15. Титановые и медные сплавы

15.1 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 авиастроению, ракетостроению, судостроению, химическому, пищевому и транспортному машиностроению.

Титан - металл серебристо-белого цвета с плотностью ρ=4,505 ^г/см³ и температурой плавления 1672⁰С. Титан может находиться в двух полиморфических модификациях: α-Ti до 882⁰С с гексагональной плотноупакованной решеткой и высокотемпературной – β- Ti выше этой температуры с объёмноцентрированной кубической решеткой до температуры плавления. Имеет высокие механические свойства σ_в = 300МПа, δ = 40%, не имеет температурного порога хладноломкости, парамагнитен. Титан легкий, прочный, тугоплавкий, коррозионностойкий 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 — кислорода, азота, водорода и углерода, которые образуют с титаном твердые растворы внедрения и промежуточные фазы: оксиды, нитриды, гидриды, карбиды, повышая его характеристики прочности и снижая пластичность.

Кроме того, ухудшается обработка давлением, свариваемость и коррозионная стойкость. Поэтому содержание этих примесей ограничивается сотыми и тысячными долями процента.

Полиморфизм титана, его хорошая сплавляемость с другими металлами дает широкие возможности получения сплавов на основе титана с самыми разными механическими свойствами благодаря легированию, термической обработке, деформационному упрочнению.

Рис. 15.1 Влияние примеси кислорода на механические свойства титана.

Элементы, легирующие титан, подразделяются на:

• элементы, повышающие температуру полиморфного превращения и расширяющие область существования α-модификации:Al, Ga, La, C, O, N;

• элементы, 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 600⁰С (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 α-структуры, сплавы на основе β-структуры 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 со свойствами, близкими к α-сплавам, типичные α+β -сплавы и псевдо-β-сплавы. Псевдо-β-сплавы представляют собой сплавы на основе β-структуры. 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 — малопрочные, среднепрочные и высокопрочные, жаропрочные, коррозионностойкие.

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 этой группы сплавов 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.

Таблица 15.1.

Классификация промышленных титановых сплавов и их механические свойства.

Тип сплава	Марка сплава	Средний химический состав, %	Уровень проч-ти	Мех. свойства
				σв,Мпа	δ5, %
α-сплавы	ВТ1-0	99,28% Ti	М.п.	350-500	30	деформируемый
	ВТ5	5А1	С.п.	750-900	10
	ВТ5-1	5А1-2,5Sn	С.п.	750-900	12
	ВТ5Л	5А1	М.п.	700-900	9	литейный
Псевдо-α-сплавы	ОТ4-1	1,5А1-1,0Мn	М.п..	600-750	20	деформируемый
	АТ-2	2,0Zг-1,0Мо	М.п.	600-750	20
	ВТ20	6,0А1-1,0Мо+1V	С.п.	950-1150	8
	ТС5	5,0А1-2,0Zг+3,0Sn+2V	В.п.	950-110	8
	ВТ20Л	6,0А1-2,0Zr +1,0Мо	С.п.	≥1000	≤4	литейный
α+β -сплавы	ВТ6С	5,0А1-4,0V	С.п.	850-1000	12	деформируемый
	ВТЗ-1	6,0А1-2,5Мо-2,0Сг-0,3Si-0,5Fe	В.п.	1000-1200	10
	ВТ14	4,5А1-3,0Мо-1,0V	В.п.	900-1070	8
	ВТ22	5,0А1-5,0Мо-5V-1Fе-1Сг	В.п.	1100-1250	8
	ВТ14Л	5А1-3,0Мо-1,0V+0,5(Cr, Fe)	В.п.	900	5	литейный
Псевдо-β-спл.	ВТ-15	3,0А1-7,0Мо-11,0Сг	В.п.	1350-1500	4	деформируемый
	ТС6	3,0А1-5,0Мо-6,0V-11,0Сг	В.п.	1400-1500	4
β-спла-вы	4201	33,0Мо	С.п.	800-850	10	деформируемый, коррозионност.

М.п. – малопрочные (высокопластичные); С.п. – среднепрочные; В.п. – высокопрочные;

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 табл.15.1.

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 фаза игольчатого строения α’ (мартенситная фаза), 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.