2.3.3. Классификация титановых сплавов

В технике используют деформируемые и литейные титановые сплавы. Первые сплавы использовали в промышленности в виде деформируемых полуфабрикатов. Производство литых заготовок было освоено позднее. Для получения отливок использовали уже известные деформируемые сплавы, поэтому составы литейных и деформируемых сплавов совпадают. Отличие заключается в повышенном количестве допускаемых примесей, так как при плавке и заливке сплавов в формы неизбежно взаимодействие расплава с материалом плавильных тиглей и литейных форм. Количество литейных сплавов меньше, чем деформируемых. Из нескольких десятков деформируемых сплавов со временем были отобраны те, которые обладали лучшими литейными свойствами и наиболее подходили для получения фасонных отливок.

Маркировка титановых сплавов осуществляется буквами ВТ, ОТ или АТ и порядковым номером. Первая буква в обозначении указывает организацию, разработавшую сплав. В литейных сплавах в конце маркировки ставится буква Л.-

В зависимости от природы легирующих элементов (их влияния на полиморфизм титана) и их содержания структура титановых сплавов в отожженном состоянии может быть представлена α – фазой, β – фазой или двумя фазами α и β в различном количественном сочетании. В соответствии с этим С.П. Глазунов предложил поделить все титановые сплавы на пять групп:

I группа – однофазные α – сплавы;

II группа – псевдо - α – сплавы, в структуре которых может присутствовать до 5 % β – фазы или интерметаллидов;

III группа – двухфазные α + β – сплавы с различным количеством α и β – фаз и интерметаллидов;

IV группа - псевдо - β – сплавы, которые могут содержать небольшое количество α – фазы

V группа – однофазные β – сплавы.

2.3.4. Литейные титановые сплавы

Все литейные титановые сплавы содержат алюминий. В связи с этим для разработки и изучения этих сплавов наибольшее значение имеет диаграмма состояния системы Ti – Al, которая приведена на рис. .

Рис. . Диаграмма состояния системы Ti – Al

Из приведенной части диаграммы следует, что алюминий является типичным α – стабилизатором, повышающим температуру полиморфного превращения. При температуре 1250 ^оС в системе наблюдается перитектическое превращение, в результате которого образуется хрупкая сверхструктура α₂ (твердый раствор на базе интерметаллида Ti₃Al). При температуре 1080 ^оС происходит превращение β + α₂ → α. Однако при понижении температуры растворимость алюминия в α – титане понижается с 11,6 % до 6 % с выделением фазы α₂ которая снижает пластичность сплава. В связи с этим содержание алюминия в сплавах должно быть ограничено до 6 – 7 %.

Химический состав литейных титановых сплавов приведен в таблице ., а механические, технологические и физические свойства в таблицах .

Таблица

Химический состав литейных титановых сплавов

Марка сплава	Группа сплава	Содержание легирующих элементов, % (по массе)
		Al	Zr	Mo	V	Cr	Прочие
ВТ1Л ВТ5Л ВТ20Л ВТ3-1Л ВТ6Л ВТ9Л ВТ14Л ВТ21Л ВТ35Л	α α псевдо- α α + β α + β α + β α + β α + β β	– 4,1-6,2 5,5-6,8 5,3-7,0 5,0-6,5 5,6-7,0 4,3-6,3 5,8-7,0 2,6-3,6	– – 1,5-2,5 – – 0,8-2,0 – 4,0-6,0 0,2-0,8	– – 0,5-2,0 2,0-3,0 – 2,8-3,8 2,5-3,8 0,4-1,0 0,2-1,0	– – 0,8-1,8 – 3,5-5,3 – 0,9-1,9 0,8-1,5 14,8-15,8	– – – 0,8-2,3 – – – 4,0-6,0 2,5-3,5	– – – 0,2-0,7 Fe 0,15-0,4 Si – 0,2-0,35 Si – – 2,5-3,5 Sn

Таблица

Механические свойства литейных титановых сплавов

Марка сплава	σв, МПа	σ0,2, МПа	δ, %	KCU, Дж/см2
	не менее
ВТ1Л ВТ5Л ВТ20Л ВТ3-1Л ВТ6Л ВТ9Л ВТ14Л ВТ21Л ВТ35Л	343 687 883 931 834 931 883 981	294 618 785 815 736 815 785 843	10 6 5 4 5 4 5 4	39,2 29,4 39,2 29,4 44,1 34,3 24,5 19,6 -

Таблица

Физические свойства литейных титановых сплавов

Марка сплава	ρ (20 оС), кг/см3	Коэффициент термического расширения α ∙ 10 6 (20 – 100 оС), 1/К	Удельная теплоемкость с (при 100 оС), кДж/(кг ∙ К)	Теплопровод-ность λ при 20 оС, Вт/(м ∙ К)
ВТ1Л ВТ5Л ВТ20Л ВТ3-1Л ВТ6Л ВТ9Л ВТ14Л ВТ21Л ВТ35Л	4,50 4,41 4,47 4,43 4,43 4,49 4,50 4,47	8,2 8,6 8,7 9,5 8,3 7,61 7,82 8,5	0,525 - 0,580 0,565 0,543 - 0,501 0,515	13,4 - 8,4 (100 оС) 6,69 8,8 - 9,1(100 оС) 7,9 (100 оС)

Таблица

Основные литейные свойства титановых сплавов

Марка сплава	tликв./ tсол	Жидкотеку-честь, мм	Усадка, %
			Линейная	Объемная
ВТ1Л ВТ5Л ВТ20Л ВТ3-1Л ВТ6Л ВТ9Л ВТ14Л ВТ21Л ВТ35Л	1670/1655 1640/1600 1620/1560 1620/1560 1650/1590 1620/1560 1650/1590 1630/1550 -	520 560 530 - 545 505 - 460 515	0,9-1,1 1,0-1,2 0,85-1,0 0,9-1,0 0,85-1,05 - 0,8-1,0 0,9-1,1	2,7-3,1 3,0-3,2 2,7-3,0 - 2,9-3,2 2,6-3,0 - 2,4-2,8 2,9-3,2

Широкое использование алюминия в качестве основной легирующей добавки объясняется следующими преимуществами перед остальными компонентами: а) он недефицитен и сравнительно дешев; б) значительно легче титана, и поэтому повышает удельную прочность сплавов; в) эффективно упрочняет α-, α +β- и β-сплавы; г) повышает жаропрочность титановых сплавов; д) снижает склонность к водородной хрупкости.

Однофазные α – сплавы, кроме алюминия могут легироваться нейтральными упрочнителями: оловом, цирконием. В литейном сплаве этой группы ВТ5Л допускается до 0,8 % Zr. К достоинствам α – сплавов можно отнести повышенную прочность и жаропрочность, высокую термическую стабильность, отсутствие хладноломкости. Эти сплавы хорошо свариваются без охрупчивания в шве и околошовной зоне. К недостаткам α – сплавов можно отнести сравнительно невысокую прочность. Термической обработкой они не упрочняются.

Псевдо - α – сплавы кроме алюминия содержат некоторое количество β-стабилизаторов. Так сплав ВТ20Л легирован молибденом и ванадием. Эти элементы и цирконий существенно повышают прочность сплава.

Наиболее многочисленной группой литейных титановых сплавов являются двухфазные сплавы. Их свойства могут меняться в широком диапазоне в зависимости от количества β-фазы. Большие возможности регулирования механических свойств объясняются тем, что алюминий способствует увеличению растворимости других легирующих добавок. Это позволяет увеличить возможности растворного упрочнения. Кроме того, двухфазные сплавы могут упрочняться путем закалки и старения. Сплавы ВТ3-1Л, ВТ6Л и ВТ9Л являются литейными аналогами соответствующих деформируемых сплавов. ВТ9Л обладает повышенной жаропрочностью и предназначен для работы при температурах до 500 – 560 ^оС. Сплав ВТ21Л разрабатывался специально для фасонного литья. Он не имеет деформируемого аналога. Однако его литейные свойства оказались хуже, чем у других двухфазных сплавов, и он не нашел широкого применения.

К числу новых относится высокопрочный однофазный β – сплав ВТ35Л (его иногда относят к псевдо - β – сплавам). После термической обработки его прочность может достигать 1100-1150 МПа. Сплав имеет неплохие литейные свойства.