» » Титан и его сплавы
14.05.2015

Титан

Большой интерес, проявляемый к титану и титановым сплавам, основан на его ценных свойствах — малом удельном весе, высокой удельной прочности и хорошей сопротивляемости коррозии.
В последние годы в связи с разработкой более совершенных методов получения ковкого и деформируемого титана применение его в различных отраслях промышленности расширилось.
Титан существует в двух полиморфных модификациях; α-Ti, имеющий гексагональную плотноупакованную решетку и существующую при температурах ниже 885°, и β-Ti с кубической объемноцентрированной решеткой — при более высоких температурах. При α→β-превращении изменения объема составляют 5,5%.
Титан слабо реагирует с азотной и разбавленной соляной кислотой. но растворяется в концентрированных соляной и серной кислотах и в аарской водке. В щелочах, во многих солях даже при кипячении и в органических кислотах титан весьма устойчив. Энергично реагирует титан с кислородом, азотом, водородом, углеродом и со многими окислами металлов, что чрезвычайно затрудняет получение чистого титана и вызывает большие трудности при производстве из него полуфабрикатов.
Кислород в большинстве случаев отрицательно влияет на физико-химические и технологические свойства титана. Растворимость кислорода в титане составляет около 30% (атомн.), что отвечает составу ТiO0,42. При нагреве до 600° кислород практически еще не взаимодействует с титаном. При температурах выше 650° кислород воздуха начинает энергично диффундировать в титан, в результате чего образуется весьма твердый поверхностный слой. Скорость окисления титана при температурах от 650 до 800° показана на рис. 7.
Титан и его сплавы

Диаграмма состояния системы титан — кислород при содержании кислорода до 30% приведена на рис. 8. По характеру эта диаграмма перитектической системы. В твердом состоянии кислород образует ограниченные области растворов α и β.
В приведенном участке системы имеются две перитектики.
Максимальная растворимость кислорода в β-титане равна 1,8% при 1740°, в α-титане — 14,5% в интервале температур 800—1700°.
Титан и его сплавы

Наивысшей температурой плавления 1900° обладает сплав типа твердого раствора а, содержащий 10% кислорода.
Кислород, проникший в кристаллическую решетку титана, сильно искажает ее, поэтому значительно изменяются физические свойства и механическая прочность титана.
Влияние кислорода в пределах 0—1% (атомн.) на предел прочности, удлинение, твердость и удельное электрическое сопротивление йодидного титана приведено на рис. 9.
Титан при содержании 0,25% (атомн.) кислорода может быть прокатан на холоду без появления трещин до 95% обжатия. При большем содержании кислорода трещины появляются уже при 60—70% обжатия.
При ковке и волочении титана необходимо избегать образования трещин, так как они очень трудно затягиваются вследствие быстрого окисления поверхности.
Титан и его сплавы

Сплавы, содержащие 0,5—2,0% (атомн.) кислорода, сравнительно легко обрабатываются три сверлении и нарезке, а содержащие 2,5—3,0% (атомн.) кислорода удовлетворительно обрабатываются резанием, но тверды для сверления.
Сплавы с содержанием 3,5—5,0% (атомн.) кислорода чрезвычайно трудно поддаются обработке.
Азот сильно влияет на свойства титана уже при содержании сотых долей процента. Система титан — азот (рис. 10) характеризуется наличием двух перитектических реакций.
Титан и его сплавы

Азот значительно увеличивает твердость и прочность титана и резко снижает его пластичность. Сплавы азота с титаном очень трудно обрабатывать в холодном состоянии: при содержании азота свыше 0,5% (вес.) сплав становится хрупким и не поддается обработке.
Уже в небольших количествах азот приводит к образованию игольчатой структуры. Влияние азота на механические свойства и электрическое сопротивление титана приведено на рис. 11.
Изменение физических и прочностных свойств титана от примесей азота связано, по-видимому, с тем, что азот оказывает значительное влияние на параметры кристаллической решетки, главным образом на параметр с, что хорошо видно на рис. 12.
Азот, как и кислород, значительно повышает температуру начала и конца β⇔α-превращепия титана.
Титан и его сплавы

Водород в отличие от кислорода, азота и углерода оказывает незначительное влияние на механические свойства титана, но все же является весьма вредной примесью, так как под его влиянием разрушаются изделия из титана и его сплавав при прокатке, ковке или нагреве.
Из диаграммы состояния титан — водород (рис. 13) следует, что по мере увеличения содержания водорода температура фазового превращения снижается, а температурная область существования двухфазной структуры α+β расширяется.
Водород весьма энергично диффундирует в титан и образует растворы внедрения, подобно кислороду, азоту и углероду. При растворении водорода в титане выделяется тепло, при нагреве из сплавов выделяется водород.
При 20° α-титан, содержащий несколько десятитысячных долей процента избыточного водорода, будет иметь в структуре свободные гидриды, которые под микроскопом видны в виде тонких пластинок. Повышение хрупкости сплавов является следствием появления в их структуре увеличивающегося количества гидридов.
Водород в пределах 0,3—0,5% (атомн.), обычно содержащийся в техническом титане, существенно понижает поглощение энергии при ударе без изменения предела прочности на растяжение. На рис. 14 приведены кривые, иллюстрирующие влияние водорода на предел прочности при растяжении, удлинение, твердость и электрическое сопротивление титана.
Углерод сильно влияет на свойства титана. Система титан — углерод (рис. 15) по своему характеру относится к перитектическим системам с химическими соединениями. В этой системе наблюдается перитектический распад β-фазы при ограниченной растворимости углерода в β- и α-титане.
Титан и его сплавы
Титан и его сплавы

Углерод является α-стабилизатором, он повышает температуру аллотропического превращения титана с 882 до 920°.
При 0,48% углерода и 920° происходит перитектоидное превращение
β+δ⇔α.

При высоких температурах углерод энергично соединяется с титаном я образует тугоплавкий карбид титана TiC, который обладает высокой твердостью и высокой температурой плавления (свыше 3000°).
Карбид титана нашел широкое применение для многих целей: для изготовления жаростойких и жаропрочных материалов, как компонент твердых сплавов и как абразивный материал.
Расстворимость углерода в титане значительно уменьшается с понижением температуры. В результате незначительной растворимости углерода в α- и β-титане уже десятые доли процента углерода в сплавах титана с углеродом вызывают хрупкость, так как выделяется карбид титана.
Влияние углерода на механические свойства титана представлено на рис. 16. Как видно, прочность сплавов увеличивается линейно до 0,25% углерода, пластичность сплавов изменяется в обратном направлении.
Основными легирующими добавками в титановых сплавах в настоящее время служат марганец, хром, железо, ванадий, молибден, алюминий, олово. С большинством этих добавок титан образует эвтектоид.
Увеличение прочности титана в зависимости от легирующих добавок характеризуется кривыми, приведенными на рис. 17.
Титан и его сплавы
Титан и его сплавы

Сплавы титана могут состоять либо из α-фазы, либо из β-фазы или α+β-фазы. Однако широко применяются в промышленности только α+β-сплавы, α-сплавы имеют ограниченное применение, а β-сплавы вовсе не применяются.
Алюминий расширяет область α-фазы и вводится в жаропрочные сплавы. Ванадий не образует эвтектоида с титаном и незначительно повышает прочность сплавов титана. По некоторым данным сплавы титан-ванадий склонны к водородной хрупкости. Марганец сильно замедляет эвтектоидный распад, упрочняет β-фазу и способствует термообработке. Двойные сплавы типа Tl+8% Mn склонны к водородной хрупкости.
Молибден повышает твердость титановых сплавов, а вместе с алюминием придает сплавам жаропрочность. Олово также расширяет область α-фазы и хотя придает титану несколько меньшую жаропрочность, чем алюминий, но в меньшей мере снижает пластичность.
Хром в большинстве случаев вводится в титан в виде феррохрома. Хром замедляет эвтектоидный распад. Детали из сплавов титана с хромом мало пригодны для работы под напряжением и при повышенных температурах. Действие железа подобно хрому. Титан с железом дает сплавы, в которых эвтектоидный распад протекает относительно медленно; железо способствует повышению твердости и снижает прочность при высоких температурах.
Для упрочнения α-титана используются также цирконий и кремний, для упрочнения β-титана — ниобий и вольфрам.
По последним данным, медь, никель и кремний дают с титаном сплавы, в которых эвтектоидный распад протекает очень быстро. Этим сплавам можно придавать желаемые свойства, охлаждая их с различной скоростью.
Одновременная присадка в титан марганца, алюминия или кремния, бериллия и бора, дающих химические соединения, позволяет упрочнять сплавы термической обработкой.
Механические свойства титана в значительной степени зависят от чистоты его и способа получения.
В табл. 21 приведены механические свойства титана, полученного различными методами.
Титан и его сплавы

При нагревании прочность титана падает, но даже при 500° предел прочности еще остается около 28 кг/мм2 (рис. 18).
В России, согласно временным техническим условиям, выпускается губчатый титан пяти марок, химический состав и механические свойства которого приведены в табл. 22.
Титановые сплавы

Применяемые в промышленности стандартные титановые сплавы еще недостаточно разработаны, что следует объяснить сравнительной новизной технологии производства самого титана. Однако в настоящее время уже имеется довольно много сплавов на титановой основе с различными физико-механическими свойствами.
Титан и его сплавы

В табл. 23 приведены химический состав и механические свойства некоторых титановых сплавов.
Титан и его сплавы