Теоретические сведения. Титан является очень ценным конструкционным материалом для авиационной и космической техники

Титан является очень ценным конструкционным материалом для авиационной и космической техники. Он почти вдвое легче железа (γ =4500 ), имеет высокую температуру плавления (1668°С), обладает высокой удельной прочностью и коррозионной стойкостью во многих агрессивных средах. В отличие от многих металлов (алюминия, магния, меди, железа и др.) даже технически чистый титан может применяться для изготовления конструкций, работаю­щих как при повышенных температурах до 400^о С, так и в условиях глубокого холода, например при температурах жидкого гелия (-253°С). Для повышения прочностных свойств титан легируют алюминием, хромом, марганцем, ванадием, цирконием, молибденом, ниобием, железом, кремнием, оловом.

При нагревании титана выше 500-550 С он активно поглощает в больших количествах водород, кислород, азот и другие газы, об­разуя твердые растворы внедрения, а также гидриды, оксиды, нит­риды и другие соединения. Они придают титану твердость и хруп­кость, что является существенным недостатком для конструкцион­ного материала. С другой стороны, способность титана поглащать газы используется в производстве электронно-вакуумных изделий (кинескопы, лампы и др.), где он используется как геттер.

Титан имеет две аллотропических формы: при температуре ниже 882°С существует α -титан с гексагональной плотноупакованной решеткой, а выше 882 С существует β -титан с объемно-центриро­ванной кубической решеткой. Легирующие элементы способны сни­жать или повышать температуру полиморфного превращения. Так, например, алюминий повышает температуру превращения (рис. I2. I), стабилизируя α-фазу, а марганец (рис. I2. 2) и молибден (рис. 12. 3) снижают температуру превращения, стабилизируя β - фазу. Стабилизаторами β-фазы являются также хром, железо, никель, медь, вольфрам, кремний, образующие диаграммы, подобные диаг­рамме «титан-марганец» и ванадий, тантал, ниобий, образующие диаграммы, подобные диаграмме «титан – молибден» Такие леги­рующие добавки, как цирконий, олово, гафний, торий практически не изменяют температуру полиморфного превращения и являются нейтральными.

Рис. 12.1 Диаграмма состояния сплавов «титан - алюминий»

Рис. 12.2. Диаграмма состояния сплавов «титан - марганец»

Рис. 12. 3. Диаграмма состояния сплавов «титан – «молибден»

Структура технически чистого титана марки ВТ1-0 в отожжен­ном состоянии состоит из равноосных зерен (см. образец и альбом микроструктур), а после нагрева до 920°С и охлаждения в воде приобретает игольчатую структуру мартенсита. Для нелегированно­го титана свойства мартенсита почти не отличаются от свойств зернистой структуры.

В зависимости от типа и количества легирующих элементов, содержащихся в титановых сплавах, их подразделяют: по структуре в отожженном состоянии - на α, (α + β) и β -сплавы; по способности упрочняться при термообработке - на упрочняемые и не упрочняемые; по механическим свойствам - на сплавы повышен­ной пластичности, нормальной прочности, высокопрочные и жаро­прочные; по технологии изготовления деталей - на деформируемые и литейные.

Практически все титановые сплавы содержат в своем соста­ве алюминий, который не только делает их более легкими, но также более прочными, жесткими, менее склонными к водородной хрупкости. Сплавы титана, содержащие только алюминий (ОТ4, ВТ5) или алюминий с небольшими добавками β - стабилизаторов и нейтральных упрочнителей (ВТ4, ВТ18, ВТ20), относятся к группе α, - сплавов, т.к. после отжига имеют структуру твердого раствора замещения легирующих элементов в α- - титане. Эти сплавы высокопластичны в горячем состоянии, хорошо куются, про­катываются, штампуются, свариваются. Они термически-не упроч­няются, поэтому подвергаются только ре кристаллизационному от­жигу для снятия наклепа. Сплавы 'этой группы обладают наиболее высокой жаропрочностью, они могут длительно работать при темпе­ратуре 700°С.

Наибольшее применение в машиностроении имеют α+β сплавы, в равновесной структуре которых количество β- фазы может колебаться в широких пределах от 5 до 50%, в зависимости от со­держания β - стабилизаторов. Они обладают хорошим сочетанием технологических и механических свойств, упрочняются при термической обработке: закалка + старение. В отожженном, закален­ном состояниях эти сплавы имеют хорошую пластичность, а после старения - высокую прочность, причем чем больше в структуре β - фазы, тем сплав прочнее в отожженном состоянии и сильнее упрочняется при старении.

Однофазные β - сплавы промышленного применения не имеют, т.к. -должны содержать большое количество дорогих дефицитных легирующих элементов β-стабилизаторов, например ванадия, молибдена, ниобия, тантала (рис. 12. 3).

Химический состав и механические свойства основных тита­новых сплавов приведены в табл. 12.1.

Применение титановых сплавов очень эффективно в сверхзву­ковой авиации, ракетной и космической технике, где требуется высокая удельная прочность и жаропрочность при температурах 300- 600°С. При этих температурах алюминиевые, магниевые сплавы уже неэффективны или не могут работать вовсе, а стали и никелевые сплавы тяжелы.

Из титановых сплавов изготавливают диски и лопатки комп­рессоров реактивных авиационных двигателей, корпуса двигате­лей второй и третьей ступеней ракет. Благодаря высокой корро­зионной стойкости титановые сплавы применяют для изготовления гребных винтов и корпусов морских судов, насосов для пере­качки кислот, ответственных деталей и узлов, работающих в контакте с пищевыми продуктами. Они хорошо сочетаются с живы­ми тканями человека, поэтому используются для изготовления искусственных суставов и различных приспособлений, вживляемых в организм. Титановые сплавы применяют в холодильной и криоген­ной технике.

Таблица 12. 1

Порядок выполнения работы и содержание отчета

1. Изучить и законспектировать основные сведения о титане и его сплавах.

2. Изучить и зарисовать микроструктуры следующих сплавов»:

технический титан ВТ1-0 в отожженном состоянии;! технический титан ВТ1-0 в закаленном состоянии;

α- сплав ВТ5 в отожженом состоянии;

α+β- сплав ВТ14 в отожженом состоянии;

сплав ВТ14 в закаленном и состаренном состоянии.

3. Составить отчет о работе.

Содержание отчета

1. Наименование и цель работы.

2. Основные сведения о титане и его сплавах.

3. Микроструктуры изученных сплавов с указанием фаз и структурных составляющих.

Контрольные вопросы

1. Какие свойства характеризуют титан как конструкционный материал?

2. Как влияют легирующие элементы на аллотропические фор­мы титана?

3. По каким признакам и как классифицируются сплавы тита­на?

4. Каким видам термообработки подвергают сплавы титана?

5. Как происходит термическое упрочнение титановых сплавов?

6. Чем отличается мартенсит стали от мартенсита титана?

7. Где применяют сплавы титана?

Лабораторная работа №13