2.2 Физические и химические свойства

Титан – легкий и в тоже время твердый серебристо-белый металл: он в 12 раз тверже алюминия, в 4 раза – железа и меди. Чистый титан - химически активный переходный элемент, в соединениях имеет степени окисления +4, реже +3 и +2. Титан химически стоек. На поверхности титана образуется стойкая оксидная пленка TiO₂, вследствие чего он обладает высокой сопротивляемостью коррозии в пресной и морской воде, и в некоторых кислотах, устойчив коррозии под напряжением. При температурах выше 500°С титан и его сплавы легко окисляются и поглощают водород. Этот процесс называется охрупчивание титана водородом.

Титан имеет две полиморфные модификации:

• Низкотемпературную модификацию  α-Ti, устойчивую до 882°С (ГПУ решетка);

• Высокотемпературную модификацию β-Ti, устойчивую после 882°С (ОЦК решетка).

Точка плавления 1660±20°C, точка кипения 3260°C, плотность α-Ti и β-Ti соответственно равна 4,505 при 20 °C и 4,32 при 900 °C г/см³, атомная плотность 5,71×10²² ат/см³. Пластичен, сваривается в инертной атмосфере. Удельное сопротивление 0,42 мкОм·м при 20°C.

Имеет высокую вязкость, при механической обработке склонен к налипанию на режущий инструмент, и поэтому требуется нанесение специальных покрытий на инструмент, различных смазок.

Титановая пыль имеет свойство взрываться. Температура вспышки 400°C. Титановая стружка пожароопасна.

Глава 3. Типы титановых сплавов

Титановые α-сплавы, помимо алюминия, легируют нейтральными упрочнителями. Весьма ценным свойством α-сплавов титана является их хорошая свариваемость; эти сплавы даже при значительном содержании алюминия однофазны, поэтому не возникает охрупчивания шва и околошовной зоны.

К недостаткам α-сплавов относится их сравнительно невысокая прочность, сплавы этого класса термически не упрочняются. При содержании более 6% (по массе) Al технологическая пластичность сплавов невелика. С увеличением содержания алюминия повышаются рабочие температуры титановых α-сплавов. Сплавы этого класса, хотя и в меньшей степени, чем титан, склонны к водородной хрупкости.

Псевдо- α -сплавы отличаются высокой термической стабильностью, хорошей свариваемостью. Существенный недостаток псевдо-a -сплавов — их высокая склонность к водородной хрупкости.

Большинство α- и псевдо-α -сплавов применяют в отожженном состоянии.

Наиболее благоприятным сочетанием всех свойств отличаются двухфазные сплавы, состоящие из α+b - фаз. Эти сплавы характеризуются лучшей технологической пластичностью в отожженном состоянии по сравнению с α-сплавами, высокой прочностью, способностью к термическому упрочнению закалкой и старением, меньшей склонностью к водородной хрупкости по сравнению с α и псевдо- α сплавами.

Псевдо-b -сплавы относятся к высоколегированным титановым сплавам, в которых суммарное .содержание легирующих элементов доходит до 20% и более. Хотя при закалке из b -области в этих сплавах фиксируется только b -фаза, она термически нестабильна и при старении распадается с выделением дисперсной a -фазы.

К преимуществам псевдо-b -сплавов относятся:

• Высокая технологическая пластичность в закаленном состоянии. Это связано с тем, что b -фаза с ОЦК. решеткой по своей природе более пластична, чем гексагональная a -фаза.

• Большой эффект термического упрочнения, что связано с большим пересыщением закаленной b -фазы. Распад пересыщенной b -фазы при старении обеспечивает повышение прочности сплавов в 1,5—1,7 раза.

• Малая склонность к водородной хрупкости.

Недостатки псевдо b -сплавов:

• невысокая термическая стабильность, в результате чего их нельзя применять для длительной работы при температурах выше 350°С;

• неудовлетворительная свариваемость;

• большой разброс механических свойств, вызванный химической неоднородностью сплавов в связи с высокой степенью их легирования и большой чувствительностью процесса старения к содержанию примесей внедрения;

• сравнительно высокая плотность (5—5,1 г/см3).

Разработанные к настоящему времени псевдо-b -титановые сплавы можно разделить на две группы: легированные алюминием, b -стабилизаторами, а в некоторых случаях и нейтральными упрочнителями; легированные b -стабилизаторами и нейтральными упрочнителями.

Свариваемость этих сплавов затрудняет бурный рост зерна в b -области. По указанным причинам псевдо-b -сплавы первой группы применяют ограниченно.

В нашей стране в полупромышленном масштабе производят b -сплав 4201 (Ti+33%Мо), отличающийся высокой коррозионной стойкостью. В ряде областей применения он может заменять тантал, коррозионно-стойкие никелевые сплавы и даже золото и платину. Сплав отличается высокой технологической пластичностью, хорошо сваривается всеми видами сварки.

Титановые b - сплавы с термодинамически устойчивой b - фазой можно получить лишь на основе таких систем, в которых легирующие элементы имеют о.ц.к. решетку при комнатной температуре и образуют с b -титаном непрерывный ряд твердых растворов. К таким элементам принадлежат ванадий, молибден, ниобий и тантал. Однако стабильные b - фазы в этих сплавах образуются при таких высоких концентрациях компонентов, что титановые сплавы теряют основное их преимущество, а именно сравнительно малую плотность. Поэтому титановые сплавы со стабильной b - фазой не получили широкого промышленного применения.