Сплавы на основе титана

Для получения сплавов титан легируют Al, Mo, V, Mn, Cr, Sn, Fe, Nb, Si. Легирование титана осуществляют для улучшения механических свойств (повышения σ_В и снижения δ).

Легирующие элементы сильно влияют на температуру полиморфного превращения. Al, O, C повышают ее и расширяют α – область; их называют α - стабилизаторами; Mo, V, Mn, Cr, Fe понижают температуру полиморфного превращения и расширяют β область, их называют β – стабилизаторами; Sn, Zn не изменяют температуру полиморфизма.

Все промышленные сплавы титана содержат от 3 до 8 % алюминия, являющегося α – стабилизатором.

Легированием элементами, являющимися β – стабилизаторами, можно получать различные по структуре сплавы: α – сплавы (например ВТ5, ВТ5-1, ВТ4), легированные главным образом Al; α+β сплавы (ВТ6, ВТ8, ВТ14), в которых кроме Аl добавляют 2-4% β – стабилизаторов (Cr, Mo, Fe, V и др.); β сплавы (ВТ15, ВТ22), в которых количество β – стабилизаторов составляет до 10%. Наибольшее применение получили α- и α+β- сплавы.

Титановые сплавы в зависимости от их состава и назначения можно подвергать закалке, старению, отжигу, химико – термической обработке, хотя основным способом упрочнения является легирование.

Технический титан и α – сплавы титана подвергают рекристаллизационному отжигу при 750-780⁰С. Для α+β сплавов титана применяют изотермический отжиг при 850-950⁰С (в зависимости от химического состава) с последующим охлаждением на воздухе до 500-650⁰С; α+β сплавы могут быть упрочнены (хоть и незначительно) закалкой с последующим старением.

При закалке этих сплавов протекает мартенситное превращение с образованием игольчатой (пластинчатой) мартенситной структуры α – фазы, которая имеет искаженную структуру.

При высокой концентрации легирующих элементов после закалки возникает мартенситная α – фаза с ромбической решеткой и ω – фаза с гексагональной структурой. Причем, если α – фаза увеличивает пластичность, то ω – фаза охрупчивает сплав.

При последующем старении происходит распад фаз, что приводит к небольшому упрочнению титановых сплавов.

В ряде случаев сплавы титана подвергают азотированию в течение 30-60 часов при 850-950⁰С в атмосфере азота. Толщина диффузионного слоя при этом колеблется от 0,05 до 0.15мм (HV750-900). Другие виды ХТО практически не применяют.

Из титановых сплавов изготавливают обшивки самолетов, диски и лопатки компрессоров, крепежные детали, корпуса двигателей второй и третей ступеней космических кораблей, сопла, химическое оборудование, контактирующее с влажным Cl, азотной кислотой, гребные винты и обшивки морских судов, подводных лодок, торпед и т.д.

Тема 7. ТУГОПЛАВКИЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ НА ИХ ОСНОВЕ

Тугоплавкими называют металлы, имеющие температуру плавления выше, чем у железа.

Наибольшее значение в технике имеют Nb (T_пл=2415⁰С), Mo (Т_пл=2625⁰С), Cr (Т_пл=1875⁰С), Та (Т_пл=2996⁰С), W (Т_пл=3410⁰С), Re (Т_пл=3180⁰С). Все эти металлы получают в виде компактной массы либо методом дуговой плавки, либо методом порошковой металлургии.

Тугоплавкие металлы и сплавы на их основе используются главным образом как жаропрочные при создании ракет и космических кораблей, атомных реактивов, отдельных узлов энергетических установок, работающих при температурах 1500-2000⁰С. Кроме того, Mo и W в чистом виде используют в электротехнической, радио – и электронной промышленности (нити накаливания, листовые аноды, сетки, пружины катодов, нагреватели). Жаропрочность чистых металлов существенно ниже, чем у сплавов. Однако пластичность чистых тугоплавких металлов выше, чем у сплавов.

В качестве легирующих элементов используются как сами тугоплавкие металлы с образованием неограниченных твердых растворов (кроме системы Ta-Cr), так и другие элементы с образованием ограниченных твердых растворов. Образование твердых растворов приводит к твердорастворному упрочнению, которое снижает пластичность.

Сильное влияние на тугоплавкие металлы оказывают элементы с малыми атомными радиусами (N, C, O, H), образующие твердые растворы внедрения, изменяющие с температурой растворимость. Последнее обстоятельство создает возможность термообработки с регулированием растворения и выделения оксидных, карбидных, нитридных фаз, которые упрочняют сплавы, но при этом повышают хрупкость (хладноломкость).

Все тугоплавкие металлы и сплавы на их основе имеют низкую жаропрочность (ниже 600-800⁰С). Для повышения этой характеристики создают металлические, интерметаллические и керамические покрытия. Например, для Mo и W лучшими считаются силицидные покрытия MoSi₂, WSi₂.

С другой стороны, тугоплавкие Ме являются чрезвычайно кислотостойкими (особенно Ta и сплавы Ta-Nb) при взаимодействии даже с такой чрезвычайно агрессивной средой, как кипящая серная кислота.

Тема 8. ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ

К легким относятся металлы с плотностью менее 3г/см³ (алюминий, магний, бериллий), исключая щелочноземельные металлы; наибольшее применение нашел алюминий, главным образом из-за невысокой стоимости, больших запасов (третье место после кислорода и кремния).