Склад, структура, якості та застосування титану та його сплавів

Титан винайшли в 1790 році., названий в 1795 році.

Промисловий титан з'явився в 1950 році.

По вмісту в земної корі титан (Ті – 0, 63%) займає четверте місце після

Аl (8, 8%), Fe (5, 1%), Мg (2, 1%).

Україна має дуже великі запаси титану.

Виробляють в рік 50 тис. тон.

(В США  28 тис.т., в Японії  27 тис.т., ФРГ  5 тис.т.)

Одержують з рутилу ТіО₂. Складний та коштовний процес. Вартість титану в 40 разів вища за вартість сталі.

Фізичні якості титану.

1, 74 1, 22 3, 56

Титан та його сплави мають дві основних переваги в порівнянні зіншими

конструкційними матеріалами: висока питома міцність (міцність, віднесену до

питома міцність (σ в/γ) густини) аж до температур 450-

8 450 – 500⁰С та відмінну корозій-

8 ну стійкість в багатьох агреси-

6 вних середовищах.

6 (За 4000 років Ті кородує на

4 на товщину листа паперу, при-

4 4 чому точкова, щербина, межзе-

2 3 ренна корозія буває рідко, а ко-

2, 5 родує рівномірно по всієї по-

верхні).

Ті Мg Аl Nі Сu Fе

Питома теплопровідність в ≈ 3, 5 разів меньша, ніж у Fе (у алюмінію, міді  навпаки), що призводить до концентрації нагріву в зоні зварювання 

довгі та вузькі шви, а питомий електроопір в ≈ 5, 5 разів більший, ніж у Fе

(у Аl, Сu навпаки). Дріт плавиться швидше, ніж у сталі. Треба зменшити ви-

літ електроду.

Ті  поліморфний метал, він може знаходитися у вигляді двох алотро-пичних модифікацій:

а) низькотемпературної ά  Ті, стійкий до

Т = 882, 50С, що має ГПУ гратку, гексагональну,

щільно упаковану.

б) від Т = 882, 50С до точки плавлення стабільна високотемпературна β - модифікація (β  Ті) з ОЦК граткою, об'емноцентрованою, кубічною.

Чистий Ті має гарну пластичність та невисоку міцність.

Одним з недоліків титану являється невеликі значення модулю пружності (до-

мішки < 0, 2%, О₂, N₂, Н₂  0%).

Титан максимально досягаємого ступеня чистоти називають по способу виробництва йодидним титаном. Його застосовують в радіоелектроніці.

Для йодидного титану σ в = 24, 5 кг/мм², δ = 60…80%.

Враховуючи високу вартість йодидного Ті та недостатню міцність, як конструктивний метал використовують технічний титан ВТ1-00, ВТ1-0, що міс-

тить більшу кількість домішок (О2, N2, Н2, С  всього домішок 0, 4…0, 67%).

Для технічного титану σ в = 29…54 кг/мм², δ = 20…25%.

Технічний титан та більшість його сплавів піддаються всім відомим мето-

дам обробки тиском, з нього виготовляють різні напівфабрикати: прутки, листи,

безшовні труби, штамповки, дріт та інше. Мають знижену оброблюваність різа-нням.

Титан відноситься до парамагнітних металів. Проте, він відрізняється від них тим, що при нагріві його магнітна сприйнятливість істотно зростає, до 800⁰С.

Титан  хімічно активний метал. Він легко вступає в реакції з газами атмосфери.  О₂ та N₂. З підвищенням температури реакційна здатність Ті підвищується. З металами титан утворює інтерметаліди (титаніди).

При нормальній температурі на поверхні титану утворюється щільна оксид-на плівка, наявність якої визначає його високу корозійну стійкість в атмосфер-них умовах, морський воді та в інших агресивних середовищах. Найбільш стійкий в окислювальних середовищах. В відновлювальних середовищах від до-статньо швидко кородує внаслідок руйнування захисної оксидної плівки.

Титан стійкий в НNО₃ будь-якої концентрації та при будь-якої температу-рі, в слабоконцентророваній Н₂SО₄, розбавленій НСl. Стійкий в розбавленому лугу, розчинах хлористих солей.

Оскільки технічний Ті має відносно низьку границю міцності  до 55 кг/мм2, області застосування його в якості конструкційного матеріалу обмежені.

Сплави на основі титану дозволяють забезпечити високу міцність при нормаль-ній та високій температурах (жаропрочність), достатні пластичність та в’язкість, зберігають стійкість проти агресивних середовищ, а також мають спеціальні якості.

Дію легуючих елементів та домішок характеризують по їх впливу на тем-

пературу поліморфного перетворення.

Елементи, що підвищують цю температуру, відносяться до I групи  ά - стабілізаторів:

Аl (основний легуючий елемент), домішки: О₂, N₂, С,

ті, що понижують температуру поліморфних перетворень відносяться до

II групи  β - стабілізаторів:

Мо, Сr, V, МП, Nв, Fе, Сu, Nі, Со, Та, домішки Н₂.

III група  нейтральні елементи-зміцнювачи  Sn, Zr, НS, які мало впливають на температуру поліморфного перетворення.

Діаграми стану.

Для сплавів з ά – ста- Для сплавів з β -стабілізаторами

білізаторами. β -стабілізатори ізоморф- β -стабілізатори - евтекто- При кімнатній тем- ні необмежено розчин- ідообразуючи, що мають

пера турі ні в β -фазі (V, Nв, Та, більшу, але обмежену

Ма, W). розчинність в β -фазі,

В залежності від % лег. ніж в ά -фазі (Мп, Fе,

елементів при кімнатній Сr, Со, Nі, Сu, Sі).

температурі можуть бути Сприяють евтектичному

ά -сплави, (ά + β)- сплави, розпаду β -фаза γ -низь-

β -сплави. котемпературна фаза

Найбільш сильний β -стабі- впровадження (гідрид

затор  Мо (при Мо > 11% титану)

β -сплав)

Всі β -стабілізатори обмежено розчинні в ά -фазі

Лег. елементи в різному ступеню підвищують міцність та зменшують його пластичні якості.

Зменшення міцності.

Si → Fe → Mn → Or → Mo → Al → V → Sn → Zr → Nb

Зменшення пластичності

Sn. → Cr → Mn → Al → Re → Fe → Co

В залежності від вмісту легуючих елементів та фазового складу при нор-мальній температурі Ті сплави можуть бути поділені на 3 основні групи:

I  однофазні ά –сплави (які вміщують > 95%, ά – фаза)

II  двохфазні (ά + β)  сплави

III  однофазні β  сплави.

Крім того, виділяють дві перехідні групи:

 псевдо ά – сплави (не більше 5% β – фаза);

 псевдо β  сплави (невелика кількість ά  фаза).

Хімічний склад та механічні якості промислових титанових сплавів,

що деформуються.

α ─ сплавы не зміцнюються термообробкою, технологічні, добре зварюються, корозійно стійки, найчастіше застосовуються.

Псевдо α - сплави добре зварюються та відрізняються високою технологіч-нстю.

(α + β) - сплави задовільно зварюються, зміцнюються термообробкою відпус-ом (загартування з наступним штучним старінням). При цьому підвищується міцність (до 140 кг/мм²) при задовільній пластичності та в'язкості.

Псевдо β - сплави ефективно зміцнюються термообробкою (загартування + наступне старіння при 400…500⁰С), задовільно зварюютья.

β - сплав марки 4201 корозійно стійкий, не зміцнюється термообробкою.

По гарантованій міцності Ті сплаві підрозділяються на:

а) маломіцні високо пластичні з σ в < 70 кг/мм², добре деформуються та зва-

рюються (ВТ1-00, ОТ4-0)

б) середньоміцні з σ в = 75 - 100 кг/мм², задовільно деформуються та зварю-ться. (ВТ6С, ВТ5, ВТ5-1, ОТ4)

в) високоміцні з σ в > 100 кг/мм². Застосовуються після відпалу, а в деяких

випадках після термічного зміцнення. Вони деформуються в підігрітому стані

та обмежено зварюються (лобова поверхня крила, балони, трубопроводи).

(ВТ6, ВТ14, ВТ22, ВТ3-1).

Титан та його сплави застосовуються в авіабудівництві та ракетної техніці,

хімічному машинобудуванні (реактори) та металургійній промисловості, судобу-

дівництві (підводні човни), приладобудівництві, харчовій промисловості та інше.

(Медтехніка).

ОТ4

ОТ4-1 В конструкціях, що працюють тривало при 350…450⁰С,

ОТ4-2 тонкостінні конструкції.

ВТ5 зварювальні силові вузли для тривалої роботи при Т < 450⁰С.

ВТ5-1

ВТ20 ─ підвищена жароміцність (Т < 500⁰С тривало, короткочасно до Т=800⁰С.

4201 ─ корозійна стійкість при підвищених температурах.

АТ3 ─ висока корозійна стійкість ─ хімічне машинобудування.

АТ6 ─ деталі компресорів холодильних установок.

ПТ-7м ─ трубопроводи для агресивних середовищ при підвищеній температурі.

ВТ6С ─ листи, прутки, поковки, профілі.

ВТ-3-1 ─ деталі турбін (жароміцні).

ВТ22 ─ важко завантажені конструкції до 350 – 400⁰С.