Какие бывают типы литых титановых сплавов, их свойства и дефекты?

Литейные титановые сплавы подразделяются по микроструктуре после отжига на типы α, α+β и β. К их полезным свойствам относятся низкая плотность, высокая удельная прочность и коррозионная стойкость, тогда как литейные характеристики определяются текучестью расплава, усадкой при затвердевании и реакционной способностью. В данном руководстве приводится сравнение групп материалов, состава и механических свойств перечисленных марок, а также рассмотрены типичные дефекты литья.

Свойства литых титановых сплавов

Титан сочетает в себе низкую плотность, высокую прочность, хорошую вязкость, немагнитные свойства, высокую температуру плавления, низкий коэффициент теплового расширения, а также высокую стойкость к коррозии и биологическому воздействию. Литейные титановые сплавы, как правило, обладают следующими десятью характеристиками.

1. Низкая плотность, высокая прочность и высокая удельная прочность

Плотность титана составляет 4,51 г/см³, что составляет примерно 57% от прочности стали. Он весит чуть меньше, чем в два раза больше, чем алюминий, но может быть примерно в три раза прочнее. В представленном здесь сравнении удельная прочность титановых сплавов примерно в 3,5 раза превышает показатель нержавеющей стали, в 1,3 раза — алюминиевых сплавов и в 1,7 раза — магниевых сплавов. Это делает их важными конструкционными материалами для применения в аэрокосмической отрасли.

2. Превосходная коррозионная стойкость

Пассивность титана зависит от его оксидной пленки. Его коррозионная стойкость значительно выше в окислительных средах, чем в восстановительных, где может происходить быстрая коррозия. Титан устойчив к воздействию таких сред, как морская вода, влажный хлор, растворы хлоритов и гипохлоритов, азотная кислота, хромовая кислота, хлориды металлов, сульфиды и органические кислоты.

3. Хорошая термостойкость

Алюминий, как правило, теряет свои исходные эксплуатационные характеристики при температуре около 150 °C, а нержавеющая сталь — при около 310 °C, в то время как титановые сплавы способны сохранять полезные механические свойства при температуре около 500 °C. При скорости около 2,7 Маха температура поверхности самолета может достигать 230 °C, при которой алюминиевые и магниевые сплавы могут стать непригодными. Титановые сплавы используются в дисках и лопастях компрессоров авиационных двигателей, а также в обшивке задней части фюзеляжа.

4. Хорошие эксплуатационные характеристики при низких температурах

У некоторых титановых сплавов, таких как Ti-5Al-2,5Sn ELI, прочность увеличивается с понижением температуры, тогда как пластичность снижается лишь незначительно. Их низкотемпературная пластичность и ударная вязкость позволяют использовать эти сплавы в ракетных двигателях, работающих на жидком водороде и жидком кислороде, а также в криогенных сосудах и резервуарах для пилотируемых космических аппаратов.

5. Немагнитные свойства

Титан не обладает магнитными свойствами. При использовании в корпусах подводных лодок он не вызывает срабатывание магнитных мин.

6. Низкая теплопроводность

Теплопроводность титана составляет примерно одну пятую от теплопроводности стали, одну тринадцатую от теплопроводности алюминия и одну двадцать пятую от теплопроводности меди. Низкая теплопроводность является недостатком в некоторых областях применения.

7. Низкий модуль упругости

Модуль упругости титана составляет примерно 55% от модуля упругости стали. При использовании в конструкциях этот относительно низкий модуль упругости может стать недостатком.

8. Предел прочности при растяжении и предел текучести близки

В приведённом примере с Ti-6Al-4V предел прочности при растяжении составляет 960 МПа, а предел текучести — 892 МПа, разница между ними составляет всего 68 МПа.

9. Титан легко окисляется при высоких температурах

Титан обладает высокой склонностью к взаимодействию с водородом и кислородом, поэтому необходимо контролировать процессы окисления и поглощения водорода. При сварке требуется защита аргоном. Титановые трубы и листы подвергаются термообработке в вакууме, тогда как титановые поковки требуют тщательного контроля слабоокисляющей атмосферы в печи.

10. Низкая амортизирующая способность

Если колокола одинаковой формы и размера изготовлены из титана, меди и стали и ударяются с одинаковой силой, то титановый колокол звучит дольше. Энергия удара рассеивается медленно, что свидетельствует о низкой демпфирующей способности.

Классификация литых титановых сплавов

12 марок литейного титана, приведенных ниже, сгруппированы по микроструктуре после отжига. Обозначение «ZT» используется для обозначения литейного титана в китайской системе обозначений. Ссылки на китайские национальные стандарты: GB/T 6614-2014, Отливки из титана и титановых сплавов, а также GB/T 15073-2014, Литой титан и титановые сплавы.

Химический состав литого титана и титановых сплавов

Приведенная ниже таблица химического состава соответствует стандарту GB/T 6614-2014; указанные в ней предельные значения применимы к представленным здесь маркам и состояниям отливок.

Примечания: К прочим элементам относятся микроэлементы, естественным образом присутствующие в процессе литья титана; как правило, к ним относятся Al, V, Sn, Mo, Cr, Mn, Zr, Ni, Cu, Si, Nb и Y, за исключением целенаправленно добавленных легирующих элементов в данной марки. Предельные значения содержания отдельных элементов и их суммарное содержание анализируются только по требованию заказчика.

Механические свойства литого титана и титановых сплавов

Приведенная ниже таблица состава и механических свойств соответствует стандарту GB/T 15073-2014; указанные в ней значения не являются универсальными предельными значениями для всех титановых литых изделий.

1. α-титановые сплавы. Структура отжига состоит исключительно из α-фазы. Эти материалы обладают хорошей структурной стабильностью при высоких температурах и составляют основу жаропрочных титановых сплавов, хотя их прочность при комнатной температуре невысока. Коммерчески чистый титан также относится к α-материалам.
2. Титановые сплавы α+β. В отжигаемой структуре присутствуют α- и β-фазы. Эти сплавы можно упрочнить термической обработкой; они обладают относительно высокой прочностью и хорошей термостойкостью при температурах 400–450 °C. При более высоких температурах их структурная стабильность и свариваемость уступают показателям α-сплавов.
3. β-титановые сплавы. Структура после отжига представляет собой β-фазу. Закалка и отпуск позволяют добиться высоких механических характеристик.

α-литейные титановые сплавы

Отливки из коммерчески чистого титана

К литьям из коммерчески чистого титана относятся ZTA1 (китайский сорт литейного титана CP), ZTA2 (китайский сорт литейного титана CP) и ZTA3 (китайский сорт литейного титана CP). Первый из этих сортов имеет наименьшее содержание примесей и, следовательно, более высокую пластичность, но меньшую прочность. Третий сорт содержит больше примесей и, следовательно, обладает более высокой прочностью, но меньшей пластичностью. Структура в литом состоянии полностью состоит из α-фазы с крупными зернами Видманштеттена; в результате отжига образуется равноосная структура.

Характеристики литья напоминают характеристики чистого металла. Текучесть хорошая, рассеянная усадка ограничена, могут образовываться очаги концентрированной усадки, а вероятность образования горячих трещин мала. Литья из титана CP обладают умеренной прочностью, хорошей пластичностью, а также хорошей литейной обрабатываемостью, коррозионной стойкостью и свариваемостью. Они могут эксплуатироваться в течение длительного времени при температуре 300 °C.

Литой титановый сплав Ti-5Al-2.5Sn

Литой титановый сплав Ti-5Al-2,5Sn представляет собой однофазный α-сплав средней прочности, содержащий алюминий 5% в качестве стабилизатора α-фазы и олово 2,5% в качестве нейтрального элемента. Он обладает хорошей прочностью при повышенных температурах и свариваемостью плавлением. Он не поддаётся упрочнению термической обработкой и обычно используется в отожженном состоянии. Пластичность при обработке относительно низкая, поэтому для формовки листов требуется нагрев.

Области применения включают корпуса и панели. Согласно данным, этот сплав выдерживает длительную эксплуатацию при температурах до 500 °C и кратковременную — до 800 °C.

Литой титан Ti-0.2Pd

Литой титан Ti-0,2Pd — это коррозионно-стойкий материал α-типа, получаемый путем добавления небольшого количества палладия к коммерчески чистому титану. Палладий повышает коррозионную стойкость как в восстановительных, так и в окислительных средах. В горячих концентрированных хлоридных средах этот литой материал отличается особенно высокой стойкостью к щелевой коррозии.

Литой титан Ti-0,2Pd имеет сферу применения, аналогичную литьям из коммерчески чистого титана, но стоит дороже из-за добавки палладия, поэтому его выбирают в тех случаях, когда коммерчески чистый титан не может удовлетворить эксплуатационные требования. Области применения включают среды с разбавленными растворами соляной, серной и фосфорной кислот; титановое оборудование, устойчивое к щелевой коррозии; кожухотрубные теплообменники; текстильные форсунки; фланцевые вкладыши на заводах по производству ацетальдегида; а также фланцы, соединения и другие детали, подверженные щелевой коррозии.

Литой титановый сплав Ti-0.3Mo-0.8Ni

Литой титановый сплав Ti-0,3Mo-0,8Ni представляет собой коррозионно-стойкий сплав, близкий к α-фазе, разработанный для улучшения характеристик чистого титана в отношении щелевой коррозии. Содержание 0,3% Mo и 0,8% Ni упрочняет сплав и повышает его стойкость к воздействию горячих хлоридных сред с низким pH и слабовосстановительных кислот. Сообщаемая коррозионная стойкость этого сплава значительно превосходит аналогичный показатель чистого титана и близка к показателю литейного титанового сплава Ti-0,2Pd. Кроме того, он обладает хорошей технологической пластичностью и свариваемостью и широко применяется в химической промышленности.

Литой титановый сплав Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V

Указанный состав этого высокоалюминиевого сплава, близкого к α-типу, составляет 6,58% Al и 1,46% Mo. Он сочетает в себе высокотемпературную прочность и свариваемость α-сплавов с технологической пластичностью, приближающейся к показателям α+β-сплавов. Сообщаемая продолжительность эксплуатации при температуре 500 °C составляет 3 000 ч, с кратковременным воздействием температур до 800 °C в течение не более 5 мин. При температуре 450 °C заявленный срок службы достигает 6 000 ч.

Области применения включают конструкционные и сварные несущие детали, эксплуатируемые при температурах ниже 500 °C, лопатки и корпуса двигателей, листовые детали самолетов, балки, соединения, крупные панели, сварные несущие каркасы, другие сварные конструкции и отливки.

Литой титановый сплав Ti-4Al-2V

Литой титановый сплав Ti-4Al-2V обладает хорошими механическими свойствами как при комнатной, так и при высоких температурах, а также обладает усталостной прочностью, сопротивлением распространению трещин, ударной вязкостью и коррозионной стойкостью в различных средах. Он поддается сварке и может подвергаться горячей или холодной обработке.

Области применения включают корпуса ракет и корпуса ракетных двигателей; диски компрессоров самолетов, лопатки, прокладки, защитные экраны, обшивку, ребра жесткости, перемычки, крылья, балки, горизонтальные стабилизаторы, втулки роторов, шасси, опорные балки и ступицы колес; морские судна на подводных крыльях, силовое оборудование и боеприпасы; а также лопатки паровых турбин, диски осевых и радиальных компрессоров, коррозионно-стойкие пружины и шатуны двигателей внутреннего сгорания.

Титановые сплавы α+β, полученные литьем

Литой титановый сплав Ti-6Al-4V

Литой титановый сплав Ti-6Al-4V считается одним из самых ранних и наиболее широко используемых титановых сплавов. Алюминий упрочняет α-фазу за счет образования твёрдого раствора и повышает прочность как при комнатной температуре, так и при высоких температурах. Ванадий повышает прочность и улучшает пластичность. Он также препятствует образованию α-фазы₂ упорядоченной фазы, что снижает риск долгосрочного охрупчивания.

Данный сплав сочетает в себе широкий диапазон механических характеристик с хорошими технологическими свойствами и сверхпластичностью. Он поддается формовке различными методами штамповки и сварке различными способами. К распространенным видам полуфабрикатов относятся прутки, поковки, тонколистовой и толстолистовой прокат, профили и проволока. В основном он используется в отожженном состоянии, но также может подвергаться термической обработке в растворе и старению.

В аэрокосмической отрасли этот материал используется для изготовления балок и каркасов самолетов, рельсов, балок шасси, дисков и лопаток вентиляторов и компрессоров, корпусов ракет, сосудов под давлением и крепежных элементов. Замена конструкционной стали 30CrMnSiA позволяет снизить вес деталей примерно на 30%. В гражданской промышленности она применяется для изготовления лопаток газотурбин, судовых винтов, морских буровых платформ, коррозионно-стойких насосов, медицинских имплантатов и спортивных товаров. Нелитой Ti-6Al-4V также используется для изготовления автомобильных рам, коленчатых валов, шатунов, болтов, впускных клапанов и пружин подвески.

Литой титановый сплав Ti-6Al-4.5Sn-2Nb-1.5Mo

Данный сплав сочетает в себе высокую прочность, высокую вязкость, устойчивость к повреждениям и свариваемость, а также способен эксплуатироваться в течение длительного времени при температурах ниже 500 °C. Описанные области применения включают конструкционные детали для аэрокосмической и гражданской отраслей; в качестве основных видов полуфабрикатов также указаны прутки, поковки и толстая листовая сталь. Эти виды кованых изделий отличаются от литых материалов, рассматриваемых в данном разделе.

β-титановые литейные сплавы

Титановый сплав Ti-32Mo Beta Cast обладает очень высокой коррозионной стойкостью и поддается сварке различными методами, однако он не считается поддающимся термообработке с целью упрочнения. Высокое содержание молибдена затрудняет плавку и повышает плотность до 5,69 г/см³, снижает модуль упругости и при нагревании на воздухе до температуры выше 500 °C подвергается сильному окислению. Поэтому этот материал используется в основном для изготовления литых насосов, клапанов и аналогичных деталей, подвергающихся воздействию сильных кислот.

Характеристики литья и типичные дефекты

Легирующие элементы, как правило, расширяют диапазон температур затвердевания и снижают текучесть. Однако увеличение содержания алюминия повышает теплоту кристаллизации и может улучшить текучесть. Добавление 10% Al по массе повышает теплоту кристаллизации с 327 Дж/г до 435 Дж/г. Титановый сплав Ti-32Mo для бета-литья содержит молибден 31%-35%, имеет широкий интервал затвердевания и плохую текучесть, поэтому не подходит для изготовления тонкостенных отливок.

Объем концентрированных усадочных пустот в коммерчески чистом титане составляет около 1%. При содержании легирующих элементов 10% по массе объемная доля концентрированных усадочных пустот составляет около 0,5%–1,5%. В сплавах с широким диапазоном затвердевания усадочные пустоты, образующиеся в процессе затвердевания, могут заполняться газом из оставшейся жидкой фазы, в результате чего возникают газовые усадочные пустоты. Отливки из титановых сплавов имеют сильную склонность к образованию этого дефекта. Рассеянная усадочная пористость также увеличивается по мере расширения диапазона затвердевания.

Линейное усадка коммерчески чистого титана составляет 1,0%–1,1%. Усадка титановых сплавов увеличивается с ростом содержания алюминия. Низкий модуль упругости и коэффициент теплового расширения в сочетании с относительно высокой прочностью при повышенных температурах обеспечивают титановым сплавам хорошую стойкость к горячему растрескиванию. Поверхностные холодные трещины связаны с реакциями между расплавленным титаном и формой во время разливки или с реакциями с газообразными примесями на поверхности отливки и в зазорах, в результате чего образуется хрупкий, обогащённый кислородом α-слой. В этом хрупком поверхностном слое легко возникают холодные трещины.