Общее описание
Титан наряду с железом и алюминием входит в базовую «тройку» промышленных и конструкторских металлов. В сегодняшней статье рассказываем, какие существуют разновидности титановых сплавов, где, почему и как именно они применяются.
Авиация и ракетная техника, нефте- и газодобывающая промышленность, машино- и кораблестроение, военная, ядерная и химическая промышленность, строительство, медицина и печатное дело – далеко не полный перечень тех областей, где титан играет значительную роль. В черной и цветной металлургии его сплавы нужны для коксохимических, ферросплавных, кобальто-никелевых, сталеплавильных производств.
Что изготавливают из титана и его сплавов
- детали обшивки подводных лодок, морских и речных судов, подводных и глубоководных аппаратов, лопастей и корпусов двигателей;
- конструктивные элементы, высоконагрузные узлы, сложные пространственные конфигурации для космических кораблей, самолетов, спутников, летательных аппаратов – не зря титан называют «крылатым» металлом реактивной и ракетной техники;
- медицинские инструменты, приспособления, протезы, как внешние, так и внутренние (пластины, суставы, зубные имплантаты и пр.);
- профессиональный спортивный инвентарь;
- установки, оборудование для пищевой и фармацевтической промышленности, поскольку титан отвечает самым серьезным санитарно-гигиеническим требованиям.
В целом же замена стали титановыми сплавами позволила в некоторых конструкциях и деталях (авиа и морских) выиграть в весе до 20-30 %.
Передовые отечественные производители титана
Россия богата титановыми месторождениями – наши запасы составляют 12,5 % от общемировых. А отечественное предприятие «ВСМПО-Ависма» считается крупнейшим производителем титана в мире. Активное развитие космической и авиационной отрасли, медицины и военного дела обусловили возросшие потребности мировой и российской промышленности в различных по характеристикам и показателям титановых сплавах.
Главное учреждение, которое занимается разработкой титановых сплавов, это ВИАМ (Всероссийский Институт Авиационных Материалов). Их сплавы маркируются буквами «ВТ», они самые популярные и распространенные. Маркировка «ОТ» означает «Опытный титан», и это общая разработка ВИАМа с ВСМПО.
Какие качества титана и титановых сплавов обусловили их высокую востребованность в промышленности
- механические свойства, превосходящие лучшие сорта стали (удельная прочность, в том числе);
- коррозионная стойкость, включая агрессивные среды (равняется благородным металлам);
- долговечность;
- легковесность;
- низкий термический коэффициент линейного расширения, что обуславливает малое термическое напряжение;
- парамагнетизм.
Как получают титановые сплавы
В промышленном производстве используются различные сплавы титана. Их получают путем легирования металла алюминием, ванадием, медью, цинком, молибденом, марганцем, хромом, цирконом, оловом и прочими металлами и минералами. Некоторые примеси – такие как кислород, водород, азот – называют примесями внедрения, в то время как кремний и железо выступают примесями замещения.
Примеси внедрения особо негативно сказываются на пластичности, даже малые проценты (десятые и сотые доли) азота, водорода или кислорода почти на 100 % снижают способность к пластическому деформированию титана, он хрупко разрушается. Поэтому содержание газов в сплавах прописано отдельно – и это мизерные пропорции: в сплаве повышенной пластичности ВТ1-00 кислорода должно быть не более 0,1 %, азота – 0,04 %, а водорода всего 0,008 %. И подобное ограничение по газам касается всех сплавов, высоко- или среднепрочных.
Таким образом, для каждой легирующей добавки предполагается свое максимальное процентное содержание. А содержание газов в сплавах, как уже говорилось выше, очень строго лимитировано. К примеру, у Al (алюминия) предел составляет 8 %, у V (ванадия) – 16 %, железа или вольфрама – 5 %, а молибдена так и вообще допускается добавлять до 30 % от общей массы сплава.
Об алюминии (α–стабилизаторе) для легирования следует сказать отдельно. Это компонент, который имеет самое важное практическое значение, так как считается базовой добавкой фактически для всех промышленных титановых сплавов, повышая их модуль упругости, прочность и уменьшая плотность, склонность к водородной хрупкости.
Микродобавкой, улучшающей коррозионную стойкость, считается палладий (всего 0,2 %). Бор в концентрации 0,01 % применяется для измельчения зерна. Разнообразие добавок для легирования определяет и характеристики полученных сплавов, отличающихся химическими, механическими и физическими свойствами. Как правило, добавки имеют целью повышение коррозионной стойкости, жаропрочности, прочности.
Многочисленные ГОСТы четко регулируют количество и объем тех или иных добавок (например, 17746–79 или 19807–91). Они устанавливают минимальное содержание чистого титана и максимальное – по легирующим минералам и металлам. Если взять для сравнения очень популярный высокопрочный сплав ВТ3-1, то Al здесь должно быть от 5,5 до 7 %, Mo от 2 до 3 %, циркона – до 0,5 %, хрома от 0,8 до 2 % и в аналогичных пределах по всем остальным добавкам.
Титан – химически активный металл, но его отличает высокая коррозионная стойкость. На поверхности металла образуется стойкая пассивная пленка TiO2. Она связана самым прочным образом с основным металлом и не позволяет ему напрямую контактировать с коррозионной средой. Толщина этой пленки обычно достигает 5–6 нм, и она защищает металл от неблагоприятных внешних факторов. Поэтому сплавы титана не корродируют в атмосфере, пресной или соленой воде, органических кислотах. Также они противостоят кавитационной коррозии и коррозии под напряжением. Сплавы имеют более высокую прочность относительно технического титана, лучше ведут себя при высоких температурах, сохраняя пластичность и стойкость к коррозии.
Сплавы из титана хорошо штампуются (объемная и листовая штамповка), волочатся, прокатываются, прессуются, куются, легко свариваются аргонодуговой и контактной сваркой. Помимо стандартной термической обработки (закалки и старения), титановым сплавам подходит термомеханическая обработка (закалка из-под штампа с последующим старением), изотермическая деформация (медленная штамповка в штампах, нагретых до температуры деформации).
Классификация титановых сплавов
Конфигурация кристаллических решеток – вот критерий, определяющий свойства конечной продукции. Легирующие компоненты стабилизируют конфигурацию решетки в нескольких состояниях:
- α-состояние (когда в качестве добавок используют алюминий, олово, цирконий). Сплавы характеризует высокая жидкотекучесть, превосходная свариваемость, низкий предел застывания и литейные свойства (ценно для фасонного литья). Термическая обработка не требуется.
- β-состояние. У таких сплавов максимальная технологическая пластичность, высокое противостояние ползучести, после старения они становятся очень прочными. Способность к холодной механической обработке. Но если превысить предельную рабочую температуру (около 300°C), то большинство сплавов группы становятся хрупкими.
- Смешанное (α + β) – самая многочисленная группа промышленных сплавов с очень хорошими характеристиками технологической пластичности. Также они могут термически обрабатываться до высочайшей прочности и жаропрочности. Единственный вопрос – они хуже свариваются. И для предотвращения этого им нужна особая термическая обработка после сварки. Сплавы с α + β структурой считаются наиболее прочными, пластичными, у них высокие показатели трещиностойкости, ресурса и надежности.
Также сплавы можно разделить на конструкционные, жаропрочные и основывающиеся на химических соединениях. Если ориентироваться на технологию производства, то сплавы бывают литейными и деформируемыми. Когда критерием выступают механические свойства, то сплавы делятся на невысокой, средней и высокой прочности. При этом класс невысокой прочности отличает повышенная пластичность. Жаропрочные, хладостойкие, антикоррозионные – градация проводится по условиям окружающей среды. Есть еще упрочняемые и неупрочняемые сплавы.
Какие виды обработки применяются для титановых сплавов
- Отжиг, чтобы завершить формирование структуры и выровнять механические свойства.
- Упрочняющая термообработка (закалка и старение).
- Химико-термическая обработка (диффузионная металлизация, силицирование, азотирование). Этот финальный этап нужен для повышения износостойкости, коррозионной стойкости, твердости, жаростойкости, жаропрочности, стойкости к «схватыванию» при работе в условиях трения, усталостной прочности.
Деформируемые титановые сплавы
Сплавы повышенной пластичности при невысокой прочности ВТ1-00, ВТ1-0, ОТ4-0, ОТ4-1, АТ3 и пр. с пределом прочности около 700 МПа. Отличительная особенность данной группы сплавов – высокая пластичность и в холодном, и в горячем состоянии. Поэтому из них получают любые виды полуфабрикатов – это профили, фольга, трубы, проволока, лента, нить, круги, листы, плиты, прутки, штамповки, профили и пр. Прокатка таких сплавов, ковка, штамповка, прессование выполняются в горячем состоянии при определенных температурных режимах для каждого вида полуфабрикатов и марок.
Для сравнения, ковка слитков марки ВТ1-00 осуществляется при температуре от 1050 в начале до 750°C в конце, марки ОТ4-0 – от 1050 до 750°C, а ВТ22 – от 1180 до 850°C в конце. Листовая штамповка же требует для ВТ1-00 температурного промежутка 550 – 600°C, ОТ4-0 – 550-700°C, ВТ22 – 700-900°C. При этом финальная листовая штамповка, прокатка, волочение выполняются в холодном состоянии.
Точно также и отжиг требует строгого соблюдения температурных условий. Для титановых сплавов повышенной пластичности используют неполный отжиг, чтобы снять внутреннее напряжение из-за механической обработки. Для их сваривания лучше всего подходит метод аргонодуговой либо контактной сварки – точечной и роликовой. Так пластичность и прочность сварного соединения не уступают самому металлу.
Ввиду разнообразия полуфабрикатов, производимых из сплавов повышенной пластичности, очень широка и область их применения. Это и авиационная, космическая, криогенная техника, химическая промышленность и пр. Точно также отлично сплавы зарекомендовали себя в агрегатах, узлах и конструкциях, функционирующих при температуре до 350°C. Сплавы повышенной пластичности стойки к коррозии в морской воде, щелочах, кислотах, хлоридах, за исключением некоторых растворов.
Титановые сплавы средней прочности (предел прочности от 750 до 1000 МПа)
К ним относят марки ВТ5, ВТ5-1, ВТ20, ОТ4, ПТ3В, ВТ6, ВТ6С, ВТ14 в отожженном состоянии. Причем ОТ4, ВТ5, ВТ5-1, ВТ20 и ПТ3В не подвергают упрочняющей термообработке, а вот ВТ6С можно применять в термически упрочненном состоянии. ВТ6 и ВТ14 применяют и в отожженном, и в термически упрощенном состоянии, когда за счет увеличения прочности выше 1000 МПа они относятся к разделу высокопрочных сплавов.
Среднепрочные сплавы также отличает достаточная прочность и хорошая пластичность во всех состояниях – горячем и холодном. Поэтому из них производят широкий спектр разнообразных полуфабрикатов – трубы, профили, штамповки, листы, ленту, поковки. Единственный сплав, из которого не делают листы и ленту – ВТ5 (из-за его небольшой технологической пластичности). Температурные режимы горячей обработки давлением в среднем возрастают на 50-200°C по сравнению со сплавами невысокой прочности. К примеру, режим ковки слитков для марок ВТ6 и ВТ6С начинается при 1100°C и заканчивается при 850°C, штамповка на прессе для ВТ6 выполняется в температурном промежутке между 950°C и 750°C, а штамповка на молоте для этой же марки – при 970-800°C.
Машиностроение – главная отрасль, которая потребляет всё разнообразие среднепрочных сплавов. Детали из сплавов отлично зарекомендовали себя в условиях высокого трения, высоких и низких температур. Их используют для несущих конструкций или ходовой части авто (ВТ6, ВТ5, ОТ4 и т. д.). Плюс такие титановые сплавы идут на красильно-отделочное оборудование, теплообменники, центрифуги, сепараторы, расфасовочные или упаковочные линии, для нужд пищевой, легкой, химической промышленности. Из ВТ6С делают емкости и сосуды высокого давления. ВТ5 и ОТ4 долго работают при температуре 400°C, кратковременно при 750°C. ОТ4 и ВТ6С отлично проявили себя в криогенной и холодильной технике.
Высокопрочные титановые сплавы
Их предел прочности более 1000 МПа, это сплавы ВТ6, ВТ6С, ВТ14, ВТ3-1, получаемые за счет упрочняющей термообработки. ВТ22 имеет такой предел уже в отожженном состоянии. Из высокопрочных сплавов производят прутки, листы, плиты, профили, штамповки, поковки. Только из ВТ3-1 не делают листы. ВТ6 часто называют универсальным сплавом с возможностью многоцелевого применения. Из него производят широкий перечень полуфабрикатов (лопаток, листов, катаных прутков, штамповок, лопаток и дисков, раскатных колец).
Высокопрочные сплавы – это вершина конструкторской мысли; самые надежные и износостойкие сплавы ответственного назначения, используемые для космической, авиационной и судоходной отрасли – там, где требования к качеству и параметрам изделий наиболее жесткие. И именно титановые прочные сплавы показывают себя наилучшим образом в космосе, под водой и высоко в воздухе (особенно в силовых конструкциях).
Высокопрочные титановые сплавы оптимальны также для болтов, креплений, винтов – любых деталей крепежа. Например, отожженный пруток марки ВТ16 с пределом прочности примерно 850 МПа после холодного деформирования становится болтом с гарантированным пределом более 1000 МПа. Плюс такая технология в несколько раз дешевле горячей высадки головок болта.
Что касается полуфабрикатов, то марки ВТ5-1, ВТ6С, ВТ20, ОТ4-0, ОТ4-1, ОТ4, ВТ14, ВТ15 относятся к группе свариваемых сплавов в основном для листов. Марки ВТ5, ВТ6, ВТ14, ВТ16, ВТ22 подходят для штамповки, ВТЗ-1, ВТ8, ВТ9, ВТ18 – это жаропрочные сплавы для штамповки, ВТ22 – для массивных нагруженных штамповок. Собственно, из любых жаропрочных сплавов изготавливают различные детали компрессоров газотрубных двигателей, ВТ6С идет на баллоны высокого давления, ВТ16 – на болты.
Вне зависимости от марки титанового сплава, все они чрезвычайно важны для успешной хозяйственной деятельности и развития промышленности.
