Титановые сплавы: классификация, свойства, прочность, маркировка

Титан широко распространен на земле. После Al, Fe и Mg он занимает четвертое место из присутствующих металлов в земной коре и является девятым элементом по распространенности на Земле. Титановые сплавы (ТС) обладают уникальным спектром свойств, благодаря сочетанию высокой прочности и жесткости, ударной вязкости и аникоррозионности, что обеспечивает широкий спектр применения для работы в средах, как с низкими, так и высокими температурами, позволяя снизить вес аэрокосмических конструкций и узлов крупногабаритной техники.

Содержание

• 1 Общая характеристика свойств титана и его сплавов
• 2 Классификация групп
• 3 Высокопрочные конструкционные ТС
• 4 Жаропрочные Ti-сплавы
• 5 Химические сплавы
• 6 Маркировка титановых сплавов
• 7 Производство титана и его сплавов
• 8 Область применения
• 9 Нюансы термообработки титановых сплавов

Общая характеристика свойств титана и его сплавов

Атомный вес Ti составляет 47. 88. Он является упруго жестким,  около 115 ГПа модуля Юнга, прочным, легким, устойчивым к коррозионным процессам. Ti и титановые сплавы обладают пределом прочности на разрыв в диапазоне 210-1380 МПа, что приближается к пределу прочности, характерному для многих сложных сталей.

Он имеет чрезвычайно низкую плотность примерно 60.0% от плотности Fe. Его можно упрочнить путем легирования растворенным веществом. Ti немагнитен и обладает отличными теплообменными способностями. Одним из его важных свойств титановых сплавов — высокая Т плавления – 1725.0 C, то есть почти на 200 C больше, чем у стали, и на 1000 C – чем у Al.

Ti пассивирован, и, следовательно, его сплавы имеют высокую степень устойчивости к воздействию большинства минеральных кислот. Он нетоксичен и совместим с биологическими тканями и минералами. Превосходная коррозионная устойчивость и биосовместимость совместно с превосходной прочностью сделали их полезными для химической промышленности и биоматериалов.  Ti не является хорошим проводником электротока. Если проводимость Cu принять за 100.0%, то у Ti будет  только 3.1%, из этого следует, что он довольно хороший резистор.

Слиток титана

Классификация групп

Сплавы Ti подразделяют на следующие группы:

1. Высокопрочные конструкционные — твердые растворы, с оптимальным соотношением прочностных характеристик и пластичности.
2. Жаропрочные титановые сплавы — твердые растворы с необходимым количеством присадок, обеспечивающих стойкость в зонах с высокими температурами при незначительном снижении пластичности.
3. ТС на базе химического соединения, способных конкурировать со сплавами Ni в определенном интервале температур.

Высокопрочные конструкционные ТС

Высокопрочные сплавы – ВТ-14, ВТ-22, ВТ-23, ВТ-15 (1000.0-1500.0 МПа).

ВТ-22 – свариваемый ТС с высокими прочностными характеристиками и прокаливаемостью. Он нашел широкое применение при изготовлении отечественных самолетов: Ил-76/ 86/ 96, Ан-72/ 74/124/224/148, Як-42, МиГ-29 и других. Из данного ТС изготовляются крупногабаритные детали для внутреннего силового набора, узлов шасси и сварных узлов, например, траверс и балок тележек основных шасси.

ВТ- 22И, полученный высокотехнологичным методом изотермического деформирования в условиях сверхпластичности, может обеспечить выпуск тонкостенных деталей сложной конфигурации и гарантирует надежную сварку титановых сплавов. Высокий и стабильный уровень механических свойств достигается однородной мелкозернистой структурой, что снижает трудоемкость мехобработки деталей на 35–40%.

Трубы из титанового сплава для теплообменников

Жаропрочные Ti-сплавы

Жаропрочные титановые сплавы – ВТ3 1, ВТ8-1,ВТ-9, ВТ8М-1, ВТ-18, ВТ-25 (1000.0-1500.0МПа).

ВТ8-1, ВТ8М-1 — эти марки титановых сплавов отличаются жаропрочностью, стойкостью от трещин и стабильностью при Т 400-550С. Они имеют низкую чувствительность к местным напряжениям и используются для авиационных двигателей, имеющих большой ресурс работы.

Отечественный сплав ВТ-25 с прочностным показателем до 1150. 0 МПа, значительно превосходит зарубежные аналоги, обладает самыми высокими свойствами при Т до 550.0С.

ВТ-18 обладает самыми прочными свойствами при Т до 600.0С – лучший среди отечественных сплавов, используемых в промышленности.

Химические сплавы

Интерметаллические (химические) титановые сплавы основаны на так называемой интерметаллической фазе. Технический интерес представляют TiAl, Ti3Al, Al3Ti и Ti2AlNb. Свойства интерметаллидов находятся между керамикой и металлами.
TiAl – жаропрочные титановые сплавы, демонстрируют превосходные свойства, такие как жаропрочность, стойкость к окислению и ползучести, низкую плотность и высокую усталостную прочность. При этом TiAl демонстрирует низкую пластичность. Это необходимо учитывать при проектировании компонентов, и это является основным препятствием для широкого использования во многих приложениях.

ТС используется для выпуска поковки, заготовки, пластины и листы из TiAl. Также доступны сложные отливки, потому что он применяется для некоторых высокотемпературных компонентов практически чистой формы. TiAl представляет интерес для таких применений, как лопасти реактивного двигателя, колеса компрессора для турбонагнетателей, автомобильных клапанов и другие жаростойких компонентов. Для высокотемпературного применения, требующего небольшого веса, это хорошая альтернатива суперсплавам до 850 C.

Маркировка титановых сплавов

Существуют две кристаллографические формы титана,  учитывающихся при маркировке:

• Альфа-титан, в котором атомы расположены в кристаллической решетке;
• бета-титан, в котором атомы расположены в кристаллической решетке с кубическим телом (BCC).

Чистый титан существует в форме альфа-фазы при температуре выше 883 C и в форме бета-фазы при температуре ниже 883 C.Температура аллотропического превращения альфа-титана в бета-титан называется температурой бета-трансуса.

Легирующие элементы в ТС могут стабилизировать либо альфа-фазу, либо бета-фазу сплава.

Алюминий (Al), галлий (Ga), азот (N), кислород (O) стабилизируют альфа-фазу.

Молибден (Mo), ванадий (V), вольфрам (W), тантал (Ta), кремний (Si) стабилизируют вета-фазу.

Титановые сплавы подразделяются на четыре группы по фазовому составу:

1. Коммерчески чистые и низколегированные ТС. Он состоит из зерен-фазы и дисперсных сфероидных частиц бета-фазы. Небольшие количества железа, присутствующие в сплавах, стабилизируют бета-фазу и обладает относительно низкой механической прочностью и хорошей коррозионной стойкостью.
2. Титановые альфа сплавы состоят исключительно из альфа-фазы. Они содержат алюминий в качестве основного легирующего элемента, стабилизирующего альфа-фазу. Они имеют хорошую вязкость разрушения и сопротивление ползучести в сочетании с умеренной механической прочностью, которая сохраняется при повышенных температурах. Такие ТС легко свариваются, но их работоспособность в горячем состоянии оставляет желать лучшего.
3. Титановые альфа-бета сплавы, содержат 4-6% стабилизаторов вета-фазы, поэтому они состоят из смеси обеих фаз. Сплавы альфа-вета подвергаются термообработке. Они имеют высокую механическую прочность и хорошую горячую форму. Сопротивление ползучести таких ТС ниже, чем у альфа-сплавов.
4. Титановые бета-сплавы богаты вета-фазой. Они содержат значительное количество вета-фазных стабилизаторов, термически обрабатываемыедо очень высокой прочности и имеют хорошую форму в горячем состоянии. Пластичность и усталостная прочность этих ТС в условиях термообработки низкие.

Титановые сплавы обозначаются согласно их составам:

• Ti-5Al-2.5Sn идентифицирует титановый сплав, содержащий 5% алюминия и 2,5% олова.
• Ti-6Al-4V идентифицирует Ti-сплав, содержащий 6% алюминия и 4% ванадия.

Параллельно этой системе обозначений существуют и другие системы обозначения титановых сплавов (ASTM, IMI, военная система).

Производство титана и его сплавов

Титан производится с использованием процесса Kroll. Основные стадии включают извлечение, очистку, производство губки, создание сплава, а также формование. В начале выплавки производитель получает титановые концентраты с рудников. Хотя рутил можно использовать в его естественной форме, ильменит обрабатывают для удаления железа, чтобы он содержал не менее 85% диоксида титана. Эти материалы помещаются в реактор с псевдоожиженным слоем вместе с газообразным хлором и углеродом. Материал нагревают до 900 C, и последующая химическая реакция приводит к образованию нечистого тетрахлорида титана (TiCl4) и оксида углерода. Далее различные нежелательные хлориды металлов, которые образуются, должны быть удалены.

Прореагировавший металл помещается в большие дистилляционные емкости и нагревается. На этом этапе примеси отделяются с помощью фракционной перегонки и осаждения. На этом этапе удаляются хлориды металлов, в том числе железо, ванадий, цирконий, кремний и магний.

Очищенный тетрахлорид титана переносится в виде жидкости в реакторную емкость из нержавеющей стали. Затем добавляют магний, и контейнер нагревают до температуры около 1100 C. Аргон закачивается в емкость для удаления воздуха и предотвращает загрязнение сплава кислородом или азотом. Магний реагирует с хлором с образованием жидкого хлорида магния. Это оставляет твердое титановое твердое вещество, так как температура плавления титана выше, чем в реакции.

Твердое титановое вещество удаляют из реактора путем бурения, а затем обрабатывают водой и соляной кислотой для удаления избытка магния. Полученное твердое вещество представляет собой пористый металл, называемый губкой. Чистая титановая губка может быть преобразована в пригодный для использования сплав с помощью дуговой печи с расходуемым электродом. В этот момент губка смешивается с различными добавками сплава. Точное соотношение материала губки к сплаву формулируется в лаборатории до производства. Затем эту массу прессуют в компакты и сваривают вместе, образуя губчатый электрод.

Губчатый электрод помещают в вакуумно-дуговую печь для плавления. В этом охлаждаемом водой медном контейнере электрическая дуга используется для плавления губчатого электрода с образованием слитка. Весь воздух в контейнере либо удаляется (образуя вакуум), либо атмосфера заполняется аргоном для предотвращения загрязнения.

После изготовления слитка его вынимают из печи и проверяют на наличие дефектов. Поверхность может быть кондиционирована по требованию заказчика. Затем слиток отправляется покупателю готовой продукции, где он может быть измельчен и изготовлен в различные продукты.

Производство титана

Область применения

Титановый сплав, который имеет высокую коррозионную стойкость, высокую удельную прочность и хорошую термостойкость, используется для различных частей космического корабля, включая наружную оболочку топливного бака и крылья. Сочетая легкий вес с высокой прочностью, титан помогает усилить планеры и повысить производительность реактивных двигателей. В случае космического челнока, титан используется для многих критических частей, включая наружные панели топливного бака и детали крыла.

В самолетах используется большое количество титанового сплава, потому что он легкий и чрезвычайно прочный при высоких температурах.

ТС применяется для укрепления каркасной конструкции и способствует техническому прогрессу реактивных двигателей.

Титановые сплавы применение:

• Установки для сжиженного природного газа;
• установки опреснения морской воды;
• нефтеперерабатывающие заводы;
• атомные электростанции;
• автоцистерны для химических реагентов, потому что ТС легок, устойчив к коррозии, и чрезвычайно сильный;
• теплообменники, которые используются в экстремальных условиях высокой температуры и высокого давления;
• биомедицинские приложения.

Огромными преимуществами титана являются его высокое отношение прочности к весу и антикоррозионность. В сочетании с нетоксичным состоянием и способностью эффективно противостоять коррозии от биологических жидкостей титан стал базовым металлом для имплантата в области медицины, со сроком службы более 20 лет.

Еще одним преимуществом Ti для применения в медицинской отрасли является его неферромагнитное свойство, позволяющее безопасно обследовать больных с применением МРТ и ЯМР.

Титановый протез сустава

Нюансы термообработки титановых сплавов

В настоящее время из-за растущего спроса на титан и его сплавы с улучшенными физическими и химическими свойствами многие исследователи проявляют большой интерес к улучшению процессов обработки под воздействием температуры для получения новых видов сплавов.

ТС подвергаются термообработке для достижения следующего:

1. Снятие напряжения, чтобы уменьшить остаточные явления, возникающие в процессе изготовления.
2. Отжиг для достижения оптимального сочетания пластичности, обрабатываемости, стабильности размеров и структурной устойчивости.
3. Обработка раствора и старение, для увеличения прочности.

Комбинации процессов используются для оптимизации свойств и получения других преимуществ, таких как:

• Вязкости разрушения;
• предела выносливости;
• высокой температуры ползучести;
• стойкости к преимущественному химическому воздействию;
• предотвращение искажения;
• подготовки ковки для последующих операций формования и изготовления.

Термическая обработка титановых сплавов ее типы:

1. Снятие напряжения. С ТС снимается стресс, без отрицательного влияния на прочность или пластичность. Процесс ковки происходит при температуре от 595 до 705 C в течение до двух часов с последующим воздушным охлаждением. Это уменьшает нежелательные остаточные напряжения, которые могут возникнуть в процессе ковки.
2. Отжиг, который обычноприменяется для ковки заготовок, не является полным отжигом и может оставить следы холодной или теплой обработки. Дуплексный и триплексный отжиг используются для улучшения сопротивления ползучести и вязкости разрушения.
3. Обработка раствора и старение. Этот процесс состоит из нагрева сплава до определенной температуры, закалки с контролируемой скоростью в масле, воздухе или воде и старении. Выдержка состоит из повторного нагревания до температуры от 425 до 650 C в течение примерно двух часов. Этот процесс развивает более сильные стороны, чем другие.

Таким образом, Ti -сплавы обладают огромным потенциалом для выбора дизайнером «материала будущего» из-за его уникального сочетания металлургических свойств, таких как высокое отношение прочности к весу в диапазоне температур от минус до 540 C. В этом отношении его базовые сплавы превосходят все обычные конструкционные материалы, что позволяет применять их в самых важных процессах.

Титановые сплавы: классификация, свойства, прочность, маркировка

Титан широко распространен на земле. После Al, Fe и Mg он занимает четвертое место из присутствующих металлов в земной коре и является девятым элементом по распространенности на Земле. Титановые сплавы (ТС) обладают уникальным спектром свойств, благодаря сочетанию высокой прочности и жесткости, ударной вязкости и аникоррозионности, что обеспечивает широкий спектр применения для работы в средах, как с низкими, так и высокими температурами, позволяя снизить вес аэрокосмических конструкций и узлов крупногабаритной техники.

Общая характеристика свойств титана и его сплавов

Атомный вес Ti составляет 47.88. Он является упруго жестким, около 115 ГПа модуля Юнга, прочным, легким, устойчивым к коррозионным процессам. Ti и титановые сплавы обладают пределом прочности на разрыв в диапазоне 210-1380 МПа, что приближается к пределу прочности, характерному для многих сложных сталей.

Он имеет чрезвычайно низкую плотность примерно 60.0% от плотности Fe. Его можно упрочнить путем легирования растворенным веществом. Ti немагнитен и обладает отличными теплообменными способностями. Одним из его важных свойств титановых сплавов — высокая Т плавления – 1725.0 C, то есть почти на 200 C больше, чем у стали, и на 1000 C – чем у Al.

Ti пассивирован, и, следовательно, его сплавы имеют высокую степень устойчивости к воздействию большинства минеральных кислот. Он нетоксичен и совместим с биологическими тканями и минералами. Превосходная коррозионная устойчивость и биосовместимость совместно с превосходной прочностью сделали их полезными для химической промышленности и биоматериалов. Ti не является хорошим проводником электротока. Если проводимость Cu принять за 100.0%, то у Ti будет только 3.1%, из этого следует, что он довольно хороший резистор.

Слиток титана

Характеристики титана

В таблице Менделеева Титан (Ti) можно найти под номером 22. Этот металл и его сплавы являются четырехвалентными. Кипение достигается при температуре +3330 °С, а плавление при +1168 °С.

Выделяют два вида титана, которые имеют идентичный химический состав при разном строении. Это обуславливает отличия в их свойствах. Низкотемпературная α-модификация сохраняет устойчивость только до температуры +882,5 °С, β-модификация может выдерживать большую температуру и сохраняет устойчивость до температуры плавления.

Титан и его сплавы парамагнитны. Удельное электросопротивление этого материала достаточно высоко 5.562*10-7–7.837*10-7 Ом/м. Он отличается низкой восприимчивостью температуры при нагревании. В случае снижения температуры до 0,45 К, титан становится проводником. Сталь и титан внешне очень похожи.

Если сравнивать титан с алюминием или железом, то его плотность и удельная теплоемкость находятся где-то посередине. Зато он обладает высокой механической прочностью, превосходя в этом параметре алюминий в 6 раз, а чистое железо в 13 раз. Данный материал может быть представлен в любой форме: листами, плитами, трубами и прутками.

Механические и технические свойства титана и его сплавов, а также их химический состав определяются маркой материала. В его состав могут входить следующие элементы:

• алюминий;
• молибден;
• ванадий;
• марганец;
• хром;
• олово;
• кремний;
• цирконий;
• железо.

Классификация групп

Сплавы Ti подразделяют на следующие группы:

1. Высокопрочные конструкционные — твердые растворы, с оптимальным соотношением прочностных характеристик и пластичности.
2. Жаропрочные титановые сплавы — твердые растворы с необходимым количеством присадок, обеспечивающих стойкость в зонах с высокими температурами при незначительном снижении пластичности.
3. ТС на базе химического соединения, способных конкурировать со сплавами Ni в определенном интервале температур.

Виды сплавов

Титановые сплавы можно разделить на три большие группы:

1. Соединения на основе химических соединений. Представители этой группы имеют жаропрочную структуру и низкую плотность. Снижение плотности напрямую влияет на снижение веса материала. Такие сплавы используют при изготовлении деталей для автомобилей, каркасов для летательных аппаратов и корпусов для кораблей.
2. Жаропрочные сплавы с низкой плотностью. Это аналог соединений с никелем, но с меньшей ценой. В зависимости от химического состава меняется устойчивость сплава титана к высоким температурам.
3. Конструкционные — высокопрочные соединения, которые легко поддаются обработке благодаря высокому показателю пластичности. Из этих сплавов изготавливаются детали, которые устанавливаются в оборудовании, работающим с большими нагрузками.

При производстве титановых сплавов используется официальная маркировка, которая указывает на то, с какими металлами он соединён.

Высокопрочные конструкционные ТС

Высокопрочные сплавы – ВТ-14, ВТ-22, ВТ-23, ВТ-15 (1000. 0-1500.0 МПа).

ВТ-22 – свариваемый ТС с высокими прочностными характеристиками и прокаливаемостью. Он нашел широкое применение при изготовлении отечественных самолетов: Ил-76/ 86/ 96, Ан-72/ 74/124/224/148, Як-42, МиГ-29 и других. Из данного ТС изготовляются крупногабаритные детали для внутреннего силового набора, узлов шасси и сварных узлов, например, траверс и балок тележек основных шасси.

ВТ- 22И, полученный высокотехнологичным методом изотермического деформирования в условиях сверхпластичности, может обеспечить выпуск тонкостенных деталей сложной конфигурации и гарантирует надежную сварку титановых сплавов. Высокий и стабильный уровень механических свойств достигается однородной мелкозернистой структурой, что снижает трудоемкость мехобработки деталей на 35–40%.

Трубы из титанового сплава для теплообменников

Жаропрочные Ti-сплавы

Жаропрочные титановые сплавы – ВТ3 1, ВТ8-1,ВТ-9, ВТ8М-1, ВТ-18, ВТ-25 (1000.0-1500.0МПа).

ВТ8-1, ВТ8М-1 — эти марки титановых сплавов отличаются жаропрочностью, стойкостью от трещин и стабильностью при Т 400-550С. Они имеют низкую чувствительность к местным напряжениям и используются для авиационных двигателей, имеющих большой ресурс работы.

Отечественный сплав ВТ-25 с прочностным показателем до 1150.0 МПа, значительно превосходит зарубежные аналоги, обладает самыми высокими свойствами при Т до 550.0С.

ВТ-18 обладает самыми прочными свойствами при Т до 600.0С – лучший среди отечественных сплавов, используемых в промышленности.

Маркировка

Кроме упомянутого общего разделения, сплавам из титана присваивается специальная маркировка, которая соответствует составу и параметрам конкретного титан-материала. Технические марки ВТ1-1, ВТ1-0, ВТ1-00 содержат титан от 99,3 до 99,9%:

Разновидность титанового сплава, называемая титановой губкой (ТГ), может производиться одной из следующих маркировок: ТГ-90, ТГ-110, ТГ-150, ТГ-120, ТГ-Тв, ТГ-130, ТГ-100.

Литейные титановые виды имеют маркировки ВТ20Л, ВТ21Л, ВТ14Л, ВТ9Л, ВТ6Л, ВТ1Л, ВТ3-1Л, ВТ5Л (ВТ — высокопрочный титан, Л — литейный).

Химические сплавы

Интерметаллические (химические) титановые сплавы основаны на так называемой интерметаллической фазе. Технический интерес представляют TiAl, Ti3Al, Al3Ti и Ti2AlNb. Свойства интерметаллидов находятся между керамикой и металлами. TiAl – жаропрочные титановые сплавы, демонстрируют превосходные свойства, такие как жаропрочность, стойкость к окислению и ползучести, низкую плотность и высокую усталостную прочность. При этом TiAl демонстрирует низкую пластичность. Это необходимо учитывать при проектировании компонентов, и это является основным препятствием для широкого использования во многих приложениях.

ТС используется для выпуска поковки, заготовки, пластины и листы из TiAl. Также доступны сложные отливки, потому что он применяется для некоторых высокотемпературных компонентов практически чистой формы. TiAl представляет интерес для таких применений, как лопасти реактивного двигателя, колеса компрессора для турбонагнетателей, автомобильных клапанов и другие жаростойких компонентов. Для высокотемпературного применения, требующего небольшого веса, это хорошая альтернатива суперсплавам до 850 C.

Интерметаллические сплавы титана

Сегодня увеличивается потребность в принципиально новых конструкционных материалах. Например, упрочненные жаропрочные сплавы уже не могут в полной мере удовлетворить требованиям авиакосмической техники. Из интерметаллических сплавов титана наиболее широкое применение нашли:

никелиды Ti₂Ni, TiNi, TiNi₃. Наиболее известен нитинол — сплав титана и никеля, который обладает высокой стойкостью к коррозии и эрозии, свойством памяти формы;

силициды Ti₃Si, Ti₅Si₃, Ti₅Si₄, TiSi и TiSi₂. Хотя кремний считается вредной примесью, но он способен повышать жаропрочность и жаростойкость благодаря ограниченной растворимости;

бориды TiB₂. При сильном нагревании титан взаимодействует с элементарным бором и образует очень твердые сплавы, которые востребованы для защиты автомобильных деталей и механизмов аппаратов от абразивного износа, в металлургии в составе напыляемых порошков, в атомной промышленности для производства нейронопоглощающих экранов и боропластов, а также как компонент испарителей алюминия;

алюминиды Ti₂Al, TiAl и TiAl₃. Среди преимуществ можно выделить высокую температуру плавления, упругость, низкую плотность, возрастание предела текучести с повышением температуры, устойчивость к окислению и возгоранию, жаропрочность. Используют для изготовления аэрокосмических деталей нового поколения, в транспортном машиностроении, в газо- и нефтеперерабатывающих установках химпромышленности, а также в атомном машиностроении.

Маркировка титановых сплавов

Существуют две кристаллографические формы титана, учитывающихся при маркировке:

• Альфа-титан, в котором атомы расположены в кристаллической решетке;
• бета-титан, в котором атомы расположены в кристаллической решетке с кубическим телом (BCC).

Чистый титан существует в форме альфа-фазы при температуре выше 883 C и в форме бета-фазы при температуре ниже 883 C.Температура аллотропического превращения альфа-титана в бета-титан называется температурой бета-трансуса. Легирующие элементы в ТС могут стабилизировать либо альфа-фазу, либо бета-фазу сплава.

Алюминий (Al), галлий (Ga), азот (N), кислород (O) стабилизируют альфа-фазу.

Молибден (Mo), ванадий (V), вольфрам (W), тантал (Ta), кремний (Si) стабилизируют вета-фазу.

Титановые сплавы подразделяются на четыре группы по фазовому составу:

1. Коммерчески чистые и низколегированные ТС. Он состоит из зерен-фазы и дисперсных сфероидных частиц бета-фазы. Небольшие количества железа, присутствующие в сплавах, стабилизируют бета-фазу и обладает относительно низкой механической прочностью и хорошей коррозионной стойкостью.
2. Титановые альфа сплавы состоят исключительно из альфа-фазы. Они содержат алюминий в качестве основного легирующего элемента, стабилизирующего альфа-фазу. Они имеют хорошую вязкость разрушения и сопротивление ползучести в сочетании с умеренной механической прочностью, которая сохраняется при повышенных температурах. Такие ТС легко свариваются, но их работоспособность в горячем состоянии оставляет желать лучшего.
3. Титановые альфа-бета сплавы, содержат 4-6% стабилизаторов вета-фазы, поэтому они состоят из смеси обеих фаз. Сплавы альфа-вета подвергаются термообработке. Они имеют высокую механическую прочность и хорошую горячую форму. Сопротивление ползучести таких ТС ниже, чем у альфа-сплавов.
4. Титановые бета-сплавы богаты вета-фазой. Они содержат значительное количество вета-фазных стабилизаторов, термически обрабатываемыедо очень высокой прочности и имеют хорошую форму в горячем состоянии. Пластичность и усталостная прочность этих ТС в условиях термообработки низкие.

Титановые сплавы обозначаются согласно их составам:

• Ti-5Al-2.5Sn идентифицирует титановый сплав, содержащий 5% алюминия и 2,5% олова.
• Ti-6Al-4V идентифицирует Ti-сплав, содержащий 6% алюминия и 4% ванадия.

Параллельно этой системе обозначений существуют и другие системы обозначения титановых сплавов (ASTM, IMI, военная система).

Сфера применения титана

Сплавы на основе титана нашли широкое применение в металлургии, а том числе и в роли легирующего элемента в производстве жаростойких и нержавеющих сталей. Также Ti добавляют в медь, алюминий, никель с целью повышения прочности последних. Двуокись титана применяется в производстве сварочных электродов, четыреххлористый Ti используется в военном деле для организации дымовых завес. В радиотехнике и электротехнике применяется порошкообразный титан в роли поглотителя газов. В ряде случаев Ti является незаменимым в судостроении и промышленности – из него производятся детали, использующиеся для работы с агрессивными жидкостями, в коррозионно активных средах, при анодировании различных деталей. Также титан используется в производстве элементов для гальванических ванн, гидрометаллургических аппаратов и многого другого.
1 Февраля 2021

Производство титана и его сплавов

Титан производится с использованием процесса Kroll. Основные стадии включают извлечение, очистку, производство губки, создание сплава, а также формование. В начале выплавки производитель получает титановые концентраты с рудников. Хотя рутил можно использовать в его естественной форме, ильменит обрабатывают для удаления железа, чтобы он содержал не менее 85% диоксида титана. Эти материалы помещаются в реактор с псевдоожиженным слоем вместе с газообразным хлором и углеродом. Материал нагревают до 900 C, и последующая химическая реакция приводит к образованию нечистого тетрахлорида титана (TiCl4) и оксида углерода. Далее различные нежелательные хлориды металлов, которые образуются, должны быть удалены.

Прореагировавший металл помещается в большие дистилляционные емкости и нагревается. На этом этапе примеси отделяются с помощью фракционной перегонки и осаждения. На этом этапе удаляются хлориды металлов, в том числе железо, ванадий, цирконий, кремний и магний.

Очищенный тетрахлорид титана переносится в виде жидкости в реакторную емкость из нержавеющей стали. Затем добавляют магний, и контейнер нагревают до температуры около 1100 C. Аргон закачивается в емкость для удаления воздуха и предотвращает загрязнение сплава кислородом или азотом. Магний реагирует с хлором с образованием жидкого хлорида магния. Это оставляет твердое титановое твердое вещество, так как температура плавления титана выше, чем в реакции.

Твердое титановое вещество удаляют из реактора путем бурения, а затем обрабатывают водой и соляной кислотой для удаления избытка магния. Полученное твердое вещество представляет собой пористый металл, называемый губкой. Чистая титановая губка может быть преобразована в пригодный для использования сплав с помощью дуговой печи с расходуемым электродом. В этот момент губка смешивается с различными добавками сплава. Точное соотношение материала губки к сплаву формулируется в лаборатории до производства. Затем эту массу прессуют в компакты и сваривают вместе, образуя губчатый электрод.

Губчатый электрод помещают в вакуумно-дуговую печь для плавления. В этом охлаждаемом водой медном контейнере электрическая дуга используется для плавления губчатого электрода с образованием слитка. Весь воздух в контейнере либо удаляется (образуя вакуум), либо атмосфера заполняется аргоном для предотвращения загрязнения.

После изготовления слитка его вынимают из печи и проверяют на наличие дефектов. Поверхность может быть кондиционирована по требованию заказчика. Затем слиток отправляется покупателю готовой продукции, где он может быть измельчен и изготовлен в различные продукты.

Производство титана

Титановая промышленность

В мире имеется порядка одного миллиарда тон подтверждённых запасов титана. Хотя титан бал обнаружен в XVIII веке, в XIX веке был выделен в чистом виде, промышленные обороты производство титана приняло только в XX веке. Титановая промышленность и основные запасы титановых руд сосредоточены в КНР, России, США, Японии, Казахстане и Украине. С сохранением темпов расходования ресурсов титана, запасов Ti хватит ещё примерно на 150 лет. Для наглядности нами приведена сводка по титановой промышленности за 1996-2001 годы.

Титановая промышленность в России набирает обороты, ВСМПО-Ависма является одним из ведущих производителей в этой отрасли. Опыт этого предприятия весьма интересен и наглядно описывается в статье журнала Forbes — «Титаническое производство: как работает крупнейший производитель титана в мире». В этой статье говориться о том, что ВСМПО располагает двумя заводами вблизи Уральского хребта. ТГ — титановая губка производится в Березняках Пермского края, а заготовки в виде слитков и других полуфабрикатов производят в Верхней Следе.

На заводе, где из титана изготавливают детали, работает порядка 100 человек в три смены. Продукция производится по передовым технологиям, с применением дорогостоящих станков и автоматов, стоимость каждого составляет порядка 5 млн $. Станки доставлены из США, с согласия самого президента — Барака Обамы. Продукция заводов пользуется спросом по всему миру. На этом предприятии изготавливают детали для болидов формулы-1, продукции Boeing, Airbus и других.

Область применения

Титановый сплав, который имеет высокую коррозионную стойкость, высокую удельную прочность и хорошую термостойкость, используется для различных частей космического корабля, включая наружную оболочку топливного бака и крылья. Сочетая легкий вес с высокой прочностью, титан помогает усилить планеры и повысить производительность реактивных двигателей. В случае космического челнока, титан используется для многих критических частей, включая наружные панели топливного бака и детали крыла.

В самолетах используется большое количество титанового сплава, потому что он легкий и чрезвычайно прочный при высоких температурах. ТС применяется для укрепления каркасной конструкции и способствует техническому прогрессу реактивных двигателей.

Титановые сплавы применение:

• Установки для сжиженного природного газа;
• установки опреснения морской воды;
• нефтеперерабатывающие заводы;
• атомные электростанции;
• автоцистерны для химических реагентов, потому что ТС легок, устойчив к коррозии, и чрезвычайно сильный;
• теплообменники, которые используются в экстремальных условиях высокой температуры и высокого давления;
• биомедицинские приложения.

Огромными преимуществами титана являются его высокое отношение прочности к весу и антикоррозионность. В сочетании с нетоксичным состоянием и способностью эффективно противостоять коррозии от биологических жидкостей титан стал базовым металлом для имплантата в области медицины, со сроком службы более 20 лет.

Еще одним преимуществом Ti для применения в медицинской отрасли является его неферромагнитное свойство, позволяющее безопасно обследовать больных с применением МРТ и ЯМР.

Титановый протез сустава

Титан и его сплавы

Содержание страницы

• Механические свойства титана.
• Фазовые превращения в титановых сплавах
• Промышленные титановые сплавы.
• Дефармируемые титановые сплавы
• Титановые сплавы невысокой прочности и повышенной пластичности
• Титановые сплавы средней прочности
• Литейные титановые сплавы

Титан по распространенности в земной коре занимает среди конструкционных металлов четвертое место, уступая лишь алюминию, железу и магнию (рис. 1). Титан обладает удельным весом порядка 4500 кг/м³ и довольно высокой температурой плавления, ~1665± 5^оС. Титан – парамагнитный металл.

а                                                                                 б

Рис. 1. Титанит – потенциальный источник титана (а), брусок кристаллического титана (б)

Титан – твердый металл: он в 12 раз твёрже алюминия, в 4 раза — железа и меди. Титан химически стоек. На поверхности титана легко образуется стойкая оксидная пленка

TiO₂, вследствие чего он обладает высокой сопротивляемостью коррозии в пресной и морской воде и в некоторых кислотах, устойчив против коррозии под напряжением. Во влажном воздухе, в морской воде и азотной кислоте он противостоит коррозии не хуже нержавеющей стали, а в соляной кислоте во много раз лучше ее. При температурах выше 500°С титан и его сплавы легко окисляются и поглощают водород, который вызывает охрупчивание (водородная хрупкость).

Титан имеет две полиморфные модификации (рис. 2):

• низкотемпературную модификацию α – Ti, устойчивую до 882°С, (ГП – решетка, а = 0,296 нм, с = 0,472 нм)
• высокотемпературную β – Ti, устойчивую выше 882
  оС (ОЦК – решетка, а= 0,332 нм).

 

Рис. 2. Две полиморфные модификации титана: а – αТi (гексагональная плотноупакованная решётка), б – β-Тi (объёмноцентрированная кристаллическая решётка)

Механические свойства титана.

Примечание. В отличие от мартенсита углеродистых сталей, являющегося раствором внедрения и характеризующегося высокой прочностью и хрупкостью, титановый мартенсит является раствором замещения, и закалка титановых сплавов на мартенсит приводит к небольшому упрочнению и не сопровождается резким снижением пластичности.

Значительное влияние на механические свойства титана оказывают примеси кислорода, водорода, углерода и азота, которые образуют с титаном твердые растворы внедрения и промежуточные фазы: оксиды, гидриды, карбиды и нитриды, повышая его характеристики прочности при одновременном снижении пластичности. Поэтому содержание этих примесей в титане ограничено сотыми и даже тысячными долями процента.

Опасность водородной хрупкости, особенно в напряженных сварных конструкциях ограничивает содержание водорода. В техническом титане оно находится в пределах 0,008 — 0,012%.

Титан обладает высокой прочностью и удельной прочностью и в условиях глубокого холода, сохраняя при этом достаточную пластичность.

	ТоС	+20	-70	-196
	δ, %	20-30	10-5	3-10
	σв, МПа	600-700	800…900	1000…1200

Высокая пластичность титана по сравнению с другими металлами, имеющими ГПУ— решетку (Zn, Mg, Cd), объясняется большим количеством систем скольжения и двойникования (рис. 3) благодаря малому соотношению с/а = 1,587. По-видимому, с этим связана высокая хладостойкость титана и его сплавов.

Рис. 3. Схемы систем скольжения и двойникования

Промышленный способ производства титана состоит в обогащении и хлорировании титановой руды с последующим его восстановлением из четыреххлористого титана металлическим магнием (магнийтермический метод). Полученный этим методом титан губчатый (ГОСТ 17746–79) в зависимости от химического состава и механических свойств выпускают следующих марок: ТГ-90, ТГ-100, ТГ-110, ТГ-120, ТГ-130, ТГ-150, ТГ-Т_В(см. табл.1).

Цифры означают твердость по Бринеллю НВ, Т_В — твердый.

Таблица 1. Марки, химический состав (%) и твердость титана губчатого (ГОСТ 17746–79)

Марка	Ti, не менее	Не более							Твердость НВ, 10/1500/30, не более
		Fe	Si	Ni	C	Cl	N	O
ТГ-90	99,74	0,05	0,01	0,04	0,02	0,08	0,02	0,04	90
ТГ-100	99,72	0,06	0,01	0,04	0,03	0,08	0,02	0,04	100
ТГ110	99,67	0,09	0,02	0,04	0,03	0,08	0,02	0,05	110
ТГ-120	99,64	0,11	0,02	0,04	0,03	0,08	0,02	0,06	120
ТГ-130	99,56	0,13	0,03	0,04	0,03	0,10	0,03	0,08	130
ТГ-150	99,45	0,2	0,03	0,04	0,03	0,12	0,03	0,10	150
ТГ-Тв	99,75	1,9	–	–	0,10	0,15	0,10	–	–

Для получения монолитного титана губка размалывается в порошок, прессуется и спекается или переплавляется в дуговых печах в вакууме или атмосфере инертных газов.

Механические свойства титана характеризуются хорошим сочетанием прочности и пластичности. Например, технически чистый титан марки ВТ1-0 имеет: σ_в = 375–540 МПа, σ_0,2 = 295–410 МПа, δ = 20 %, и по этим характеристикам не уступает ряду углеродистых и Cr—Ni коррозионностойких сталей.

Титан хорошо обрабатывается давлением в горячем состоянии и удовлетворительно в холодном. Он легко прокатывается, куется, штампуется (рис. 4). Титан и его сплавы хорошо свариваются контактной и аргонодуговой сваркой, обеспечивая высокую прочность и пластичность сварного соединения (рис. 5). Недостатком титана является плохая обрабатываемость резанием из-за склонности к налипанию, низкой теплопроводности и плохих антифрикционных свойств.

Рис. 4. Заготовка титанового шпангоута истребителя до и после прессования на штамповочном прессе

Рис. 5. Аргонная сварка титана

Примечание. При сварке титана и его сплавов требуется уделить особое внимание чистоте рабочего места. Для сварочных цехов, где производятся работы с различными металлами, необходимо выделить специальную область, которая будет использоваться специально для сварки титана. Место, отведенное для этого, должно быть защищено от потоков воздуха, влаги, пыли, жира и других загрязнений, которые могут препятствовать качественной сварке. Это место должно быть защищено от воздействия таких процессов, как зачистка, резка и окраска. Кроме того, должна быть под контролем и влажность воздуха.

Фазовые превращения в титановых сплавах

На формирование структуры и, следовательно, свойств титановых сплавов решающее влияние оказывают фазовые превращения, связанные с полиморфизмом титана. В табл.2 представлены схемы диаграмм состояния «титан – легирующий элемент», отражающие подразделение легирующих элементов по характеру влияния на полиморфные превращения титана на четыре группы.

1. α – Стабилизаторы (Al, O, N), которые повышают температуру полиморфного превращения α↔β и расширяют область твердых растворов на основе α –титана. Учитывая охрупчивающее действия азота и кислорода, практическое значение для легирования титана имеет только алюминий. Он является основным легирующим элементом во всех промышленных титановых сплавах, уменьшает их плотность и склонность к водородной хрупкости, а также повышает прочность и модуль упругости. Сплавы с устойчивой α – структурой термической обработкой не упрочняются.
2. Изоморфные β – стабилизаторы (Mo, V, Ni, Ta и др.), которые понижают температуру α↔β превращения и расширяют область твердых растворов на основе β – титана.
3. Эвтектоидообразующие β – стабилизаторы (Cr, Mn, Cu и др. ) могут образовывать с титаном интерметаллиды типа TiХ. В этом случае при охлаждении β – фаза претерпевает эвтектойдное превращение β + TiХ. Большинство β – стабилизаторов повышает прочность, жаропрочность и термическую стабильность титановых сплавов, несколько снижая их пластичность. Кроме того, сплавы с (α + β) и псевдо – β – структурой могут упрочняться термообработкой (закалка + старение).
4. Нейтральные элементы (Zr, Sn) не оказывают существенного влияния на температуру полиморфного превращения и не меняют фазового состава титановых сплавов.

Основной целью легирования титановых сплавов является повышение прочности, жаропрочности и коррозионной стойкости. Широкое применение нашли сплавы титана с алюминием, хромом, молибденом, ванадием, марганцем, оловом и др. элементами. Легирующие элементы оказывают большое влияние на полиморфные превращения титана.

Для титановых сплавов применяют следующие виды термообработки: отжиг, закалка и старение, а также химико-термическая обработка (азотирование, силицирование, оксидирование и др.).

Отжиг проводится для всех титановых сплавов с целью завершения формирования структуры, выравнивания структурной и концентрационной неоднородности, а также механических свойств. Температура отжига должна быть выше температуры рекристаллизации, но ниже температуры перехода в β – состояние во избежание роста зерна. Применяют обычный отжиг, двойной или изотермический (для стабилизации структуры и свойств), неполный (для снятия внутренних напряжений).

Закалка и старение (упрочняющая термообработка) применима к титановым сплавам с (α + β) – структурой. Принцип упрочняющей термообработки заключается в получении при закалке метастабильных фаз β и α с последующем их распаде с выделением дисперсных частиц α и β – фаз при искусственном старении. При этом эффект упрочнения зависит от типа, количества и состава метастабильных фаз, а также дисперсности образовавшихся после старения частиц α и β – фаз.

Химико-термическая обработка проводится для повышения твердости и износостойкости, стойкости к «схватыванию» при работе в условиях трения, усталостной прочности, а также улучшения коррозионной стойкости, жаростойкости и жаропрочности. Практическое применение имеют азотирование, силицирование и некоторые виды диффузионной металлизации.

Таблица 2

Промышленные титановые сплавы.

Титановые сплавы по сравнению с техническим титаном имеют более высокую прочность, в том числе и при высоких температурах, сохраняя при этом достаточно высокую пластичность и коррозионную стойкость.

По технологии изготовления титановые сплавы подразделяются на деформируемые и литейные; по уровню механических свойств — на сплавы невысокой прочности и повышенной пластичности, средней прочности, высокопрочные; по условиям применения — на хладостойкие, жаропрочные, коррозионностойкие. По способности упрочняться термообработкой они делятся на упрочняемые и не упрочняемые, по структуре в отожженном состоянии — на α, псевдо-α, (α + β), псевдо-β и β –сплавы (табл.3).

Таблица 3

Дефармируемые титановые сплавы

Титановые сплавы невысокой прочности и повышенной пластичности

К этой группе относятся сплавы с пределом прочности σ ≥ 700 МПа, а именно: α – сплавы марок ВТ1-00, ВТ1-0 (технический титан) и сплавы ОТ4- 0, ОТ4-1 (система Ti—Al—Mn), АТ3 (система Ti—Al c небольшими добавками Cr, Fe, Si, B), относящиеся к псевдо – α-сплавам с небольшим количеством β-фазы. Характеристики прочности этих сплавов выше, чем чистого титана благодаря примесям в сплавах ВТ1-00 и ВТ1-0 и незначительному легированию α – и β – стабилизаторами в сплавах ОТ4-0, ОТ4-1, АТ3.

Эти сплавы отличаются высокой пластичностью как в горячем, так и в холодном состоянии, что позволяет получать все виды полуфабрикатов: фольгу, ленту, листы, плиты, поковки, штамповки, профили, трубы и т. п. (рис. 6).

Рис. 6. Изделия из титановых сплавов

Ковка, объемная и листовая штамповка, прокатка, прессование производятся в горячем состоянии. Окончательная прокатка, листовая штамповка, волочение и другие операции производятся в холодном состоянии.

Для снятия внутренних напряжений, образовавшихся в результате механической обработки, листовой штамповки, сварки и др., применяется неполный отжиг.

Указанные сплавы хорошо свариваются сваркой плавлением (аргонодуговая, под флюсом, электрошлаковая) и контактной (точечная, роликовая). При сварке плавлением прочность и пластичность сварного соединения практически аналогичные основному металлу.

Коррозионная стойкость данных сплавов высокая во многих средах (морская вода, хлориды, щелочи, органические кислоты и т. п.), кроме растворов HF, H₂SO₄, HCl и некоторых других.

Применение. Эти сплавы широко применяются как конструкционные материалы для изготовления практически всех видов полуфабрикатов, деталей и конструкций, включая сварные. Наиболее эффективно их применение в

авиационно-космической технике (рис. 7), в химическом машиностроении, криогенной технике (высокая ударная вязкость сохраняется до –253^oС), (табл. 4), а также в узлах и конструкциях, работающих при температурах до 300–350 ° С.

Рис. 7. Применение титановых сплавов в авиационно-космической технике

Таблица 4 Механические характеристики титановых сплавов при низких температурах

Сплав	σв (МПа) при температуре, ° С			δ (%) при температуре, ° С			КСU, Дж/см2 при температуре, ° С
	–196	–253	–269	–196	–253	–269	–196	–253
ВТ1-0	920	1310	–	48	24	–	220	130
ВТ5-1	1200– 1350	1350– 1600	1710	15	8–10	9,3	40	30
ОТ4	1430	1560	–	13	16	–	50	40
ОТ4-1	1080	1390	–	19,4	17,5	–	23	30
ВТ3-1	1650	2060	2020	6,5	7,5	3	30	60
ВТ6	1640	1820	–	17,8	3,5	–	39	40
ВТ6С	1310	1580	–	7–10	3–6	–	40	25
ВТ14	1650	–	–	10	–	–	40	–

Титановые сплавы средней прочности

К этой группе относятся сплавы с пределом прочности σ_в = 750–1000 МПа, а именно: α – сплавы марок ВТ5 и ВТ5-1; псевдо – α – сплавы марок ОТ4, ВТ20; (α + β) – сплавы марок ПТ3В, а также ВТ6, ВТ6С, ВТ14 в отожженном состоянии. Классификация и химический состав этих сплавов смотри табл. 5.

Сплавы ВТ5, ВТ5-1, ОТ4, ВТ20, ПТ3В, ВТ6С, содержащие небольшое количество β – фазы (2–7 % β – фазы в равновесном состоянии), упрочняющей термообработке не подвергаются и используются в отожженном состоянии. Сплав ВТ6С иногда применяют в термически упрочненном состоянии. Сплавы ВТ6 и ВТ14 используют как в отожженном, так и в термически упрочненном состоянии. В последнем случае их прочность становится выше 1000 МПа, и они будут рассмотрены в разделе, посвященном высокопрочным сплавам.

Рассматриваемые сплавы, наряду с повышенной прочностью, сохраняют удовлетворительную пластичность в холодном состоянии и хорошую пластичность в горячем состоянии, что позволяет получать из них все виды полуфабрикатов: листы, ленту, профили, поковки, штамповки, трубы и др. Исключение составляет сплав ВТ5, из которого листы и плиты не изготавливают из-за невысокой технологической пластичности.

На эту категорию сплавов приходится основной объем производства полуфабрикатов, применяемых в машиностроении.

Все среднепрочные сплавы хорошо свариваются всеми видами сварки, применяемыми для титана. Прочность и пластичность сварного соединения, выполненного сваркой плавлением, близка к прочности и пластичности основного металла (для сплавов ВТ20 и ВТ6С это соотношение составляет 0,9– 0,95). После сварки рекомендован неполный отжиг для снятия внутренних сварочных напряжений.

Таблица 5

Обрабатываемость резанием этих сплавов хорошая. Коррозионная стойкость в большинстве агрессивных сред аналогична техническому титану ВТ1-0.

Применение. Данные сплавы рекомендуется применять для изготовления изделий листовой штамповкой (ОТ4, ВТ20), для сварных деталей и узлов, для штампосварных деталей (ВТ5, ВТ5-1, ВТ6С, ВТ20) и др. Сплав ВТ6С широко применяется для изготовления сосудов и ёмкостей высокого давления (рис. 8). Детали и узлы из сплавов ОТ4, ВТ5 могут длительно работать при температурах до 400 ° С и кратковременно — до 750 ° С; из сплавов ВТ5-1, ВТ20 — длительно при температурах до 450–500 ° С и кратковременно — до 800–850 ° С. Сплавы ВТ5-1, ОТ4, ВТ6С также рекомендуются для применения в холодильной и криогенной технике.

Рис. 8. Изделия из титановых сплавов ВТ6С Высокопрочные титановые сплавы

К этой группе относятся сплавы с пределом прочности σ_в ≥ 1000 МПа, а именно (α + β) – сплавы марок ВТ6, ВТ14, ВТ3-1, ВТ22. Высокая прочность в этих сплавах достигается упрочняющей термообработкой (закалка + старение). Исключение составляет высоколегированный сплав ВТ22, который даже в отожженном состоянии имеет σ_в > 1000 МПа.

Указанные сплавы наряду с высокой прочностью сохраняют хорошую (ВТ6) и удовлетворительную (ВТ14, ВТ3-1, ВТ22) технологическую пластичность в горячем состоянии, что позволяет получать из них различные полуфабрикаты: листы (кроме ВТ3-1), прутки, плиты, поковки, штамповки, профили и др. Сплавы ВТ6 и ВТ14 в отожженном состоянии (σ_в ≥ 850 МПа) могут подвергаться холодной листовой штамповке с малыми деформациями.

Несмотря на гетерофазность структуры, рассматриваемые сплавы обладают удовлетворительной свариваемостью всеми видами сварки, применяемыми для титана. Для обеспечения требуемого уровня прочности и пластичности обязательно проводят полный отжиг, а для сплава ВТ14 (при толщине свариваемых деталей 10–18 мм) рекомендуется проводить закалку с последующим старением. При этом прочность сварного соединения (сварка плавлением) составляет не менее 0,9 от прочности основного металла. Пластичность сварного соединения близка к пластичности основного металла.

Обрабатываемость резанием удовлетворительная. Обработку резанием сплавов можно проводить как в отожженном, так и в термически упрочненном состоянии.

Данные сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью в отожженном и термически упрочненном состояниях во влажной атмосфере, морской воде, во многих других агрессивных средах, как и технический титан.

Термическая обработка. Сплавы ВТ3-1, ВТ6, ВТ6С, ВТ14, ВТ22 подвергаются закалке и старению. Рекомендуемые режимы нагрева под закалку и старение для монолитных изделий, полуфабрикатов и сварных деталей приведены в табл. 6.6.

Охлаждение при закалке производится в воде, а после старения — на воздухе. Полная прокаливаемость обеспечивается для деталей из сплавов ВТ6, ВТ6С с максимальным сечением до 40 – 45 мм, а из сплавов ВТ3-1, ВТ14, ВТ22 — до 60 мм.

Для обеспечения удовлетворительного сочетания прочности и пластичности сплавов с (α + β) – структурой после закалки и старения необходимо, чтобы их структура перед упрочняющей термической обработкой была равноосной или «корзиночного плетения». Примеры исходных микроструктур, обеспечивающие удовлетворительные свойства, приведены на рис. 9.

Таблица 6. Режимы упрочняющей термической обработки титановых сплавов

Марка сплава	Температура полиморфного превращения Тпп, ° С	Температура нагрева под закалку, ° С	Температура старения, ° С	Продолжительность старения, ч
ВТ3-1	960–1000	860–900	500–620	1–6
ВТ6	980–1010	900–950	450–550	2–4
ВТ6С	950–990	880–930	450–500	2–4
ВТ8, ВТ9	980–1020	920–940	500–600	1–6
ВТ14	920–960	870–910	480–560	8–16
ВТ22	840–880	690–750	480–540	8–16

Рис. 9. Структура ВТ14 сплава перед упрочняющей термообработки

Применение. Высокопрочные титановые сплавы применяются для изготовления деталей и узлов ответственного назначения: сварные конструкции (ВТ6, ВТ14) рис. 10, турбины (ВТ3-1), штампосварные узлы (ВТ14), высоконагруженные детали и штампованные конструкции (ВТ22). Эти сплавы могут длительно работать при температурах до 400 ° С и кратковременно до 750 ° С.

Особенность высокопрочных титановых сплавов как конструкционного материала — их повышенная чувствительность к концентраторам напряжения. Поэтому при конструировании деталей из этих сплавов необходимо учитывать ряд требований (повышенное качество поверхности, увеличение радиусов перехода от одних сечений к другим и т. п.), аналогичных тем, которые существуют при применении высокопрочных сталей.

Рис. 10. Сварная конструкция из ВТ14 сплава

Литейные титановые сплавы

Титановые литейные сплавы подразделяется на 5 групп в зависимости от микроструктуры (α – сплавы, псевдо α – сплавы, α + β сплавы, псевдо β – сплавы, β – сплавы).

В состав титановых сплавов входят алюминий, ванадий, молибден, кремний, хром, цирконий и др. Эти сплавы обладают свойствами, выгодно выделяющих их из остальных сплавов: по прочности они не уступают сталям, имеют достаточно низкую плотность (~4,5 г/мм³), высокую химическую стойкость при температуре до 500 °С, высокую коррозионную стойкость во влажном воздухе, морской воде, азотной и соляной кислоте. Благодаря этим свойствам титановые сплавы интенсивно внедряются в авиа-, ракета- и кораблестроении.

В справочной литературе приводятся химический состав и механические свойства восьми литейных титановых сплавов – ВТ1Л, ВТ5Л, ВТ20Л, ВТ3-1Л, ВТ6Л, ВТ9Л, ВТ14Л, ВТ22Л, где буква В означает наименование организации-разработчика (ВИАМ), Т – титановый сплав, Л – литейный, цифра – номер сплава. Упоминается и новый сплав ВТ35Л.

Титановые сплавы обладают хорошей жидкотекучестью (460–520 мм), небольшой линейной (0,8–1,2 %) и объемной (2,4–3,2%) усадкой.

Сплав ВТ3-1Л относится к числу наиболее освоенных в производстве (рис. 11).

Прочность титановых сплавов σ_в = 34…93 кг/мм², пластичность δ = 4–10%.

Главный недостаток титановых литейных сплавов – высокая температура плавления (до 1665 °С) и активное взаимодействие (при плавке) со всеми газами и огнеупорными материалами. Отсюда – проблема плавки (вакуумная, в атмосфере нейтральных газов) и материалов для литейных форм, что резко удорожает технологические процессы литья.

Рис. 11. Детали из титана марки ВТ3-1Л

Просмотров: 4 926

Марки титановых сплавов | Техника и человек

Поскольку титан представляет собой металл, обладающий хорошей твердостью, но невысокой прочностью в промышленном производстве большее распространение получили сплавы на основе титана. Сплавы с различной структурой зерна, отличаются между собой строением и типом кристаллической решетки.

Их можно получить при обеспечении в процессе производства определенных температурных режимов. А путем добавления к титану различных легирующих элементов можно получать сплавы, характеризующиеся более высокими эксплуатационными и технологическими свойствами.

При добавлении легирующих элементов и различных типах кристаллических решеток в структурах на основе титана можно получить более высокую по сравнению с чистым металлом жаропрочность и прочность. При этом полученные структуры характеризуются небольшой плотностью, хорошими антикоррозионными свойствами и хорошей пластичностью, что расширяет сферу их использования.

Характеристика титана

Титан представляет собой легкий металл, сочетающий в себе высокую твердость и небольшую прочность, что усложняет его обработку. Температура плавления этого материала в среднем составляет 1665°С. Материал характеризуется невысокой плотностью (4,5г/см3) и хорошей антикоррозионной способностью.

На поверхности материала образуется окисная пленка толщиной в несколько нм, что исключает процессы коррозии титана в морской и пресной воде, атмосфере, окислению под действием органических кислот, процессов кавитации и в конструкциях, находящихся под напряжением.

В обычном состоянии материал не обладает жаропрочностью, для него характерно явление ползучести при комнатных температурах. Однако в условиях холода и глубокого холода материал характеризуется высокими прочностными характеристиками. 

Титан отличается низким значением модуля упругости, это ограничивает его использование для изготовления конструкций, в которых необходима жесткость. В чистом состоянии металл обладает высокими противорадиационными характеристиками и не обладает магнитными свойствами.

Титан характеризуется хорошими пластическими свойствами и легко поддается обработке при комнатных температурах и выше. Сварные швы из титана и его соединений обладают пластичностью и прочностью. Однако, для материала свойственны интенсивные процессы поглощения газов при нахождении в неустойчивом химическом состоянии, возникающем при повышении температуры. Титан в зависимости от газа, с которым соединяется, образует гидридные, оксидные, карбидные соединения, плохо влияющие на его технологические свойства.

Материал характеризуется плохой приспособленностью к обработке резанием, в результате ее проведения он в течение короткого промежутка времени прилипает на инструмент, что снижает его ресурс. Проведение обработки титана резанием возможно с использованием охлаждения интенсивного типа на больших подачах, при низких скоростях обработки и значительной глубине резания. Кроме того в качестве инструмента для обработки выбирается быстрорежущая сталь.

Материал характеризуется высокой химической активностью, что обуславливает использование инертных газов при проведении работ по выплавке, литье титана или проведении дуговой сварки. В процессе использования титановые изделия необходимо защищать от возможного поглощения газов при вероятности повышения эксплуатационных температур.

Титановые сплавы

Широкое распространение получили структуры на основе титана с добавлением таких легирующих элементов, как:

• алюминий,
• медь,
• железо,
• никель,
• молибден,
• олово,
• ванадий,
• хром,
• цирконий.

Структуры, получаемые деформированием сплавов титановой группы, используются для изготовления изделий, проходящих механическую обработку.

По прочности различают:

• Высокопрочные материалы, прочность которых составляет более 1000МПа;
• Структуры, обладающие средней прочностью, в диапазоне значений от 500 до 1000МПа;
• Низкопрочные материалы, с прочностью ниже 500МПа.

По области использования:

• Структуры, обладающие коррозионной стойкостью.
• Конструкционные материалы;
• Жаропрочные структуры;
• Структуры с высокой стойкостью к действию холода.

Виды сплавов

По входящим в состав легирующим элементам выделяют шесть основных видов сплавов.

Сплавы типа α-сплавы

Сплавы типа α-сплавы на основе титана с применением для легирования алюминия, олова, циркония, кислорода характеризуются хорошей свариваемостью, понижением границы застывании титана и увеличением его жидкотекучести. Указанные свойства позволяют использовать так называемые α-сплавы для получения заготовок фасонным способом или при отливке деталей. Получаемые изделия этого типа обладают высокой термической стойкостью, что позволяет использовать их для изготовления ответственных деталей, работающих в температурных условиях до 400°С.

При минимальных количествах легирующих элементов соединения называются техническим титаном. Он характеризуется хорошей термической устойчивостью, и обладают отличными сварными характеристиками при проведении сварочных работ на различных аппаратах. Материал обладает удовлетворительными характеристиками по возможности обработки резанием. Не рекомендуется повышение прочности для сплавов этого типа с применением термообработки, материалы этого типа используются после проведения отжига. Сплавы, содержащие цирконий обладают наибольшей стоимостью и отличаются высокой технологичностью.

Формы поставки сплава представлены в виде проволоки, труб, прутков сортового проката, поковок. Наиболее используемым материалом этого класса является сплав ВТ5-1, характеризующийся средней прочностью, жаропрочностью до 450°С и отличными характеристиками при работе в условиях низких и сверхнизких температур. Этот сплав не практикуется упрочнять термическими способами, однако его использование в условиях низких температур предполагает минимальное количество легирующих материалов.

Сплавы типа β-сплавы

Сплавы β-типа получаются при легировании титана ванадием, молибденом, никелем, при этом получаемые структуры характеризуются повышением прочности в диапазоне от комнатных до отрицательных температур по сравнению с α-сплавами. При их использовании увеличивается жаропрочность материала, его температурная стабильность, однако при этом наблюдается снижение пластических характеристик сплавов этой группы.

Для получения устойчивых характеристик сплавы этой группы должны быть легированы значительным количеством указанных элементов. Исходя из высокой стоимости этих материалов, широкого промышленного распространения структуры этой группы не получили. Для сплавов этой группы характерно противодействие ползучести, возможность повышения прочности различными способами, возможность механической обработки. Однако, с увеличением рабочей температуры до 300°С сплавы этой группы приобретают хрупкость.

Псевдо α-сплавы

Псевдо α-сплавы, большую часть легирующих элементов которых составляют компоненты α-фазы с добавлениями до 5% элементов группы β. Наличие β-фазы в сплавах добавляет к преимуществам легирующих элементов α-группы свойство пластичности. Увеличение жаростойкости сплавов этой группы достигается использованием алюминия, кремния и циркония. Последний из перечисленных элементов оказывает положительное воздействие на растворение β-фазы в структуре сплава. Однако, для этих сплавов характерны и недостатки, среди которых хорошее поглощение титаном водорода и образование гидридов, с возможностью возникновения водородной хрупкости. Водород фиксируется в соединении в форме гидридной фазы, уменьшает вязкость и пластические характеристики сплава и способствует увеличению хрупкости соединения.Одним из наиболее распространенных материалов этой группы является титановый сплав марки ВТ18, обладающий жаропрочностью до 600°С, обладает хорошими характеристиками пластичности. Перечисленные свойства позволяют применять материал для изготовления деталей компрессоров в авиастроении. Термическая обработка материала включает отжиг при температурах около 1000°С с дальнейшим воздушным охлаждением или двойной отжиг, позволяющий на 15% увеличить его сопротивление разрыву.

Псевдо β- сплавы

Псевдо β- сплавы характеризуются наличием после проведения закалки или нормализации наличием только β-фазы. В состоянии отжига структура этих сплавов представлена α-фазой со значительным количеством легирующих компонентов группы β.  Эти сплавы характеризуются самым большим среди титановых соединений показателем удельной прочности, обладают низкой термической стойкостью. Кроме того, сплавы этой группы мало подвержены хрупкости при воздействии водорода, однако обладают высокой чувствительностью к содержанию углерода и кислорода, влияющим на снижение вязких и пластичных свойств сплава. Эти сплавы характеризуются плохой свариваемостью, широким диапазоном механических характеристик, обуславливаемых неоднородностью состава и низкой стабильностью при работе в условиях высоких температур.Форма выпуска сплава представлена листами, поковками, прутками и полосовым металлом, с рекомендуемым использованием в течение длительного времени при температурах не выше 350°С. Примером такого сплава является ВТ 35, для которого свойственна обработка давлением при воздействии температуры. После выполнения закалки материал характеризуется высокими пластическими характеристиками и способностью к деформации в холодном состоянии. Проведение операции старения для этого сплава обуславливает многократное упрочнение при наличии высокой вязкости.

Сплавы типа α+β

Сплавы типа α+β с возможными включениями интерметаллидов характеризуются меньшей хрупкостью при воздействии гидритов по сравнению со сплавами 1 и 3 групп. Кроме того, для них свойственна большая технологичность и удобство обработки с использованием различных методов по сравнению со сплавами α-группы. При проведении сварки с использованием материала этого типа для повышения пластичности шва после окончания операции требуется проведение отжига. Материалы этой группы изготавливаются в форме лент, листового металла, поковок, штамповок и прутков. Самым распространенным материалом этой группы является сплав ВТ6, характеризуется хорошей деформируемостью при температурной обработке, сниженной вероятностью водородной хрупкости. Из этого материала производят несущие детали самолетов и жаропрочные изделия для компрессоров двигателей в авиации. Практикуется использование отожженных или упрочненных температурной обработкой сплавов ВТ6. Например, детали тонкостенного профиля или листовые заготовки отжигают при температуре 800°С в дальнейшем охлаждая на воздухе или оставляя в печи.

Сплавы из титана на базе интерметаллидов.

Интерметаллиды — сплав 2ух металлов, один из которых титан.

Получение изделий

Структуры, получаемые литьем, осуществляемым в специальные формы из металла в условиях ограничения доступа активных газов, учитывая высокую активность титановых сплавов при повышении температуры. Сплавы, получаемые при помощи литья, обладают худшими свойствами, по сравнению со сплавами, получающимися методом деформации. Термическая обработка с целью повышения прочности для сплавов этого типа не проводится, поскольку оказывает существенное воздействие на показатели пластичности этих структур.

Повышение прочностных характеристик титановых сплавов

Авторы: Яшкова Софья Сергеевна, Бобков Николай Владимирович

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №28 (132) декабрь 2016 г.

Дата публикации: 15.12.2016 2016-12-15

Статья просмотрена: 1119 раз

Скачать электронную версию

Скачать Часть 2 (pdf)

Библиографическое описание:

Яшкова, С. С. Повышение прочностных характеристик титановых сплавов / С. С. Яшкова, Н. В. Бобков. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2016. — № 28 (132). — С. 215-217. — URL: https://moluch.ru/archive/132/36752/ (дата обращения: 23.09.2022).



Современное машиностроение трудно представить без термической обработки. С её помощью можно повысить прочностные характеристики любого металла (Рис. 1). В нашей статье речь пойдет о термической обработке титановых сплавов. В зависимости от состава и назначения их можно подвергать таким видам термической обработки как: отжиг, закалка, старение и химико-термическая обработка.

Рис. 1. термическая обработка металла

Изделия из титана чаще всего применяются в авиа и ракетостроении. Например, наиболее трудоемким является производство моноколеса (Рис. 2), представляющего собой диск с лопатками для забора воздуха. Всем известно, что остаточные напряжения после проточки лопастей, могут согнуть лопатки, приведя изделие в негодность. А так как титан металл не из дешевых, то такой брак, нанесет серьёзный ущерб предприятию. Для снятия остаточных напряжений применяется термическая обработка готовых изделий.

Рис. 2. Моноколесо

Чаще всего изделия из титана подвергают отжигу. Нагрев до 870–980град и далее выдержка при 530–660град. Широко применяется вакуумный отжиг, который позволяет уменьшить содержание водорода в титановых сплавах, что приводит к уменьшению склонности к замедленному разрушению и коррозийному растрескиванию. Для снятия небольших внутренних напряжений применяют неполный отжиг при 550–650 град. Титановые сплавы имеют низкое сопротивление износу и при использовании в узлах трения подвергаются химико-термической обработке. Для повышения износостойкости титан азотируют при 850–950 град в течение 30–60 часов в атмосфере азота (слой 0,05–0,15 мм). ВТ5 хорошо обрабатывается давлением и сваривается. ВТ6 обладает хорошими механическими и технологическими свойствами и упрочняется термической обработкой. ВТ14 применяют для изготовления тяжелонагруженных деталей. Сплав упрочняется закалкой (Рис. 3) при 850–880град в воде с последующим старением при 480–500град 12–16 часов. ВТ8 применяют после изотермического отжига. Для фасонного литья применяют сплавы ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ14Л, которые обладают достаточно хорошими литейными и механическими свойствами.

Рис. 3 Термическая обработка в печи

Рассмотрено влияние интенсивной пластической деформации и режимов обработки на структуру и механические свойстватитанового сплава ВТ6. Показано, что применение всесторонней изотермической ковки (ВИК) и оптимальных режимов последующей термической и термомеханической обработки позволяет получить в сплаве повышенные прочностные свойства. Так, после ВИК и последующей закалки с температуры 960 °С с последующим старением при температуре 480 °С достигаются предел прочности σ = 1540 МПа и условный предел текучести ψ = 1485 МПа при удовлетворительном уровне относительного удлинения σ = 7 % и относительном сужении ψ = 34 %. Повышенныемеханические свойстваявляются результатом формирования мелкозернистой глобулярной микроструктуры в ходе ВИК, а также наследования дислокационной структуры деформации, которые позволяют при старении получить высокодисперсные продукты распада, обеспечивающие высокие прочностные характеристики.

Принципы выбора режимов отжига титана и его сплавов.

Отжиг первого рода, включающий рекристаллизационный, дорекристаллизационный отжиг и отжиг для уменьшения остаточных напряжений, в чистом виде применим лишь для α-сплавов и β-сплавов с термодинамически устойчивой β-фазой. В псевдо-α-, типичных α+β-и β-сплавах с термодинамически неустойчивой β-фазой на рекристаллизационные процессы могут накладываться фазовые превращения. Вклад фазовых превращении в формирование структуры и свойств сплавов наибольший при рекристаллизационном и дорекристаллизационном отжиге и наименьший при отжиге с целью снятия остаточных напряжений [1]. Если температура отжига для уменьшения остаточных напряжений достаточно низка, то фазовые превращения могут не развиваться и не влиять на структуру и свойства псевдо-α, α+β- и β-сплавов (с термодинамически неустойчивой β-фазой). Гомогенизационный отжиг для титановых сплавов не применяют из-за его малой эффективности.

Дорекристаллизационный отжиг основан на явлениях возврата I рода (отдыха) и II рода (полигонизации). Его проводят с целью, если не для полного, то хотя бы частичного снятия нагартовки, внесенной в металл предшествующей пластической деформацией. В титане и малолегированных сплавах на его основе при дорекристаллизационном отжиге нагартованный металл существенно разупрочняется, что связано с довольно большой в них энергией дефектов упаковки. Вследствие этого легко развивается полигонизация, в ходе которой существенно снижается средняя плотность дислокаций.

В термически упрочняемых сплавах, в частности в β-сплавах, полигонизация развивается при тех же температурах, при которых распадается метастабильная β-фаза. В тех случаях, когда температура деформации и скорости охлаждения после деформации были достаточно высокими, в деформированных полуфабрикатах фиксируется термодинамически нестабильная β-фаза. При нагреве деформированных полуфабрикатов до 500–700° С в них происходят не только процессы возврата и полигонизации, но и распад метастабильной β-фазы. Свойства отожженных титановых сплавов существенно зависят от того, что произойдет раньше — полигонизация или распад β-фазы.

В неполигонизованных титановых β-сплавах распад β-фазы при старении обычно протекает очень неоднородно по объему зерна, что приводит к низким пластическим характеристикам. После полигонизации метастабильная β-фаза распадается равномерно, что обусловливает повышенный комплекс механических свойств сплава и большую их однородность [2].

Выводы.

На данном этапе понятно, что термическая обработка заметно улучшает характеристики титановых сплавов, дальнейшей целью наших исследований стоит определение наилучших параметров для обработки титанового сплава ВТ6 и исследование прочностных характеристик для каждого из режимов, подобранных экспериментальным путем.

Литература:

1. Gao P. F., Fan X. G. & Yang, H. (2017). Role of processing parameters in the development of tri-modal microstructure during isothermal local loading forming of TA15 titanium alloy. Journal of Materials Processing Technology, 239, 160–171. http://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2016.08.015
2. Wang, Z., Wang, X. & Zhu, Z. (2017). Characterization of high-temperature deformation behavior and processing map of TB17 titanium alloy. Journal of Alloys and Compounds, 692, 149–154. http://doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.09.012

Основные термины (генерируются автоматически): термическая обработка, сплав, отжиг, напряжение, последующее старение, свойство, титан, химико-термическая обработка.

Похожие статьи

Лазерное поверхностное упрочнение | Статья в журнале…

В зависимости от состава и назначения заготовки, её можно подвергать разным видам упрочняющей обработки таким, как: отжиг, закалка, старение и химико—термическая обработка, а также поверхностное упрочнение лазером.

Повышение качества отливок из стали 110Г13Л путем…

Поэтому целью работы было выявить условия формирования в железоуглеродистых сплавах карбидов цементитного типа и

Увеличение долговечности тяжелонагруженных деталей транспортных машин методом конвекционно-индукционной химико—термической обработки.

Исследование влияния различных режимов ионного азотирования…

Азотирование — это технологический процесс химико—термической обработки металла или сплава, в результате которого в приповерхностном слое материала образуются химические соединения — нитриды.

Исследование

температурно—тепловых режимов нагрева…

Исследование температурно—тепловых режимов нагрева металла в печи отжига предприятия «ПромметизРусь».

В силу незначительной термической массивности проволоки (Bi температурным перепадом по сечению проволоки можно пренебречь и…

Теоретические основы повышения стойкости режущего…

диффузионная металлизация, коррозионная стойкость, насыщение поверхности деталей, сплав, химико—термическая обработка, физическое осаждение, термическая обработка, твердый сплав…

Исследование проблем

обработки алюминия | Статья в журнале…

Сплав 1201 — высокопрочный термически упрочняемый свариваемый сплав системы Al-Cu-Mn.

Колачев Б. А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов: Учебник для

Исследование воздействия магнитной обработки на свойства нефтяного сырья.

Технология плазменной

обработки режущего инструмента

Процесс обработки автоматизирован [1]. Таким образом, предлагаемая технология позволяет увеличить твердость поверхностного слоя резца минимум на 20 % по сравнению с обычной термической обработкой.

Плазменное электролитическое оксидирование как способ…

Химико—термическая обработка – это термическая обработка, сочетающая тепловое воздействие с химическим, в результате чего происходит изменение состава и

Данный метод не требует применения дорогих высокопрочных сплавов и сложных технологий обработки.

Лазерное поверхностное упрочнение | Статья в журнале…

В зависимости от состава и назначения заготовки, её можно подвергать разным видам упрочняющей обработки таким, как: отжиг, закалка, старение и химико—термическая обработка, а также поверхностное упрочнение лазером.

Повышение качества отливок из стали 110Г13Л путем…

Поэтому целью работы было выявить условия формирования в железоуглеродистых сплавах карбидов цементитного типа и

Увеличение долговечности тяжелонагруженных деталей транспортных машин методом конвекционно-индукционной химико—термической обработки.

Исследование влияния различных режимов ионного азотирования…

Азотирование — это технологический процесс химико—термической обработки металла или сплава, в результате которого в приповерхностном слое материала образуются химические соединения — нитриды.

Исследование

температурно—тепловых режимов нагрева…

Исследование температурно—тепловых режимов нагрева металла в печи отжига предприятия «ПромметизРусь».

В силу незначительной термической массивности проволоки (Bi температурным перепадом по сечению проволоки можно пренебречь и…

Теоретические основы повышения стойкости режущего…

диффузионная металлизация, коррозионная стойкость, насыщение поверхности деталей, сплав, химико—термическая обработка, физическое осаждение, термическая обработка, твердый сплав…

Исследование проблем

обработки алюминия | Статья в журнале…

Сплав 1201 — высокопрочный термически упрочняемый свариваемый сплав системы Al-Cu-Mn.

Колачев Б. А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов: Учебник для

Исследование воздействия магнитной обработки на свойства нефтяного сырья.

Технология плазменной

обработки режущего инструмента

Процесс обработки автоматизирован [1]. Таким образом, предлагаемая технология позволяет увеличить твердость поверхностного слоя резца минимум на 20 % по сравнению с обычной термической обработкой.

Плазменное электролитическое оксидирование как способ…

Химико—термическая обработка – это термическая обработка, сочетающая тепловое воздействие с химическим, в результате чего происходит изменение состава и

Данный метод не требует применения дорогих высокопрочных сплавов и сложных технологий обработки.

Похожие статьи

Лазерное поверхностное упрочнение | Статья в журнале…

В зависимости от состава и назначения заготовки, её можно подвергать разным видам упрочняющей обработки таким, как: отжиг, закалка, старение и химико—термическая обработка, а также поверхностное упрочнение лазером.

Повышение качества отливок из стали 110Г13Л путем…

Поэтому целью работы было выявить условия формирования в железоуглеродистых сплавах карбидов цементитного типа и

Увеличение долговечности тяжелонагруженных деталей транспортных машин методом конвекционно-индукционной химико—термической обработки.

Исследование влияния различных режимов ионного азотирования…

Азотирование — это технологический процесс химико—термической обработки металла или сплава, в результате которого в приповерхностном слое материала образуются химические соединения — нитриды.

Исследование

температурно—тепловых режимов нагрева…

Исследование температурно—тепловых режимов нагрева металла в печи отжига предприятия «ПромметизРусь».

В силу незначительной термической массивности проволоки (Bi температурным перепадом по сечению проволоки можно пренебречь и…

Теоретические основы повышения стойкости режущего…

диффузионная металлизация, коррозионная стойкость, насыщение поверхности деталей, сплав, химико—термическая обработка, физическое осаждение, термическая обработка, твердый сплав…

Исследование проблем

обработки алюминия | Статья в журнале…

Сплав 1201 — высокопрочный термически упрочняемый свариваемый сплав системы Al-Cu-Mn.

Колачев Б. А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов: Учебник для

Исследование воздействия магнитной обработки на свойства нефтяного сырья.

Технология плазменной

обработки режущего инструмента

Процесс обработки автоматизирован [1]. Таким образом, предлагаемая технология позволяет увеличить твердость поверхностного слоя резца минимум на 20 % по сравнению с обычной термической обработкой.

Плазменное электролитическое оксидирование как способ…

Химико—термическая обработка – это термическая обработка, сочетающая тепловое воздействие с химическим, в результате чего происходит изменение состава и

Данный метод не требует применения дорогих высокопрочных сплавов и сложных технологий обработки.

Лазерное поверхностное упрочнение | Статья в журнале…

В зависимости от состава и назначения заготовки, её можно подвергать разным видам упрочняющей обработки таким, как: отжиг, закалка, старение и химико—термическая обработка, а также поверхностное упрочнение лазером.

Повышение качества отливок из стали 110Г13Л путем…

Поэтому целью работы было выявить условия формирования в железоуглеродистых сплавах карбидов цементитного типа и

Увеличение долговечности тяжелонагруженных деталей транспортных машин методом конвекционно-индукционной химико—термической обработки.

Исследование влияния различных режимов ионного азотирования…

Азотирование — это технологический процесс химико—термической обработки металла или сплава, в результате которого в приповерхностном слое материала образуются химические соединения — нитриды.

Исследование

температурно—тепловых режимов нагрева…

Исследование температурно—тепловых режимов нагрева металла в печи отжига предприятия «ПромметизРусь».

В силу незначительной термической массивности проволоки (Bi температурным перепадом по сечению проволоки можно пренебречь и…

Теоретические основы повышения стойкости режущего…

диффузионная металлизация, коррозионная стойкость, насыщение поверхности деталей, сплав, химико—термическая обработка, физическое осаждение, термическая обработка, твердый сплав…

Исследование проблем

обработки алюминия | Статья в журнале…

Сплав 1201 — высокопрочный термически упрочняемый свариваемый сплав системы Al-Cu-Mn.

Колачев Б. А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов: Учебник для

Исследование воздействия магнитной обработки на свойства нефтяного сырья.

Технология плазменной

обработки режущего инструмента

Процесс обработки автоматизирован [1]. Таким образом, предлагаемая технология позволяет увеличить твердость поверхностного слоя резца минимум на 20 % по сравнению с обычной термической обработкой.

Плазменное электролитическое оксидирование как способ…

Химико—термическая обработка – это термическая обработка, сочетающая тепловое воздействие с химическим, в результате чего происходит изменение состава и

Данный метод не требует применения дорогих высокопрочных сплавов и сложных технологий обработки.

Титановые сплавы и их применение в машиностроении :: Книги по металлургии

Раздел ГРНТИ: Машиностроительные материалы Пульцин Н. М. Машгиз, 1962 г. Скачать полный текст ( бесплатно ) Ссылка доступна только зарегистрированным пользователям.

ПРИМЕНЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ  ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Титан и его сплавы имеют сравнительно короткую историю применения в качестве конструкционных материалов. Несколько лет назад титан был известен лишь как легирующий элемент, с успехом применяемый в сталях и в других сплавах. Титан при­менялся также в виде карбида при производстве твердых сплавов и в виде окисла — в лакокрасочной промышленности для изго­товления титановых белил и эмалей.

Применение титана в качестве основы новых материалов — титановых сплавов — относится к периоду последних 10—15 лет. Тем не менее в этом новом качестве титан получил уже известное распространение. Можно сказать, что по темпам роста приме­нения титан и его сплавы не имеют равных. Конструкционные материалы на основе титана с успехом применяются в различных отраслях машиностроения, в судостроении, а также в производ­стве самолетов и двигателей для них.

Вместе с тем, несмотря на хорошие свойства при различных условиях эксплуатации, титан еще не получил широкого распро­странения в качестве конструкционного материала в общем маши­ностроении. Это объясняется его высокой стоимостью. Исполь­зование титановых сплавов ограничивается пока главным обра­зом различными областями специального машиностроения, например химическим машино- и аппаратостроением, авиацион­ным машиностроением, судостроением и т. д. В этих областях при оценке целесообразности применения нового материала на первый план выступают свойства титана и лишь затем ·— его стоимость. Безусловно, что в дальнейшем, с развитием и совершен­ствованием способов получения и обработки титана-и его сплавов, а также вследствие повышения требований к материалу деталей машин, сплавы на основе титана будут находить все более широкое применение не только в специальном, но и в общем машино­строении.

23. Преимущества титановых сплавов по сравнению с другими конструкционными материалами

Широкое и быстрое распространение титановых сплавов в качестве конструкционных материалов различного назначения объясняется теми преимуществами, которыми обладают титан и его сплавы по сравнению с другими материалами. Как уже отмечалось, к этим преимуществам относятся:

1. высокая температура плавления, являющаяся необходимым условием повышенной жаропрочности;
2. высокая прочность, низкий удельный вес и, как следствие этих двух качеств, высокая удельная прочность;
3. низкий коэффициент теплового расширения, обусловли­вающий хорошую сопротивляемость материала термической уста­лости;
4. высокая химическая стойкость, обеспечивающая применение титана и его сплавов в различных агрессивных средах;
5. высокая стойкость против эрозии и кавитации.

По величине предела прочности и модуля упругости, отнесен­ным к удельному весу, титановые сплавы намного превосходят другие конструкционные материалы. На фиг. 104 приведены гра­фики изменения удельной прочности различных материалов в зависимости от температуры. Как видно из этих графиков, титановый сплав ВТ8 имеет самое высокое отношение — во всем  рассматриваемом интервале температур. То же относится и к удельному модулю упругости — (фиг. 105).

По величине этой характеристики сплав ВТ8 в сравнении с дру­гими конструкционными материалами также является наилучшим. Таким образом, невысокое абсолютное значение модуля упругости   Титана, отмечаемой как недостаток, нивелируется пониженным удельным весом этого металла.

Если вспомнить то, что уже говорилось о других преимуще­ствах титана по механическим и физическим свойствам, а также по коррозионной стойкости, то станет ясно, что титановые сплавы имеют значительное превосходство перед другими конструкцион­ными материалами.

В обзоре А. А. Гольденберга [91] приводится интересный пример, иллюстрирующий преимущества титана перед нержавею­щей сталью. В этом примере сравнивается стоимость титана и не­ржавеющей стали на разных этапах производства и эксплуатации изделий.

Титан в 18 раз дороже нержавеющей — стали. Однако по­скольку вес титана, необходимого для изготовления конкрет­ного изделия (название изделия не приводится), меньше веса стали, то титан, идущий на изготовление детали, будет стоить дороже, чем сталь, уже не в 18, а в 10 раз. Далее, поскольку раз­ница в стоимости готовых изделий из титана и исходного мате­риала (титана) ниже, чем для стали, то готовые титановые изде­лия будут стоить больше, чем изделия из стали, уже только в три раза. Наконец, если учесть, что в ряде случаев срок службы изделий из титана во много раз выше срока службы стальных деталей, то применение титана в этих случаях оказывается более выгодным, чем применение стали.

24. Применение титана в специальном  и общем машиностроении

Применение титана и его сплавов в качестве конструкционных материалов для изготовления деталей оборудования, приборов и аппаратов в специальном и общем машиностроении является значительным завоеванием научно-технической мысли и сущест­венным шагом по пути прогресса машиностроения. Поэтому рас­ширение использования титана в машиностроении как непосред­ственно — путем изыскания новых конкретных применений его для деталей машин, так и косвенно — путем совершенствования методов производства и обработки этого металла, имеет очень большое практическое и научное значение.

В настоящее время материалы на основе титана применяются или в форме листов, или в виде поковок. В качестве отливок титан и его сплавы применяются еще весьма ограниченно, чтб объяс­няется трудностью подбора материала для литейных форм. Листы изготовляются из технического титана или из однофазных а-спла- вов, легированных алюминием и оловом.

Техническим называется титан, в котором содержится неко­торое количество примесей (около одного процента), причем эти примеси введены не специально, с целью легирования, а практи­чески неизбежно присутствуют в металле в результате особенностей металлургического процесса. Как уже отмечалось, количество примесей в техническом титане зависит от способа его получения, причем нередко содержание кислорода преднамеренно допускается несколько завышенное с целью некоторого увеличения прочности металла.

Технический титан часто называют малолегированным много­компонентным титановым сплавом. Однако этот сплав в ряде слу­чаев является недостаточно прочным, а повышение прочности за счет увеличения количества примесей вызывает значительное понижение пластичности. Вследствие этого приходится переходить к сплавам, легированным алюминием и оловом. Эти элементы, каждый в отдельности и оба вместе, растворяясь в α-титане, повы­шают его прочность без существенного снижения пластичности, благодаря чему получаемые сплавы могут быть прокатаны в лист, как и технический титан, но имеют значительно более высокую прочность.

Для поковок применяют главным образом двухфазные сплавы, имеющие структуру α + β. Эти сплавы сравнительно легко обра­батываются и могут упрочняться путем термической обработки. Они имеют значительно более высокие свойства прочности при меньшей пластичности по сравнению с однофазными а-сплавами.

Применяемые в настоящее время титановые сплавы по своим технологическим свойствам являются деформируемыми. Вместе с тем в случае необходимости они могут применяться и в качестве литейных.

Деформируемые титановые сплавы подразделяются на две группы:

1. ковочно-штамповочные и прокатываемые, имеющие доста­точную технологическую пластичность в горячем состоянии; к этой группе относятся сплавы ВТЗ, ВТЗ-1, ВТ6, ВТ8 и др. ;
2. прокатываемые в листы и ленты, имеющие превосходную пластичность в горячем состоянии и способные деформироваться при обычной температуре; к этой группе относятся сплавы ВТ4, ОТ4, ВТ5, ВТ5-1, ВТ6 и др.

Все листовые сплавы(ВТ4, ОТ4, ВТ5, ВТ5-1, ВТ6 и др.) хорошо свариваются аргоно-дуговой сваркой, а сплавы ВТБ и ВТ6 — еще и контактной (точечной, роликовой, стыковой). Ковочно­штамповочные титановые сплавы сварке не подвергаются.

Титан и его сплавы применяют после тщательного учета всех положительных и отрицательных качеств этих материалов. При этом обращают внимание как на эксплуатационные свойства, так и на технологические особенности. Учитывается также и экономи­ческий фактор.

Принимая во внимание пока еще высокую стоимость титана, его применяют главным образом в тех случаях, когда первосте­пенную роль играет не экономический фактор, а комплекс техни­ческих и эксплуатационных характеристик материалов на основе титана. Тем не менее перечень областей, где применение титана в той или иной мере уже развернулось или, по крайней мере, достаточно четко обозначилось, является весьма обширным.

В первую очередь титан и его сплавы были применены и в настоящее время получили довольно широкое распространение в конструкциях самолетов и двигателей для них. Они интенсивно внедряются в конструкции кораблей и оборудования морского флота, применяются для различных деталей в химическом машино­строении и аппаратострсении, для изготовления транспортного оборудования, медицинских инструментов и фармацевтического оборудования. Намечается использование титана и его сплавов в общем машиностроении, в автомобилестроении, при производстве спортивного инвентаря, в пищевой, нефтяной и электротехнической промышленности, а также во многих других специальных обла­стях. Ниже по литературным источникам [2; 45; 108; 109; 81—90; 60] приводятся краткие сведения о применении титана и его спла­вов в некоторых из указанных областей, причем рассматривается использование этих материалов в таких отраслях промышленности, которые на первый взгляд не имеют непосредственного отноше­ния к машиностроению. Это сделано с целью более наглядного показа преимуществ титана перед другими конструкционными материалами, а также для облегчения правильной оценки возмож­ностей титановых сплавов как машиностроительных материалов.

Самолеты и двигатели. Основными качествами титановых сплавов, привлекающими внимание конструкторов самолетов и двигателей для них, являются малый удельный вес и высокая прочность, особенно при повышенных температурах. Конечно, титан и его сплавы не решают всех проблем, возникающих при конструировании самолетов и двигателей. Каждая группа мате­риалов, будь то стали или алюминиевые сплавы, находит свое специфическое применение, соответствующее свойствам этих мате­риалов. Тем не менее по величине удельной прочности в интервале температур 300—500° титановые сплавы превосходят многие стали и алюминиевые сплавы, а по удельному напряжению потери устойчивости панелей конструкций они уступают лишь высоко­прочному алюминиевому сплаву типа В95, причем только до тем­пературы 15Э°, а при более высоких температурах превосходят его [60].

Поэтому в конструкциях самолетов, предназначенных для полетов со сверхзвуковыми скоростями и испытывающих аэро­динамический нагрев, а также в конструкциях реактивных дви­гателей титановые сплавы находят все более широкое применение. При этом достигается снижение веса без потери прочности, что позволяет увеличить полезную нагрузку и дальность полета самолета.

Многочисленные исследования и эксперименты, проведенные в последние годы, говорят о целесообразности использования титановых сплавов для обшивки самолетов, скорости которых соответствуют числу Ма = 3 — 3,5 [88]. Кроме того, титановые сплавы используются Для швеллеров, рам, угольников, поясов шпангоутов, противопожарных перегородок и других деталей внутреннего набора самолета, работающих при температуре до 420°.

На фиг. 106 по данным фирмы Рем-Крю Тайтениум [21 представлена схема реактивного самолета F-2 с отмеченными на ней деталями, изготовленными из титана. Этими деталями являются шпангоуты, кожухи, ленты, балки, коробки, каркас и выходное сопло. Из листовых титановых сплавов изготовляют шпангоуты фюзеляжа, нервюры, элементы жесткости и другие детали каркаса фюзеляжа.

Масштабы использования титана в конструкциях тяжелых самолетов иллюстрируются данными о количестве и общем весе деталей из титана на самолетах Дуглас и на других [83]. Коли­чество деталей из титана на самолетах Комета, Дуглас DC-7 и Дуглас DC 7-С составляет 554 шт., а общий вес их — 363 кГ. У самолета Дуглас ДС-8 вес титановых деталей 428 кГ, а у само­лета Бристоль Британия 100 — до 1225 кГ. Для реактивных двигателей титан применяется как в виде листов, так и, глав­ным образом, в виде поковок. На фиг. 107 по данным фирмы Вестингауз [2] представлена схема реактивного двигателя с осе­вым компрессором, на которой отмечены детали, изготовляемые из титановых сплавов, а именно: диски и лопатки компрессора, листовые детали наружного кожуха двигателя, болты, валы и др.

Для производства поковок, листов и проволоки используется сплав B120VCA, содержащий 13% V, 11 % Сг и 3% А1 и имеющий структуру β. Он обладает хорошей деформируемостью, легко сва­ривается, подвергается упрочнению закалкой и старением и может быть использован для изготовления сотовых панелей. В течение 2—3 мин. этот сплав может быть использован при температурах до 815° [85].

Для авиационных деталей, изготовляемых штамповкой, и в частности для сотовых панелей, может применяться сплав C105VA, содержащий 16% V и 2,5% А1. Он выпускается в виде листов, полос и проволоки и обладает настолько хорошей пластичностью, что может быть прокатан в фольгу [84]. Для изго­товления сотовых панелей может применяться также сплав MST-185, содержащий 1 % А1, 8% V и 5% Fe и являющийся достаточно прочным в отожженном состоянии [86].

Для деталей реактивных двигателей и самолетов при ско­ростях, соответствующих 3 Ма, рекомендуется сплав MST-881, содержащий 8% А1, 8% Zr и 1 % Та и Nb [87]. Этот сплав имеет высокую длительную прочность до 590° и высокую кратковремен­ную прочность до 815°. По своим механическим свойствам он пре­восходит многие стали.

Сплав марки 821, содержащий 8% А1, 2% Nb и 1 % Та, обла­дает повышенной жаропрочностью, хорошо сваривается и может применяться для обшивки самолетов, а также для дисков и лопаток компрессоров газовых турбин. Изготовление из титана деталей ротора компрессора способствует уменьшению напряжений от цен­тробежных сил. Поэтому титановые сплавы в большом количестве идут для изготовления лопаток компрессора.

Титан, примененный в авиационном производстве Англии в 1956 г., был использован для следующих целей: 40% — прутки для лопаток компрессора, 20%—листы для противопожарных перегородок, 20% — листы для капотов двигателей, 5% — поковки для дисков компрессора и распорных колец, 5% — поковки для самолетных деталей и 10%—для других назначений. По сооб­щению представителя фирмы Imperial Chemical Industries [45], около 90% всего производства титана в Англии потребляется авиационной промышленностью. Это говорит о том, что в настоящее время главным потребителем титана и его сплавов является авиация.

Информация о марках титана – свойства и применение для всех титановых сплавов и чистых марок

Титановые марки и сплавы: свойства и применение

Ниже приводится обзор наиболее часто встречающихся титановых сплавов и чистых марок, их свойств, преимуществ и отраслевые приложения. Конкретную терминологию см. в разделе «Определения» в конце этой страницы.

Коммерчески чистый титан Марки

Класс 1

Титан класса 1 является первым из четырех коммерчески чистых классов титана. Это самый мягкий и пластичный из этих сортов. Он обладает наибольшей формуемостью, отличной коррозионной стойкостью и высокой ударной вязкостью.

Благодаря всем этим качествам, класс 1 является предпочтительным материалом для любого применения, где требуется легкость формования, и обычно доступен в виде титановых пластин и трубок. К ним относятся:

• Химическая обработка
• Производство хлората
• Размерно-стабильные аноды
• Опреснение
• Архитектура
• Медицинская промышленность
• Морская промышленность
• Автозапчасти
• Конструкция планера

Grade 2

Титан Grade 2 называют «рабочей лошадкой» промышленного производства чистого титана благодаря разнообразным возможностям использования и широкой доступности. Он обладает многими из тех же качеств, что и титан Grade 1, но немного прочнее. Оба одинаково устойчивы к коррозии.

Этот сорт обладает хорошей свариваемостью, прочностью, пластичностью и формуемостью. Это делает титановые прутки и листы класса 2 лучшим выбором для многих областей применения:

• Архитектура
• Производство электроэнергии
• Медицинская промышленность
• Переработка углеводородов
• Морская промышленность
• Кожухи выхлопной трубы
• Обшивка планера
• Опреснение
• Химическая обработка
• Производство хлората

Сорт 3

Сорт 3 Титановые детали

Этот сорт используется реже всего из технически чистых сортов титана, но это не делает его менее ценным. Марка 3 прочнее, чем марки 1 и 2, похожа по пластичности и лишь немного хуже поддается формованию, но обладает более высокими механическими свойствами, чем ее предшественники.

Класс 3 используется в приложениях, требующих умеренной прочности и высокой коррозионной стойкости. К ним относятся:

• Аэрокосмические конструкции
• Химическая обработка
• Медицинская промышленность
• Морская промышленность

Марка 4

Марка 4 известна как самая прочная из четырех марок технически чистого титана. Он также известен своей превосходной коррозионной стойкостью, хорошей формуемостью и свариваемостью.

Несмотря на то, что он обычно используется в следующих отраслях промышленности, класс 4 недавно нашел свою нишу в качестве титана медицинского назначения. Это необходимо в приложениях, в которых требуется высокая прочность:

• Компоненты планера
• Криогенные сосуды
• Теплообменники
• ИПЦ-оборудование
• Трубка конденсатора
• Хирургическое оборудование
• Корзины для травления

Титановые сплавы

Сорт 7

Сорт 7 механически и физически эквивалентен Сорту 2, за исключением добавления палладия в качестве промежуточного элемента, что делает его сплавом. Марка 7 обладает отличной свариваемостью и технологичностью, а также обладает наибольшей коррозионной стойкостью из всех титановых сплавов. Фактически, он наиболее устойчив к коррозии в восстановительных кислотах.

Марка 7 используется в химических процессах и компонентах производственного оборудования.

Класс 11

Класс 1 Обработка титана

Класс 11 очень похож на Класс 1, за исключением добавления небольшого количества палладия для повышения коррозионной стойкости, что делает его сплавом. Эта коррозионная стойкость полезна для защиты от щелевой эрозии и снижения кислотности в хлоридных средах.

Другие полезные свойства включают оптимальную пластичность, способность к холодной штамповке, полезную прочность, ударную вязкость и отличную свариваемость. Этот сплав можно использовать в тех же областях применения титана, что и сплав класса 1, особенно там, где существует проблема коррозии, например:

• Химическая обработка
• Производство хлората
• Опреснение
• Морское применение

Ti 6Al-4V (Grade 5)

Известный как «рабочая лошадка» титановых сплавов, Ti 6Al-4V или титан Grade 5 является наиболее часто используемым из всех титановых сплавов. На его долю приходится 50 процентов от общего использования титана во всем мире.

Его удобство заключается в его многочисленных преимуществах. Ti 6Al-4V может подвергаться термообработке для повышения прочности. Его можно использовать в сварных конструкциях при рабочих температурах до 600°F. Этот сплав обладает высокой прочностью при малом весе, полезной формуемостью и высокой коррозионной стойкостью.

Удобство использования сплава Ti 6AI-4V делает его лучшим сплавом для использования в нескольких отраслях, таких как аэрокосмическая, медицинская, морская и химическая промышленность. Его можно использовать при создании таких технических вещей, как:

• Турбины авиационные
• Компоненты двигателя
• Элементы конструкции самолета
• Аэрокосмический крепеж
• Высокопроизводительные автоматические детали
• Морское применение
• Спортивный инвентарь

Ti 6AL-4V ELI (класс 23)

Хирургический титан класса 23

Ti 6AL-4V ELI или класс 23 представляет собой версию Ti 6Al-4V с более высокой степенью чистоты. Он может быть изготовлен в виде катушек, прядей, проволоки или плоской проволоки. Это лучший выбор для любой ситуации, когда требуется сочетание высокой прочности, легкого веса, хорошей коррозионной стойкости и высокой ударной вязкости. Он имеет превосходную устойчивость к повреждениям по сравнению с другими сплавами.

Эти преимущества делают сплав Grade 23 идеальным титановым сплавом для стоматологии и медицины. Его можно использовать в биомедицинских приложениях, таких как имплантируемые компоненты, благодаря его биосовместимости, хорошей усталостной прочности и низкому модулю. Его также можно использовать при детальных хирургических процедурах, например:

• Ортопедические штифты и винты
• Ортопедические тросы
• Лигатурные зажимы
• Хирургические скобы
• Пружины
• Ортодонтические приспособления
• При замене суставов
• Криогенные сосуды
• Костные фиксаторы

Класс 12

Титан Класс 12 Области применения

Титан Класс 12 имеет оценку «отлично» за высокое качество свариваемости. Это очень прочный сплав, который обеспечивает большую прочность при высоких температурах. Титан марки 12 обладает характеристиками, аналогичными нержавеющим сталям серии 300.

Этот сплав может быть подвергнут горячему или холодному формованию с использованием листогибочного пресса, гидропрессования, формования с вытяжкой или методом ударного молота. Его способность формироваться различными способами делает его полезным во многих приложениях. Высокая коррозионная стойкость этого сплава также делает его бесценным для производственного оборудования, где щелевая коррозия является проблемой. Марка 12 может использоваться в следующих отраслях промышленности и применениях:

• Кожух и теплообменники
• Применение в гидрометаллургии
• Химическое производство при повышенных температурах
• Морские и авиационные компоненты

Ti 5Al-2.5Sn

Ti 5Al-2.5Sn представляет собой нетермообрабатываемый сплав, обеспечивающий хорошую свариваемость и стабильность. Он также обладает высокой температурной стабильностью, высокой прочностью, хорошей коррозионной стойкостью и хорошим сопротивлением ползучести. Ползучесть относится к явлению пластической деформации в течение длительных периодов времени, которое происходит при высоких температурах.

Ti 5Al-2.5Sn в основном используется в самолетах и ​​планерах, а также в криогенных приложениях.

Определения

Титановый прутковый материал

Метод падающего молота – Использование машины, состоящей из наковальни или основания, совмещенного с молотом, который поднимают и затем опускают на расплавленный металл для ковки или штамповки металла.

Пластичность – Способность металла легко вытягиваться в проволоку или разбиваться молотком; легко формуется или формуется.

Производственность – Относится к способности металла использоваться для создания машин, конструкций и другого оборудования путем формирования и сборки.

Способность к формованию. Способность металла принимать различные формы и формы.

Гидропрессование. Давление, оказываемое резиновой пресс-головкой, формирует лист металла по конфигурации инструмента, формирующего металл.

Промежуточные элементы – «примеси», обнаруженные в чистых металлах, иногда добавляющие преимущества сплаву.

Листогибочный пресс для формовки – машина, используемая для гибки листового металла в любую требуемую форму.

Метод вытягивания – метод, при котором нагретый металлический лист вытягивается по форме, а затем охлаждается до нужной формы.

Металлургическое материаловедение и проектирование сплавов

 

Нелегированный технически чистый титан имеет предел прочности при растяжении в диапазоне от 275 до 590 МПа, и эта прочность контролируется в основном за счет содержания кислорода
и содержания железа. Чем выше содержание кислорода и железа , тем выше прочность
. Марки титана, легированные в промышленных масштабах, могут иметь предел прочности при растяжении от 600 МПа (например, Ti-3A1-2,5V) до предела прочности при растяжении до 1250 МПа (например, для высокопрочных сплавов). сплав Ti-15Mo-5Zr-3AI). 91/2
и находится в отрицательной корреляции с пределом текучести при растяжении. Удельная вязкость разрушения зависит от микроструктуры, поэтому вязкость разрушения различных сплавов выше в Титановые сплавы с игольчатой ​​структурой.

 

Дизайн микроструктуры и механические свойства сплава Ti–4Mo, близкого к альфа
Acta Materialia 97 (2015) 291-304
Дизайн микроструктуры и механические свойства сплава Ti–4Mo, близкого к альфа
З. Тарзимогадам, С. Сандлёбес, К.Г. Pradeep, D. Raabe
Acta Materialia 97 (2015) 291 Ti Mo Micr[…]
PDF-документ [3,8 MB]

Механические свойства титановых сплавов (изображение из: Titanium and Titanium Alloys. Fundamentals and Applications. eds. Leyens, Peters)

 

 

903:00

β сплавы

Прочность на растяжение (мин)			0,2% предел текучести (мин)
Обозначение	МПа	тысяч фунтов на квадратный дюйм	МПа	тысяч фунтов на квадратный дюйм
Нелегированные марки
ASTM класс 1	240	35	170	25
ASTM класс 2	340	50	280	40
ASTM класс 3	450	65	380	55
ASTM класс 4	550	80	480	70
ASTM класс 7	340	50	280	40
ASTM класс 11	240	35	170	25
α и около α сплавы
Ti-0. 3Mo-0.8Ni	480	70	380	55
Ti-5Al-2.5Sn	790	115	760	110
Ti-5Al-2.5Sn-ELI	690	100	620	90
Ти-8Ал-1Мо-1В	900	130	830	120
Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo	900	130	830	120
Ти-6Ал-2Нб-1Та-0,8Мо	790	115	690	100
Ti-2. 25Al-11Sn-5Zr-1Mo	1000	145	900	130
Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.7Nb-0.5Mo-0.35Si	1030	149	910	132
α — β сплавы
Ти-6Ал-4В(а)	900	130	830	120
Ти-6Ал-4В-ЭЛИ(а)	830	120	760	110
Ti-6Al-6V-2Sn(а)	1030	150	970	140
Ti-8Mn(а)	860	125	760	110
Ti-7Al-4Mo(а)	1030	150	970	140
Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo(б)	1170	170	1100	160
Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr(б)(в)	1125	163	1055	153
Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr(с)	1030	150	970	140
Ти-3Ал-2,5В(д)	620	90	520	75
Ti-4Al-4Mo-2Sn-0,5Si	1100	160	960	139
Ti-10V-2Fe-3Al(а)(с)	1170	170	1100	160
Ti-13V-11Cr-3Al(б)	1170	170	1100	160
Ti-8Mo-8V-2Fe-3Al(б)(в)	1170	170	1100	160
Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr(а)(с)	900	130	830	120
Ti-11,5Mo-6Zr-4,5Sn(а)	690	100	620	90
Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn	1000(б)	145(б)	965(б)	140(б)
	1241(ф)	180(ф)	1172(ф)	170(ф)
Ti-15Mo-3Al-2. 7Nb-0.2Si	862	125	793	115

 

Титан и титановые сплавы – различия и применение

Рынок титана опирается на использование технически чистого титана, а также на различные сплавы. В то время как первый часто используется в химической промышленности, его сплавы выбирают для изготовления корпусов самолетов и авиационных двигателей, среди других компонентов. В этой статье освещаются различия между титаном и его сплавами, а также когда конкретно используются последние.

Титан технической чистоты

Титан в его нелегированной форме представляет собой легкий и прочный материал. Его прочность на растяжение аналогична прочности углеродистой стали, однако его вес вдвое меньше. Чистый титан имеет серебристый цвет, низкую плотность и неповторимый блеск.

Титан обладает отличной коррозионной стойкостью, что делает его идеальным выбором для применения в морской воде (на шельфе и в морской среде). Кованые изделия из чистого титана в основном используются из-за их устойчивости к коррозии.

Стоит также отметить, что коммерчески чистый титан может противостоять повреждениям (коррозии), вызванным другими жидкостями, такими как кислотные дожди. По этой причине в настоящее время титан новаторски используется в архитектуре. Титан также обладает высокой устойчивостью к коррозионному растрескиванию под напряжением, что делает его еще более интересным материалом для использования.

С экологической точки зрения титан является экологически чистым материалом. В отличие от других металлов, он не высвобождает токсичные ионы тяжелых металлов (это происходит в процессе коррозии, что не является проблемой для титана). Что касается формовки, титан можно формовать так же легко, как и нержавеющую сталь. Однако его тепловое расширение и усадка выше, чем у нержавеющей стали.

В чистом виде титан имеет четыре различных сорта, каждый из которых обладает различными свойствами (коррозионная стойкость, формуемость/пластичность, прочность и т. д.). Например, титан марки 1 обладает наибольшей коррозионной стойкостью и формуемостью, но меньшей прочностью. Для сравнения, класс 4 имеет самую высокую прочность и лишь умеренную формуемость.

Коммерчески чистый титан доступен в различных формах, таких как стержни, тросы, пряди, катушки и плоская проволока. Его можно использовать в медицинских целях, включая ортопедические имплантаты, иглы, швы, зубные имплантаты и даже оправы для очков. Титан имеет высокое соотношение прочности и веса, что означает, что он очень устойчив к повреждениям и в то же время легкий.

Титановые сплавы

Титан может быть сплавлен с различными материалами, такими как алюминий и ванадий, полученные сплавы используются в аэрокосмической, химической и энергетической областях. Другие титановые сплавы изготавливают с молибденом и железом, хромом, никелем, медью, кобальтом. Смесь титана и различных сплавов обеспечивает повышенную прочность на растяжение и ударную вязкость (даже при экстремальных температурах).

Благодаря превосходным механическим свойствам титановые сплавы могут применяться в самых сложных условиях. Детали газотурбинных двигателей могут быть изготовлены из титановых сплавов, а также различные детали планера как для гражданских, так и для военных самолетов.

Атомные электростанции и предприятия пищевой промышленности полагаются на использование титановых сплавов. Они используются для теплообменников на нефтеперерабатывающих заводах, морских компонентов благодаря их высокой коррозионной стойкости и, учитывая их биосовместимость, для медицинских протезов.

Титан иногда сплавляют с палладием, в результате чего сплав демонстрирует повышенную устойчивость к коррозии и прочность. Титан-палладиевые сплавы используются в приложениях, требующих превосходной коррозионной стойкости. Вы увидите, как они используются в химической промышленности, а также для хранения.

Титановые сплавы подходят для сред, в которых коррозия является проблемой, где существует постоянное колебание между окислением и восстановлением. Одним из наиболее часто используемых титановых сплавов является Ti-6Al-4V, представляющий собой альфа-бета-сплав. Этот сплав имеет высокий уровень толерантности и подходит для широкого спектра применений.

Альфа-сплавы содержат нейтральные легирующие элементы, а также альфа-стабилизаторы (алюминий, кислород и др.). Они обладают хорошей прочностью и свариваемостью, демонстрируя стойкость к окислению (даже при использовании при повышенных температурах, что является результатом содержания алюминия).

Как титан, так и его сплавы могут подвергаться термической обработке для повышения их общей прочности, снижения остаточного напряжения и даже для оптимизации вязкости разрушения. Однако альфа-сплавы не могут подвергаться термической обработке для улучшения их механических свойств, поскольку они являются однофазными сплавами.

Сплавы, близкие к альфа, содержат уменьшенное количество стабилизаторов бета-фазы, которые повышают их общую пластичность. Стабилизаторы бета-фазы добавляют в количестве 1-2% (чаще всего это кремний, ванадий или молибден). 9Сплавы 0238 Альфа-бета, как следует из их названия, представляют собой комбинацию как бета-, так и альфа-стабилизаторов. Их можно подвергать термической обработке для повышения прочности, но стоит отметить, что их формуемость будет уменьшаться пропорционально вновь полученной прочности (последующая обработка).

Бета-сплавы имеют высокий процент бета-стабилизаторов, таких как кремний, ванадий или молибден. Их обрабатывают различными растворами и состаривают, в результате чего повышается прочность. Бета-сплавы обладают отличной формуемостью и легко поддаются сварке. Их часто можно увидеть в ортодонтии, заменив нержавеющую сталь.

Титан или титановые сплавы – выбор для эксплуатации

При принятии решения об использовании нелегированного технически чистого титана или одного из его сплавов производители учитывают основные факторы, такие как прочность и коррозионная стойкость. Механические свойства, такие как плотность, скорость роста усталостных трещин и вязкость разрушения, будут определять состав сплава и необходимость термической обработки.

Коммерчески чистый, нелегированный титан, как правило, предпочтительнее для защиты от коррозии, так как он имеет более низкую прочность. Такие приложения могут включать теплообменники, резервуары и корпуса реакторов для различных отраслей промышленности и областей, включая производство электроэнергии, химическую обработку и опреснение.

Когда речь идет о высокопроизводительных устройствах, используются более прочные титановые сплавы. Они используются для разработки газовых турбин и различных конструкций самолетов, а также подводных аппаратов и бурового оборудования. В настоящее время титановые сплавы используются для изготовления биомедицинских имплантатов, а также деталей (рам) велосипедов.

Такие сплавы, как Ti-6Al-4V и Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr, используются для морского бурения и геотермальных трубопроводов. Другие сплавы, в том числе Ti-6V-2Sn-2Zr-2Cr-2Mo+Si, Ti-10V-2Fe-3Al, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo+Si, могут использоваться в аэрокосмической промышленности, а также в газовых турбинах. двигатели.

Производители могут решить в первую очередь учитывать коррозионную стойкость, а не прочность или термостойкость определенного титанового сплава (коррозионная стойкость как основной фактор выбора). При принятии решения о том, будет ли определенный титановый сплав использоваться для защиты от коррозии, в процессе принятия решения большое значение имеют экономические соображения.

О wm

Веб-мастер Пользователь

Что такое титановый сплав? | Марки и свойства титановых сплавов

Титан упоминается в стандартной таблице элементов как переходный металл и обозначается как
Ти. Его устойчивость к давлению, теплу, воде и соли, а также легкий вес делают его идеальным металлом для целого ряда применений. Сюда входят джойстики, зубные имплантаты, самолеты и корабли. Титановые сплавы сохраняют ту же прочность и стойкость к окислению, но в сочетании со сталью приобретают большую гибкость и универсальность.

Для многих важных высокотехнологичных применений используются титановые сплавы , такие как вращающиеся и неподвижные части газотурбинного двигателя и компоненты авиационного двигателя. Для этого барьера требуется кислород, как следует из названия оксида. Титан легко подвергается коррозии и ржавчине в вакуумных условиях, где мало кислорода. Тем не менее, найти и изготовить чистый титан, полностью устойчивый к коррозии и ржавчине, очень трудно и редко. Большинство насадок и предметов из титана изготовлены из титанового сплава, который смешивает различные уровни титана с различными металлами. Они уязвимы для ржавчины и коррозии, потому что они не сделаны из чистого титана. Многие из титановых сплавов, используемых в конструкционных целях в аэрокосмической, энергетической и химической промышленности, состоят из двухфазных смесей фаз α и β, смешанных в различных морфологиях и фракциях относительного объема. Двухфазные сплавы α + β дают широкий диапазон сочетаний прочности, долговечности и свойств при высоких температурах до ~600 °С. Ключевыми факторами, определяющими функциональные характеристики этих сплавов, являются твердофазные превращения.

Свойства титановых сплавов

Характеристики связаны с содержанием примесей углерода, азота, водорода и кислорода. Иодид титана имеет чистоту менее 0,1%, но обладает низкой прочностью и высокой пластичностью. 99,5-процентный промышленный чистый титан имеет следующие характеристики: плотность p=4,5 г/куб.см, температура плавления 1725 °C, теплопроводность a=15,24 Вт/(м·K), прочность при напряжении b=539 МПа, дельта удлинения=25%, Модуль упругости Е=1,078*105, твердость HB197 циклов) составляет примерно 50% напряжения, а сварка не вызывает существенного снижения усталостной прочности.

Какой титан лучше всего?

Титан марок 1, 2, 3 и 4 является коммерчески чистым (минимум 99% титана). Этот сорт имеет незначительные изменения химического состава, которые влияют на механические характеристики и возможности конструкции. Стойкость к коррозии на всех четырех уровнях одинакова. Титан класса 2 является предпочтительным сплавом для большинства промышленных применений с хорошей гибкостью и коррозионной стойкостью из четырех коммерчески чистых (CP) классов титана. Марка 3 наименее используется в технически чистом титане, но не менее ценна. Сорт 3 прочнее и менее поддается формованию, чем сорта 1 и 2, но имеет более высокие механические компоненты, чем его предшественники. 3 класс имеет пластичный характер.

Титан класса

Класс 2 обеспечивает превосходную стойкость к морской воде и морской коррозионной среде. Стойкость к окислению четвёрки технически чистых близка. Марки, но с разным содержанием кислорода и железа, различаются механическими свойствами. Титан класса 2 устойчив к влажным хлоридам, хлоридам металлов, хлоритам и гипохлоритам, азотной и хромовой кислотам, органическим кислотам и многим другим промышленным газообразным средам.

Влияние сплава на титановые сплавы

Химические компоненты каждой марки:

Марка	Fe%	С%	Н%	H%	О%	Ал%	В%	Мо%	Ni%	Pd%	Ти
гр1	0,2	0,08	0,03	0,015	0,18	—	—	—	—	—	БАЛ.
гр2	0,3	0,08	0,03	0,015	0,25	—	—	—	—	—	БАЛ.
гр3	0,3	0,08	0,05	0,015	0,35	—	—	—	—	—	БАЛ.
гр.4	0,3	0,08	0,05	0,015	0,40	—	—	—	—	—	БАЛ
гр5	0,25	0,08	0,03	0,015	0,02	5,5–6,75	3,5 — 4,5	—	—	—	БАЛ
гр7	0,3	0,08	0,03	0,015	0,25	—	—	—	—	0,12 — 0,25	БАЛ.
гр.9	0,25	0,08	0,03	0,015	0,15	2,5–3,3	2,0–3,0	—	—	—	БАЛ.
гр.12	0,3	0,08	0,03	0,015	0,25	—	—	0,2 — 0,4	0,6 — 0,9	—	БАЛ.
гр23	0,3	0,08	0,03	0,015	0,13	5,5–6,75	—	—	—	—	БАЛ

Механические характеристики каждой марки:

Марка	Прочность на растяжение (мин)		Предел текучести 0,2% Смещение		Удлинение на 2 дюйма или 50 мм % (мин)
	КСИ	МПа	КСИ	МПа
Группа 1	35	240	20 — 45	138 — 310	24
Группа 2	50	345	40 — 65	275 — 450	20
Группа 3	65	450	55 — 80	380 — 550	18
Группа 4	80	550	≥70	≥483	15
Группа 5	138	950	≥128	≥880	14
Группа 7	50	345	≥40	≥275	24
Группа 9	125	860	≥105	≥725	10
Группа 12	70	483	≥50	≥345	18
Группа 23	125	860	≥115	≥790	15

Применение титановых сплавов:

Титановые сплавы обладают высокой прочностью, низкой плотностью, отличными механическими свойствами, высокой прочностью и устойчивостью к коррозии. Титановый сплав также слаб в производстве и трудно режется. Примеси, такие как водород, кислород, азот и углерод, могут легко поглощаться при нагревании. Износостойкость также низкая, а процесс производства сложен. В 1948 началось автоматизированное производство титана. Титановая промышленность растет вместе с ростом авиационной промышленности на среднегодовом уровне 8%. Ежегодное производство материалов для обработки титановых сплавов в мире составляет более 40 000 тонн, и доступно около 30 форм титановых сплавов.

ОБЛАСТЬ ПОСТАВКИ :

Лодки и другие приспособления уже давно погружаются в воду, поэтому их компоненты должны быть устойчивыми к коррозии, прочными и долговечными. Благодаря полному набору прочности, уникальным физическим свойствам, отличным механическим характеристикам, стойкости к коррозии и повреждениям титановые сплавы нашли широкое применение в судостроении. На насосах, фильтрах, трубопроводах, устройствах пожаротушения, катерах и другом оборудовании российских кораблей используются титановые сплавы.

Применение в аэрокосмической отрасли:

В фюзеляже, двигателе и деталях ракет титан является важным «космическим материалом». При проектировании высокопроизводительных самолетов, таких как ASX-31, X-30, использование материалов из титановых сплавов дало замечательные результаты. Коэффициент М вырос примерно на три, а общее качество самолета упало на 80%. Россия поставляет листы из титановых сплавов и другое сырье для производства авиационной техники. Для исследований и разработок космического корабля Шэньчжоу в Китае обычно использовались титановые сплавы.

Испытания (разрушающие, неразрушающие):

• Положительная идентификация материала — испытания PMI
• Химический анализ — Спектроанализ
• Механические испытания, такие как растяжение, удлинение, уменьшение площади
• Микротест
• Макро-тест
• Испытание на твердость

• Испытание на устойчивость к точечной коррозии
• Испытание на межкристаллитную коррозию (IGC)
• Испытание на развальцовку
• Испытание на сплющивание
• Гидростатическое испытание
• Испытание на водородное растрескивание (HIC), NACE TM0284

• Сульфидное коррозионное растрескивание под напряжением (SSC), NACE TM 0177
• Радиографический тест
• Испытание на проникновение красителя (испытание DP)
• Ультразвуковой тест (UT)
• Вихретоковый контроль
• Испытание на удар
• Испытание на изгиб

Упаковка:

Мы DUPLEX STEEL & ENGINEERING обеспечиваем наилучшее качество упаковки, потому что это играет важную роль, особенно в случае международных поставок, в которых грузы проходят через различные каналы, чтобы достичь конечного пункта назначения, поэтому мы уделяем особое внимание упаковке. .

Мы упаковываем наши товары разными способами в зависимости от продукта. Мы упаковываем нашу продукцию несколькими способами, например: —

• Коробки и ящики
• В термоусадочной пленке
• Картонные коробки
• Деревянные поддоны
• Деревянные ящики
• Деревянные ящики

ПРИМЕНЕНИЕ:

• Резервуары для химикатов
• Целлюлозно-бумажная промышленность
• Нефтехимическая промышленность
• Электроэнергетика
• Нефтегазовая промышленность
• Опреснение
• Архитектура и строительство
• Оборудование для пищевой промышленности
• Завод по производству биотоплива
• Грузовые танки для кораблей и грузовиков
• Химическая промышленность Насосы, вентиляторы, центрифуги, змеевики для плавления серы,
• Варочные котлы на сульфатных и сульфитных заводах, продувочные резервуары, продувочные линии

DUPLEX STEEL & ENGINEERINGS Corporation производит и экспортирует в различные страны, такие как Саудовская Аравия, Бангладеш, США, Объединенные Арабские Эмираты, Канада, Ангола, Аргентина, Австрия, Азербайджан, Пакистан, Перу, Чили, Кувейт, Мексика, Малайзия, Нигерия. , Сербия, Сингапур, Тайвань, Чили, Венесуэла, Эквадор, Нидерланды, Бразилия, Вьетнам, ЮАР, Нигерия, Мексика, Турция, Венгрия, Алжир, Беларусь, Бельгия, Бутан, Боливия, Болгария, Хорватия, Чехия, Эстония, Финляндия , Греция, Италия, Япония, Ливия, Колумбия, Гана, Иран, Дания, Польша, Австралия, Афганистан, Бахрейн, Коста-Рика, Египет, Ирак, Иордания, Корея>, Казахстан, Шри-Ланка, Литва, Норвегия, Оман, Филиппины, Польша, Катар, Испания, Франция, Великобритания, Индонезия, Израиль, Иран, Россия, Румыния, Таиланд, Тринидад и Тобаго, Тунис, Украина, Йемен, Гонконг, Габон, Китай, Португалия, Швейцария, Новая Зеландия, Швеция, Словакия , Кения, Ливан, Марокко, Монголия

DUPLEX STEEL & ENGINEERINGS Corporation производит и экспортирует в несколько городов, таких как Мумбаи, Тане, Нави Мумбаи, Пуна, Пимпри-Чинчвад, Вадодара, Калькутта, Гуджарат, Гургаон, Ахмадабад, Сеул, Хайдарабад, Нашик, Сингапур, Абу-Даби, Тегеран, Калгари, Нойда, Эр-Рияд, Лондон, Коимбатур, Джакарта, Стамбул, Бангкок, Кувейт, Шарджа, Маскат, Эдмонтон, Пусан, Мехико, Доха, Нью-Дели, Бангалор, Ченнаи, Сурат, Бхопал, Ульсан, Фаридабад, Гуджарат , Хьюстон, Дубай, Джидда, Абердин, Каир, Кохе-си, Перт, Сантьяго, Чандигарх, Индор, Куала-Лумпур, Рио-де-Жанейро, Даммам, Мельбурн, Мадрид, Ла-Виктория, Богота, Лахор, Лос-Анджелес, Алжир, Чиода, Анкара, Хошимин, Торонто, Гонконг, Ховра, Сидней, Ахваз, Карачи, Раджкот, Брисбен, Петалинг-Джая, Эрнакулам, Секундерабад, Гимхэ-си, Аль-Джубайль, Порт-оф-Спейн, Тируванантапурам, Милан, Атырау, Лагос, Ханой, Нью-Йорк, Каракас, Вунгтау, Эль-Хобар, Манама, Монреаль, Гранада, Курбевуа, Вишакхапатнам , Лудхиана, Москва, Даллас, Харьяна, Коломбо

На что следует обратить внимание при обработке титановых сплавов?

Знание

Титановые сплавы широко используются в аэрокосмической, химической, морской и автомобильной промышленности благодаря их превосходному соотношению прочности к весу, коррозионной стойкости и способности сохранять прочность при высоких температурах. Однако недостатками титановых сплавов являются плохая теплопроводность и сильная реакционная способность с инструментальными материалами. Их высокая прочность и низкий модуль упругости затрудняют резку материалов.

Опубликовано: 21 марта 2022 г.

• Особенности обработки титанового сплава
• Среда обработки, необходимая для титановых сплавов
• Классификация титановых сплавов
• Особенности обработки титанового сплава
• Инструментальный материал для обработки титановых сплавов
• Принципы резки титанового сплава

Особенности обработки титановых сплавов:

Обладая превосходными комплексными механическими свойствами, низкой плотностью и хорошей коррозионной стойкостью, титановые сплавы являются стратегическими металлическими материалами, которые можно использовать в производстве режущих инструментов для разработки новых продуктов космической эры.

Среда обработки, необходимая для титановых сплавов:

Титановые сплавы не требуют смазки при сухой обработке, однако по-прежнему часто используется обработка СОЖ под высоким давлением для достижения лучшего охлаждающего эффекта. Высокое давление заставляет охлаждающую жидкость проникать в зону контакта между инструментом, заготовкой и инструментом. Непрямое охлаждение, общее погружение, обработка с закрытыми канавками и термоупрочняющая обработка титановых сплавов при высокой температуре также могут использоваться для уменьшения требуемого объема охлаждающей жидкости, требуемого для силы резания, что делает его более безопасным для окружающей среды за счет минимизации количества смазки в технологической среде. .

1. Сухая среда обработки:
   Сухая среда обработки – это когда не требуется смазка во время обработки. Преимуществами являются более чистая рабочая среда, более чистые детали, отсутствие образования отходов, снижение затрат на механическую обработку и снижение затрат на переработку стружки благодаря отсутствию остаточного масла.
2. СОЖ под высоким давлением:
   СОЖ под высоким давлением может проникать в зону контакта между инструментом-заготовкой и стружкой инструмента для достижения лучшего охлаждающего эффекта. Это снижает износ инструмента за счет смазывания контактной поверхности. Струя охлаждающей жидкости под высоким давлением образует гидравлический барьер между инструментом и заготовкой, который проникает в поверхность для более быстрого охлаждения даже при высоких скоростях обработки. Струя охлаждающей жидкости также помогает удалять стружку из зоны резания.
3. Низкотемпературная среда под низкотемпературной смазкой:
   Низкотемпературные смазки, такие как жидкий азот (LN₂), двуокись углерода (CO₂) или другие низкотемпературные смазки, впрыскиваются между чипом и интерфейсом инструмента для охлаждения площадь резки. Методы применения низкотемпературного охлаждения включают предварительное охлаждение заготовки, непрямое охлаждение лезвия инструмента, общее погружение в воду, обработку с закрытыми канавками и т. д. LN₂ поглощает тепло, быстро испаряется и образует текучую воздушную подушку между стружкой и стружкой. поверхность лезвия, которая действует как смазка. LN₂ нетоксичен, недорог и чист. Он эффективно отводит тепло из зоны резания и сводит к минимуму износ инструмента. Он также может создавать остаточное сжимающее напряжение на обрабатываемой поверхности и улучшать ее усталостную долговечность.
4. Термически усиленная рабочая среда:
   В этой среде обрабатываемый материал нагревается до высоких температур, что снижает прочность материала. Напряжение течения и скорость деформационного упрочнения материала уменьшаются с повышением температуры. Целью этого метода является увеличение скорости съема материала без ущерба для срока службы инструмента. Повышение температуры заготовки достигается лазерным, плазменным, газовым или индукционным нагревом. Таким образом, обработка титановых сплавов при высоких температурах может снизить силы резания, отказаться от охлаждающей жидкости и сделать ее более экологичной. Кроме того, он снижает вибрации в системе «инструмент-работа-механическая» благодаря сегментарной обработке.
5. Минимальные уровни смазки для производственных сред:
   Смесь масла и сжатого воздуха подается между поверхностями инструментов в виде тумана. Небольшие капельки масла, переносимые воздухом, летят прямо в рабочую зону, обеспечивая необходимое охлаждение и смазку. Туман создается в процессе распыления, при котором объемная жидкость превращается в аэрозоль или туман через сопло. Распылительная смазка значительно снижает температуру в зоне резания, тем самым увеличивая срок службы инструмента.

Классификация титановых сплавов:

По характеристикам структуры после отжига его можно разделить на титановые сплавы типа α, α+β, β.

1. Титановый сплав α-типа имеет низкую плотность:
   Он обладает хорошей термической прочностью и термической стабильностью, хорошими характеристиками сварки и хорошими характеристиками при комнатной температуре, сверхнизкой температуре и высокой температуре, но не может быть укреплен термической обработкой. TiAl по-прежнему обладает высокой прочностью при температуре 600 °C и имеет хорошие показатели ползучести, термической стабильности, усталостных свойств и вязкости разрушения. Он широко используется при изготовлении дисков и лопаток турбин реактивных двигателей.
2. Дуплексный сплав титанового сплава типа α+β:
   Структура стабильна, а ударная вязкость, пластичность и свойства высокотемпературной деформации улучшаются с увеличением количества стабилизирующих элементов β-фазы. Он имеет хорошую обрабатываемость при горячем прессовании и может быть закален и состарен для упрочнения сплава. Прочность после термической обработки примерно на 50-100% выше, чем в отожженном состоянии. Он обладает жаростойкостью и может длительно работать при температуре 400~500°С, но по термостойкости уступает α-титановому сплаву. Среди титановых сплавов β-типа Ti-6Al-4V является наиболее используемым из всех титановых сплавов, и его производство в США составляет более половины производства титановых сплавов. Обладая превосходными всесторонними механическими свойствами и обрабатываемостью, он широко используется в производстве аэрокосмических деталей, таких как применение крыльчаток авиационных двигателей из титанового сплава.
3. Титановые сплавы типа β. Бета-титановый сплав представляет собой однофазный сплав, состоящий из твердого раствора бета-фазы:
   Его прочность при комнатной температуре высока, а его способность к холодной обработке и холодной штамповке высока. Обладает высокой прочностью без термической обработки. После закалки и старения прочность сплава еще больше повышается, и прочность при комнатной температуре может достигать 1372~1666 МПа. Однако его термическая стабильность плохая, поэтому его не следует использовать при высоких температурах.

Особенности обработки титанового сплава:

• Титановый сплав имеет плохую теплопроводность, поэтому является плохим теплопроводным материалом. Поскольку его теплопроводность низкая, сильное тепло, выделяющееся во время обработки, не может быть эффективно рассеяно. Длина контакта между режущей кромкой и стружкой инструмента короткая, поэтому на режущей кромке накапливается большое количество тепла. Температура резко повышается, что приводит к снижению красной твердости режущей кромки, размягчению режущей кромки и ускоренному износу инструмента.
• Сродство титанового сплава велико, что приводит к серьезному прилипанию к режущему инструменту во время обработки. Это увеличивает трение между корпусом инструмента и заготовкой, создавая много тепла, что снижает срок службы инструмента.
• С повышением рабочей температуры увеличивается химическая активность, что облегчает реакцию сплавов с O, N, CO, CO₂, H₂O и т. д. в воздухе. По мере увеличения содержания элементов внедрения О и N поверхность заготовки окисляется и упрочняется, что затрудняет ее обработку. Требуемая сила резания инструмента увеличивается, увеличивая нагрузку на режущую кромку. Повышенное трение между передней поверхностью и боковой поверхностью инструмента и заготовкой приводит к быстрому износу или поломке лезвия.
• Поскольку коэффициент деформации титанового сплава также низок, а площадь контакта между инструментом и стружкой во время резания мала. Высокое трение между стружкой и передней поверхностью также увеличивает температуру резания и ускоряет износ передней поверхности инструмента.
• Поскольку коэффициент деформации титанового сплава также низок, а площадь контакта между инструментом и стружкой во время резания мала. Высокое трение между стружкой и передней поверхностью также увеличивает температуру резания и ускоряет износ передней поверхности инструмента.
• Различные методы обработки приводят к различным трудностям обработки титановых сплавов. По сложности процессов механической обработки, ранжированных от простого к сложному, относятся: токарная обработка, фрезерование, сверление, шлифование, сверление глубоких отверстий малого диаметра.

Инструментальный материал для обработки титанового сплава:

Высокая стоимость обработки титанового сплава является основной причиной, препятствующей его широкому использованию. Поиск высокоэффективного и недорогого метода обработки стал актуальной темой в современных исследованиях титановых сплавов. Выбор материалов оказывает большое влияние на обработку титановых сплавов. Идеальные инструментальные материалы для титановых сплавов должны сочетать в себе высокую термическую твердость, хорошую ударную вязкость, износостойкость, высокую теплопроводность и низкую химическую активность. Инструмент также должен иметь хорошую ударопрочность при фрезеровании. Основными инструментальными материалами, используемыми сегодня для обработки титановых сплавов в производстве, являются цементированный карбид, поликристаллический алмаз (PCD), поликристаллический кубический нитрид бора (PCBN) и т. д. Инструменты из цементированного карбида и PCD считаются идеальными для обработки титановых сплавов.

Принципы резки титанового сплава:

1. Скорость резания:
   Скорость резания влияет на температуру режущей кромки, что может привести к перегреву режущей кромки, вызывая серьезное сцепление и износ режущей кромки. Следовательно, чтобы обеспечить большую долговечность инструмента, следует выбирать соответствующую скорость резания, чтобы снизить затраты и обеспечить качество обработки.
2. Глубина подачи и количество проходов:
   Изменение количества проходов мало влияет на температуру, поэтому целесообразно уменьшить глубину резания и увеличить количество проходов. Однако, чтобы избежать твердого оксидного слоя и подкожного пористого слоя, глубина разреза должна достигать неокисленного металлического слоя подложки. Это улучшит срок службы инструмента.
3. Геометрия инструмента:
   При резании титановых сплавов выбор геометрических параметров, таких как передний угол и задний угол, подходящих для метода обработки, а также правильная обработка режущей кромки существенно влияют на эффективность резания и срок службы инструмента. При токарной обработке для улучшения условий отвода тепла и укрепления режущей кромки передний угол обычно составляет 5°~9°. Чтобы преодолеть трение, вызванное возвратной пружиной, боковая поверхность корпуса фрезы обычно составляет 10°~15°. При сверлении, укорачивая длину сверла, увеличивая толщину керна и количество направляющего конуса, можно повысить долговечность сверла в несколько раз.
4.  Усилие зажима:
    Титановый сплав легко деформируется, поэтому усилие зажима не должно быть слишком большим. Особенно во время процесса отделки следует выбирать определенные вспомогательные опоры.
5. СОЖ:
   СОЖ является незаменимой технологической смазкой при обработке титановых сплавов, однако смазочно-охлаждающие жидкости, содержащие хлор или другие галогенсодержащие элементы и серу, могут неблагоприятно влиять на механические свойства титановых сплавов.

Благодаря превосходным свойствам доля титановых сплавов, используемых в аэрокосмической промышленности, с каждым годом увеличивается. Однако из-за высокой стоимости резки и низкой эффективности обработки текущие применения все еще сильно ограничены. Благодаря постоянному совершенствованию исследований, разработок и технологий обработки инструментальных материалов эффективность обработки титанового сплава будет значительно повышена, а стоимость обработки будет постепенно снижаться. Это будет способствовать более широкому применению титановых сплавов в судостроении, автомобилестроении, электронике, судостроении, химической промышленности и других областях.

Опубликовано 21 марта 2022 г. Источник: инструмент

О характеристиках титановых сплавов для авиационных применений

• title={О характеристиках титановых сплавов авиационного назначения}, автор = {Парамджит Сингх, Хариш Пунготра и Нирмал С. Калси}, journal={Материалы сегодня: Материалы}, год = {2017}, объем = {4}, страницы={8971-8982} }
  • Paramjit Singh, H. Pungotra, N. S. Kalsi
  • Опубликовано 2017
  • Материалогические науки
  • Материалы сегодня: Материалы

  View Via Publisher

  ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИСПОЛЬЗУЮ Bhattacharya, Janhavi Unde, Kaustubh Kulkarni

• Материаловедение

• 2020

В аэрокосмической и авиастроительной промышленности крайне важно использовать материалы с высоким соотношением прочности и веса. По этой причине дизайнер старается выжать из каждого последнюю каплю силы…

Исследование мягких ударов по выбранным сплавам аэрокосмического класса на основе модели материала Johnson-Cook

В аэрокосмической промышленности металлические сплавы регулярно используются для изготовления различных компонентов, от стабилизаторов до валов двигателей. Эти компоненты должны выдерживать внешние объективные повреждения (FOD),…

Материалы Выбор оптимизированных титановых сплавов для применения в самолетах

• R. A. Antunes, Camilo A F Salvador, Mara Cristina Lopes Oliveira

• Материаловедение

• 2018

Целью настоящей работы было изучение корреляции между металловедением титановых сплавов и его основными свойствами для выбора оптимальных материалов для конструкционных самолетов…

Замена Ti-64 на Aa2099 в качестве материала пилона коммерческого самолета

Резюме Авиационная промышленность стремится уменьшить вес самолета, чтобы сэкономить топливо и, следовательно, снизить общую стоимость. Новые сплавы и композиты с такими свойствами, как малый вес и высокая прочность…

Современный процесс аддитивного производства титановых сплавов для аэрокосмической промышленности

Аэрокосмическая промышленность инвестирует значительный объем ресурсов для достижения одной общей цели, а именно: заставить самолет летать. Чтобы снизить соотношение «покупка к полету», исследователи усердно работали над…

Проектирование и статический анализ амортизатора шасси коммерческого самолета

• Плабита Соновал, К. Пандей, К. К. Шарма

• Материаловедение

• 2021

Обзор способов обработки, свойств, применений и проблем композита с металлической матрицей титана

• Хрудаянджали Пати, Тапан Кумар Мишри, Сасмита Паниграхи, 90 90 Даль 90 90, Куанар 90, Б.11 Материаловедение

  3

• 2021

В настоящее время титан известен своим легким весом, высокой прочностью и нереактивностью по сравнению со всеми металлами. Композиты с металлической матрицей титана (TMC) очень популярны в аэрокосмической области,…

Влияние параметров процесса и термической обработки на механические свойства Ti64 LBM

Титан является очень полезным материалом для изготовления деталей аэрокосмической отрасли благодаря своим механическим свойствам и легкости. Производство аддитивных слоев (ALM) и, в том числе, лазерное плавление (LBM)…

Краткий обзор композитов с металлической матрицей, армированных углеродными нанотрубками, для аэрокосмических и оборонных применений

Стремление аэрокосмической и оборонной промышленности к обновлению производительности характеристики космических челноков, военных танкеров за счет непрерывного производства передовых…

Разработки и перспективы процессов прецизионного формования для интегрированных компонентов сверхбольших размеров

Для удовлетворения требований высокой надежности, долговечности и легкости в новом поколении аэрокосмической, авиационной, высокоскоростной железной дороги и энергетики энергетическое оборудование, интегрированные компоненты…

ПОКАЗАНЫ 1–10 ИЗ 20 ССЫЛОК

СОРТИРОВАТЬ ПОРелевантность Наиболее влиятельные документыНедавность

Введение в аэрокосмические материалы

• A. Mouritz

• Материаловедение

• 2012

Конструкционные материалы, используемые в планере и силовых установках, влияют на стоимость, характеристики и безопасность самолетов, а также понимание широкого спектра используемых материалов и проблем…

Аэрокосмические приложения бета-титановых сплавов

• R. Boyer

• Материаловедение

• 1994

Бета-сплавы начинают играть значительную роль как в военных, так и в коммерческих самолетах. Поковки Ti-10V-2Fe-3Al, например, играют важную роль в McDonnell Douglas C-17 и Boeing 777…

Поведение бета-титановых сплавов в окружающей среде

• R. Schutz

• Материаловедение

• 1994

Благодаря уникальному сочетанию повышенной прочности, низкой плотности и хорошей общей коррозионной стойкости бета-титановые сплавы стали привлекательными. материалы-кандидаты для критических,…

Перспективы науки и технологии титана

• D. Banerjee, James C. Williams

• Материаловедение

• 2013

TI-15-3: новый холодный листовый титановый сплав

• H. Rosenberg

• Материалисная наука

• 1983

TI-15-3, Arokendation для Ti-15-3, Aroked Ti. -15V-3Cr-3Al-3Sn — это новый метастабильный бета-сплав, используемый там, где требуется способность к холодной штамповке и высокая прочность. В первую очередь разработка ВВС США,…

Производство титана для аэрокосмических применений

• Vinícius Andrés R. Henriques

• Материаловедение

• 2009

Детали из титана идеально подходят для передовых аэрокосмических систем благодаря их уникальному сочетанию высокой удельной прочности как при комнатной температуре, так и при умеренно повышенной температуре, в…

Современное состояние в бета-титане Сплавы для изготовления летательных аппаратов

• J. D. Cotton, R. Briggs, J. Fanning

• Материаловедение

• 2015

Бета-титановые сплавы были признаны отдельным классом материалов в 1950-х годов и после появления Ti-13V-11Cr-3Al в начале 1960-х годов в течение десятилетий проводились интенсивные исследования…

Титановые сплавы для аэрокосмических применений

• M.