» » Взаимодействие титана и его сплавов с газами
20.01.2015

В связи с высокой активностью титан и его сплавы в той или иней мере взаимодействуют с газами, входящими в состав атмосферы, а также с продуктами сгорания топлива, взаимодействие титана и его сплавов с азотом начинается при довольно высоких температурах. При нагреве до 825-850° С на поверхности титана не обнаруживается даже следов нитридной пленки. Выше 850° С поверхность титана тускнеет, что обусловлено образованием на поверхности тонкой нитридной пленки.
С кислородом титан и его сплавы более интенсивно, чем с азотом. При низких температурах окисление протекает очень медленно, но с повышением температуры скорость окисления резко возрастает. Особенно интенсивно технический титан взаимодействует с кислородом при температурах выше 700° С. В процессе окисления на поверхности металла образуется окисная пленка, состоящая, по существу, из рутила а под ней раствор кислорода в титане, концентрация кислорода в котором уменьшается по мере удаления от поверхности в глубь металла.
В воздухе всегда содержатся пары воды, с которыми титан взаимодействует по реакции Ti+Н2О→TiO2+H2+[Н]т1, где [H]т1 — водород, абсорбированный титаном. Таким образом, при этом взаимодействии на поверхности металла образуются окалина и водород, который частично молезуется и уходит в атмосферу, а остальная его часть переходит в титан. Образовавшаяся по этой реакции на поверхности титана окалина постепенно растворяется в нем, образуя газонасыщенный слой. Взаимодействие титана с водяным паром начинается при сравнительно низких температурах, но получает интенсивное развитие лишь при температурах выше 800—850° С, причем содержание водорода в металле существенно возрастает и может превысить допустимые пределы. Окисление титана в парах воды происходит более интенсивно, чем в чистом кислороде в связи с тем, что при взаимодействии титана с кислородом образуется плотная окисная пленка, а при взаимодействии с водяным паром — несплошная пленка. Нарушение сплошности окисной пленки обусловлено одновременной с окислением абсорбцией водорода.
При нагреве титана и его сплавов на воздухе они взаимодействуют с кислородом и парами воды, а азот не реагирует с металлом из-за меньших скоростей взаимодействия. Полагают, что примыкающий к поверхности титана слой, который образуется при нагреве на воздухе, так же как и при окислении, состоит, по существу, из рутила. Под слоем рутила лежит слой титана, обогащенный кислородом. В газонасыщенном слое выделяют альфированный и переходный слой. Альфированный слой отличается по структуре от основного металла повышенным содержанием α-фазы, что легко выявить металле графическим анализом. Переходный слой по микроструктуре заметно не отличается от основного металла, о его присутствии и глубине проникновения можно судить по более высокой микротвердости по сравнению с основным металлом.
С повышением температуры и увеличением продолжительности выдержки толщина газонасыщенного слоя титана возрастает (рис. 77), особенно интенсивно выше 800° С. Титановые сплавы окисляются при нагреве на воздухе в меньшей степени, чем титан. Интенсивность окисления промышленных титановых α+β-сплавов возрастает с увеличением содержания в них β-стабилизаторов.
Взаимодействие титана и его сплавов с газами

О толщине окисной пленки на поверхности титана и его сплавов можно приближенно судить по ее цвету. В табл. 26 приведены цвета «побежалости» титана после окисления на воздухе в течение 1 ч при разных температурах и приближенная толщина окисной пленки, соответствующая тому или иному цвету.
При нагреве титана и его сплавов на воздухе происходит наводороживание, которое начинается при температурах 500—600° С и интенсивно развивается выше 800—900° С. Интенсивность наводороживания возрастает с увеличением влажности воздуха (рис. 78).
При нагреве титановых сплавов до температур ниже Aс3 скорость окисления сравнительно мало зависит от состава печной атмосферы. При температурах от 800° С до Aс3 толщина альфированного слоя при нагреве в электрической и газовой печах незначительно изменяется с увеличением выдержки и составляет 0,05—0,2 мм.
Взаимодействие титана и его сплавов с газами

При температурах выше Ас3 интенсивность газонасыщения титана и его сплавов при нагреве в газопламенных печах значительно больше, чем в электрических (рис. 79). При нагреве титановых сплавов при температурах 1000-1100°С в газовой печи, особенно в окислительной атмосфере, толщина альфированного слоя может достигать нескольких миллиметров, в то время как при нагреве в электрических она обычно не превышает одного миллиметра. Интенсивность окисления титановых сплавов можно несколько уменьшить, используя восстановительную атмосферу. Однако и в этом случае толщина альфированных слоев больше, чем при нагреве в электрических печах; к тому же в восстановительной атмосфере происходит интенсивное наводороживание (табл. 27).
Взаимодействие титана и его сплавов с газами

Иногда полагают, что для уменьшения наводороживания титана и его сплавов нужно нагревать их не в восстановительной, а в окислительной атмосфере. В действительности это не так; в окислительной атмосфере содержатся пары воды, а с ними титан и его сплавы взаимодействуют весьма интенсивно, что приводит к существенному наводороживанию, хотя и несколько меньшему, чем в восстановительной атмосфере (табл. 27). В электрических печах содержание паров воды значительно меньше по сравнению с газовыми и мазутными, в связи с чем интенсивного наводороживания не происходит. Поэтому титановые полуфабрикаты и заготовки из сплавов, сильно склонных к водородной хрупкости, рекомендуют нaгревать при термической обработке в электрических печах.
Водород по объему полуфабрикатов и заготовок распределяется довольно равномерно; лишь при очень больших сечениях содержание водорода в центре металла может быть меньше, чем в поверхностном слое. Если водород проник в металл, то его можно удалить из металла единственным способом - вакуумным отжигом. Кислород проникает в титан на небольшую глубину, в связи с чем окалину и альфированный слой можно удалить разными способами.