Благородный металл титан. Области применения, основные характеристики и свойства титана и его сплавов

Титан. Химический элемент, символ Ti (лат. Titanium, открыт в 1795 году и назван в честь героя греческого эпоса Титана ) . Имеет порядковый номер 22, атомный вес 47, 90, плотность 4, 5 г/см 3 , температуру плавления 1668 ° С, температуру кипения 3300 ° С.

Титан входит в состав более чем 70 минералов и является одним из самых распространённых элементов - содержание его в земной коре составляет примерно 0, 6%. По внешнему виду титан похож на сталь. Чистый металл пластичен и легко поддаётся механической обработке давлением.

Титан существует в двух модификациях: до 882°С в виде модификации α с гексагональной плотно упакованной кристаллической решёткой, а выше 882°С устойчивостью является модификация β с объёмноцентрированной кубической решёткой.

Титан сочетает большую прочность с малой плотностью и высокой коррозионной стойкостью. Благодаря этому во многих случаях он обладает значительными преимуществами перед такими основными конструкционными материалами, как сталь и алюминий . Ряд титановых сплавов по прочности в два раза превосходит сталь при значительно меньшей плотности и лучшей коррозионной стойкости. Однако из-за низкой теплопроводности затрудняется его применение для конструкций и деталей, работающих в условиях больших температурных перепадов, и при работе на термическую усталость. К недостаткам титана как конструкционного материала следует отнести также относительно низкий модуль нормальной упругости.

Механические свойства сильно зависят от чистоты металла и предшествующей механической и термической обработки. Титан высокой чистоты обладает хорошими пластическими свойствами.

Характерное свойство титана - способность активно поглощать газы - кислород, азот и водород. Эти газы до известных пределов растворяются в титане. Уже небольшие примеси кислорода и азота снижают пластические свойства титана. Незначительная примесь водорода (0, 01-0, 005%) заметно повышает хрупкость титана.

На воздухе при обычной температуре титан устойчив. При нагревании до 400-550 ° С металл покрывается оксидно-нитридной плёнкой, которая прочно удерживается на металле и защищает его от дальнейшего окисления. При более высоких температурах возрастает скорость окисления и растворения кислорода в титане.

С азотом титан взаимодействует при температурах выше 600 ° С с образованием плёнки нитрида (TiN) и твёрдых растворов азота в титане. Нитрид титана имеет высокую твёрдость и плавится при 2950 ° С.

Титан поглощает водород с образованием твёрдых растворов и гибридов (TiH и TiH 2 ) . В отличие от кислорода и азота, почти весь поглощённый водород можно удалить из титана нагреванием его в вакууме при 1000-1200 ° С.

Углерод и углеродсодержащие газы (CO, CH 4 ) реагируют с титаном при высокой температуре (более 1000 ° С) с образованием твёрдого и тугоплавкого карбида титана TiC (точка плавления 3140 ° С ). Примесь углерода заметно влияет на механические свойства титана.

Фтор, хлор, бром и йод взаимодействуют с титаном при сравнительно низких температурах (100-200 ° С). При этом образуются легколетучие галогениды титана.

Механические свойства титана в значительно большей степени, чем у других металлов, зависят от скорости приложения нагрузки. Поэтому механические испытания титана следует проводить при более строго регламентированных и фиксированных условиях, чем испытания других конструкционных материалов.

Ударная вязкость титана существенно возрастает при отжиге в интервале 200-300 ° С, заметного изменения других свойств не наблюдается. Наибольшее повышение пластичности титана достигается после закалки с температур, превышающих температуру полиморфного превращения, и последующего отпуска.

Чистый титан не относится к жаропрочным материалам, так как прочность его резко уменьшается с повышением температуры.

Важной особенностью титана является его способность образовывать твёрдые растворы с атмосферными газами и водородом. При нагревании титана на воздухе на его поверхности, кроме обычной окалины, образуется слой, состоящий из твёрдого раствора на основе α - Ti (альфитированный слой), стабилизированного кислородом, толщина которого зависит от температуры и продолжительности нагрева. Этот слой имеет более высокую температуру превращения, чем основной слой металла, и его образование на поверхности деталей или полуфабрикатов может вызвать хрупкое разрушение.

Титан и сплавы на основе титана характеризуются высокой коррозионной стойкостью в атмосфере воздуха, в естественной холодной и горячей пресной воде, в морской воде (на пластинке из титана за 10 лет пребывания в морской воде не появилось и следа ржавчины), а также в растворах щелочей, неорганических солей, органических кислот и соединений даже при кипячении. По коррозионной стойкости титан подобен хромоникелевой нержавеющей стали. Он не подвергается коррозии в морской воде, находясь в контакте с нержавеющей сталью и медно-никелевыми сплавами. Высокая коррозионная стойкость титана объясняется образованием на его поверхности плотной однородной плёнки, которая защищает металл от дальнейшего взаимодействия с окружающей средой. Так, в разбавленной серной кислоте (до 5%) при комнатной температуре титан стоек. Скорость коррозии с повышением концентрации кислоты растёт, достигая максимума при 40%, затем снижается до минимума при 60%, достигает второго максимума при 80% и далее вновь понижается.

В разбавленной соляной кислоте (5-10%) при комнатной температуре титан достаточно стоек. При повышении концентрации кислоты и температуры скорость коррозии титана быстро увеличивается. Коррозию титана в соляной кислоте можно сильно уменьшить добавкой небольших количеств окислителей (HNO 3 , KMnO 4 , K 2 CrO 4 , соли меди, железа). Титан хорошо растворяется в плавиковой кислоте. В растворах щелочей (концентрации до 20%) на холоду и при нагревании титан стоек.

Как конструкционный материал титан наибольшее применение находит в авиации, ракетной технике, при сооружении морских судов, в приборостроении и машиностроении. Титан и его сплавы сохраняют высокие прочностные характеристики при высоких температурах и поэтому с успехом могут применяться для изготовления деталей, подвергающихся высокотемпературному нагреву. Так, из его сплавов изготовляют наружные части самолётов (мотогондолы, элероны, рули поворота) и многие другие узлы и детали - от двигателя до болтов и гаек. Например, если в одном из двигателей заменить стальные болты на титановые, то масса двигателя снизится почти на 100 кг.

Оксид титана используется для приготовления титановых белил. Такими белилами можно окрасить в несколько раз большую поверхность, чем тем же количеством свинцовых или цинковых белил. К тому же титановые белила не ядовиты. Титан широко применяют в металлургии, в том числе в качестве легирующего элемента в нержавеющих и жаростойких сталях. Добавки титана в сплавы алюминия, никеля и меди повышают их прочность. Он является составной частью твёрдых сплавов для режущих инструментов, также успехом пользуются хирургические инструменты из сплавов титана. Двуокись титана используют для обмазки сварочных электродов. Четырёххлористый титан (тетрахлорид) применяют в военном деле для создания дымовых завес, а в мирное время для окуривания растений во время весенних заморозков.

В электротехнике и радиотехнике используют порошкообразный титан в качестве поглотителя газов - при нагревании до 500°С титан энергично поглощает газы и тем самым обеспечивает в замкнутом объёме высокий вакуум.

Титан в ряде случаев является незаменимым материалом в химической промышленности и в судостроении. Из него изготовляют детали, предназначенные для перекачки агрессивных жидкостей, теплообменники, работающие в коррозионно активных средах, подвесные приспособления, используемые при анодировании различных деталей. Титан инертен в электролитах и других жидкостях, применяемых в гальваностегии, и поэтому пригоден для изготовления различных деталей гальванических ванн. Его широко используют при изготовлении гидрометаллургической аппаратуры для никелево-кобальтовых заводов, так как он обладает высокой стойкостью против коррозии и эрозии в контакте с никелевыми и кобальтовыми шламами при высоких температурах и давлениях.

Титан наиболее стоек в окислительных средах. В восстановительных средах титан корродирует довольно быстро вследствие разрушения защитной окисной плёнки.

Технический титан и его сплавы поддаются всем известным методам обработки давлением. Они могут прокатываться в холодном и горячем состояниях, штамповаться, обжиматься, поддаваться глубокой вытяжке, развальцовываться. Из титана и его сплавов получают стержни, прутки, полосы, различные профили проката, бесшовные трубы, проволоку и фольгу.

Сопротивление деформации у титана выше, чем у конструкционных сталей или медных и алюминиевых сплавов. Титан и его сплавы обрабатываются давлением примерно так же, как и нержавеющие стали аустенитового класса. Наиболее часто титан подвергают ковке при 800-1000°С. Чтобы предохранить титан от загрязнения газами, нагрев и обработку его давлением производят в возможно короткое время. Ввиду того, что при температурах >500°С водород диффундирует в титан и его сплавы с огромными скоростями, нагрев ведут в окислительной атмосфере.

Титан и его сплавы имеют пониженную обрабатываемость резанием подобно нержавеющим сталям аустенитного класса. При всех видах резания наиболее успешные результаты достигаются при небольших скоростях и большой глубине резания, а также при использовании режущего инструмента из быстрорежущих сталей или твёрдых сплавов. Из-за высокой химической активности титана при высоких температурах сварку его ведут в атмосфере инертных газов (гелия, аргона). При этом защищать от взаимодействия с атмосферой и газами необходимо не только расплавленный металл шва, но все сильно нагретые части свариваемых изделий.

Некоторые технологические трудности возникают при производстве из титана и его сплавов отливок.

Многих интересует немного загадочный и не до конца изученный титан - металл, свойства которого отличаются некоторой двоякостью. Металл и самый прочный, и самый хрупкий.

Самый прочный и самый хрупкий металл

Его открыли двое ученых с разницей в 6 лет - англичанин У. Грегор и немец М. Клапрот. Название титана связывают, с одной стороны, с мифическими титанами, сверхъестественными и бесстрашными, с другой стороны, с Титанией - королевой фей.
Это один из самых распространенных в природе материалов, но процесс получения чистого металла отличается особой сложностью.

22 химический элемент таблицы Д. Менделеева Titanium (Ti) относится к 4 группе 4 периода.

Цвет титана серебристо-белый с выраженным блеском. Его блики переливаются всеми цветами радуги.

Это один из тугоплавких металлов. Он плавится при температуре +1660 °С (±20°). Титан отличается парамагнитностью: он не намагничивается в магнитном поле и не выталкивается из него.
Металл характеризуется низкой плотностью и высокой прочностью. Но особенность этого материала заключается в том, что даже минимальные примеси других химических элементов кардинально изменяют его свойства. При наличии ничтожной доли других металлов титан теряет свою жаропрочность, а минимум неметаллических веществ в его составе делают сплав хрупким.
Эта особенность обуславливает наличие 2 видов материала: чистого и технического.

1. Титан чистого вида используют там, где требуется очень легкое вещество, выдерживающее большие нагрузки и сверхвысокие температурные диапазоны.
2. Технический материал применяется там, где ценятся такие параметры, как легкость, прочность и устойчивость к коррозии.

Вещество обладает свойством анизотропности. Это означает, что металл может изменять свои физические характеристики, исходя из приложенных усилий. На эту особенность следует обращать внимание, планируя применение материала.

Титан теряет прочность при малейшем присутствии в нем примесей других металлов

Проведенные исследования свойств титана в нормальных условиях подтверждают его инертность. Вещество не реагирует на элементы, находящиеся в окружающей атмосфере.
Изменение параметров начинается при повышении температуры до +400°С и выше. Титан вступает в реакцию с кислородом, может воспламеняться в азоте, впитывает газы.
Эти свойства затрудняют получение чистого вещества и его сплавов. Производство титана основано на применении дорогостоящей вакуумной аппаратуры.

Титан и конкуренция с другими металлами

Этот металл постоянно сравнивают с алюминием и сплавами железа. Многие химические свойства титаназначительно лучше, чем у конкурентов:

1. По механической прочности титан превосходит железо в 2 раза, а алюминий в 6 раз. Прочность его увеличивается при снижении температуры, чего не отмечается у конкурентов.
   Антикоррозионные характеристики титана значительно превышают показатели других металлов.
2. При температурах окружающей среды металл абсолютно инертен. Но при повышении температуры свыше +200°С вещество начинает поглощать водород, изменяя свои характеристики.
3. При более высоких температурах титан вступает в реакции с другими химическими элементами. Он обладает высокой удельной прочностью, что в 2 раза превосходит свойства лучших сплавов железа.
4. Антикоррозионные свойства титана значительно превышают показатели алюминия и нержавеющей стали.
5. Вещество плохо проводит электричество. Титан имеет удельное электросопротивление в 5 раз выше, чем у железа, в 20 раз, чем у алюминия, и в 10 раз выше, чем у магния.
6. Титан характеризуется низкой теплопроводностью, это обусловлено низким коэффициентом температурного расширения. Она меньше в 3 раза, чем у железа, и в 12, чем у алюминия.
   

Какими способами получают титан?

Материал занимает 10 место по распространению в природе. Существует около 70 минералов, содержащих титан в виде титановой кислоты или его двуокиси. Наиболее распространенные из них и содержащие высокий процент производных металла:

• ильменит;
• рутил;
• анатаз;
• перовскит;
• брукит.

Основные залежи титановых руд находятся в США, Великобритании, Японии, большие месторождения их открыты в России, Украине, Канаде, Франции, Испании, Бельгии.

Добыча титана — дорогой и трудозатратный процесс

Получение металла из них стоит очень дорого. Ученые разработали 4 способа производства титана, каждый из которых рабочий и эффективно используется в промышленности:

1. Магниетермический способ. Добытое сырье, содержащее титановые примеси, перерабатывают и получают диоксид титана. Это вещество подвергается хлорированию в шахтных или солевых хлораторах при повышенном температурном режиме. Процесс очень медленный, ведется в присутствии углеродного катализатора. При этом твердый диоксид переводится в газообразное вещество — тетрахлорид титана. Полученный материал восстанавливается магнием или натрием. Сплав, образовавшийся при реакции, подвергают нагреванию в вакуумной установке до сверхвысоких температур. В результате реакции происходит испарение магния и его соединений с хлором. В конце процесса получают губкоподобный материал. Его плавят и получают титан высокого качества.
2. Гидридно-кальциевый способ. Руду подвергают химической реакции и получают гидрид титана. Следующий этап — разделение вещества на составляющие. Титан и водород выделяют в процессе нагревания в вакуумных установках. По окончании процесса получают оксид кальция, который отмывают слабыми кислотами. Первые два способа относятся к промышленному производству. Они позволяют получать в кратчайшие сроки чистый титан с относительно небольшими издержками.
3. Электролизный метод. Титановые соединения подвергают воздействию током большой силы. В зависимости от исходного сырья, соединения разделяются на составляющие: хлор, кислород и титан.
4. Йодидный способ или рафинирование. Полученный из минералов диоксид титана обдают парами йода. В результате реакции образуется йодид титана, который нагревают до высокой температуры — +1300…+1400°С и воздействуют на него электрическим током. При этом из исходного материала выделяются составляющие: йод и титан. Металл, полученный данным способом, не имеет примесей и добавок.

Области применения

Применение титана зависит от степени его очистки от примесей. Наличие даже небольшого количества других химических элементов в составе сплава титана кардинально меняет его физико-механические характеристики.

Титан с некоторым количеством примесей называется техническим. Он имеет высокие показатели коррозийной стойкости, это легкий и очень прочный материал. От этих и других показателей зависит его применение.

• В химической промышленности из титана и его сплавов изготавливают теплообменники, различного диаметра трубы, арматуру, корпуса и детали для насосов различного назначения. Вещество незаменимо в местах, где требуются высокая прочность и стойкость к кислотам.
• На транспорте титан используют для изготовления деталей и агрегатов велосипедов, автомобилей, железнодорожных вагонов и составов. Применение материала уменьшает вес подвижных составов и автомобилей, придает легкость и прочность велосипедным деталям.
• Большое значение титан имеет в военно-морском ведомстве . Из него изготавливают детали и элементы корпусов для подводных лодок, пропеллеры для лодок и вертолетов.
• В строительной промышленности применяется сплав цинк-титан. Он используется как отделочный материал для фасадов и кровель. Этот очень прочный сплав имеет важное свойство: из него можно изготавливать архитектурные детали самой фантастической конфигурации. Он может принимать любую форму.
• В последнее десятилетие титан широко применяют в нефтедобывающей отрасли . Сплавы его применяют при изготовлении оборудования для сверхглубокого бурения. Материал используется для изготовления оборудования для добычи нефти и газа на морских шельфах.

У титана очень широкая область применения

Чистый титан имеет свои области применения. Он нужен там, где необходима стойкость к высоким температурам и при этом должна сохраняться прочность металла.

Его применяют в:

• авиастроении и космической отрасли для изготовления деталей обшивки, корпусов, элементов крепления, шасси;
• медицине для протезирования и изготовления сердечных клапанов и других аппаратов;
• технике для работы в криогенной области (здесь используют свойство титана — при снижении температуры усиливается прочность металла и не утрачивается его пластичность).

В процентном соотношении использование титана для производства различных материалов выглядит так:

• на изготовление краски используется 60 %;
• пластик потребляет 20 %;
• в производстве бумаги используют 13 %;
• машиностроение потребляет 7 % получаемого титана и его сплавов.

Сырье и процесс получения титана дорогостоящие, затраты на его производство компенсируются и окупаются сроком службы изделий из этого вещества, его способностью не менять свой внешний вид за весь период эксплуатации.

Титан – уникальный по своим свойствам металл. Благодаря удивительным свойствам его называют металлом будущего. Титан применяют там, где человеку хочется мечту превратить в реальность.

Первоначально титан стали выпускать и применять для военной и оборонной промышленности. Но с каждым днем этот металл получает все большее распространение в других областях.

Авиастроение

Авиационная промышленность - основной потребитель титановой продукции. Именно развитие авиационной техники дало толчок титановому производству. По своим физико-механическим свойствам титановые сплавы являются универсальным конструкционным материалом.

Вплоть до конца 60-х годов ХХ века титан применялся главным образом для изготовления газовых турбин двигателей самолетов (титан очень прочный металл). В 70-х – 80-х годах титановые сплавы начали широко применяться для изготовления различных деталей планерной части самолетов (титан еще и легкий).

Все эти детали с очень умными названиями намного легче деталей, сделанных из стали.

Сейчас из титана делают обшивку для самолета, наиболее нагревающиеся детали, силовые элементы, детали шасси. В авиационных двигателях жаропрочные титановые сплавы применяются для изготовления лопаток, дисков и других элементов вентилятора и компрессора двигателя.

В конструкции современного самолета может быть более 20 тонн титана. Например, в самолете Боинг-787 устанавливают около 2,5 миллионов титановых заклепок, что облегчает вес самолета на несколько тонн (по сравнению со стальными деталями).

Вот основные направления использования титана в авиастроении:

1. Для изготовления изделий сложной пространственной формы:
- окантовка люков и дверей, где возможно скопление влаги (используется высокая коррозионная стойкость титана);
- обшивка, на которую действует струя продуктов сгорания двигателя, противопожарные перегородки (используется высокая температура плавления);
- тонкостенные трубопроводы воздушной системы (титан меньше всех других металлов расширяется под воздействием температуры);
- настил пола грузовой кабины (используется высокая прочность и твердость).

2. Для изготовления узлов и агрегатов, испытывающих сильные нагрузки:
- стойки шасси;
- силовые элементы (кронштейны) крыла;
- гидроцилиндры.

3. Изготовление частей двигателя:
- диски и лопатки для вентиляторов и компрессоров;
- корпуса двигателей.

В России и странах Содружества нет ни одного авиационного двигателя, самолета или вертолета, где бы не применялся титан ПАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА»: истребители МиГ-29, Су-35, Су-30, Су-27, Ту-204, Ту-214, АН-148, SSJ-100, МС-21, транспортные самолеты Ил-76 и Ил-76Т. Кроме этого, наше предприятие - основной поставщик титана для таких крупнейших концернов мировой авиаиндустрии, как AIRBUS INDUSTRIE и компании BOEING.

Для зарубежных и российских заказчиков Корпорация ВСМПО-АВИСМА поставляет следующие титановые полуфабрикаты для изготовления деталей самолетов:
- штамповки для шасси;
- плиты, листы, прутки и биллеты для изготовления поворотных узлов, направляющих рельсов, закрылков, панелей, лонжеронов, элементов крепления;
- цельные конструкции штампованных поковок для электрогидравлической системы.

Ракетостроение и космическая техника

Титан помог человеку преодолеть звуковой барьер в авиации и выйти в космическое пространство. В ракетостроении и космической технике титан практически незаменим.

Давайте посмотрим, почему. Что такое космос? Это глубокий вакуум, где царит ледяной холод. И любое искусственное тело, находящееся в космосе, охлаждается до очень низких температур. С другой стороны, аппарат сильно разогревается, если попадает под солнечные лучи. Кроме того, стенки космического корабля бомбардируются космическими частицами, летящими с огромной скоростью, и находятся под действием космической радиации. Такие сверхтяжелые условия могут выдержать только сталь, вольфрам, платина и титан. Предпочтение, конечно же, отдано титану. Титановые сплавы использовали в пилотируемых ракетных комплексах «Восток» и «Союз», беспилотных «Луна», «Марс», «Венера», а также «Энергия» и в орбитальном корабле «Буран».

Судостроение

Широко используют титан в судостроении. Он незаменим для обшивки судов, производства деталей насосов и трубопроводов.

Такое качество титана, как малая плотность позволяет снижать массу корабля, а значит, повышать его маневренность и дальность хода. Обшитые листами титана корпуса судов никогда не потребуют покраски, ведь они десятилетиями не ржавеют и не разрушаются в морской воде (высокая коррозионная стойкость титана). А эрозионная и кавитационная стойкость позволяет не бояться больших скоростей в морской воде: взвешенные в ней мириады песчинок не повредят титановым рулям, винтам и корпусу.

Слабые магнитные свойства титана и его сплавов используют при изготовлении навигационных приборов. В будущем планируется создание из титановых сплавов так называемых немагнитных кораблей, необходимых для геологогеофизических исследований в открытых океанах (устранится влияние металлических частей корабля на высокоточные навигационные приборы).

Наиболее перспективное направление использования титана в судостроении – производство конденсаторных труб, турбинных двигателей и паровых котлов.

Кроме этого, титан, обладающий высокой коррозионной стойкостью и способностью выдерживать огромные давления и нагрузки, - наилучший материал для создания глубоководных аппаратов.

Машиностроение

Корпорация ВСМПО-АВИСМА успешно выпускает теплообменное оборудование для энергетической промышленности, а также для предприятий химической и нефтехимической отраслей. Оборудование изготавливаются из сплавов на основе титана: трубы для теплообменной аппаратуры различного назначения, конденсаторы турбин и в качестве внутренней поверхности дымовых труб. Использование титана позволяет увеличить долговечность, надежность и, следовательно, снизить расходы на капитальный ремонт и обслуживание этого оборудования. Титановые сплавы по стойкости к коррозии превосходят самые стойкие из имеющихся медных, медно-никелевых сплавов и нержавеющую сталь в 10-20 раз. Благодаря этому свойству можно уменьшить толщину стенки трубы для более быстрой передачи тепла в теплообменных аппаратах. Титановые сплавы применяются на объектах мировой тепловой и атомной энергетики с 1959 года.

Нефтегазовая промышленность

Титану много работы и в небе, и в космосе, и под водой, и даже под землей.

Перспективной областью применения сплавов титана является глубокое и сверхглубокое бурение. Для добычи подземных богатств и для изучения глубоких слоев земной коры нужно проникнуть на очень большие глубины – до 15-20 тысяч метров. Обычные буровые трубы будут рваться под собственной тяжестью уже на глубине нескольких тысяч метров. И только благодаря трубам из высокопрочных сплавов на основе титана можно достичь прохождения действительно глубоких скважин.

В настоящее время титан успешно используется при разработке оборудования для освоения нефтегазовых месторождений на морских шельфах: глубоководные бурильные и добывающие установки; насосы; трубопроводы; теплообменное оборудование различного назначения; сосуды высокого давления и многое другое. По мнению специалистов, в глубоководной нефтедобыче титан и его сплавы должны стать одним из основных конструкционных материалов, поскольку имеют высокую коррозионную стойкость в морской воде. Из нашего титана производят трубы, отводы, фланцы, тройники, переходы для систем забортной, балластной и пластовой воды.

Автомобилестроение

Инженеры при разработке новых конструкций машин ставят перед собой задачу – снизить массу деталей автомобиля и тем самым улучшить движение самого авто. Например, выяснили, что за счет уменьшения массы деталей можно сократить расход топлива и количество выхлопных газов, а это, согласитесь, очень необходимо для современного мегаполиса.

В автомобилестроении титан применяют в конструкциях клапанов, пружин, выхлопных систем, передаточных валов, болтов. Надежность деталей из титана была проверена в течение нескольких лет на гоночных автомобилях и в ходе широкого использования в авиакосмической промышленности.

Строительство

Строители тоже любят титан за его свойства. Отличная устойчивость к коррозии, прочность, легкий вес и долговечность обеспечивают самый длительный срок службы архитектурным деталям при любых условиях и с минимальной необходимостью проведения ремонта. Уникальная и неповторимая отражательная способность титана не сравнима с любым другим металлом.

Он устойчив к загрязнениям городской атмосферы и морской среды, кислотным дождям, осадкам вулканической золы, промышленным выбросам и другим неблагоприятным атмосферным условиям. Титан не подвергается атмосферным влияниям и не обесцвечивается от ультрафиолетовых лучей. Также он обладает отличной устойчивостью к коррозии, которая может появиться в результате кислотных дождей и действия агрессивных газов (газ сернистой кислоты, газ сероводорода и т.д.). Все это является большим плюсом при использовании титана для строительства в крупных городах и промышленных областях.

Титан используется для наружной обшивки зданий, кровельных материалов, облицовки колонн, софитов, карнизов, навесов, внутренней обшивки, легких крепежных приспособлений. Кроме того, титан используется в скульптуре и для изготовления памятников.

Медицина

Титан необыкновенно популярен в медицине: любят титан ортопеды, кардиологи, стоматологи и даже нейрохирурги (врачи, которые лечат нервную систему). Из титановых сплавов делают превосходные хирургические инструменты, легкие и долговечные.

В современном мире люди живут долгой активной жизнью. Но очень часто получают повреждения, например, в результате занятий спортом или в автомобильных авариях и происшествиях. И тут на помощь людям приходит металл будущего. У титана есть очень ценное для медиков свойство – он достаточно легко «вживляется» в организм человека. Ученые называют это свойство - «настоящее родство». Титановые конструкции (имплантанты, внутрикостные фиксаторы, наружные и внутренние протезы) абсолютно безопасны для костей и мышц. Они не вызывают аллергию, не разрушаются при взаимодействии с жидкостями и тканями организма и, конечно, с медицинскими препаратами. Кроме этого, протезы, изготовленные из титановых сплавов, очень прочны и износостойки, хотя все время выдерживают большие нагрузки. Вспомните, титан в 2-4 раза прочнее железа и в 6-12 раз прочнее алюминия (смотри раздел «Титан»).

В стоматологии врачи широко используют самую передовую технологию для изготовления зубных протезов - титановые имплантанты. Титановый корень вживляется в челюсть, после чего на него наращивают верхнюю часть зуба.

Из титана изготавливают протезы маленьких косточек внутри уха – и к людям возвращается слух!

Кардиологи для лечения сердца используют такие приборы, как электронный стимулятор и дефибриллятор, корпуса которых тоже титановые.

У титана есть еще одно положительное качество, которое тоже ценится в медицине. Титан – немагнитный металл. Поэтому больных, у которых есть титановые протезы, можно лечить с помощью физиотерапии (не таблетками, а при помощи приборов, в основе работы которых заложены физические явления – электротоки и магнит).

Спорт

Причина популярности использования титана в спортивном инвентаре заключается в его основных свойствах: легкость и прочность.

Примерно 25-30 лет назад из титана впервые сделали велосипед. И это было первое применение этого металла для изготовления спортивного инвентаря. Сейчас в конструкции велосипеда из титана может быть выполнен не только корпус, но и тормоза, звездочки и пружины сидений.

В Японии нашли еще одно применение титана в спорте. Знаешь ли ты, что такое гольф? Это интересная игра, в которой пытаются забить мяч в лунки специальными клюшками. Легкие и прочные титановые клюшки (опять же благодаря свойствам титана) завоевали популярность среди гольфистов, несмотря на свою дороговизну (по сравнению с другими материалами).

Альпинизм и туризм. Вот где еще нашел свое применение титан. Из него делают практически все предметы, которые несут альпинисты и туристы в своих рюкзаках: бутылки, чашки, наборы для приготовления пищи, столовая посуда, стойки и крепления палаток, ледорубы, ледобуры и даже компактные печки.

Вот еще примеры использования титана в спорте: производство ножей для подводного плавания, изготовление лезвий для коньков. Для спортивной стрельбы (и для правоохранительных органов) недавно начали производить титановые пистолеты.

Товары народного потребления

Нашел применение титан и в изготовлении ювелирных украшений, шариковых и перьевых ручек, наручных часов, кухонной посуды и садового инвентаря.

Корпуса многих портативных компьютеров, мобильных телефонов изготавливают из титана. Вещи, конечно, недешевые, зато легкие и долговечные. Корпуса плазменных телевизоров, монтируемых на стены, также изготавливают из титана: это снижает их вес и позволяет не беспокоиться за крепость монтажа.

Еще одно необычное применение титана – колокольный звон. Колокола из титана обладают необычным, очень красивым звучанием. А еще вы можете услышать голос этого металла в колокольчиках для электрозвонков.

Очень популярным оказался нетоксичный и безвредный диоксид титана (TiO2).

Более половины всего производимого в мире диоксида титана расходуется в качестве белого пигмента в производстве лакокрасочной продукции. Этот белый порошок кроме высокого уровня белизны обладает таким качеством, как высокая укрывистость (способность краски перекрывать цвет поверхности, на которую она наносится). При нанесении на поверхность бумаги диоксида титана, она дополнительно приобретает гладкость и высокие печатные свойства.

И в других отраслях диоксид титана тоже используют. Если внимательно прочитать состав, который написан на фантиках конфет или жевательной резинки, то можно найти там загадочно зашифрованное вещество Е171. Именно так обозначается краситель из диоксида титана. Кроме конфет и жвачки, им окрашивают еще пирожные, крабовые палочки, изделия из фарша и даже лапшу, им осветляют глазурь для кондитерских изделий и муку. В фармакологии (изготовление лекарств) диоксидом титана окрашивают лекарства, а в косметологии – кремы, гели, шампуни и другие средства. Кроме этого, диоксид титана используют при отбеливании зубов (добавляют в зубную пасту).

И это еще не всё. Диоксид титана используют как наполнитель в производстве резины, в производстве пластмасс, он входит в состав тугоплавких стекол, глазурей, фарфоровых масс, из него изготавливают искусственные драгоценные камни.

Высокопрочный металл, обладающий многими уникальными свойствами. Изначально его применяли в оборонной и военной промышленности. Развитие различных отраслей наук привело к более широкому использованию титана.

Титан в авиастроении

Кроме высокой прочности титан отличается еще и легкостью. Этот металл широко используют в самолетостроении. Титан и его сплавы, благодаря физико-механическим свойствам, являются незаменимыми конструкционными материалами.

Интересный факт: до 60-ых годов титан в основном использовали для изготовления газовых турбин двигателей самолетов. Позднее металл стал применять при производстве деталей консолей самолетов.

Сегодня титан используют для изготовления обшивки самолета, силовых элементов, деталей двигателей и прочего.

Титан в ракетостроении и космической технике

В условиях открытого космоса любой объект подвержен как очень низким, так и высоким температурам. Кроме того, существует еще радиация и частички, которые двигаются с большой скоростью.

К материалам, способным выдержать все тяжелые условия относятся сталь, платина, вольфрам и титан. По ряду показателей предпочтение отдано последнему металлу.

Титан в судостроении

В судостроении титан и его сплавы используют для обшивки судов, а также при изготовлении деталей трубопроводов и насосов.

Малая плотность титана позволяет повысить маневренность судов и вместе с этим снизить их массу. Высокая коррозионная и эрозионная стойкость металла способствует увеличению срока эксплуатации (детали не ржавеют и не поддаются повреждениям).

Также из титана изготавливают навигационные приборы, поскольку этот металл обладает еще и слабыми магнитными свойствами.

Титан в машиностроении

Титановые сплавы используют при выпуске труб для теплообменной аппаратуры, конденсаторов турбин, внутренних поверхностей дымовых труб.

Благодаря своим высокопрочностным свойствам титан позволяет продлить срок эксплуатации оборудования и экономить на ремонтных работах.

Титан в нефтегазовой промышленности

Трубы из титановых сплавов помогут достичь глубины бурения до 15-20 км. Они высокопрочны и не подвержены таким сильным деформациям, как другие металлы.

Сегодня изделия из титана с успехом используются в разработке глубоководных нефтегазовых месторождений. Из высокопрочного металла изготавливают отводы, трубы, фланцы, переходники, прочее. Плюс огромную роль для качественной эксплуатации играет коррозионная стойкость титана к морской воде.

Титан в автомобилестроении

Снижение массы деталей в автомобилестроении помогает уменьшить расход топлива и тем самым сократить объем выхлопных газов. И здесь на помощь приходит титан и его сплавы. Для автомобилей (особенно гоночных) делают пружины, клапана, болты, передаточные валы и выхлопные системы из титана.

Титан в строительстве

Благодаря своей способности противостоять большинству известных негативных факторов окружающей среды, титан нашел применение и в строительстве. Его используют для наружной обшивки зданий, облицовки колонн, в качестве кровельных материалов, карнизов, софитов, крепежных приспособлений и т.д.

Титан в медицине

И в медицине огромную нишу заняли изделия из титана и его сплавов. Из этого прочного, легкого, гипоаллегренного и долговечного металла производят хирургические инструменты, протезы, зубные импланты, внутрикостные фиксаторы.

Титан в спорте

Благодаря все той же прочности и легкости, титан популярен и при производстве спортивного инвентаря. Из указанного металла производят части для велосипедов, клюшки для гольфа, ледорубы, утварь для туризма и альпинизма, лезвия для коньков, ножи для подводного плаванья, пистолеты (спортивная стрельба и органы правопорядка).

Титан в товарах народного потребления

Из титана изготавливают перьевые и шариковые ручки, ювелирные украшения, часы, посуду и садовую утварь, корпуса для мобильных телефонов, компьютеров, телевизоров.

Интересно: из титана изготавливают колокола. Они имеют красивое и необычное звучание.

Другое применение титана

Кроме прочего широкое применение нашел диоксид титана. Его используют в качестве белого пигмента для производства лакокрасочной продукции. Такой белый порошок обладает высокой укрывистостью, т.е. способен перекрыть любой цвет поверх которого его наносят.

При нанесении диоксида титана на поверхность бумаги она приобретает высокие печатные свойства и гладкость.

Именно обозначение Е171 на упаковках жевательных резинок и конфет свидетельствует о наличии диоксида титана. Кроме того этим соединением окрашивают крабовые палочки, пирожные, лекарства, крема, гели, шампуни, фарш, лапшу, осветляют муку и глазурь.

Титановый лист - рулонный и листовой титан ВТ1-0, ВТ20, ОТ4.

1metal.com Металлургическая торговая площадка 1metal.com Краткая информация о Титан и его сплавы компаний Украины на металлоторгующей площадке 1metal.com 4.6 stars на основе 95

Титан и его сплавы

Титан широко распространен в земной коре, где его содержится около 6 %, а по распространенности он занимает четвертое место после алю-миния, железа и магния. Однако промышленный способ его извлечения был разработан лишь в 40-х годах ХХ века. Благодаря прогрессу в области самолето- и ракетостроения производство титана и его сплавов интенсивно развивалось. Это объясняется сочетанием таких ценных свойств титана, как малая плотность, высокая удельная прочность (s в /r × g ), коррозионная стойкость, технологичность при обработке давлением и свариваемость, хладостойкость, немагнитность и ряд других ценных физико-механических характеристик, приведенных ниже.

Характеристики физико-механических свойств титана (ВТ1-00)

Плотность r , кг/м 3	4,5 × 10 –3
Температура плавления Т пл , ° С	1668± 4
Коэффициент линейного расширения a × 10 –6 , град –1	8,9
Теплопроводность l , Вт/(м × град)	16,76
Предел прочности при растяжении s в, МПа	300–450
Условный предел текучести s 0,2 , МПа	250–380
Удельная прочность (s в /r × g )× 10 –3 , км	7–10
Относительное удлинение d , %	25–30
Относительное сужение Y , %	50–60
Модуль нормальной упругости Е´ 10 –3 , МПа	110,25
Модуль сдвига G´ 10 –3 , МПа	41
Коэффициент Пуассона m ,	0,32
Твердость НВ	103
Ударная вязкость KCU, Дж/см 2	120

Титан имеет две полиморфные модификации: a -титана с гексагональной плотноупакованной решеткой с периодами а = 0,296 нм, с = 0,472 нм и высокотемпературную модификацию b -титана с кубической объемно-центрированной решеткой с периодом а = 0,332 нм при 900 ° С. Температура полиморфного a « b -превращения составляет 882 ° С.

Механические свойства титана существенно зависят от содержания примесей в металле. Различают примеси внедрения - кислород, азот, углерод, водород и примеси замещения, к которым относятся железо и кремний. Хотя примеси повышают прочность, но одновременно резко снижают пластичность, причем наиболее сильное отрицательное действие оказывают примеси внедрения, особенно газы. При введении всего лишь 0,003 % Н, 0,02 % N или 0,7 % О титан полностью теряет способность к пластическому деформированию и хрупко разрушается.

Особенно вреден водород, вызывающий водородную хрупкость титановых сплавов. Водород попадает в металл при плавке и последующей обработке, в частности при травлении полуфабрикатов. Водород малорастворим в a -титане и образует пластинчатые частицы гидрида, снижающего ударную вязкость и особенно отрицательно проявляющегося в испытаниях на замедленное разрушение.

Промышленный способ производства титана состоит в обогащении и хлорировании титановой руды с последующим его восстановлением из четыреххлористого титана металлическим магнием (магнийтермический метод). Полученный этим методом титан губчатый (ГОСТ 17746–79) в зависимости от химического состава и механических свойств выпускают следующих марок:
ТГ-90, ТГ-100, ТГ-110, ТГ-120, ТГ-130, ТГ-150, ТГ-Т В (см. табл. 17.1). Цифры означают твердость по Бринеллю НВ, Т В - твердый.

Для получения монолитного титана губка размалывается в порошок, прессуется и спекается или переплавляется в дуговых печах в вакууме или атмосфере инертных газов.

Механические свойства титана характеризуются хорошим сочетанием прочности и пластичности. Например, технически чистый титан марки ВТ1-0 имеет: s в = 375–540 МПа, s 0,2 = 295–410 МПа, d ³ 20 %, и по этим характеристикам не уступает ряду углеродистых и Cr-Ni коррозионностойких сталей.

Высокая пластичность титана по сравнению с другими металлами, имеющими ГПУ- решетку (Zn, Mg, Cd), объясняется большим количеством систем скольжения и двойникования благодаря малому сотношению с /а = 1,587. По-видимому, с этим связана высокая хладостойкость титана и его сплавов (подробнее см. гл. 13).

При повышении температуры до 250 ° С прочность титана снижается почти в 2 раза. Однако жаропрочные Ti-сплавы по удельной прочности в интервале температур 300–600 ° С не имеют себе равных; при температурах выше 600 ° С сплавы титана уступают сплавам на основе железа и никеля.

Титан имеет низкий модуль нормальной упругости (Е = 110,25 ГПа) - почти в 2 раза меньше, чем у железа и никеля, что затрудняет изготовление жестких конструкций.

Титан относится к числу химически активных металлов, однако он обладает высокой коррозионной стойкостью, так как на его поверхности образуется стойкая пассивная пленка TiO 2 , прочно связанная с основным металлом и исключающая его непосредственный контакт с коррозионной средой. Толщина этой пленки обычно достигает 5–6 нм.

Благодаря оксидной пленке, титан и его сплавы не корродируют в атмосфере, в пресной и морской воде, устойчивы против кавитационной коррозии и коррозии под напряжением, а также в кислотах органического происхождения.

Производство изделий из титана и его сплавов имеет ряд технологических особенностей. Из-за высокой химической активности расплавленного титана его плавку, разливку и дуговую сварку производят в вакууме или в атмосфере инертных газов.

При технологических и эксплуатационных нагревах, особенно выше 550–600 ° С, необходимо принимать меры для защиты титана от окисления и газонасыщения (альфированный слой) (см. гл. 3).

Титан хорошо обрабатывается давлением в горячем состоянии и удовлетворительно в холодном. Он легко прокатывается, куется, штампуется. Титан и его сплавы хорошо свариваются контактной и аргонодуговой сваркой, обеспечивая высокую прочность и пластичность сварного соединения. Недостатком титана является плохая обрабатываемость резанием из-за склонности к налипанию, низкой теплопроводности и плохих антифрикционных свойств.

Основной целью легирования титановых сплавов является повышение прочности, жаропрочности и коррозионной стойкости. Широкое применение нашли сплавы титана с алюминием, хромом, молибденом, ванадием, марганцем, оловом и др. элементами. Легирующие элементы оказывают большое влияние на полиморфные превращения титана.

Таблица 17.1

Марки, химический состав (%) и твердость титана губчатого (ГОСТ 17746–79)

	Ti, не менее								Твердость НВ, 10/1500/30, не более

Таблица 17.2

Марки и химический состав (%) деформируемых титановых сплавов (ГОСТ 19807–91)

Обозначения марок

Примечание. Сумма прочих примесей во всех сплавах составляет 0,30 %, в сплаве ВТ1-00 - 0,10 %.

На формирование структуры и, следовательно, свойств титановых сплавов решающее влияние оказывают фазовые превращения, связанные с полиморфизмом титана. На рис. 17.1 представлены схемы диаграмм состояния «титан-легирующий элемент», отражающие подразделение легирующих элементов по характеру влияния на полиморфные превращения титана на четыре группы.

a -Стабилизаторы (Al, O, N), которые повышают температуру полиморфного превращения a « b и расширяют область твердых растворов на основе a -титана (рис. 17.1, а ). Учитывая охрупчивающее действия азота и кислорода, практическое значение для легирования титана имеет только алюминий. Он является основным легирующим элементом во всех промышленных титановых сплавах, уменьшает их плотность и склонность к водородной хрупкости, а также повышает прочность и модуль упругости. Сплавы с устойчивой a -структурой термической обработкой не упрочняются.

Изоморфные b -стабилизаторы (Mo, V, Ni, Ta и др.), которые понижают температуру a « b -пре-вращения и расширяют область твердых растворов на основе b -титана (рис. 17.1, б ).

Эвтектоидообразующие b -стабилизаторы (Cr, Mn, Cu и др.) могут образовывать с титаном интерметаллиды типа TiХ. В этом случае при охлаждении b -фаза претерпевает эвтектоидное превращение b ® a + TiХ (рис. 17.1, в ). Большинство
b -стабилизаторов повышает прочность, жаропрочность и термическую стабильность титановых сплавов, несколько снижая их пластичность (рис. 17.2.). Кроме того, сплавы с (a + b) и псевдо-b -структурой могут упрочняться термообработкой (закалка + старение).

Нейтральные элементы (Zr, Sn) не оказывают существенного влияния на температуру полиморфного превращения и не меняют фазового состава титановых сплавов (рис. 17.1, г ).

Полиморфное b ® a -превращение может происходить двумя путями. При медленном охлаждении и высокой подвижности атомов оно происходит по обычному диффузионному механизму с образованием полиэдрической структуры твердого a -раствора. При быстром охлаждении - по бездиффузионному мартенситному механизму с образованием игольчатой мартенситной структуры, обозначаемой a ¢ или при большей степени легированности - a ¢ ¢ . Кристаллическая структура a , a ¢ , a ¢ ¢ практически однотипная (ГПУ), однако решетка a ¢ и a ¢ ¢ более искажена, причем степень искаженности возрастает с увеличением концентрации легирующих элементов. Есть сведения [ 1] , что решетка a ¢ ¢ -фазы скорее ромбическая, чем гексагональная. При старении из фаз a ¢ и a ¢ ¢ выделяется b -фаза или интерметаллидная фаза.

Рис. 17.1. Диаграммы состояний систем «Тi-легирующий элемент» (схемы):
а ) «Тi-a -стабилизаторы»;
б ) «Тi-изоморфные b -стабилизаторы»;
в ) «Тi-эвтектоидообразующие b -стабилизаторы»;
г ) «Тi-нейтральные элементы»

Рис. 17.2. Влияние легирующих элементов на механические свойства титана

В отличие от мартенсита углеродистых сталей, являющегося раствором внедрения и характеризующегося высокой прочностью и хрупкостью, титановый мартенсит является раствором замещения, и закалка титановых сплавов на мартенсит a ¢ приводит к небольшому упрочнению и не сопровождается резким снижением пластичности.

Фазовые превращения, происходящие при медленном и быстром охлаждении титановых сплавов с различным содержанием b -стабилизаторов, а также получаемые структуры отражены на обобщенной диаграмме (рис. 17.3). Она справедлива для изоморфных b -стабилизаторов (рис. 17.1, б ) и, с некоторым приближением, для эвтектоидообразующих b -стабилизаторов (рис. 17.1, в ), так как эвтектоидный распад в этих сплавах происходит очень медленно, и им можно пренебречь.

Рис. 17.3. Схема изменения фазового состава сплавов «Ti-b -стабилизатор» в зависимости от скорости
охлаждения и закалки из b -области

При медленном охлаждении в титановых сплавах, в зависимости от концентрации b -стабилизаторов, могут быть получены структуры: a , a + b или b соответственно.

При закалке в результате мартенситного превращения в интервале температур М н –М к (на рис. 17.3 показаны пунктиром) следует различать четыре группы сплавов.

В первую группу входят сплавы с концентрацией b -стабилизирующих элементов до С 1 , т. е. сплавы, которые при закалке из b -области имеют исключительно a ¢ (a ¢ ¢)-структуру. После закалки этих сплавов с температур (a + b)-области в интервале от полиморфного превращения до Т 1 , их структура представляет собой смесь фаз a ¢ (a ¢ ¢), a и b , а после закалки с температур ниже Т кр они имеют (a + b)-структуру.

Вторую группу составляют сплавы с концентрацией легирующих элементов от С 1 до С кр, у которых при закалке из b -области мартенситное превращение не происходит до конца и они имеют структуру a ¢ (a ¢ ¢) и b . Сплавы этой группы после закалки с температур от полиморфного превращения до Т кр имеют структуру a ¢ (a ¢ ¢), a и b , а с температур ниже Т кр - структуру (a + b).

Закалка сплавов третьей группы с концентрацией b -стабилизирующих элементов от С кр до С 2 с температур b -области или с температур от полиморфного превращения до Т 2 сопровождается превращением части b -фазы в w -фазу, и сплавы этого типа после закалки имеют структуру (b + w). Сплавы третьей группы после закалки с температур ниже Т 2 имеют структуру (b + a).

Сплавы четвертой группы после закалки с температур выше полиморфного превращения имеют исключительно b -структуру, а с температур ниже полиморфного превращения - (b + a).

Необходимо отметить, что превращения b ® b + w может происходить как при закалке сплавов с концентрацией (С кр –С 2) , так и при старении сплавов с концентрацией более С 2 , имеющих метастабильную b -фазу. В любом случае, присутствие w -фазы нежелательно, так как она сильно охрупчивает титановые сплавы. Рекомендуемые режимы термообработки исключают ее присутствие в промышленных сплавах или появление в условиях эксплуатации.

Для титановых сплавов применяют следующие виды термообработки: отжиг, закалка и старение, а также химико-термическая обработка (азотирование, силицирование, оксидирование и др.).

Отжиг проводится для всех титановых сплавов с целью завершения формирования структуры, выравнивания структурной и концентрационной неоднородности, а также механических свойств. Температура отжига должна быть выше температуры рекрисаллизации, но ниже температуры перехода в b -состояние (Т пп) во избежание роста зерна. Применяют обычный отжиг, двойной или изотермический (для стабилизации структуры и свойств), неполный (для снятия внутренних напряжений).

Закалка и старение (упрочняющая термообработка) применима к титановым сплавам с (a + b)-структурой. Принцип упрочняющей термообработки заключается в получении при закалке метастабильных фаз b , a ¢ , a ¢ ¢ и последующем их распаде с выделением дисперсных частиц a - и b -фаз при искусственном старении. При этом эффект упрочнения зависит от типа, количества и состава метастабильных фаз, а также дисперсности образовавшихся после старения частиц a - и b -фаз.

Химико-термическая обработка проводится для повышения твердости и износостойкости, стойкости к «схватыванию» при работе в условиях трения, усталостной прочности, а также улучшения коррозионной стойкости, жаростойкости и жаропрочности. Практическое применение имеют азотирование, силицирование и некоторые виды диффузионной металлизации.

Титановые сплавы по сравнению с техническим титаном имеют более высокую прочность, в том числе и при высоких температурах, сохраняя при этом достаточно высокую пластичность и коррозионную стойкость.

Марки и химический состав отечественных
сплавов (ГОСТ 19807–91) представлены в табл. 17.2.

По технологии изготовления титановые сплавы подразделяются на деформируемые и литейные ; по уровню механических свойств - на сплавы невысокой прочности и повышенной пластичности , средней прочности, высокопрочные ; по условиям применения - на хладостойкие, жаропрочные, коррозионностойкие. По способности упрочняться термообработкой они делятся на упрочняемые и неупрочняемые , по структуре в отожженном состоянии - на a -, псевдо-a -, (a + b)-, псевдо-b - и b -сплавы (табл. 17.3).

Отдельные группы титановых сплавов различаются по величине условного коэффициента стабилизации Кb , который показывает отношение содержания b -стабилизирующего легирующего элемента к его содержанию в сплаве критического состава с кр. При содержании в сплаве нескольких b -стабилизирующих элементов их Кb суммируется.

< 700 МПа, а именно: a -сплавы марок ВТ1-00, ВТ1-0 (технический титан) и сплавы ОТ4-0, ОТ4-1 (система Ti-Al-Mn), АТ3 (система Ti-Al c небольшими добавками Cr, Fe, Si, B), относящиеся к псевдо-a -сплавам с небольшим количеством b -фазы. Характеристики прочности этих сплавов выше, чем чистого титана благодаря примесям в сплавах ВТ1-00 и ВТ1-0 и незначительному легированию a - и b -стабилизаторами в сплавах ОТ4-0, ОТ4-1, АТ3.

Эти сплавы отличаются высокой пластичностью как в горячем, так и в холодном состоянии, что позволяет получать все виды полуфабрикатов: фольгу, ленту, листы, плиты, поковки, штамповки, профили, трубы и т. п. Механические свойства полуфабрикатов из этих сплавов приведены в табл. 17.4–17.6.

Таблица 17.3

Классификация титановых сплавов по структуре

Группа сплавов	Марка сплава
	ВТ1-00, ВТ1-0, ВТ5, ВТ5-1, ПТ-7М
Псевдо-a -сплавы (Кb < 0,25)	ОТ4-0, ОТ4-1, ОТ4, ВТ20, АТ3
(a + b)-Мартенситного класса (Кb = 0,3–0,9)	ВТ6С, ВТ6, ВТ14, ВТ8, ВТ9, ПТ-3В, ВТ3-1, АТ3
(a + b)-Сплавы переходного класса (Кb = 1,0–1,4)
Псевдо-b -сплавы (Кb = 1,5–2,4)	ВТ35*, ВТ32*, ВТ15
b -Сплавы (Кb = 2,5–3,0)

* Опытные сплавы.

Таблица 17.4

Механические свойства листов из титановых сплавов (ГОСТ 22178–76)

Марки титановых сплавов	Состояние образцов при испытаниях	Толщина листов, мм	Предел прочности, s в, МПа	Относительное удлинение, d , %
	Отожженное
		Св. 6,0–10,5
		Св. 6,0–10,5
	Отожженное
		Св. 6,0–10,5
		Св. 6,0–10,5
		Св. 6,0–10,5
			885 (885–1080)
	Отожженное		885 (885–1050)
		Св. 5,0–10,5	835 (835–1050)
	Закаленное и искусственно состаренное
		Св. 7,0–10,5
	Отожженное		930 (930–1180)
		Св. 4,0–10,5
	Отожженное и правленное		980 (980–1180)
		Св. 4,0–10,5

Примечание. В скобках приведены данные для листов с высокой отделкой поверхности.

Таблица 17.5

Механические свойства прутков из титановых сплавов (ГОСТ 26492–85)

Марка сплава	Состояние испытываемых образцов	Диаметр прутка,	Предел прочности s в, МПа	Относительное удлинение d , %	Относительное сужение y ,	Ударная вязкость KCU, Дж/см 2
	Отожженные
	Отожженные
	Отожженные		885 (905–1050)
			835 (835–1050)
	Закаленные и состаренные
	Отожженные
	Закаленные и состаренные
	Отожженные		930 (980–1230)
			930 (930–1180)
			980 (980–1230)
			930 (930–1180)
			980 (1030–1230)
			930 (980–1230)
	Отожженные		885 (885–1080)
			865 (865–1080)
	Закаленные и состаренные
	Отожженные		885 (930–1130)
			885 (885–1130)
			1030 (1080–1230)
			1030 (1080–1280)

Примечание. В скобках приведены данные для прутков повышенного качества.

Таблица 17.6

Механические свойства плит из титановых сплавов (ГОСТ 23755–79)

Марка сплава	Состояние материала	Толщина плит,	Предел прочности s в, МПа	Относительное удлинение d , %	Относительное сужение y , %	Ударная вязкость KCU, Дж/см 2
	Без термической обработки
	Отожженное
	Отожженное
	Закаленное и состаренное
	Отожженное
	Без термической обработки

Ковка, объемная и листовая штамповка, прокатка, прессование производятся в горячем состоянии по режимам, указанным в табл. 17.7. Окончательная прокатка, листовая штамповка, волочение и другие операции производятся в холодном состоянии.

Эти сплавы и изделия из них подвергаются только отжигу по режимам, указанным в табл. 17.8. Для снятия внутренних напряжений, образовавшихся в результате механической обработки, листовой штамповки, сварки и др., применяется неполный отжиг.

Указанные сплавы хорошо свариваются сваркой плавлением (аргонодуговая, под флюсом, электрошлаковая) и контактной (точечная, роликовая). При сварке плавлением прочность и пластичность сварного соединения практически аналогичные основному металлу.

Коррозионная стойкость данных сплавов высокая во многих средах (морская вода, хлориды, щелочи, органические кислоты и т. п.), кроме растворов HF, H 2 SO 4 , HCl и некоторых других.

Применение. Эти сплавы широко применяются как конструкционные материалы для изготовления практически всех видов полуфабрикатов, деталей и конструкций, включая сварные. Наиболее эффективно их применение в авиационно-космической технике, в химическом машиностроении, в криогенной технике (табл. 17.9.), а также в узлах и конструкциях, работающих при температурах до 300–350 ° С.

К этой группе относятся сплавы с пределом прочности s в = 750–1000 МПа, а именно: a -спла-вы марок ВТ5 и ВТ5-1; псевдо-a -сплавы марок ОТ4, ВТ20; (a + b)-сплавы марок ПТ3В, а также ВТ6, ВТ6С, ВТ14 в отожженном состоянии.

Сплавы ВТ5, ВТ5-1, ОТ4, ВТ20, ПТ3В, ВТ6С, содержащие небольшое количество b -фазы (2–7 % b -фазы в равновесном состоянии), упрочняющей термообработке не подвергаются и используются в отожженном состоянии. Сплав ВТ6С иногда применяют в термически упрочненном состоянии. Сплавы ВТ6 и ВТ14 используют как в отожженном, так и в термически упрочненном состоянии. В последнем случае их прочность становится выше 1000 МПа, и они будут рассмотрены в разделе, посвященном высокопрочным сплавам.

Рассматриваемые сплавы, наряду с повышенной прочностью, сохраняют удовлетворительную пластичность в холодном состоянии и хорошую пластичность в горячем состоянии, что позволяет получать из них все виды полуфабрикатов: листы, ленту, профили, поковки, штамповки, трубы и др. Исключение составляет сплав ВТ5, из которого листы и плиты не изготавливают из-за невысокой технологической пластичности. Режимы горячей обработки давлением приведены в табл. 17.7.

На эту категорию сплавов приходится основной объем производства полуфабрикатов, применяемых в машиностроении. Механические характеристики основных полуфабрикатов приведены в табл. 17.4–17.6.

Все среднепрочные сплавы хорошо свариваются всеми видами сварки, применяемыми для титана. Прочность и пластичность сварного соединения, выполненного сваркой плавлением, близка к прочности и пластичности основного металла (для сплавов ВТ20 и ВТ6С это соотношение составляет 0,9–0,95). После сварки рекомендован неполный отжиг для снятия внутренних сварочных напряжений (табл. 17.8).

Обрабатываемость резанием этих сплавов хорошая. Коррозионная стойкость в большинстве агрессивных сред аналогична техническому титану ВТ1-0.

Таблица 17.7

Режимы горячей обработки давлением титановых сплавов

Марка сплава

Режим ковки слитков

Режим ковки предварительно деформированных заготовок

Режим штамповки на прессе

Режим штамповки на молоте

Режим листовой штамповки

температура деформации, ° С

толщина, мм

температура деформации, ° С

температура деформации, ° С

температура деформации, ° С

температура деформации, ° С

окончание

окончание

окончание

окончание

Все толщины

40–70 40–70

40–70 40–70

40–50** 70***

40–50** 70***

850 900–850

40–50** 70***

Все толщины

* Степень деформации за один нагрев, %.

** Деформация в (a + b)-области.

*** Деформация в b -области.

Таблица 17.8

Режимы отжига титановых сплавов

Марка сплава	Температура отжига, ° С		Примечание
	Листы и детали из них	Прутки, поковки, штамповки, трубы, профили и детали из них
			445–585 ° С*
			445–585 ° С*
			480–520 ° С*
			520–560 ° С*
			545–585 ° С*
			Изотермический отжиг: нагрев до 870–920 ° С, выдержка, охлаждение до 600–650 ° С, охлаждение с печью или перенос в другую печь, выдержка 2 ч, охлаждение на воздухе
			Двойной отжиг, выдержка при 550–600 ° С 2–5 ч. Для силовых деталей допускается отжиг при 850 ° С, охлаждение на воздухе
			550–650 ° С*
			Допускается отжиг по режимам: 1) нагрев до 850 ° С, выдержка, охлаждение с печью до 750 ° С, выдержка 3,5 ч, охлаждение на воздухе; 2) нагрев до 800 ° С, выдержка 30 мин, охлаждение с печью до 500 ° С, далее на воздухе
			Двойной отжиг, выдержка при 570–600 ° С - 1 ч. Допускается изотермический отжиг: нагрев до 920–950 ° С, выдержка, охлаждение с печью или перенос в другую печь с температурой 570–600 ° С, выдержка 1 ч, охлаждение на воздухе
			Двойной отжиг, выдержка при 530–580 ° С - 2–12 ч. Допускается изотермический отжиг: нагрев до 950–980 ° С, выдержка, охлаждение с печью или перенос в другую печь с температурой 530–580 ° С, выдержка 2–12 ч, охлаждение на воздухе
			550–650 ° С*
			Допускается изотермический отжиг: нагрев до 790–810 ° С, выдержка, охлаждение с печью или перенос в другую печь до 640–660 ° С, выдержка 30 мин, охлаждение на воздухе
			Допускается отжиг листовых деталей при 650–750 ° С, (600–650 ° С)*
		(в зависимости от сечения и вида полуфабриката)	Охлаждение с печью со скоростью 2–4 ° С/мин до 450 ° С, затем на воздухе. Двойной отжиг, выдержка при 500–650 ° С 1–4 ч. Двойной отжиг допускается для деталей, работающих при температурах до 300 ° С и продолжительности до 2000 ч
			(545–585 ° С *)

* Температуры неполного отжига.

Таблица 17.9

Механические характеристики титановых сплавов при низких температурах

	s в (МПа) при температуре, ° С			d (%) при температуре, ° С			КСU, Дж/см 2 при температуре, ° С

Применение. Данные сплавы рекомендуется применять для изготовления изделий листовой штамповкой (ОТ4, ВТ20), для сварных деталей и узлов, для штампосварных деталей (ВТ5, ВТ5-1, ВТ6С, ВТ20) и др. Сплав ВТ6С широко применяется для изготовления сосудов и емкостей высокого давления. Детали и узлы из сплавов ОТ4, ВТ5 могут длительно работать при температурах до 400 ° С и кратковременно - до 750 ° С; из сплавов ВТ5-1, ВТ20 - длительно при температурах до 450–500 ° С и кратковременно - до 800–850 ° С. Сплавы ВТ5-1, ОТ4, ВТ6С также рекомендуются для применения в холодильной и криогенной технике (табл. 17.9).

К этой группе относятся сплавы с пределом прочности s в > 1000 МПа, а именно (a + b)-сплавы марок ВТ6, ВТ14, ВТ3-1, ВТ22. Высокая прочность в этих сплавах достигается упрочняющей термообработкой (закалка + старение). Исключение составляет высоколегированный сплав ВТ22, который даже в отожженном состоянии имеет s в > 1000 МПа.

Указанные сплавы наряду с высокой прочностью сохраняют хорошую (ВТ6) и удовлетворительную (ВТ14, ВТ3-1, ВТ22) технологическую пластичность в горячем состоянии, что позволяет получать из них различные полуфабрикаты: листы (кроме ВТ3-1), прутки, плиты, поковки, штамповки, профили и др. Режимы горячей обработки давлением приведены в табл. 17.7. Сплавы ВТ6 и ВТ14 в отожженном состоянии (s в » 850 МПа) могут подвергаться холодной листовой штамповке с малыми деформациями. Механические характеристики основных полуфабрикатов в отожженном и упрочненном состояниях приведены в табл. 17.4–17.6.

Несмотря на гетерофазность структуры, рассматриваемые сплавы обладают удовлетворительной свариваемостью всеми видами сварки, применяемыми для титана. Для обеспечения требуемого уровня прочности и пластичности обязательно проводят полный отжиг, а для сплава ВТ14 (при толщине свариваемых деталей 10–18 мм) рекомендуется проводить закалку с последующим старением. При этом прочность сварного соединения (сварка плавлением) составляет не менее 0,9 от прочности основного металла. Пластичность сварного соединения близка к пластичности основного металла.

Обрабатываемость резанием удовлетворительная. Обработку резанием сплавов можно проводить как в отожженном, так и в термически упрочненном состоянии.

Данные сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью в отожженном и термически упрочненном состояниях во влажной атмосфере, морской воде, во многих других агрессивных средах, как и технический титан.

Термическая обработка. Сплавы ВТ3-1, ВТ6, ВТ6С, ВТ14, ВТ22 подвергаются закалке и старению (см. выше). Рекомендуемые режимы нагрева под закалку и старение для монолитных изделий, полуфабрикатов и сварных деталей приведены в табл. 17.10.

Охлаждение при закалке производится в воде, а после старения - на воздухе. Полная прокаливаемость обеспечивается для деталей из сплавов ВТ6, ВТ6С с максимальным сечением до 40–45 мм, а из сплавов ВТ3-1, ВТ14, ВТ22 - до 60 мм.

Для обеспечения удовлетворительного сочетания прочности и пластичности сплавов с (a + b)-структурой после закалки и старения необходимо, чтобы их структура перед упрочняющей термической обработкой была равноосной или «корзиночного плетения». Примеры исходных микроструктур, обеспечивающие удовлетворительные свойства, приведены на рис. 17.4 (1–7 типы).

Таблица 17.10

Режимы упрочняющей термической обработки титановых сплавов

Марка сплава	Температура полиморфного превращения Т пп, ° С	Температура нагрева под закалку, ° С	Температура старения, ° С	Продолжительность старения, ч

Исходная игольчатая структура сплава с наличием границ первичного зерна b -фазы (8–9 типы) при перегреве после закалки и старения или отжига приводит к браку - сниженнию прочности и пластичности. Поэтому необходимо избегать нагрева (a + b)-сплавов до температур выше температуры полиморфного превращения, так как перегретую структуру исправить термической обработкой невозможно.

Нагрев при термической обработке рекомендуется производить в электрических печах с автоматической регулировкой и регистрацией температуры. Для предупреждения образования окалины нагрев готовых деталей и листов необходимо проводить в печах с защитной атмосферой или с применением защитных покрытий.

При нагреве под закалку тонких листовых деталей для выравнивания температуры и уменьшения коробления их на под печи укладывается стальная плита толщиной 30–40 мм. Для закалки деталей сложной конфигурации и тонкостенных деталей применяются фиксирующие приспособления для предупреждения коробления и поводки.

После проведения высокотемпературной обработки (закалки или отжига) в печи без защитной атмосферы полуфабрикаты, не подвергающиеся дальнейшей обработке, должны пройти гидропескоструйную обработку или обработку корундовым песком, а листовые изделия - еще и травление.

Применение. Высокопрочные титановые сплавы применяются для изготовления деталей и узлов ответственного назначения: сварные конструкции (ВТ6, ВТ14), турбины (ВТ3-1), штампосварные уз-лы (ВТ14), высоконагруженные детали и штампованные конструкции (ВТ22). Эти сплавы могут длительно работать при температурах до 400 ° С и кратковременно до 750 ° С.

Особенность высокопрочных титановых сплавов как конструкционного материала - их повышенная чувствительность к концентраторам напряжения. Поэтому при конструировании деталей из этих сплавов необходимо учитывать ряд требований (повышенное качество поверхности, увеличение радиусов перехода от одних сечений к другим и т. п.), аналогичных тем, которые существуют при применении высокопрочных сталей.