Титанові сплави

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук

Тита́нові спла́ви (англ. titanium alloys) — сплави на основі титану з добавками алюмінію, олова, мангану, молібдену, заліза, хрому, ванадію, кобальту, міді, вольфраму та інших елементів. Відзначаються високою механічною міцністю, жароміцністю, значною корозійною стійкістю в агресивних середовищах, багато які з них — доброю зварністю.

Хімічний склад[ред.ред. код]

Легувальні елементи утворюють з титаном тверді розчини заміщення або інтерметаліди типу TixMey, а домішки (гідроген, азот, карбон, оксиген) — тверді розчини проникнення або хімічні сполуки (гідриди, нітриди, карбіди й оксиди).

Найістотніше підвищують міцність (з одночасним зниженням пластичності) титанових сплавів Fe, Mn, Cr і Mo. Як мікродобавки застосовуються Pd (до 0,2%) для підвищення корозійної стійкості і В (до 0,01%) для подрібнення зерна.

Легувальні добавки мають різну розчинність в алотропічних модифікаціях α- і β-Ti[1] і змінюють температуру α/β -перетворення. Алюміній, а також оксиген і азот, що переважно розчиняються в α-Ti, підвищують цю температуру по мірі збільшення їх концентрації, що веде до розширення області існування α-модифікації. Такі елементи називаються α-стабілізаторами. Карбон, азот і оксиген роблять титанові сплави крихкими, тому їхній масовий вміст обмежують сотими і тисячними частками відсотка.

Sn і Zr добре розчиняються в обох алотропічних модифікаціях титану і дуже мало впливають на температуру α/β-перетворення; вони належать до так званих нейтральних зміцнювачів. Елементи цієї групи поділяють на β-ізоморфні (ванадій, молібден, ніобій, тантал) і β-евтектоїдні стабілізатори (хром, марганець, залізо, мідь, нікель, кобальт). β-ізоморфні стабілізатори, як і β-титан, мають об'ємоцентровану кубічну ґратку і здатні необмежено розчинятися у ньому. Коли концентрація ізоморфних стабілізаторів висока, β-твердий розчин у рівноважному стані зберігається аж до кімнатної температури

Всі інші добавки до промислових титанових сплавів переважно розчиняються в β-Ti, є β-евтектоїдними стабілізаторами й знижують температуру поліморфного перетворення титану. Їх розчинність в α і β-модифікаціях титану змінюється з температурою, що дозволяє зміцнювати сплави, які містять ці елементи, шляхом гартування та старіння. У сплавах титану з β-евтектоїдними стабілізаторами на лінії евтектоїдного перетворення при достатньо низькій температурі відбувається евтектоїдний розпад β-фази:

де γ — проміжна фаза TixMey.

Утворення евтектоїду (α+γ) істотно збільшує крихкість, що обмежує промислове використання сплавів з такою структурою. У рівноважному стані титанові сплави, леговані β-стабілізаторами, за кімнатної температурі можуть мати однофазну структуру α-твердого розчину низької концентрації, двофазну (α+β)-структуру при збільшенні концентрації β-стабілізаторів і однофазну β-структуру при високій концентрації β-ізоморфних стабілізаторів. У промисловості найчастіше застосовують сплави зі структуроами α й (α+β).

Через поліморфізм титану і його здатність утворювати тверді розчини й хімічні сполуки з багатьма хімічними елементами діаграми стану титанових сплавів мають велику різноманітність. Проте в промислових титанових сплавах концентрація легувальних елементів, зазвичай, не виходить за межі твердих розчинів на основі α-Ti та β-Ti і металідні фази зазвичай не спостерігаються.

В нелегованому титані, а також в сплавах титану з α-стабілізаторами і нейтральними зміцнювачами неможливо зафіксувати високотемпературну β-модифікацію шляхом гартування через наявність мартенситного перетворення, в результаті якого утворюється вторинна α-фаза голчастої форми. У сплавах же з β -стабілізаторами можна, залежно від концентрації, зафіксувати будь-яку кількість β-фази аж до 100%. На суцільну β -структуру можуть гартуватися подвійні сплави, що містять не менше 4% Fe, 7% Mn, 7% Cr, 10% Мо, 14% V, 35% Nb, 50% Ta. Вказані концентрації називаються критичними. У загартованих сплавах докритичного і критичного складів (β-фаза є нестабільною і при подальшій низькотемпературній обробці (старінні) розпадається з утворенням дисперсних виділень вторинної α-фази, що дає ефект зміцнення. У сплавах закритичного складу (наприклад, Ti — 30% Мо) утворюється стабільна β-фаза й ефекту зміцнення не спостерігається.

Класифікація сплавів[ред.ред. код]

За механічними характеристиками титанові сплави поділяють на маломіцні (високопластичні), середньої міцності та високоміцні а за фізико-хімічними властивостями на жароміцні і корозієстійкі. За технологічною ознакою титанові сплави поділяють на деформівні, ливарні, та порошкові.

За рівноважною структурою (після відпалювання) титанові сплави поділяють на три основні групи: α -сплави, (α+β)-сплави (двофазні) та β-сплави. Сплави першої групи (α-сплави) малопластичні, а третьої групи (β-сплави) найпластичніші, але мають меншу міцність. Найкращий комплекс механічних і технологічних властивостей мають двофазні (α+β)-сплави. Вони є міцнішими, ніж однофазні, добре куються і штампуються, піддаються термічній обробці. Тому, як конструкційний матеріал, переважно застосовуються двофазні (α+β)-сплави.

Маркуються титанові сплави літерами ВТ і числом (порядковий номер), наприклад ВТ5, ВТ15, ВТ20 тощо

Титанові деформівні сплави[ред.ред. код]

Більшість титанових сплавів конструкційного призначення легують алюмінієм, який підвищує їх жорсткість, міцність, жароміцність і жаротривкість, а також знижує густину[2]. Механічні властивості титанових сплавів поліпшують термомеханічним обробленням.

α-титанові сплави (ВТ1-00,BT1-1, BT5, BT5-1) термічною обробкою не зміцнюються. Їх зміцнення досягається легуванням твердого розчину і пластичним деформуванням. До цієї групи належить сплав ВТ5-1, який має добру зварність, жароміцність, кислотостійкість, пластичність при низьких температурах, термічну стабільність за температур до 450 °C. До складу цього сплаву входять ~5%Al і ~2,5%Sn. Олово додають у сплав для поліпшення його технологічних і механічних властивостей. Механічні властивості даного сплаву: σв=800…1000 МПа, δ=10…15%. Зі сплаву ВТ5-1 виготовляють листи, поковки, труби, дріт, профілі.

Псевдо-α-сплави (ОТ4-0, ОТ4-1, ОТ4-2[3], ВТ18, ВТ20[2]) можуть загартовуватись з утворенням титанового мартенситу, як твердого розчину легувальних елементів в α-титані. Мартенсит у псевдо-α-сплавах має невеликий ступінь пересичення. Зміцнення сплаву при цьому є незначним.

(α+β)-сплави (мартенситного класу: ВТ6, ВТ3-1, ВТ8, ВТ9, ВТ14, ВТ16, ВТ23, ВТ 33, перехідного класу: ВТ22, ВТ30) зміцнюються термічною обробкою, що складається із гартування і старіння. Їх зварюваність гірша, ніж α-сплавів. Типовим представником цієї групи є сплав ВТ6, який характеризується оптимальним поєднанням технологічних і механічних властивостей. Хімічний склад сплаву ВТ6: ~6%Al, ~4%V, решта Ті, механічні властивості: σв=1100…1250 МПа, δ =6%.

До двофазних сплавів належить жароміцний сплав ВТ8, який призначений для довготривалої роботи за температур 450…500 °C під навантаженням. Хімічний склад сплаву ВТ8: ~6,4%Al, ~3,1%Mg, ~3%Si, механічні властивості: σв=1000…1250 МПа, δ=9…11%.

β-сплави за усіх температур мають структуру β-фази. Термічним обробленням не зміцнюються.

Псевдо-β-титанові сплави (ВТ15, ВТ32) характеризуються високим вмістом β-стабілізаторів, високою пластичністю у загартованому стані та високою міцністю після старіння. При загартуванні псевдо β-сплавів фіксується метастабільна β′-фаза. При старінні з β′ виділяється дрібнодисперсна α-фаза, яка суттєво підвищує міцність і твердість сплаву. До цієї групи належить сплав ВТ15, який має високу пластичність (δ=20%) і відносно невисоку міцність (σв=900 МПа) у загартованому стані. Однак після старіння при 450 С його міцність підвищується до σв=1500 МПа при пластичності δ=6%. Сплав ВТ15 поставляється у вигляді прутків, поковок, листів, штаб. Хімічний склад сплаву ВТ15: ~3%Al, ~8%Mo, ~11%Cr.

Ливарні титанові сплави[ред.ред. код]

Ливарні сплави у порівнянні зі сплавами, що деформуються, мають нижчу міцність, пластичність і витривалість, але є дешевшими. Їх склад аналогічний складу сплавів, що деформуються, тільки наприкінці марки ливарних сплавів ставлять літеру Л, наприклад, ВТ5Л, ВТ14Л.

Порошкові сплави титану[ред.ред. код]

Порошкові сплави отримують методом порошкової металургії, що забезпечує зниження їх вартості приблизно на 50% і підвищення продуктивності виготовлення виробів у два рази.

Застосування[ред.ред. код]

Титанові сплави застосовують як конструкційний матеріал в авіаційній (обшивка літаків, диски й лопаті компресорів тощо) і ракетно-космічній техніці (корпуси двигунів, балони для стиснутих і скраплених газів, сопла тощо), в хімічній і нафтовій промисловості (клапани, вентилі для середовищ хлору та його розчинів, теплообмінники, що працюють в азотній кислоті), суднобудуванні (гребні гвинти, обшивки морських суден, підводних човнів, торпед), холодильній (кріогенній) техніці тощо.

Див. також[ред.ред. код]

Примітки[ред.ред. код]

  1. Титан існує у двох алотропічних модифікаціях. Нижче від 882ºС існує α-титан, із гранецентрованою щільно упакованою кристалічною ґраткою. При вищих температурах аж до температури плавлення (1665 °C) Ti існує у модифікації β з об'ємоцентрованою ґраткою.
  2. а б ГОСТ 19807-91
  3. ГОСТ 22176-76

Джерела[ред.ред. код]

  • ГОСТ 19807-91 Титан и сплавы титановые деформируемые. Марки.
  • ГОСТ 22176-76 Листы из титана и титановых сплавов. Технические условия.
  • Колачев Б. А., Елагин В. И., Ливанов В. А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. М.: МИСИС, 2005. — 432 с.
  • Захаров А. М. Промышленные сплавы цветных металлов. Фазовый состав и структурные составляющие / А. М. Захаров. — М.: Металлургия, 1980. — 256 с.
  • Компан Я. Ю. Металлургия и технология сварки титана и его сплавов. — К.: Наукова думка, 1978. — 120 с.