iCNC > Материалы > Титан и титановые сплавы

Титан и титановые сплавы

06.07.2015

titan

Тита­но­вые спла­вы, то есть спла­вы, в кото­рых при­сут­ству­ет боль­шая часть тита­на, обла­да­ют лег­ко­стью, повы­шен­ной проч­но­стью в диа­па­зоне тем­пе­ра­тур от крио­ген­ных до уме­рен­но высо­ких (+600 гра­ду­сов по Цель­сию), а так­же высо­кой стой­ко­стью к кор­ро­зии. В насто­я­щее вре­мя такие спла­вы бла­го­да­ря высо­ким тех­ни­че­ским пока­за­те­лям актив­но исполь­зу­ют в каче­стве кон­струк­ци­он­ных мате­ри­а­лов в самых раз­ных отрас­лях. Чаще все­го они встре­ча­ют­ся в само­ле­то­стро­е­нии и маши­но­стро­е­нии.

Тита­но­вые спла­вы полу­ча­ют посред­ством леги­ро­ва­ния тита­на таки­ми эле­мен­та­ми как Al (8), V (16), Mo (30), Mn (8), Sn (13), одна­ко в ряде слу­ча­ев при­ме­нят­ся леги­ро­ва­ние Nb (2) и Та (5). В каче­стве мик­ро­до­ба­вок исполь­зу­ет­ся Pd (0,2) с целью уве­ли­че­ния пока­за­те­лей анти­кор­ро­зий­ной устой­чи­во­сти, а так­же В (0,01), при­во­дя­щие к измель­че­нию зер­на. Все леги­ру­ю­щие ком­по­нен­ты име­ют раз­ную рас­тво­ри­мость и при этом вли­я­ют на изме­не­ние тем­пе­ра­ту­ры пре­вра­ще­ния. Сто­ит отме­тить, что алю­ми­ний, кис­ло­род и азот намно­го пред­по­чти­тель­нее рас­тво­ря­ют­ся в a-Ti, повы­ше­ние тем­пе­ра­ту­ры наблю­да­ет­ся по мере повы­ше­ния их кон­цен­тра­ции. В конеч­ном ито­ге это при­во­дит к рас­ши­ре­нию обла­сти а-моди­фи­ка­ции. Эти эле­мен­ты назы­ва­ют а-ста­би­ли­за­то­ра­ми. Sn и Zr отлич­но рас­тво­ря­ют­ся в обе­их алло­тро­пи­че­ских вари­а­ци­ях тита­на, при этом ока­зы­ва­ют лишь незна­чи­тель­ное вли­я­ние на тем­пе­ра­ту­ру a/b-пре­вра­ще­ния. Их при­ня­то пози­ци­о­ни­ро­вать в каче­стве ней­траль­ных упроч­ни­те­лей. Осталь­ная мас­са доба­вок, при­ме­ня­е­мых к про­мыш­лен­ным спла­вам, намно­го луч­ше рас­тво­ря­ет­ся в b-Ti, высту­пая в каче­стве b-ста­би­ли­за­то­ра, сни­жа­ю­ще­го тем­пе­ра­ту­ру про­цес­са поли­морф­но­го пре­вра­ще­ния тита­на. Рас­тво­ри­мость их меня­ет­ся с изме­не­ни­я­ми пока­за­те­лей тем­пе­ра­ту­ры, что дает воз­мож­ность кон­тро­ли­ру­е­мо упроч­нять спла­вы, в соста­ве кото­рых при­сут­ству­ют эти эле­мен­ты, посред­ством тех­но­ло­гии закал­ки и искус­ствен­но­го ста­ре­ния.

титан

При обра­бот­ке тита­на нель­зя не брать во вни­ма­ние поли­мор­физ­мы и спо­соб­ность к обра­зо­ва­нию рас­тво­ров с повы­шен­ной твер­до­стью, а так­же хими­че­ские соеди­не­ния, в состав кото­рых вхо­дят мно­гие эле­мен­ты диа­грам­мы. Тита­но­вые спла­вы по сво­ей при­ро­де очень раз­но­об­раз­ны. При­ме­ча­тель­но, что во всех про­мыш­лен­ных тита­но­вых спла­вах кон­цен­тра­ция леги­ру­ю­щих веществ не выхо­дит за рам­ки твер­дых рас­тво­ров на базе a-Ti и b-Ti, при этом зача­стую метал­лид­ные фазы не наблю­да­ют­ся.

Сто­ит обра­тить вни­ма­ние, что в неле­ги­ро­ван­ном титане и во всех его спла­вах с а-ста­би­ли­за­то­ра­ми, а так­же ней­траль­ны­ми добав­ка­ми, повы­ша­ю­щих проч­ность, не пред­став­ля­ет­ся воз­мож­ным зафик­си­ро­вать высо­ко­тем­пе­ра­тур­ную b-моди­фи­ка­цию посред­ством обра­бот­ки мате­ри­а­ла закал­ке из-за при­сут­ствия мар­тен­сит­но­го пре­об­ра­зо­ва­ния. В резуль­та­те имен­но это­го пре­об­ра­зо­ва­ния обра­зу­ет­ся вто­рич­ная а-фаза иголь­ча­той фор­мы. Что каса­тель­но b-ста­би­ли­зи­ро­ван­ных спла­вов, то в зави­си­мо­сти от сте­пе­ни кон­цен­тра­ции появ­ля­ет­ся воз­мож­ность фик­си­ро­вать любое зна­че­ние b-фазы вплоть до отмет­ки в 100%.  При­ме­ча­тель­но, что на сплош­ную b-струк­ту­ру могут зака­ли­вать­ся все­воз­мож­ные двой­ные спла­вы, кото­рые содер­жат в сво­ем соста­ве не менее 4% Fe, 7% Mn, 7% Cr, 10% Mo, 14% V, 35% Nb, 50% Ta. При­ве­ден­ные выше про­пор­ции кон­цен­тра­ции мож­но пози­ци­о­ни­ро­вать как кри­ти­че­ские. Если гово­рить о зака­лен­ных спла­вах докри­ти­че­ско­го и кри­ти­че­ско­го соста­ва, то b-фаза явля­ет­ся наи­ме­нее ста­биль­ной и при про­ве­де­нии даль­ней­шей обра­бот­ки при низ­ких тем­пе­ра­ту­рах, то есть так назы­ва­е­мом ста­ре­нии, она попро­сту рас­па­да­ет­ся, вызы­вая обра­зо­ва­ние дис­перс­ных веществ вто­рич­ной а-фазы. Имен­но в ходе такой обра­бот­ки тита­но­вые спла­вы и ста­но­вят­ся мак­си­маль­но проч­ны­ми. В ситу­а­ции со спла­ва­ми закри­ти­че­ско­го соста­ва b-фаза устой­чи­ва и ста­биль­на, поэто­му ника­ко­го эффек­та упроч­не­ния не про­ис­хо­дит.

b28e1868-a24a-4fe3-8011-245eb635849b

В насто­я­щее вре­мя при­ня­то делить все суще­ству­ю­щие тита­но­вые спла­вы на 3 груп­пы по типу их хими­че­ской струк­ту­ры. К кате­го­рии спла­вов на осно­ве а-струк­ту­ры отно­сят Al, Sn и Zr. Так­же этот спи­сок допол­ня­ют спла­вы с мини­маль­ным содер­жа­ни­ем b-ста­би­ли­за­то­ров. Так как в соста­ве этих спла­вов прак­ти­че­ски пол­но­стью отсут­ству­ет b-фаза или же при­сут­ству­ет в мини­маль­ных коли­че­ствах, упроч­не­ние спла­ва не про­ис­хо­дит при дли­тель­ной тер­ми­че­ской обра­бот­ке. Имен­но поэто­му их отно­сят к кате­го­рии спла­вов сред­ней проч­но­сти. При­ме­ча­тель­но, что листо­вая штам­пов­ка тита­но­вых листо­вых спла­вов может быть реа­ли­зо­ва­на толь­ко на горя­чую. Сре­ди пре­иму­ществ тита­но­вых а-спла­вов мож­но выде­лить высо­кие пока­за­те­ли сва­ри­ва­е­мо­сти, отлич­ные пока­за­те­ли пре­де­ла пол­зу­че­сти, а так­же пре­вос­ход­ные литей­ные харак­те­ри­сти­ки. Все эти каче­ства осо­бен­но важ­ны для фасон­но­го литья. Мало­ле­ги­ро­ван­ные а-спла­вы, а так­же тех­ни­че­ский титан, кото­рый так­же отно­сит­ся к этой кате­го­рии, име­ют пре­дел проч­но­сти менее 700 Мн/м2, поэто­му отлич­но под­да­ют­ся штам­пов­ке даже на холод­ную. Наи­бо­лее рас­про­стра­нен­ной и мно­го­чис­лен­ной груп­пой тита­но­вых спла­вов явля­ют­ся двух­фаз­ные a+b-сплавы. Они извест­ны сво­ей высо­кой тех­ни­че­ской пла­стич­но­стью по срав­не­нию с a-спла­ва­ми. Кро­ме это­го они могут дости­гать пре­дель­но высо­ких пока­за­те­лей проч­но­сти после про­ве­де­ния тер­ми­че­ской обра­бот­ки. В конеч­ном ито­ге у них так­же воз­рас­та­ет и пока­за­тель жаро­проч­но­сти. Не лише­ны двух­фаз­ные спла­вы тита­на и недо­стат­ков, к кото­рым в первую оче­редь сто­ит отне­сти низ­кий уро­вень сва­ри­ва­е­мо­сти, посколь­ку в обла­сти непо­сред­ствен­но­го тер­ми­че­ско­го вли­я­ния могут появ­лять­ся хруп­кие участ­ки и тре­щи­ны. Что­бы избе­жать это­го явле­ния при­хо­дит­ся после свар­ки дета­лей про­из­во­дить повтор­ную тер­ми­че­скую обра­бот­ку изде­лия. Что каса­тель­но спла­вов b-струк­ту­ры, то они обла­да­ют наи­бо­лее высо­кой тех­но­ло­ги­че­ской пла­стич­но­стью, а так­же отлич­но под­хо­дят для листо­вой штам­пов­ки на холод­ную. При обра­бот­ке тако­го вида спла­вов мето­дом искус­ствен­но­го ста­ре­ния они ста­но­вят­ся намно­го проч­нее. Сва­ри­ва­ют­ся эти спла­вы доволь­но хоро­шо, одна­ко в даль­ней­шем свар­ные места нель­зя под­вер­гать тер­ми­че­ской обра­бот­ке, так как это зна­чи­тель­но осла­бит проч­ность свар­но­го шва. Сре­ди недо­стат­ков тита­но­вых b-спла­вов мож­но отме­тить рабо­чую тем­пе­ра­ту­ру все­го до 300 гра­ду­сов по Цель­сию. Если на дан­ный вид спла­вов будет воз­дей­ство­вать боль­шая тем­пе­ра­ту­ра, то от это­го они ста­нут очень хруп­ки­ми.