Титановые сплавы

Несмотря на большую распространенность, признание титана как конструкционного материала состоялось относительно недавно — лишь в 20 веке. Его сплавы выгодно отличаются от других соединений. Благодаря длинному списку преимуществ они находят широкое применение в различных областях. Современные технологические возможности позволяют производить самый разнообразный прокат — трубы, листы, шестигранники, фольгу, ленты, плиты. Рассмотрим в статье подробнее все основные особенности материала.

Содержание:

• Общая характеристика
• Особенности маркировки
• Виды титановых сплавов
• Сферы применения
• Особенности термообработки
• Интерметаллические сплавы титана
• Конструкционные высокопрочные ТС
• Жаропрочные Ti-сплавы
• Особенности производства
• Полезные советы от команды «МАЗПРОМа»

Общая характеристика

В периодической системе элементов Д. И. Менделеева Ti расположен в IV группе 4-го периода под номером 22. В важнейших и наиболее устойчивых соединениях металл четырехвалентен. По внешнему виду напоминает сталь. Очень распространен в природе. Его содержание в земной коре выше, чем меди, свинца и цинка.

Относительная молекулярная масса вещества показывает, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода. Титан в свободном состоянии существует в виде одноатомных молекул Ti. Значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 47,867.

К основным механическим свойствам титановых сплавов относят:

1. Стойкость к коррозийным процессам. Превосходит по этому свойству стали. Не корродирует в воздухе, морской воде, влажном хлоре и других технологических растворах и реагентах, поэтому материал незаменим в химической, целлюлозно-бумажной, нефтяной промышленности.
2. Легковесность. Востребован там, где нужно очень легкое вещество, выдерживающее большие нагрузки и сверхвысокие температурные диапазоны — авиа-, ракетостроение.
3. Высокую удельную прочность. Показатель примерно в 2 раза выше железа и в 6 раз — алюминия. При растяжении предел прочности — 300–450 МПа, но его можно увеличить до 2 000 МПа посредством закалки, старения и примеси некоторых элементов. При этом материал сохраняет прочностные характеристики даже под воздействием низких температур.
4. Парамагнитность. В магнитном поле он не намагничивается, но и не выталкивается из него.
5. Низкую теплопроводность. При комнатной температуре в среднем составляет — 18 Вт/(м·град). По мере нагревания показатель увеличивается. Температурное расширение в 3 раза меньше железа и в 12 алюминия.
6. Удовлетворительную технологическую пластичность некоторых сплавов. В горячем состоянии получают различные полуфабрикаты — листы, прутки, штамповки, профили и др. При этом механическая обработка вызывает много сложностей.

Таким образом, металл хорошо сочетает прочность и пластичность, но большинство механических свойств определяет содержание примесей. На формирование структуры решающее значение оказывают полиморфные превращения. Это играет важную роль при термической обработке деталей в соответствии с требованиями чертежа.

Особенности маркировки

В соответствии с ГОСТ 19807-91 обозначаются буквами ВТ, ОТ, ПТ (В, О, П — идентификатор организации-разработчика или производителя, Т — титан) и цифрами, указывающими порядковый номер сплава в зависимости от химического состава.

В — ВИАМ титан — Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов (ВИАМ, г. Москва);

О — Опытный титан — совместная разработка ВИАМ и Верхнесалдинского металлургического производственного объединения (ВСМПО, г. Верхняя Салда, Свердловская область);

П — Прометей титан — Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов «Прометей» (г. Санкт-Петербург).

Кроме общего разделения, сплавам Ti присваиваются другие специальные обозначения. Они соответствуют составу и параметрам:

• технические марки ВТ1-1, ВТ1-0, ВТ1-00 содержат титан от 99,3 до 99,9%;
• титановые губки ТГ-90, ТГ-110, ТГ-150, ТГ-120, ТГ-Тв, ТГ-130, ТГ-100;
• литейные — ВТ20Л, ВТ21Л, ВТ14Л, ВТ9Л, ВТ6Л, ВТ1Л, ВТ3-1Л, ВТ5Л.

В некоторых случаях после порядкового номера сплава ставится дополнительная буква:

У — улучшенный,

М — модифицированный,

И — специального назначения,

В — с преобладанием ванадия в качестве легирующего элемента.

Виды титановых сплавов

Классификация ведется по достаточно большому количеству признаков.

1. По технологии изготовления подразделяются:
   • на деформируемые. Сюда входят сплавы с алюминием (ВТ5), а также дополнительно легированные оловом или цирконием (ВТ5-1). Характеризуются повышенной жаропрочностью, высокой термической стабильностью, отсутствием хладноломкости, хорошей свариваемостью;
   • литейные. Используют технический титан и сплавы марок ВТ5Л, ВТ14Л, ВТ6Л, ВТ9Л, ВТЗ-1Л. По химсоставу они практически идентичны предыдущей группе, однако в них допускается большее содержание примесей. Кроме того, механические свойства ниже деформируемых.
2. По уровню механических свойств:
   • на сплавы невысокой прочности и повышенной пластичности. В группу входят марки ВТ1-00, ВТ1-0 (технический титан) и ОТ4-0, ОТ4-1 (система Ti-Al-Mn), АТ3 (система Ti-Al c небольшими добавками Cr, Fe, Si, B);
   • средней прочности — ВТ5 и ВТ5-1; псевдо-a-сплавы ОТ4, ВТ20; (α + β )-сплавы ПТ3В, а также ВТ6, ВТ6С, ВТ14 в отожженном состоянии;
   • высокой прочности — достигается в марках ВТ6, ВТ14, ВТ3-1 за счет упрочняющей обработки. ВТ22 — высоколегированный сплав, который имеет предел прочности σв > 1000 МПа даже в отожженном состоянии.
3. По условиям применения:
   • на хладостойкие — промышленные отечественные модификации ВТбкт, ВТ5-1кт, ПТЗВкт и зарубежные Ti-5Al-2,5Sn ELI, Ti-6A1-4V ELI. Сохраняют достаточную ударную вязкость при криогенных температурах;
   • жаропрочные — ВТ6, ВТ8-1, ВТ8М-1, ВТ25У, ВТ41 и др. Представляют собой твердые растворы с большим или меньшим количеством химического соединения. Это обеспечивает им повышенную жаропрочность при минимальном снижении пластичности;
   • коррозиестойкие. В качестве легирующих присадок часто используют тантал, ниобий, молибден, цирконий.
4. По способности упрочняться термообработкой:
   • на упрочняемые — (α+β) и β сплавы;
   • неупрочняемые — α-сплавы.

Сферы применения

Идеальный материал для многих отраслей, в которых требуется низкий вес, высокая прочность и длительный срок службы. Широко используются:

• в авиации, ракетостроении и космической технике. В авиастроении из титана изготавливают изделия сложной пространственной конфигурации, места для высоконагруженных узлов и агрегатов, а также части двигателя. В космической индустрии особо распространен титановый сплав с никелем;
• судостроении. Незаменим для обшивки, производства деталей насосов и трубопроводов. Малая плотность позволяет значительно снизить массу корабля, при этом улучшаются маневренность и дальность хода. Благодаря высокой коррозионной устойчивости обшивка не требует покраски, а корпус десятилетиями не ржавеет и не разрушается в соленой воде;
• машиностроении — в химическом, тяжелом, энергетическом и транспортном, для легкой, пищевой промышленности и бытовых приборов. Выпускаемое оборудование условно делят на специализированное серийное и нестандартное (для нужд конкретного машиностроительного завода);
• черной металлургии — оборудование для коксохимических, металлургических, сталеплавильных и ферросплавных производств;
• цветной металлургии — занимает второе место среди гражданских отраслей промышленности. Наибольшее распространение получило на предприятиях кобальтово-никелевой и титано-магниевой промышленности, а также в производстве меди, цинка, свинца, ртути и других металлов;
• целлюлозно-бумажной и пищевой промышленности. Материал обеспечивает надежную защиту от коррозии, а также отвечает высоким санитарно-гигиеническим требованиям пищевых производств;
• медицинской промышленности. Коммерчески чистый титан и Тi6-4Eli используют в производстве хирургического инструмента, внутренних и внешних протезов, костылей и инвалидных колясок.

Особенности термообработки

Проводится для повышения эксплуатационных качеств. В зависимости от химического состава и назначения сплавы подвергают:

• отжигу. Является одним из самых распространенных видов термообработки и при образовании гетерофазных структур обеспечивает достаточную прочность. Различают несколько видов отжига:
  • рекристаллизационный — температура 520–850 °С. Ее показатели увеличиваются для легирующих элементов. Также на температуру влияет вид полуфабриката — более высокая для прутков, поковок, штамповки и более низкая для листов;
  • с фазовой перекристаллизацией — температура нагрева зависит от сплава и составляет 750–950 °С. Таким образом, снижают твердость, повышают пластичность, добиваются измельчения зерна и устранения структурной неоднородности;
• закалке и старению. Первое проводят с целью фиксации метастабильных фаз (β, α”, α’) при быстром охлаждении. Основными технологическими параметрами этого процесса являются t нагрева, время выдержки и скорость охлаждения, которая должна быть высокой. Для сплавов с преобладанием α-фазы закалка не эффективна. Чтобы полученные при закалке метастабильные фазы распались, производят старение. Оно состоит из нагрева до t ниже ТПП и охлаждения на воздухе;
• химико-термической обработке. Чтобы повысить антифрикционные свойства, выполняют азотирование и оксидирование. Процессы очень ограниченно применяются в промышленном масштабе. Азотирование в десятки раз увеличивает износостойкость и жаростойкость, но в несколько раз снижает пластичность, относительное удлинение и поперечное сужение. Во время оксидирования, если образуется слой небольшой толщины при не очень высокой температуре окисления, удается добиться повышения износостойкости деталей без существенной потери механических и служебных свойств.
• никелиды Ti₂Ni, TiNi, TiNi₃. Наиболее известен нитинол — сплав титана и никеля, который обладает высокой стойкостью к коррозии и эрозии, свойством памяти формы;
• силициды Ti₃Si, Ti₅Si₃, Ti₅Si₄, TiSi и TiSi₂. Хотя кремний считается вредной примесью, но он способен повышать жаропрочность и жаростойкость благодаря ограниченной растворимости;
• бориды TiB₂. При сильном нагревании титан взаимодействует с элементарным бором и образует очень твердые сплавы, которые востребованы для защиты автомобильных деталей и механизмов аппаратов от абразивного износа, в металлургии в составе напыляемых порошков, в атомной промышленности для производства нейронопоглощающих экранов и боропластов, а также как компонент испарителей алюминия;
• алюминиды Ti₂Al, TiAl и TiAl₃. Среди преимуществ можно выделить высокую температуру плавления, упругость, низкую плотность, возрастание предела текучести с повышением температуры, устойчивость к окислению и возгоранию, жаропрочность. Используют для изготовления аэрокосмических деталей нового поколения, в транспортном машиностроении, в газо- и нефтеперерабатывающих установках химпромышленности, а также в атомном машиностроении.
• получение титанового шлака восстановительной плавкой. В электродуговую печь загружают концентрат и восстановитель. Производят нагрев до 1650 градусов Цельсия. Из восстановленного и науглероживающегося железа образуется чугун, а оксид титана переходит в шлак, который содержит 82—90% TiO2;
• получение тетрахлорида титана хлорированием. Проводят в шахтных хлораторах непрерывного действия или в солевых хлораторах. Газообразный хлор воздействует на TiO2 при температурах 700–900 °С;
• производство титана (губки, порошка) восстановлением из тетрахлорида. Для этого используют магний или натрий.
• В связи со сложными и энергозатратными технологическими процессами время производственного цикла титанового листа составляет около 90 дней. Поэтому если вы сталкиваетесь с тем, что компания предлагает вам приобрести любые марки и размеры, а в наличии указаны тысячи тонн, то не спешите этому верить. Конечно, при имеющихся на производстве заготовках срок может быть сокращен примерно до одного месяца.
• Обязательно проверьте перед покупкой возраст материала. Хотя титан и сохраняет все свойства на протяжении долгого времени, рекомендуется, чтобы он был не старше 10 лет. Дело в том, что до сих пор в продаже встречается металл, который был изготовлен еще в 1980-х гг. Хорошо еще, если он был на хранении у одного из оборонных предприятий, которое потом реализовало его на рынке как неликвид. Гораздо опаснее купить прокат, который мог уже использоваться ранее. Например трубы, листы срезают с теплообменников, которые уже вышли из употребления. Опасность кроется не только в различных дефектах, но и возможном высоком уровне радиации.
• Чтобы точно быть уверенным в качестве продукции, запрашивайте образец для предварительной проверки.

• никелиды Ti₂Ni, TiNi, TiNi₃. Наиболее известен нитинол — сплав титана и никеля, который обладает высокой стойкостью к коррозии и эрозии, свойством памяти формы;
• силициды Ti₃Si, Ti₅Si₃, Ti₅Si₄, TiSi и TiSi₂. Хотя кремний считается вредной примесью, но он способен повышать жаропрочность и жаростойкость благодаря ограниченной растворимости;
• бориды TiB₂. При сильном нагревании титан взаимодействует с элементарным бором и образует очень твердые сплавы, которые востребованы для защиты автомобильных деталей и механизмов аппаратов от абразивного износа, в металлургии в составе напыляемых порошков, в атомной промышленности для производства нейронопоглощающих экранов и боропластов, а также как компонент испарителей алюминия;
• алюминиды Ti₂Al, TiAl и TiAl₃. Среди преимуществ можно выделить высокую температуру плавления, упругость, низкую плотность, возрастание предела текучести с повышением температуры, устойчивость к окислению и возгоранию, жаропрочность. Используют для изготовления аэрокосмических деталей нового поколения, в транспортном машиностроении, в газо- и нефтеперерабатывающих установках химпромышленности, а также в атомном машиностроении.

Кроме того, сферы применения всегда будут требовать повышения их эксплуатационных свойств за счет новых термических и термомеханических обработок. Среди наиболее перспективных можно назвать ВТ23М. Он сочетает в себе высокую прочность, трещиностойкость как основного материала, так и сварных соединений. Во многом превосходит зарубежные аналоги по свойствам и стоимости за счет уменьшенного содержания молибдена и ванадия, исключения олова и циркония. Из него изготавливают все виды прокатных, кованых, прессованных полуфабрикатов, а также монолитные, сварные и паяные конструкции.

Жаропрочные Ti-сплавы

В 60-х гг. 20 века отечественные специалисты разработали, среди прочих, новые титановые сплавы ВТ3-1, ВТ8, ВТ8-1, ВТ8М-1, ВТ9, ВТ25У, ВТ18У. В настоящее время они уступают лучшим зарубежным сплавам IMI834 и Ti1100 только по сопротивлению ползучести и при температурах выше 500 °С. Отечественный ВТ-25 обладает прочностными показателями до 1150 МПа и достигает пика своих свойств при температуре 550 °С. При этом одним из самых лучших наших сплавов, используемых в промышленности, можно назвать ВТ-18. Он обладает самыми прочностными свойствами при температуре 600 °С.

Следует отметить, что перспектив повышения жаропрочности Ti-сплавов остается крайне мало. Это связано с тем, что при температуре 620 °С механизм окисления альфа-фазы титана кардинально меняется. Свойства ухудшаются за счет проникновения кислорода через оксидную пленку в толщу металла. А область применения защитных покрытий еще только предстоит изучить. Сейчас основной поиск жаропрочных соединений все более смещается в сторону титановых интерметаллидов.

Особенности производства

Производство титана является сложным, длительным и дорогостоящим процессом. Элемент образует химические соединения и твердые растворы со многими металлами, поэтому при создании требует особых условий.

Среди наиболее распространенного сырья для получения титана выделяют титано-магнетитовые руды, из которых получают ильменитовый концентрат. Процесс занимает несколько этапов:

получение титанового шлака восстановительной плавкой. В электродуговую печь загружают концентрат и восстановитель. Производят нагрев до 1650 градусов Цельсия. Из восстановленного и науглероживающегося железа образуется чугун, а оксид титана переходит в шлак, который содержит 82—90% TiO2;
получение тетрахлорида титана хлорированием. Проводят в шахтных хлораторах непрерывного действия или в солевых хлораторах. Газообразный хлор воздействует на TiO2 при температурах 700–900 °С;
производство титана (губки, порошка) восстановлением из тетрахлорида. Для этого используют магний или натрий.

Полезные советы от команды «МАЗПРОМа»

Хотели бы обратить ваше внимание на несколько моментов при выборе титанового проката.

1. В связи со сложными и энергозатратными технологическими процессами время производственного цикла титанового листа составляет около 90 дней. Поэтому если вы сталкиваетесь с тем, что компания предлагает вам приобрести любые марки и размеры, а в наличии указаны тысячи тонн, то не спешите этому верить. Конечно, при имеющихся на производстве заготовках срок может быть сокращен примерно до одного месяца.
2. Обязательно проверьте перед покупкой возраст материала. Хотя титан и сохраняет все свойства на протяжении долгого времени, рекомендуется, чтобы он был не старше 10 лет. Дело в том, что до сих пор в продаже встречается металл, который был изготовлен еще в 1980-х гг. Хорошо еще, если он был на хранении у одного из оборонных предприятий, которое потом реализовало его на рынке как неликвид. Гораздо опаснее купить прокат, который мог уже использоваться ранее. Например трубы, листы срезают с теплообменников, которые уже вышли из употребления. Опасность кроется не только в различных дефектах, но и возможном высоком уровне радиации.
3. Чтобы точно быть уверенным в качестве продукции, запрашивайте образец для предварительной проверки.

При обращении к нам вы получаете титановый прокат, полностью соответствующий действующим ГОСТам и ТУ. Для консультации обратитесь по указанному на сайте телефону.