Титан и его сплавы
Содержание
1.История происхождения
.Нахождение в природе
.Получение
. Физические свойства
.Химические свойства
. Сплавы на основе титана
.Классификация титана и его сплавов
.Список литературы
Титан
по распространенности в земной коре занимает среди конструкционных металлов
четвертое место, уступая лишь алюминию, железу и магнию. Титан - металл IV
группы периодической системы с атомным номером 22, атомной массой 47,3,
относится к переходным элементам. Титан обладает удельным весом порядка 4500
кг/м3 и довольно высокой температурой плавления, ~1665± 5оС. Модуль упругости у
титана низкий Е= 112 ГПа, почти в 2 раза меньше, чем у железа и никеля.
Коэффициент теплопроводности составляет 18,85 Вт/(м·К), почти в 13 раз ниже,
чем у алюминия и в 4 раза ниже, чем у железа. Имеет низкий коэффициент
линейного термического расширения - 8,15 х 106 К-1 (50% от коэффициента
расширения аустенитной нержавеющей стали
<#"517179.files/image001.gif">а
бв
|
|
|
Рисунок
5.13. Влияние легирующих элементов на температуру полиморфного превращения
<http://matved2010.narod.ru/Glossary.html> титана
В
сплавах титана с элементами 2 подгруппы b -раствор сохраняется до комнатной
температуры. К числу этих элементов принадлежат V, Mo, Nb, Ta. Поскольку они
образуют непрерывные твердые растворы с b -титаном, их назвали изоморфными b -
стабилизаторами.
В
сплавах 3 подгруппы равновесная b - фаза также стабилизируется при комнатной
температуре, но непрерывных твердых b - растворов не образуется. К элементам
этой подгруппы относятся Re, Ru, родий Rh, осмий, иридий, которые в области,
богатой титаном, дают с ним такую же диаграмму состояния, как и изоморфные b
-стабилизаторы (см. Рис. 3). Их можно назвать квазиизоморфными b -
стабилизаторами.
.
Третья группа представлена легирующими элементами, мало влияющими на Тпп
титана. Это олово, цирконий, германий, гафний и торий, которые называют
нейтральными упрочнителями.
Почти
все промышленные титановые сплавы содержат алюминий.
титан сплав полиморфный
7.Классификация
титана и его сплавов
Технический
титан и его сплавы получают из титановой губки. Титановая губка - это пористое
серое вещество с насыпной массой 1,5-2,0 г/см3 и очень высокой вязкостью.
В
зависимости от содержания примесей технический титан подразделяют на несколько
сортов: ВТ1-00 (99,53% Ti), ВТ1-0 (99,48 % Ti) и ВТ1-1 (99,44 % Ti).
.
a -сплавы, структура которых представлена a -фазой.
.
Псевдо- a -сплавы, структура которых представлена a - фазой и небольшим
количеством b -фазы (не более 5%) или интерметаллидов.
.
(a +b ) -сплавы, структура которых представлена a - и b -фазами; сплавы этого
типа также могут содержать интерметаллиды.
.
Псевдо-b -сплавы со структурой в отожженном состоянии, представленной a -фазой
и большим количеством b -фазы; в этих сплавах закалкой или нормализацией из b
-области можно легко получить однофазную b -структуру.
.
b -сплавы, структура которых представлена термически стабильной b -фазой.
.
Сплавы на основе интерметаллидов.
Общая
характеристика титановых сплавов
Практически
все титановые сплавы, за редким исключением, легируют алюминием, который имеет
следующие преимущества перед остальными легирующими компонентами:
а)
широко доступен и сравнительно дешев;
б)
плотность алюминия значительно меньше плотности титана, поэтому введение
алюминия повышает удельную прочность сплавов;
в)
алюминий эффективно упрочняет a -, (a +b )- и b - сплавы при сохранении
удовлетворительной пластичности;
г)
с увеличением содержания алюминия повышается жаропрочность сплавов;
д)
алюминий повышает модули упругости;
е)
с увеличением содержания алюминия в сплавах уменьшается их склонность к
водородной хрупкости.
Однако
с увеличением содержания алюминия повышается чувствительность титановых сплавов
к солевой коррозии, а также уменьшается их технологическая пластичность.
Поэтому если есть опасность контакта сплавов с поваренной солью при работе в
интервале температур 250-550°С или необходима высокая технологическая
пластичность, содержание алюминия в титановых сплавах следует ограничивать.
Титановые
a -сплавы, помимо Al, легируют нейтральными упрочнителями (Sn и Zr). Весьма
ценным свойством a -сплавов титана является их хорошая свариваемость; эти
сплавы даже при значительном содержании алюминия однофазны, поэтому не
возникает охрупчивания шва и околошовной зоны.
К
недостаткам a -сплавов относится их сравнительно невысокая прочность, сплавы
этого класса термически не упрочняются. При содержании более 6% (по массе) Al
технологическая пластичность сплавов невелика. С увеличением содержания
алюминия повышаются рабочие температуры титановых a -сплавов. Однако при этом
возникает опасность их охрупчивания в результате выделения фазы a 2. Сплавы
этого класса, хотя и в меньшей степени, чем титан, склонны к водородной
хрупкости.
Сплав
ВТ5, содержащий 5%Al отличается более высокими прочностными свойствами по
сравнению с титаном, но его технологичность невелика. Применяются для деталей,
работающих при температурах до 400°С.
Сплав
ВТ5-1, относящийся к системе Ti-Al- Sn более технологичный, чем BT5 и
предназначен для изготовления изделий, работающих в широком интервале
температур: от криогенных до 450°С.
Дисперсионно
твердеющие a -сплавы представлены английским сплавом Ti+2%Cu. В отожженном и
закаленном состоянии сплав малопрочен и пластичен и имеет такую же
технологичность, как и технический титан. При старении сплав упрочняется на
30-50% за счет дисперсионного твердения и приобретает sВ=750-800 МПа. Из сплава
Ti+2%Cu в Англии изготовляют листы и полосы. Этот сплав сваривается, причем
пластичность сварного соединения практически такая же, как у основного металла.
Псевдо-a
-сплавы отличаются высокой термической стабильностью, хорошей свариваемостью.
Существенный недостаток псевдо-a -сплавов - их высокая склонность к водородной
хрупкости.
Эту
группу представляют сплавы системы Ti-Al-Mn (ОТ4-0; ОТ4-1; ОТ4; ВТ4; ОТ4-2),
обладают высокой технологической пластичностью. Сплавы хорошо свариваются всеми
видами сварки. Недостатки этих сплавов: а) сравнительно невысокая прочность и
жаропрочность; б) большая склонность к водородной хрупкости. С повышением
содержания алюминия и марганца в этой серии сплавов прочность их возрастает, а
пластичность и технологичность ухудшаются.
К
этой группе принадлежат также сплавы ВТ20, ВТ18.
Сплав
ВТ20 разрабатывали как более прочный и жаропрочный листовой сплав по сравнению
с ВТ5-1. Упрочнение сплава ВТ20 обусловлено его легированием, помимо алюминия,
цирконием и небольшими количествами молибдена и ванадия. Технологическая
пластичность сплава ВТ20 невысока из-за большого содержания алюминия. Сплав
предназначен для изготовления изделий, работающих длительно при температурах до
500°С.
Сплав
ВТ18 относится к наиболее жаропрочным титановым сплавам; он может длительно
работать при температурах 550-600°С. Высокая жаропрочность сплава обусловлена
большим содержанием в нем алюминия и циркония. Однако, в отличие от других
псевдо-a -сплавов сплав ВТ18 плохо сваривается.
Большинство
a - и псевдо-a -сплавов применяют в отожженном состоянии.
Наиболее
благоприятным сочетанием всех свойств отличаются двухфазные сплавы, состоящие
из a +b - фаз. Эти сплавы характеризуются лучшей технологической пластичностью
в отожженном состоянии по сравнению с a -сплавами, высокой прочностью,
способностью к термическому упрочнению закалкой
<http://matved2010.narod.ru/Glossary.html> и старением
<http://matved2010.narod.ru/Glossary.html>, меньшей склонностью к
водородной хрупкости по сравнению с a и псевдо-a сплавами.
В
отличие от a - и псевдо-a -сплавов a +b сплавы существенно упрочняются в
результате закалки и старения.
Механические
свойства отожженных (a +b )-сплавов существенно зависят от характера
микроструктуры. Наибольшие различия наблюдаются для сплавов с зернистой и
пластинчатой структурой. Для сплавов с зернистой структурой характерны высокая
циклическая прочность, пластичность, технологичность.
Сплавы
с пластинчатой структурой отличаются высокой вязкостью разрушения, ударной
вязкостью, жаропрочностью при пониженных характеристиках пластичности и
циклической прочности. Высокая вязкость разрушения титановых сплавов с такой
структурой обусловлена сильным ветвлением трещин при их распространении.
Классическим
примером таких сплавов является ВТ6 (Ti-6%Al-4%V) ВТ14 - Ti - 5Al - 1V - 3Mo и
ВТ16 - Ti -2,5Al -5V - 5Mo). Их применяют в отожженном и термически упрочненном
состоянии. К этой же группе принадлежат ВТ22 (Ti - 5Al - 5V - 5Mo - 1Fe - 1Cr)
и новый сплав ВТ23 - Ti-4,5Al-4,5V-2Mo-1Cr-0,6Fe. Это среднелегированный (a
+b)-сплав мартенситного класса.
Сплав
этой группы ВТ8 (Ti - 6,5Al - 3,3Mo - 0,3Si - 0,5Zr) легирован молибденом,
алюминием и небольшими количествами кремния, его структура в отожженном
состоянии представлена a -фазой, b -фазой (10%) и небольшим количеством
дисперсных силицидов. Сплав ВТ8 обладает высокой термической стабильностью;
удовлетворительной пластичностью, но плохо сваривается, недостаточно
технологичен. Сплав применяют в отожженном и термически упрочненном состоянии
при температурах до 450- 500°С.
Сплав
ВТ9 в отличие от ВТ8 дополнительно легирован цирконием (1,6Zr). Введение
циркония в сплавы системы Ti-Al-Mo-Si приводит к повышению прочности почти без
снижения пластичности при сохранении достаточно высокой термической
стабильности. Ввиду благоприятного влияния циркония и высокого содержания
алюминия сплав ВТ9 более жаропрочен, чем другие титановые (a +b ) сплавы. Сплав
может работать до 500-550°С.
Псевдо-b
-сплавы относятся к высоколегированным титановым сплавам, в которых суммарное
.содержание легирующих элементов доходит до 20% и более. Хотя при закалке из b
-области в этих сплавах фиксируется только b -фаза, она термически нестабильна
и при старении распадается с выделением дисперсной a -фазы.
К
преимуществам псевдо-b -сплавов относятся:
.
Высокая технологическая пластичность в закаленном состоянии. Это связано с тем,
что b -фаза с ОЦК. решеткой по своей природе более пластична, чем
гексагональная a -фаза.
.
Большой эффект термического упрочнения, что связано с большим пересыщением
закаленной b -фазы. Распад пересыщенной b -фазы при старении обеспечивает
повышение прочности сплавов в 1,5-1,7 раза.
.
Малая склонность к водородной хрупкости.
Недостатки
псевдо b -сплавов:
а)
невысокая термическая стабильность, в результате чего их нельзя применять для
длительной работы при температурах выше 350°С;
в)
большой разброс механических свойств, вызванный химической неоднородностью
сплавов в связи с высокой степенью их легирования и большой чувствительностью
процесса старения к содержанию примесей внедрения;
г)
сравнительно высокая плотность (5-5,1 г/см3).
Разработанные
к настоящему времени псевдо-b -титановые сплавы можно разделить на две группы:
а) легированные алюминием, b -стабилизаторами, а в некоторых случаях и
нейтральными упрочнителями; б) легированные b -стабилизаторами и нейтральными
упрочнителями.
Псевдо-b
-сплав ВТ15 содержит 3-4% Al; 7- 8% Mo и 10-11,5%Cr. В закаленном состоянии
сплав ВТ15 отличается невысокой прочностью, большой пластичностью (s в =
880-1000 МПа; d =12-20%) и хорошо штампуется. Затем сплав термически упрочняют
старением. При старении из пересыщенного b -раствора выделяются дисперсные
частицы a -фазы, которые и обеспечивают упрочнение. После закалки и старения
временное сопротивление разрыву составляет 1300-1500 МПа при удлинении около
6%.
Свариваемость
этих сплавов затрудняет бурный рост зерна в b -области. По указанным причинам
псевдо-b -сплавы первой группы применяют ограниченно.
Сплав
ВТ30 (Ti - 11Mo - 5,5Zr - 4,5Sn). Сплав ВТ30 обладает высокой технологической
пластичностью в закаленном состоянии, в котором хорошо поддается холодной
обработке давлением. Сплав закаливают с температуры 800°С, а затем подвергают
старению при 530°С. Отличительная его особенность - большая разница в
прочностных свойствах в закаленном состоянии и после старения: временное
сопротивление разрыву составляет 650-750 МПа после закалки, а после старения
достигает 1400-1600 МПа.
В
нашей стране в полупромышленном масштабе производят b -сплав 4201 (Ti+33%Мо),
отличающийся высокой коррозионной стойкостью. В ряде областей применения он
может заменять тантал, коррозионно-стойкие никелевые сплавы и даже золото и
платину. Сплав отличается высокой технологической пластичностью, хорошо
сваривается всеми видами сварки.
Титановые
b - сплавы с термодинамически устойчивой b - фазой можно получить лишь на
основе таких систем, в которых легирующие элементы имеют о.ц.к. решетку при
комнатной температуре и образуют с b -титаном непрерывный ряд твердых
растворов. К таким элементам принадлежат ванадий, молибден, ниобий и тантал.
Однако стабильные b - фазы в этих сплавах образуются при таких высоких
концентрациях компонентов, что титановые сплавы теряют основное их
преимущество, а именно сравнительно малую плотность. Поэтому титановые сплавы
со стабильной b - фазой не получили широкого промышленного применения.
Список
литературы
1. Фрагмент
справочника "Металлы и сплавы - марки и химический состав"
.
"Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов"
Б.А. Колачев, В.А.Ливанов,В.И.Елагин
.
"Металлургия цветных металлов" Н.И. Уткин
4. Металлография титана
<http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/4478.html>, под ред. С. Г. Глазунова
и Б. А. Колачева, М., 1980