Какие бывают типы титановых сплавов, виды термической обработки и области применения?

Титан и титановые сплавы превосходят алюминий и алюминиевые сплавы по прочности, термостойкости и коррозионной стойкости. Они широко используются в авиации, аэрокосмической промышленности, химической промышленности, ракетной технике и судостроении. Однако при высоких температурах титан становится чрезвычайно реакционноспособным. Поэтому плавка, разливка, сварка и термообработка должны осуществляться в вакууме или в инертной атмосфере. Эти строгие условия обработки и высокая стоимость ограничивают более широкое применение.

Титан коммерческой чистоты

Титан — это серебристо-белый металл с температурой плавления 1 680 °C и плотностью 4,5 г/см³. Он тяжелее алюминия, но легче стали. Его прочность примерно в шесть раз превышает прочность алюминия, что обеспечивает ему высокую удельную прочность. Титан также обладает высокой пластичностью, хорошей термостойкостью и низким коэффициентом теплового расширения, благодаря чему термические напряжения при эксплуатации в условиях высоких температур или горячей обработке остаются относительно низкими.

Титан обладает превосходной коррозионной стойкостью в серной, соляной и азотной кислотах, гидроксиде натрия и других щелочных растворах, во влажной среде и в морской воде. Он не устойчив к воздействию фтористоводородной кислоты. Титан устойчив в атмосфере, поскольку на его поверхности образуется плотная оксидная пленка, сохраняющая его металлический блеск. Однако при температуре выше 600 °C эта пленка теряет свои защитные свойства.

Титан имеет две аллотропные формы. При температуре ниже 882,5 °C стабильной структурой является α-Ti с гексагональной плотноупакованной решёткой. В диапазоне от 882,5 °C до температуры плавления стабильной структурой является β-Ti с объемно-центрированной кубической решёткой.

Коммерчески чистый титан (CP-титан) подразделяется на различные марки в зависимости от допустимого содержания интерстициальных элементов и примесей. Эти примеси влияют на прочность, пластичность и коррозионную стойкость. К распространённым маркам в системе ASTM относятся марки 1, 2, 3 и 4, причём в источнике указывается, что марка 2 является одной из наиболее широко используемых марок для общепромышленных применений. Данное заявление описывает международную систему классификации коммерчески чистого титана и не устанавливает однозначного соответствия с китайскими марками коммерчески чистого титана.

Титан марки CP сочетает в себе хорошую коррозионную стойкость с умеренной прочностью. Он подходит для изготовления деталей, которые не требуют очень высокой прочности, но должны обладать коррозионной стойкостью, в том числе обшивки и конструкций самолетов, оборудования для химической переработки, реакторов, теплообменников и оборудования для опреснения морской воды.

Титан марки CP, как правило, не поддается упрочнению с помощью обычной термической обработки. Холодная обработка позволяет повысить его прочность. Основными видами термической обработки являются отжиг рекристаллизации и отжиг снятия напряжений, которые восстанавливают пластичность, снижают остаточные напряжения и повышают стабильность размеров.

Состав, микроструктура, классификация и обозначения

Легирующие элементы

Легирующие элементы добавляют в титан для повышения прочности. Элементы, растворённые в α-Ti, образуют α-твердый раствор, а элементы, растворённые в β-Ti, — β-твердый раствор. Алюминий, углерод, азот, кислород и бор повышают температуру аллотропного превращения α/β и называются α-стабилизирующими элементами. Железо, молибден, магний, хром, марганец и ванадий понижают температуру превращения и называются β-стабилизирующими элементами. Олово и цирконий практически не влияют на температуру превращения и рассматриваются как нейтральные элементы.

Классы микроструктур

В зависимости от микроструктуры в рабочем состоянии или после отжига титановые сплавы подразделяются на α-сплавы, β-сплавы, (α+β)-сплавы и почти-α-сплавы, содержащие небольшое количество β-фазы. В китайской системе обозначений сплавов для этих трёх основных групп сплавов используются префиксы TA, TB и TC, за которыми следует число. По эксплуатационным характеристикам титановые сплавы также можно классифицировать как низко-, средне- или высокопрочные сплавы.

Термическая обработка титановых сплавов

Отжиг для снятия напряжений

Отжиг для снятия внутренних напряжений устраняет внутренние напряжения, возникающие в результате механической обработки или сварки. В источнике указаны типовые параметры: температура от 450 до 650 °C, время выдержки от 1 до 4 часов и охлаждение на воздухе.

Отжиг рекристаллизации

Отжиг рекристаллизации устраняет упрочнение от деформации. Типичные температуры составляют от 550 до 690 °C для чистого титана и от 750 до 800 °C для титановых сплавов; время выдержки составляет от 1 до 3 ч, после чего следует охлаждение на воздухе.

Закалка и старение

Закалка и старение повышают прочность и твердость сплава. α-титановые сплавы, как правило, не подвергаются закалке и старению. Для β-сплавов и (α+β)-сплавов, содержащих относительно высокие доли стабилизирующих элементов, температура закалки обычно выбирается в верхней части области двухфазного состояния α+β. В источнике указаны температуры от 760 до 950 °C, время выдержки от 5 до 60 мин и водяное охлаждение.

После закалки часть α-фазы сохраняется, тогда как β-фаза становится метастабильной. В процессе старения дисперсная α-фаза выпадает в осадок из метастабильной β-фазы, повышая прочность и твердость. Микроструктура закалённого и выдержанного Ti-6Al-4V содержит блочные α+β и игольчатые α. При нагреве необходимо предотвратить загрязнение, окисление и перегрев. Если зерна β чрезмерно разрослись, термообработка не может восстановить первоначальный размер зерен.

Распространенные типы титановых сплавов и области их применения

Альфа-титановые сплавы

α-титановые сплавы состоят исключительно из α-твердого раствора и поэтому обладают хорошей вязкостью и пластичностью. Их можно подвергать холодной обработке с получением полуфабрикатов, таких как листы и прутки. Их микроструктура стабильна при высоких температурах, при этом они обладают хорошей стойкостью к окислению и прочностью в горячем состоянии. При температурах от 500 до 600 °C их прочность является самой высокой среди трёх основных классов титановых сплавов, хотя их прочность при комнатной температуре, как правило, ниже, чем у β- и (α+β)-сплавов. Типичным представителем этого класса является сплав Ti-5Al-2,5Sn, применяемый для изготовления топливных баков ракет и корпусов турбин сверхзвуковых самолетов.

Бета-титановые сплавы

Титановые сплавы с полностью β-фазой редко используются в промышленности из-за их относительно высокой плотности, низкой термостойкости и слабой стойкости к окислению. При температурах выше 700 °C они легко загрязняются примесными газами из атмосферы, а процесс их производства является сложным. Однако кубическая решётка с центрированными атомами обеспечивает хорошую пластичность, что привело к разработке метастабильных β-титановых сплавов. Типичным представителем таких сплавов является Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al. Обычно он применяется при температурах ниже 350 °C для сильно нагруженных вращающихся деталей, таких как лопатки компрессоров, валы и диски.

Титановые сплавы серии «Альфа-Бета»

(α+β) титановые сплавы сочетают в себе преимущества α- и β-сплавов. Они обладают хорошей термостойкостью и пластичностью, могут быть упрочнены термической обработкой и относительно просты в производстве. Ti-6Al-4V — наиболее широко используемый сплав в этой группе. Он подходит для изготовления деталей двигателей, требующих прочности при повышенных температурах до 400 °C, а также для деталей топливных баков с жидким водородом, используемых при низких температурах в ракетах и ракетных снарядах.

Типичными примерами таких деталей являются турбокомпрессоры для автомобильных двигателей из титановых сплавов и прецизионно кованые лопатки для авиационных двигателей.

Типичные составы, свойства и области применения