Промышленные сплавы на основе титана

В промышленности выплавляют широкую гамму титано­вых сплавов. Большинство их легировано алюминием, что приводит к повышению удельной прочности, жаро­прочности, сохранению удовлетворительной пластично­сти, повышению модуля нормальной упругости, сниже­нию склонности к водородной хрупкости. Но алюминий в титановых сплавах повышает их склонность к солевой коррозии. Поэтому в пищевой промышленности, если имеется опасность контакта с солью при температурах 200…250 °С, сплавы не используют.

Диаграмма состояний системы Тi - Аl приведена на рис. 23, б. При содержании алюминия в титане более 7 % (по массе) в сплавах образуется соединение Тi₃Аl с упо­рядоченной структурой, заметно снижающее пластич­ность. Это соединение носит название алюминида тита­на, и на его основе пытаются создавать жаропрочные сплавы титана. Алюминий относится к числу a - стабилизаторов (кстати, он единственный). Сплавы на основе Тi - Аl легируют b - стабилизаторами и нейтральными упрочнителями. Жаропрочные титановые сплавы - это a - сплавы. Сплавы со структурой a + b и b имеют меньшую жаропрочность. Повышение жаропрочности достигается многокомпонентным легированием и выделением при старении мелкодисперсных интерметаллидов. Сплавы со структурой ОЦК (b - фазы) - более пластичны.

Недостатком титановых сплавов является их высокая склонность к росту зерна, препятствующая сварке. Ти­тановые сплавы делят на деформируемые и литейные. Из деформируемых a - сплавов наиболее распространен сплав ВТ5 (легированный 5 % Аl). В горячем состоянии он хорошо куется, прокатывается, штампуется, сварива­ется и в отожженном состоянии имеет s_B =750…950 МПа, d = 12…25 %; KС = 0,3…0,6 МДж/м². К этой же группе относятся сплавы, легированные марганцем: ОТ4-0 (1 % Аl; 15 % Мn), ВТ4 (4 % Аl; 1,5 % Мn) и сложнолегированный сплав ВТ18 (7,5 % Аl; 1,1 % Zr; 0,7 % Мо; 1 % Nb; 0,3 % Si) или ВТ20 (6,5 % А1; 2 % Zr; 1 % Мо; 1 % V). Два последних сплава имеют s_B = 1000…1100 МПа. Сплавы типа ОТ4-0 и ОТ4-1 (2 % Аl; 1,5 % Мn) относятся к числу наиболее технологичных титано­вых сплавов, они деформируются в горячем состоянии, хорошо свариваются всеми видами сварки. Недостатком, ограничивающим применение этих сплавов, является их склонность к водородной хрупкости (содержание водо­рода в них не должно превышать 0,005 %).

Деформируемые (a + b) - сплавы также обладают вы­сокой пластичностью, но термически нестабильны и обыч­но охрупчиваются после сварки. К этой группе принад­лежат сплавы ВТ6 (6 % Аl; 5 % V) и ВТ3-1 (6 % А1; 2 % Сr; 2,5 % Мо). Однако, так как при закалке в спла­ве ВТ6 фиксируются лишь a¢(a¢¢) и b - фаза, а a - фаза не образуется, то отпускная хрупкость не проявляется, особенно если его старение проводить при сравнительно низких температурах (450…550 °С). Этот сплав обладает хорошим сочетанием прочностных, пластических и тех­нологических свойств, хорошо сваривается.

Сплавы ВТ14 и ВТ16 на основе Тi – Аl – Мо - V (ВТ14 содержит 5,5 % Аl; 1 % V и 3 % Мо; ВТ16 содержит 2,5 % Аl; 4,5 % V и 4,5 % Мо) упрочняются путем закал­ки с 860…880 °С и последующего старения при 480…500 °С в течение 12…16 ч. После закалки они имеют структуру a - и a¢¢ - фаз, обеспечивающих высокую плас­тичность и технологичность. Из ВТ14 изготавливают ленту, фольгу, листовые детали. Сплав ВТ16 имеет луч­шие технологические свойства, чем ВТ14.

Деформируемые титановые сплавы со структурой b - фазы промышленного распространения не получили из-за плохой свариваемости и низкой термической стабиль­ности, несмотря на то, что они имеют высокую прочность при комнатной температуре.

Титановые сплавы со структурой a + b и b - фаз широко используют как жаропрочные. Сплав ВТ20 жаропрочен до 700 °С, хорошо сваривается. Его применяют для из­делий, длительное время работающих при 500 °С. Сплав ВТ18 наиболее жаропрочен и может работать длитель­ное время при 550…600 °С. В этом сплаве жаропрочность повышает кремний, но он же и ухудшает пластичность при его повышенном содержании. Наиболее высокими жаропрочными свойствами обладают сплавы на основе титана, легированные Zr, Аl, Мо и Sn. Некоторые из этих сплавов рекомендованы для длительной работы при 700°С. Кратковременно они могут работать даже при 850 °С. Хорошим комплексом жаропрочных свойств об­ладает сплав АТ3 (2,7 % Аl; 0,6 % С; 0,3 % Fе; 0,36 % Si; 0,01 % В). При комнатной температуре этот сплав имеет s_B = 860 МПа; при 350°С s_B = 610 МПа и при 500 °С s_B = 500 МПа. При этом следует учесть, что этот сплав характеризуется очень низкой скоростью ползуче­сти. Так, предел длительной прочности за 10000 ч при 350°С составляет 560 МПа, т. е. 90 % от его кратковре­менной прочности при этой температуре. Для многих аустенитных сталей предел длительной прочности даже за 1000 ч составляет при этой температуре всего 50…60 %.

При легировании сплавов Тi - Аl оловом и другими элементами получены жаропрочные сплавы, у которых предел кратковременной прочности при 700 °С составля­ет 430…500 МПа, а предел 100-часовой прочности при 600 °С равен 255…280 МПа. При кратковременных на­грузках этот сплав может работать и при 800 °С.

Из числа литейных сплавов в промышленности полу­чили распространение ВТ1Л, ВТ5Л, ВТЗЛ, ВТ14Л. По составу они совпадают с деформируемыми сплавами. Процесс отливки деталей из них сопряжен с определен­ными трудностями, обусловленными взаимодействием с газами и формовочными материалами. Отливки отли­чаются плотностью и хорошим заполнением форм. Их объемная усадка составляет около 3 %. Литейные спла­вы обладают более высокой прочностью, но меньшей ударной вязкостью и сравнительно низким пределом усталости по сравнению с деформируемыми, поэтому плохо применимы в условиях циклических нагрузок.

Сплавы титана используют во многих отраслях тех­ники, причем предпочтительно в тех случаях, когда тре­буется высокая коррозионная стойкость, по которой они значительно превосходят коррозионностойкие (нержа­веющие) стали. Но особенно выгодно применять титано­вые сплавы в авиации и ракетостроении, где требуется высокая удельная жаропрочность при температурах 300…600 °С. В этом интервале температур алюминиевые и магниевые сплавы не могут работать, а стали и нике­левые сплавы относительно тяжелы. Из титановых спла­вов изготовляют диски и лопатки компрессоров реактивных двигателей, корпуса двигателей второй и третьей ступеней ракет. Широкое применение они нашли в судо­строении (гребные винты, обшивки кораблей, подводных лодок, торпед). В химической промышленности их при­меняют при изготовлении насосов для перекачки кислот (серной, соляной), а также оборудования предприятий хлорной промышленности.

В титановых сплавах высокая ударная вязкость со­храняется до температур жидкого водорода (- 253°С), поэтому их применяют для изготовления криогенного оборудования и в холодильной промышленности. Ука­занные сплавы используют также и в медицинской про­мышленности. В пищевой промышленности титан и его сплавы применяют для наиболее ответственных деталей и узлов аппаратов, которые работают в условиях корро­зионного контакта с пищевыми средами, кислотами, а также в мясоперерабатывающей, рыбной и других от­раслях промышленности. Но широкое применение этих сплавов пока ограничивается высокой их стоимостью.