-сплавы: включают 4-6 % стабилизаторов вета-фазы и альфа-фазы. Их обрабатывают при высокой температуре, при этом металл выдерживает механические нагрузки и держит форму в нагретом состоянии. Этот тип титановых сплавов имеет меньший показатель сопротивления ползучести, чем у альфа.
4. Титановые бета-сплавы, богатые бета-фазой. В них содержатся соответствующие стабилизаторы. При термической обработке металл достигает высокой прочности и хорошо держит форму в нагретом виде. При этом титан становится не очень пластичным, теряет усталостную прочность при нагреве до предельных температур.

Читайте также: «Медные сплавы»

В маркировке сплава на наличие титана указывает буква Т или Тi. Причем производители могут использовать свои обозначения. Американский стандарт MIL для титановых сплавов имеет следующий вид (пример):

• Ti-5Al-2.5Sn – сплав с содержанием 5 % алюминия и 2,5 % олова.
• Ti-6Al-4V – сплав с содержанием 6 % алюминия и 4 % ванадия.

ASTM, IMI, военная система применяют другие виды обозначений.

Технология производства сплавов титана

В производстве титана применяется метод Kroll. Он состоит из нескольких этапов: извлечение, очистка, получение губки, литье сплава, формовка. На металлургический завод привозят титановые концентраты с мест добычи. Рутил можно использовать в неизменном виде, а именит очищают от железа. Добиваются содержания диоксида титана от 85 % и более.

Вещества загружают в реактор и добавляют газообразный хлор и углерод. Компоненты подвергаются нагреву до 900 ?C. В результате реакции образуется нечистый тетрахлорид титана (TiCl4) и оксид углерода. Последующие действия направлены на удаление из сплава нежелательных хлоридов металлов. 

Проводят фракционную перегонку в дистилляционных емкостях при высокой температуре. В результате ненужные примеси осаждаются. Это хлориды металлов, железо, цирконий, кремний, магний.

Чистый и жидкий тетрахлорид титана отправляют в реакторный резервуар из нержавейки. После добавления магния производят нагрев до 1 100 ?C. В емкость закачивают аргон, чтобы удалить кислород и азот. В результате реакции образуется жидкий хлорид магния. Выделяется твердое титановое вещество, которое не расплавляется из-за устойчивости к применяемой температуре.

С помощью бурения титан достают из плавильни и очищают от магния водой и соляной кислотой. Металл выглядит как губка, так его и называют. Титановый сплав можно получить, если вещество обработать с использованием дуговой печи с расходуемым электродом. При этом внутрь добавляют разные легирующие добавки. Точные пропорции губки в составе сплава определяются в условиях лаборатории перед запуском в производство. Твердые элементы сваривают между собой, так образуется губчатый электрод.

Читайте также: «Как сделать флюс»

Вещество расплавляют в вакуумно-дуговой печи. Она выглядит как медный контейнер, который охлаждается при помощи водной среды. Губчатый электрод переплавляют в слитки. Воздух из резервуара необходимо удалить вакуумным методом, либо залить в емкость аргон, чтобы сплав не был загрязнен кислородом и азотом.

В конце процесса готовый слиток проверяют на дефекты. Если нужно, проводят кондиционирование поверхности. Титан в виде слитков отправляют заказчикам на производство, где металл подвергают измельчению, формированию различных изделий.

Термообработка титановых сплавов

Чтобы механические свойства титана отвечали заявленным требованиям, выполняют термическую обработку металла. Для перестроения кристаллической решетки поверхностного слоя увеличивают показатели до 500 градусов Цельсия. Время обработки и температура зависят от толщины слитка и прочих параметров.

Готовые детали из металла ВТ14 должны быть приспособлены к температуре 400 градусов Цельсия. Для их производства используют термообработку, закалку и старение металла. Во время процедуры закалки температуру доводят до значения в 900 градусов Цельсия, для старения применяют среду, нагретую до 500 градусов Цельсия. Время обработки составляет более двенадцати часов.

Читайте также: «Технология сварки сталей»

Многообразие термических методов позволяет использовать индукцию для термообработки. Например, это отжиг, старение, нормализация и прочие. Для получения определенных эксплуатационных качеств сплава используют режимы с разной температурой, подобранной для каждого случая.

В последние годы среди производителей повысился спрос на титановые сплавы с улучшенными характеристиками, поэтому разработчики изучают новые способы обработки слитков металла с использованием разных температурных режимов.