 |
АвтоАвтоматизацияАрхитектураАстрономияАудитБиологияБухгалтерияВоенное делоГенетикаГеографияГеологияГосударствоДомДругоеЖурналистика и СМИИзобретательствоИностранные языкиИнформатикаИскусствоИсторияКомпьютерыКулинарияКультураЛексикологияЛитератураЛогикаМаркетингМатематикаМашиностроениеМедицинаМенеджментМеталлы и СваркаМеханикаМузыкаНаселениеОбразованиеОхрана безопасности жизниОхрана ТрудаПедагогикаПолитикаПравоПриборостроениеПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРадиоРегилияСвязьСоциологияСпортСтандартизацияСтроительствоТехнологииТорговляТуризмФизикаФизиологияФилософияФинансыХимияХозяйствоЦеннообразованиеЧерчениеЭкологияЭконометрикаЭкономикаЭлектроникаЮриспунденкция
Титан и его сплавы
Важнейшее преимущество титана и титановых сплавов перед другими конструкционными материалами – это высокая удельная прочность и жаропрочность в сочетании с хорошей коррозионной стойкостью, практическое отсутствие хладноломкости наряду с высокой удельной прочностью. Кроме того, титан и его сплавы, несмотря на плохую обрабатываемость резанием, хорошо свариваются, обрабатываются давлением в холодном и горячем состоянии, термически упрочняются, что имеет важное значение для их применения в ряде отраслей техники. Это относится в первую очередь к авиа-, ракето- и судостроению, химическому, пищевому и транспортному машиностроению.
Титан – металл серебристо-белого цвета с плотностью ρ = 4,505 г/см3 и температурой плавления 1672 °С. Титан может находиться в двух полиморфических модификациях: Tiα до 882 ºС с гексагональной плотноупакованной решеткой и высокотемпературной Tiβ выше этой температуры с объёмноцентрированной кубической решеткой до температуры плавления. Имеет высокие механические свойства σВ = 300МПа, δ = 40%, не имеет температурного порога хладноломкости, парамагнитен. Титан легкий, прочный, тугоплавкий, коррозионно-стойкий за счет возникновения оксидной пленки TiO2.
Механические свойства титана определяются составом: чем в нем меньше примесей, тем ниже прочность и выше пластичность (рис. 15.1). Характерная особенность титана – необычайно высокая чувствительность к примесям атмосферных газов – кислороду, азоту, водороду и углероду, которые образуют с титаном твердые растворы внедрения и промежуточные фазы: оксиды, нитриды, гидриды, карбиды, повышая его характеристики прочности и снижая пластичность.
Рис. 15.1. Влияние примеси кислорода на механические свойства титана
Кроме того, ухудшается обработка давлением, свариваемость и коррозионная стойкость. Поэтому содержание этих примесей ограничивается сотыми и тысячными долями процента.
Полиморфизм титана, хорошая сплавляемость с другими металлами дает широкие возможности получения сплавов на основе титана с самыми разными механическими свойствами благодаря легированию, термической обработке, деформационному упрочнению.
Элементы, легирующие титан, подразделяются на:
· повышающие температуру полиморфного превращения и расширяющие область существования α-модификации: Al, Ga, La, C, O, N;
· понижающие температуру полиморфного превращения и расширяющие область существования β-модификации: Mo, V, Nb, Ta, Hf, W, Cr, Mn, Fe, Co и другие.
Алюминий является основным легирующим элементом для титана и содержится почти во всех промышленных сплавах. Он повышает удельную прочность сплава, жаропрочность, модуль упругости, уменьшает склонность к водородной хрупкости. Из-за уменьшения технологической пластичности содержание Al ограничивается 7%.
Для повышения рабочих характеристик жаропрочных сплавов с высоким содержанием алюминия главным образом используют добавки ванадия, молибдена и вольфрама.
Цирконий повышает термическую стабильность, увеличивает предел ползучести, прочность при низких и средних температурах, уменьшает склонность к хладноломкости и улучшает свариваемость.
Рис. 15.2. Твердость сплавов титана с различным содержанием хрома после отжига
при температуре 600 ºС (1) и охлаждения из β-области с различными скоростями:
резкая закалка в растворе щелочи (2), закалка в воде (3), охлаждение на воздухе (4)
Хром считается одной из наиболее перспективных легирующих добавок к титану наряду с молибденом. Сплавы титана с хромом отличаются превосходным сочетанием прочности и пластичности (рис. 15.2).
Ниобий – повышает стабильность поверхности, увеличивает жаростойкость при высоких температурах.
В связи с определенным характером действия на титан различных легирующих элементов промышленные сплавы по типу структуры могут быть подразделены на три группы: титановые сплавы на основе
Tiα, сплавы на основе Tiβ и двухфазные (α+β)-титановые сплавы.
Промышленные титановые сплавы с (α+β)-структурой целесообразно подразделить на три группы: псевдо-α-сплавы с небольшим количеством β-фазы (Tiβ) со свойствами, близкими к α-сплавам (Tiα), типичные (α+β)-сплавы и псевдо-β-сплавы. Псевдо-β-сплавы представляют собой сплавы на основе Tiβ. В отожженном состоянии их физико-механические и технологические свойства типичны для β-сплавов, однако β-фаза у этих сплавов термически нестабильна.
По уровню характеристик прочности титановые сплавы классифицируют на высокопластичные и малопрочные, среднепрочные и высокопрочные, жаропрочные, коррозионно-стойкие.
По способности упрочняться с помощью термической обработки – на упрочняемые и не упрочняемые. По технологии производства – на деформируемые и литейные.
Деформируемые титановые сплавы с α-структурой характеризуются невысокой прочностью и не упрочняются при термической обработке. Они хорошо свариваются и имеют высокие механические свойства при криогенных температурах (ВТ5–1, ОТ4–0, ОТ4, ВТ20, ВТ18, ВТ–6, ВТ14, ВТ3–1, ВТ25 и др.).
Двухфазные (α+β)-сплавы характеризуются хорошим сочетанием механических и технологических свойств. По структуре после закалки в них образуется структура мартенситного типа. Увеличение количества β-фазы в сплавах переходного класса до 50% обеспечивает им самую высокую прочность как в отожженном, так и в закалённом состояниях.
Однофазные β-сплавы имеют наиболее высокую коррозионную стойкость. Сплавы с β-структурой реже применяются в промышленности и их легируют ванадием, молибденом и ниобием.
Литейные титановые сплавы (ВТЛ1, ВТ14Л, ВТ5Л и др.) имеют небольшой температурный интервал кристаллизации, высокую жидкотекучесть и хорошую плотность отливки. Титановые сплавы этой категории склонны к поглощению газов, поэтому разливку надо проводить в вакууме или в среде нейтральных газов. Для получения отливок используют чугунные или стальные формы, а также оболочковые и керамические формы.
Для фасонного литья применяют сплавы, близкие по химическому составу некоторым деформируемым сплавам (ВТ5Л, ВТ14Л), а также специальные литейные сплавы.
Деление конструкционных титановых сплавов по типу структуры и характеристик прочности, их химический состав приведены в таблице15.1.
Таблица 15.1.
Классификация промышленных титановых сплавов
и их механические свойства.
| Тип сплава | Марка сплава | Средний химический состав, % | Уровень прочности | Механич. свойства | Технология получения | |
| σВ, МПа | δ, % | |||||
| α-сплавы | ВТ1–0 | 99,28% Ti | М.п.* | 350–500 | деформируемый | |
| ВТ5 | 5% А1 | С.п. | 750–900 | |||
| ВТ5–1 | 5% А1; 2,5% Sn | С.п. | 750–900 | |||
| ВТ5Л | 5% А1 | М.п. | 700–900 | литейный | ||
| псевдо-α-сплавы | ОТ4–1 | 1,5% А1; 1% Мn | М.п.. | 600–750 | деформируемый | |
| АТ–2 | 2% Zr; 1% Мо | М.п. | 600–750 | |||
| ВТ20 | 6% А1; 1% Мо; 1%V | С.п. | 950–1150 | |||
| ТС5 | 5% А1; 2% Zr; 3%Sn; 2% V | В.п. | 950–110 | |||
| ВТ20Л | 6% А1; 2% Zr; 1% Мо | С.п. | ≥1000 | ≤4 | литейный | |
| (α+β)-сплавы | ВТ6С | 5% А1; 4% V | С.п. | 850–1000 | деформируемый | |
| ВТЗ–1 | 6% А1; 2,5% Мо; 2% Сr; 0,3% Si; 0,5% Fe | В.п. | 1000–1200 | |||
| ВТ14 | 4,5% А1; 3% Мо; 1% V | В.п. | 900–1070 | |||
| ВТ22 | 5% А1; 5 % Мо; 5% V; 1% (Fе, Сr) | В.п. | 1100–1250 | |||
| ВТ14Л | 5% А1; 3% Мо; 1% V; 0,5% (Cr, Fe) | В.п. | литейный | |||
| Псевдо β-сплавы | ВТ–15 | 3%А1; 7% Мо; 11% Сr | В.п. | 1350–1500 | деформируемый | |
| ТС6 | 3% А1; 5% Мо; 6%V–11% Сr | В.п. | 1400–1500 | |||
| β-сплавы | 33 %Мо | С.п. | 800–850 | деформируемый, коррозионност. |
* – М.п. – малопрочные (высокопластичные), С.п. – среднепрочные,
В.п. – высокопрочные
Титановые сплавы подвергаются следующим видам термической обработки: отжигу для снятия напряжений, рекристаллизационному отжигу, упрочняющей термической и химико-термической обработке.
Упрочняющая термическая обработка (α+β)-сплавов состоит из закалки с температур нагрева до β- или (α+β)-области с последующим искусственным старением. После закалке образуется α’-фаза (мартенситная фаза) игольчатого строения, представляющая собой пересыщенный твердый раствор легирующих элементов в α-фазе. При старении из α’-фазы выделяется β-фаза, понижающая твердость сплава, или интерметаллидная фаза, вызывающая охрупчивание.
При закалке из β-области структура сплавов состоит из переохлажденного β’-твердого раствора. При старении из такого раствора выделяется мелкодисперсная α-фаза, повышающая прочность и твердость сплава.
Для повышения жаростойкости детали из титановых сплавов подвергают различным видам диффузионной металлизации, а для повышения износостойкости – азотированию.
Поиск по сайту: