Титан и его сплавы: свойства, применение

Что это такое? Титан и его сплавы применяются во многих сферах: от медицины до точного машиностроения. Они сочетают в себе такие характеристики, как малый вес и высокая прочность. Это делает их наиболее востребованными в самолето- и ракетостроении.

Где добывается титан? Разведано около 90 месторождений титановой руды, а всего их насчитывается около 300. Но, несмотря на то, что по примерным оценкам запасы титана составляют 800 тонн, его добыча является дорогостоящим и сложным процессом.

Общие характеристики титана

Земная кора содержит титан в объеме, который превосходят только алюминий, железо и магний. Удельный вес этого конструкционного металла равен приблизительно 4 500 кг/м3, а температура плавления достаточно высока и достигает примерно +1 665 ± 5 °C. Этот металл – парамагнетик (слабомагнитное вещество).

Честь открытия оксида титана принадлежит английскому исследователю Уильяму Грегору, который в 1791 году изучал железистый песок с пляжа в Корнуолле. Работая с очередной пробой, Грегору удалось выделить оксид металла, ранее неизвестного науке. Название «титан» этому элементу дал немецкий ученый Мартин Генрих Клапрот. В начале XIX века Йенсом Якобом Берцелиусом из оксида было впервые выделено чистое вещество.

Титан отличается высокой твердостью, данной характеристикой он в 12 раз превосходит алюминий и в 4 раза – железо и медь. Этот элемент обладает химической стойкостью. Высокая сопротивляемость коррозии в таких средах, как некоторые кислоты, пресная и морская вода, обусловлена образованием на поверхности металла стойкой химически пассивной пленки из двуокиси титана TiO2.

По коррозионной стойкости во влажном воздухе, морской воде и азотной кислоте этот металл сравним с нержавеющими стальными сплавами, а по устойчивости к воздействию соляной кислоты – многократно их опережает.

Различают две полиморфные модификации титана:

• Низкотемпературную α-Ti с гексагонально упакованной решеткой, температура полиморфного α – β превращения равна +882 °С (периоды: a = 0,296 нм; с = 0,472 нм).
• Высокотемпературную β-Ti с кубической объемно-центрированной решеткой (а = 0,332 нм).

Механические свойства титана

Кислород, водород, углерод и азот меняют физические свойства титана, присутствуя в его составе в виде примесей, путем образования твердых растворов внедрения и промежуточных фаз – оксидов, гидридов, карбидов и нитридов, которые делают его более прочным, одновременно снижая пластичность. Допустимое содержание в титановых сплавах этих элементов – сотые и тысячные доли процента.

Водородная хрупкость, которая критически опасна для ответственных сварных конструкций, делает необходимым контроль содержания водорода – технический титан должен содержать его в концентрациях от 0,008 до 0,012 %.

Титану свойственна высокая удельная прочность с сохранением достаточной пластичности при отрицательных температурах:

Титан превосходит по своей пластичности другие металлы с гексагонально упакованной кристаллической решеткой (цинк, магний и кадмий) из-за обусловленного малым значением соотношения c/a (1,587) и, как следствие, наличия большого количества систем скольжения и двойникования. Специалисты считают эти факторы причиной высокой хладостойкости титана и титановых сплавов.

Таблица, приведенная ниже, содержит процентные доли и твердость разных марок губчатого титана по ГОСТ 17746-79:

Монолитный титан получают, размалывая губку в порошок, который прессуют и спекают или переплавляют при помощи специальных печей в вакууме или в атмосфере инертных газов.

Металл хорошо поддается холодному пластическому деформированию и удовлетворительно – холодному, легко обрабатывается прокаткой, ковкой и штамповкой. Титан и титановые сплавы образуют прочные и пластичные сварные швы при использовании контактной и аргонодуговой сварки. К минусам этих материалов следует отнести то, что они плохо поддаются резанию. Причина – налипание на режущий инструмент, низкая теплопроводность и плохие антифрикционные свойства.

Получение титана в промышленности

Добыча титана из титановых руд относительно проста, так как этот элемент содержится в земной коре в больших количествах. Чаще всего металл добывают из брукита, ильменита, анатаза и рутила, которые обогащают и хлорируют. Далее элемент восстанавливают из четыреххлористого титана металлическим магнием. Этот метод называют магнийтермическим.

Металл получают из титановых руд в несколько этапов:

1. для образования титанового шлака разогревают ильменит до +1 650 °C;
2. шлак подвергают хлорированию;
3. используя печи сопротивления, получают титановую губку;
4. заключительный этап – очистка (рафинирование).

Далее титан проходит через дорогостоящие процедуры плавки, закалки и старения.

Фазовые превращения в титановых сплавах

Структура и свойства титана и его сплавов обусловлены их полиморфизмом и фазовыми превращениями.

Благодаря α-стабилизаторам, которыми выступают алюминий, кислород и азот, повышается температура полиморфного превращения α – β и расширяется область твердых растворов, основой которых служит α-титан. Поскольку азот и кислород повышают хрупкость титановых сплавов, легирование производят, добавляя в расплав алюминий, который позволяет снизить плотность и водородную хрупкость, делая металл более прочным и упругим. Если сплав имеет устойчивую α-структуру, его не упрочняют при помощи термообработки.

Молибден, ванадий, никель, тантал и ряд других элементов служат изоморфными β-стабилизаторами, понижающими температуру α – β-превращения и расширяющими область твердых растворов, основой которых выступает β-титан.

При использовании эвтектоидообразующих β-стабилизаторов (хром, марганец, медь и т. д.) возможно образование интерметаллидов типа TiX. Охлаждение расплава приводит к эвтектоидному превращению β-фазы (β + TiX). Внесение в расплавленный металл β-стабилизатора, как правило, приводит к повышению прочности, жаропрочности и термостабильности титановых сплавов, а также к снижению пластичности. Для упрочнения сплавов с α + β- и псевдо-β-структурой можно подвергать их термической обработке (закалке и старению).

Присутствие нейтральных циркония и олова не приводит к изменению температуры полиморфного превращения и фазового состава сплава.

Титановые сплавы легируют главным образом для того, чтобы повысить прочность, жаропрочность и устойчивость к коррозии. В качестве легирующих добавок широко применяют алюминий, хром, молибден, ванадий, марганец, олово и ряд других элементов, которые сильно влияют на полиморфные превращения металла.

Для того чтобы окончательно сформировать структуру, выровнять структурные и концентрационные неоднородности и улучшить механические характеристики сплава, заготовки подвергают отжигу. Избежать увеличения размера зерен позволяет правильно подобранная температура – она не должна превышать значений, при которых происходит переход в β-фазу, превышая при этом температуру рекристаллизации. Отжиг может быть обычным, двойным и изотермическим, если требуется стабилизировать структуру, или неполным – когда нужно снять внутренние напряжения.

Термическому упрочнению (закалке и старению) подвергают сплавы титана, имеющие (α + β)-структуру. В ходе термообработки формируются метастабильные α- и β-фазы, которые распадаются, выделяя дисперсные частицы. Эффективность процедуры может быть разной, так как на нее влияют тип, количество, состав метастабильных фаз и дисперсность образующихся частиц.

Для того чтобы повысить твердость, износостойкость, стойкость к «схватыванию» при трении, жаростойкость и жаропрочность титановых сплавов, их подвергают химико-термической обработке. Чаще всего это азотирование, силицирование или диффузная металлизация.

Титановые сплавы невысокой прочности и повышенной пластичности

Разбирая виды сплавов титана, будем двигаться в сторону увеличения их прочности. Первыми идут марки, прочность которых ниже или равна 700 МПа. Речь идет об α-сплавах ВТ1-00, ВТ1-0 (технический титан); ОТ4-0, ОТ4-1 (система Ti – Al – Mn) и АТЗ (система Ti – Al) с добавлением незначительного количества хрома, железа, кремния и бора. Они относятся к псевдо-α-сплавам с несущественным присутствием β-фазы. Прочность у них выше, чем у чистого металла, что обусловлено наличием примесей в марках ВТ1-00, ВТ1-0 и незначительным легированием α- и β-стабилизаторами (марки ОТ4-0, ОТ4-1, АТ3).

Высокая пластичность таких сплавов делает возможной их горячую и холодную механическую обработку с получением фольги, ленты, листов, плит, поковок, штамповок, профилей, труб и т. д.

Горячая обработка включает в себя ковку, объемную и листовую штамповку, черновую прокатку и прессование. Без значительного нагрева металл проходит окончательную прокатку, листовую штамповку, волочение и ряд других операций.

Неполным отжигом металла пользуются для того, чтобы снять внутренние напряжения, остающиеся в нем при механической обработке и сварке.

Перечисленные марки сплавов хорошо поддаются как аргонодуговой, электрошлаковой сварке и сварке под флюсом, так и контактной – точечной или роликовой. Сваривание плавлением позволяет получать сварные швы, материал которых по прочности и пластичности не уступает металлу соединяемых заготовок.

Указанные сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью в морской воде, хлоридах, щелочах, органических кислотах и т. д. Сказанное не относится к растворам соляной, серной, плавиковой и ряда других кислот.

В таблице приведены механические характеристики сплавов титана при отрицательной температуре:

Титановые сплавы средней прочности

Сплавы этой группы обладают пределом прочности σв от 750 до 1 000 МПа. В нее входят: α-сплавы марок ВТ5 и ВТ5-1; псевдо-α-сплавы марок ОТ4, ВТ20; (α + β)-сплавы марок ПТ3В; ВТ6, ВТ6С, ВТ14 после отжига.

Сплавы ВТ5, ВТ5-1, ОТ4, ВТ20, ПТ3В, ВТ6С с небольшим содержанием β-фазы (2–7 % в равновесном состоянии) используют после отжига, не подвергая другой термической обработке. Марка ВТ6С иногда проходит термическое упрочнение. ВТ6 и ВТ14 могут использоваться как после отжига, так и после термического упрочнения, которое позволяет добиться прочности более 1 000 МПа (этот вариант рассмотрим как сплав из категории высокопрочных).

Всем этим титановым сплавам свойственна повышенная прочность. Они в меру пластичны при обычной температуре и обладают высокой пластичностью при нагреве, что делает их отличным материалом для получения листов, ленты, профилей, поковок, штамповок, труб и т. п. Только марка ВТ5 не используется для изготовления плит и листового металла из-за низкой пластичности.

Сплавам этой группы свойственна хорошая свариваемость. Сварка плавлением дает возможность получать сварные соединения, прочность и пластичность которых сравнима с параметрами материала соединяемых деталей (0,9–0,95 в случае марок ВТ20 и ВТ6С). Внутренние напряжения после сварки снимаются неполным отжигом.

Все перечисленные сплавы хорошо поддаются резанию. По коррозионной стойкости в большей части агрессивных сред они сравнимы с техническим титаном ВТ1-0.

Из сплавов средней прочности производят изделия при помощи листовой штамповки (ОТ4 и ВТ20), из ВТ5, ВТ5-1, ВТ6С, ВТ20 изготавливают сварные узлы и штампосварные детали. Для изготовления емкостей высокого давления используют марку ВТ6С. Детали, выполненные из сплавов ОТ4 и ВТ5, выдерживают длительную эксплуатацию при температуре до +400 °C и кратковременную – при температуре до +750 °C; из марок ВТ5-1 и ВТ20 – длительную эксплуатацию при температуре до +450…+500 °C и кратковременную при температуре в диапазоне +800…+850 °C. В производстве деталей холодильного и криогенного оборудования применяются сплавы ВТ5-1, ОТ4 и ВТ6С.

Высокопрочные титановые сплавы

В эту группу входят марки сплавов титана, предел прочности которых больше или равен 1 000 МПА. Речь идет о (α + β)-сплавах ВТ6, ВТ14, ВТ3-1 и ВТ22. С помощью термического упрочнения (закалки и старения) им придается высокая прочность. В этом ряду выделяется сплав ВТ22, имеющий σв более 1 000 МПа даже после отжига.

Гетерофазная структура высокопрочных сплавов не мешает им неплохо свариваться при помощи всех сварочных технологий, которые применяются для сварки титана. Полный отжиг позволяет придавать таким металлам необходимые прочность и пластичность. При сваривании заготовок толщиной от 10 до 18 мм из сплава ВТ14 специалисты советуют закаливать изделие с последующим старением, что дает возможность доводить прочность металла шва (при сварке плавлением) до 0,9 от прочности материала соединяемых элементов при сравнимой пластичности.

Удовлетворительно обрабатываются резанием, которому можно подвергать как отожженный, так и термически упрочненный металл.

По высокой коррозионной стойкости на влажном воздухе, в соленой воде и других агрессивных средах (как после отжига, так и после термического упрочнения) эти сплавы сравнимы с техническим титаном.

Марки ВТ3-1, ВТ6, ВТ6С, ВТ14, ВТ22 подвергают закалке с водяным охлаждением и старению – с воздушным. Полную прокаливаемость заготовки из сплавов ВТ6 и ВТ6С показывают при максимальной толщине от 40 до 45 мм, а ВТ3-1, ВТ14 и ВТ22 – до 60 мм.

Оптимальные прочность и плотность (α + β)-сплавов при закалке и старении достигаются, если термическому упрочнению подвергается заготовка, металл которой имеет равноосную или «корзиночного плетения» структуру.

В приведенной ниже таблице указаны оптимальные параметры для термического упрочнения сплавов на основе титана:

Рекомендованные марки высокопрочных титановых сплавов: для сварных конструкций – ВТ6, ВТ14, для турбин –ВТ3-1, для штампосварных узлов – ВТ14, для высоконагруженных деталей и штампованных конструкций – ВТ22. Сплавы этих марок выдерживают в ответственных узлах и конструкциях длительную эксплуатацию при температуре до +400 °C и кратковременную – до +750 °C.

Литейные титановые сплавы

Классификация литейных сплавов на основе титана основана на их микроструктуре и включает в себя пять групп: α-сплавы, псевдо-α-сплавы, (α + β)-сплавы, псевдо-β-сплавы и β-сплавы.

Для легирования используются добавки алюминия, ванадия, молибдена, кремния, хрома, циркония и ряда других элементов. Литейные сплавы выделяются своими характеристиками из ряда остальных. Их отличают прочность, сравнимая с прочностью стальных сплавов, низкая плотность (около 4,5 г/мм3), высокая химическая стойкость при температуре до +500 °C, отличная устойчивость к коррозии в таких агрессивных средах, как соленая вода, влажный воздух, азотная и соляная кислоты. Совокупность этих качеств делает их оптимальным материалом для изготовления деталей и узлов самолетов, ракет и судов.

Специализированная справочная литература содержит описание химического состава и механических характеристик восьми марок литейных сплавов на основе титана – ВТ1Л, ВТ5Л, ВТ20Л, ВТ3-1Л, ВТ6Л, ВТ9Л, ВТ14Л и ВТ22Л. Буква В – наименование разработчика (ВИАМ), Т – титановый сплав, Л – литейный, а цифра – обозначение порядкового номера сплава. В справочники также включен недавно разработанный сплав ВТ35Л.

Титан и его сплавы широко применяются в промышленном производстве. Высокая востребованность этих материалов обусловлена их уникальными свойствами, а относительно высокая стоимость – сложностью получения чистого титана.

К недостатком литейных сплавов на основе титана следует отнести высокую температуру плавления, которая достигает +1 665 °C, и склонность к активному взаимодействию с газами и огнеупорными материалами при выплавке. Эти особенности обуславливают сложность плавки, которую необходимо осуществлять в вакууме или защитной атмосфере из инертного газа. Также литейные формы для титановых сплавов изготавливают из особых материалов, что приводит к резкому удорожанию производства.

Роль титана и его сплавов в современной промышленности, медицине и в быту сложно переоценить. С каждым годом растет количество новых сплавов, разработка которых обусловлена техническим и научным прогрессом. Все новые и новые добавки придают таким металлам неизвестные ранее качества.