Титан. Промышленные титановые сплавы — «Тиком-М»
Марки и химический состав отечественных сплавов (ГОСТ 19807–91) представлены в табл. 17.2.
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 неупрочняемые, по структуре в отожженном состоянии — на a -, псевдо-a -, (a + b )-, псевдо-b — и b -сплавы (табл. 17.3).
Отдельные группы титановых сплавов различаются по величине условного коэффициента стабилизации Кb , который показывает отношение содержания b -стабилизирующего легирующего элемента к его содержанию в сплаве критического состава скр. При содержании в сплаве нескольких b -стабилизирующих элементов их Кb
Деформируемые титановые сплавы
Титановые сплавы невысокой прочности и повышенной пластичности
К этой группе относятся сплавы с пределом прочности s в < 700 МПа, а именно: a -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-a -сплавам с небольшим количеством b -фазы. Характеристики прочности этих сплавов выше, чем чистого титана благодаря примесям в сплавах ВТ1-00 и ВТ1-0 и незначительному легированию a — и b -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. Механические свойства полуфабрикатов из этих сплавов приведены в табл. 17.4–17.6.
Таблица 17.3
Классификация титановых сплавов по структуре
| Группа сплавов | Марка сплава |
|---|---|
| a -Сплавы | ВТ1-00, ВТ1-0, ВТ5, ВТ5-1, ПТ-7М |
| Псевдо-a -сплавы (Кb < 0,25) | ОТ4-0, ОТ4-1, ОТ4, ВТ20, АТ3 |
| (a + b )-Мартенситного класса (Кb = 0,3–0,9) | ВТ6С, ВТ6, ВТ14, ВТ8, ВТ9, ПТ-3В, ВТ3-1, АТ3 |
| (a + b )-Сплавы переходного класса (Кb = 1,0–1,4) | ВТ22, ВТ30* |
| Псевдо-b -сплавы (Кb = 1,5–2,4) | ВТ35*, ВТ32*, ВТ15 |
| b -Сплавы (Кb = 2,5–3,0) | 4201* |
* Опытные сплавы.
Таблица 17.4
Механические свойства листов из титановых сплавов (ГОСТ 22178–76)
| Марки титановых сплавов | Состояние образцов при испытаниях | Толщина листов, мм | Предел прочности, s в, МПа | Относительное удлинение, d , % |
|---|---|---|---|---|
| не менее | ||||
| ВТ1-00 | Отожженное | 0,3–1,8 | 295 (295–440) | 30 (30) |
| Св. 1,8–6,0 | 25 (30) | |||
| Св. 6,0–10,5 | 20 (20) | |||
| ВТ1-0 | То же | 0,3–0,4 | 375 (375–540) | 25 (25) |
| Св. 0,4–1,8 | 30 (30) | |||
| Св. 1,8–6,0 | 25 (25) | |||
| Св. 6,0–10,5 | 20 (20) | |||
| ОТ4-0 | Отожженное | 0,3–0,4 | 470 (490–635) | 25 (25) |
| 0,4–1,8 | 30 (30) | |||
| 1,8–6,0 | 25 (25) | |||
| 6,0–10,5 | 20 (20) | |||
| ОТ4-1 | То же | 0,3–0,7 | 590 (590–785) | 25 (25) |
| Св. 0,7–1,8 | 20 (20) | |||
| Св. 1,8–6,0 | 15 (15) | |||
| Св. 6,0–10,5 | 13 (13) | |||
| ОТ4 | То же | 0,5–1,0 | 685 (685–885) | 20 (20) |
| Св.1,0–1,8 | 15 (15) | |||
| Св. 1,8–6,0 | 12 (12) | |||
| Св. 6,0–10,5 | 10 (12) | |||
| ВТ5-1 | То же | 0,8–1,2 | 735 (735–930) | 15 (15) |
| Св. 1,2–1,8 | 12 (12) | |||
| Св. 1,8–6,0 | 10 (10) | |||
| Св. 6,0–10,5 | 8 (8) | |||
| ВТ6 | То же | 1,0–10,5 | 885 (885–1080) | 8 (8) |
| ВТ14 | Отожженное | 0,8–5,0 | 885 (885–1050) | 8 (8) |
| Св. 5,0–10,5 | 835 (835–1050) | 8 (8) | ||
| Закаленное и искусственно состаренное | 0,8–1,5 | 1080 (1080) | ||
| Св. 1,5–5,0 | 1180 (1180) | 6 (6) | ||
| Св. 5,0–7,0 | 1080 (1080) | 4 (4) | ||
| Св. 7,0–10,5 | 1100 (1100) | 4 (4) | ||
| ВТ20 | Отожженное | 0,8–1,8 | 930 (930–1180) | 12 (12) |
| Св. 1,8–4,0 | 10 (10) | |||
| Св. 4,0–10,5 | 8 (8) | |||
| Отожженное и правленное | 0,8–4,0 | 980 (980–1180) | 9 (9) | |
| Св. 4,0–10,5 | 6 (6) | |||
Примечание. В скобках приведены данные для листов с высокой отделкой поверхности.
Таблица 17.5
Механические свойства прутков из титановых сплавов (ГОСТ 26492–85)
| Марка сплава | Состояние испытываемых образцов | Диаметр прутка, мм | Предел прочности s в, МПа | Относительное удлинение d , % | Относительное % | Ударная вязкость KCU, Дж/см2 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| не менее | ||||||
| ВТ1-00 | 10–100 | 295 (295–440) | 20 (20) | 50 (55) | 100 (120) | |
| 100–150 | 265 (265–440) | 40 (42) | 60 (60) | |||
| ВТ1-0 | То же | 10–100 | 345 (345–540) | 15 (20) | 40 (50) | 70 (100) |
| 100–150 | 36 (38) | 50 (60) | ||||
| ВТ1-2 | То же | 65–150 | 590–930 | 8 | 17 | 25 |
| ОТ4-0 | То же | 10–100 | 440 (490–635) | 15 (20) | 35 (40) | 50 (70) |
| 100–150 | 13 (20) | 30 (32) | 40 (50) | |||
| ОТ4-1 | То же | 10–100 | 540 (590–735) | 12 (15) | 30 (35) | 45 (45) |
| 100–150 | 10 (13) | 21 (24) | 40 (40) | |||
| ОТ4 | То же | 10–100 | 685 (685–885) | 8 (10) | 25 (30) | 40 (40) |
| 100–150 | 635 (635–885) | 20 (21) | 35 (35) | |||
| ВТ5 | Отожженные | 10–100 | 735 (735–930) | 8 (10) | 20 (25) | 30 (50) |
| 100–150 | 685 (715–930) | 6 (6) | 15 (18) | 30 (50) | ||
| ВТ5-1 | То же | 10–100 | 785 (785–980) | 8 (10) | 20 (25) | 40 (40) |
| 100–150 | 745 (745–980) | 6 (6) | 15 (18) | 40 (45) | ||
| ВТ6 | Отожженные | 10–100 | 885 (905–1050) | 8 (10) | 20 (30) | 25 (35) |
| 100–150 | 835 (835–1050) | 6 (6) | 15 (20) | 20 (30) | ||
| Закаленные и состаренные | 10–100 | 1080 (1080) | 4 (6) | 12 (20) | 20 (25) | |
| ВТ6С | Отожженные | 10–100 | 835 (835–980) | 9 (10) | 22 (28) | 30 (40) |
| 100–150 | 755 (755–980) | 6 (7) | 15 (22) | 25 (40) | ||
| Закаленные и состаренные | 10–100 | 1030 (1030) | 4 (6) | 14 (20) | 25 (30) | |
| ВТ3-1 | Отожженные | 10–100 | 930 (980–1230) | 8 (10) | 20 (28) | 30 (30) |
| 100–150 | 930 (930–1180) | 6 (8) | 15 (20) | 25 (30) | ||
| ВТ8 | То же | 10–100 | 980 (980–1230) | 8 (9) | 20 (28) | 30 (30) |
| 100–150 | 930 (930–1180) | 6 (7) | 15 (19) | 20 (30) | ||
| ВТ9 | То же | 10–100 | 980 (1030–1230) | 7 (9) | 16 (28) | 25 (30) |
| 100–150 | 930 (980–1230) | 6 (7) | 15 (16) | 20 (30) | ||
| ВТ14 | Отожженные | 10–100 | 885 (885–1080) | 8 (10) | 22 (32) | 30 (50) |
| 100–150 | 865 (865–1080) | 6 (8) | 15 (25) | 30 (45) | ||
| Закаленные и состаренные | 10–60 | 1080 (1100) | 4 (6) | 8 (12) | 20 (25) | |
| 60–100 | 1080 (1080) | 4 (4) | 8 (8) | 20 (20) | ||
| ВТ20 | Отожженные | 10–100 | 885 (930–1130) | 7 (10) | 20 (25) | 30 (35) |
| 100–150 | 885 (885–1130) | 8 (8) | 20 (20) | 25 (30) | ||
| ВТ22 | То же | 10–100 | 1030 (1080–1230) | 8 (9) | 16 (25) | 25 (30) |
| 100–150 | 1030 (1080–1280) | 6 (7) | 14 (17) | 20 (25) | ||
| АТ3 | То же | 25–60 | 590 | 15 | 35 | 40 |
Примечание. В скобках приведены данные для прутков повышенного качества.
Таблица 17.6
Механические свойства плит из титановых сплавов (ГОСТ 23755–79)
| Марка сплава | Состояние материала | Толщина плит, мм | Предел прочности s в, МПа | Относительное удлинение d , % | Относительное сужение y , % | Ударная вязкость KCU, Дж/см2 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| не менее | ||||||
| ВТ1-00 | Без термической обработки | 11–60 | 295–490 | 14 | 28 | – |
| 60–150 | 11 | 25 | ||||
| ВТ1-0 | 11–60 | 370–570 | 13 | 27 | – | |
| 60–150 | 295–540 | 10 | 24 | |||
| ОТ4-0 | 11–20 | 490–635 | 12 | 18 | – | |
| 20–60 | 11 | |||||
| 60–150 | 10 | |||||
| ОТ4-1 | 11–20 | 590–735 | 10 | 18 | – | |
| 20–60 | 9,0 | 18 | ||||
| 60–150 | 8,0 | 14 | ||||
| ОТ4 | 11–20 | 685–885 | 8,0 | 15 | – | |
| 20–60 | 7,0 | 13 | ||||
| 60–150 | 6,0 | 10 | ||||
| ВТ5-1 | Отожженное | 11–35 | 735–930 | 6,0 | 12 | – |
| ВТ6 | 11–60 | 888–1080 | 6,0 | 16 | 30 | |
| 60–100 | 835–1030 | 6,0 | 12 | |||
| ВТ14 | Отожженное | 11–60 | 835–1030 | 7,0 | 20 | – |
| 60–100 | 6,0 | 14 | ||||
| Закаленное и состаренное | 11–60 | 1080 | 4,0 | 8,0 | – | |
| ВТ20 | Отожженное | 11–60 | 900–1130 | 6,0 | 12 | 30 |
| 60–100 | 880–1130 | 5,0 | 10 | 30 | ||
| ПТ-3В | 11–14 | £ 880 | 10 | 25 | 60 | |
| 14–26 | £ 835 | 10 | 22 | 60 | ||
| АТ3 | Без термической обработки | 11–60 | ³ 590 | 8,0 | 12 | 45 |
Ковка, объемная и листовая штамповка, прокатка, прессование производятся в горячем состоянии по режимам, указанным в табл. 17.7. Окончательная прокатка, листовая штамповка, волочение и другие операции производятся в холодном состоянии.
Эти сплавы и изделия из них подвергаются только отжигу по режимам, указанным в табл. 17.8. 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, в химическом машиностроении, в криогенной технике (табл. 17.9.), а также в узлах и конструкциях, работающих при температурах до 300–350 ° С.
Титановые сплавы средней прочности
К этой группе относятся сплавы с пределом прочности s в = 750–1000 МПа, а именно: a -спла-вы марок ВТ5 и ВТ5-1; псевдо-a -сплавы марок ОТ4, ВТ20; (a + b )-сплавы марок ПТ3В, а также ВТ6, ВТ6С, ВТ14 в отожженном состоянии.
Сплавы ВТ5, ВТ5-1, ОТ4, ВТ20, ПТ3В, ВТ6С, содержащие небольшое количество b -фазы (2–7 % b -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. Режимы горячей обработки давлением приведены в табл. 17.7.
На эту категорию сплавов приходится основной объем производства полуфабрикатов, применяемых в машиностроении. Механические характеристики основных полуфабрикатов приведены в табл. 17.4–17.6.
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 (табл. 17.8).
Обрабатываемость резанием этих сплавов хорошая. Коррозионная стойкость в большинстве агрессивных сред аналогична техническому титану ВТ1-0.
Таблица 17.7
Режимы горячей обработки давлением титановых сплавов
| Марка сплава | Режим ковки слитков | Режим ковки предварительно деформированных заготовок | Режим штамповки на прессе | Режим штамповки на молоте | Режим листовой штамповки | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| температура деформации, ° С | D *, % | толщина, мм | температура деформации, ° С | D , % | температура деформации, ° С | D , % | температура деформации, ° С | D , % | температура деформации, ° С | |||||
| начало | окончание | начало | окончание | начало | окончание | начало | окончание | |||||||
| ВТ1-00 | 1050 | 750 | 20–30 | Все толщины | 950 | 700 | ³ 40 | 890 | 650 | 40–50 | 920 | 700 | 40–50 | 550–600 |
| ВТ1-0 | 1050 | 750 | 20–30 | То же | 950 | 700 | ³ 40 | 890 | 650 | 40–50 | 920 | 700 | 40–50 | 550–600 |
| ОТ4-0 | 950–1050 | 750 | 30–50 | То же | 950 | 700 | 40–70 | 960–890 | 650 | 40–70 | 870–950 | 700 | 40–70 | 550–700 |
| ОТ4-1 | 950–1050 | 750 | 30–50 | То же | 880–950 | 750 | 40–70 | 880–910 | 700 | 40–70 | 890–950 | 750 | 40–70 | 550–700 |
| ОТ4 | 1080 | 850 | 30–50 | То же | 980 | 800 | 40–70 | 910–950 | 800 | 40–70 | 900–930 | 750 | 40–70 | 550–700 |
| ВТ5-1 | 1080 | 900 | 30–50 | То же | 1100 | 850 | 40–70 | 1050 | 850 | 40–70 | 1100 | 900 | 40–70 | 600–750 |
| ВТ5 | 1080 | 900 | 30–50 | То же | 1100 | 850 | 40–70 | 1020 | 850 | 40–70 | 1100 | 900 | 40–70 | – |
| ВТ6С | 1100 | 850 | 30–70 | До 100 свыше 100 | 1000 1020 | 800 800 | 40–70 40–70 | 940 | 750 | 40–70 | 960 | 800 | 40–70 | 650–800 |
| ВТ6 | 1100 | 850 | 30–70 | до 100 свыше 100 | 1000 1080 | 800 800 | 40–70 40–70 | 950 | 750 | 40–70 | 970 | 800 | 40–70 | – |
| ВТ3-1 | 1180 | 850 | ³ 40 | До 100 свыше 100 | 1000–980 1100–1020 | 820 850 | 40–50** 70*** | 930–950 | 800 | 40–60 | 940–980 | 850 | 40–60 | – |
| ВТ8 | 1180 | 900 | ³ 40 | До 100 свыше 100 | 1020–1000 1100–1020 | 850 900 | 40–50** 70*** | 1000–960 | 800 | 40–60 | 980–950 | 850 | 40–60 | – |
| ВТ9 | 1180 | 900 | ³ 40 | До 100 свыше 100 | 1020–1000 1100–1020 | 850 900–850 | 40–50** 70*** | 980–950 | 800 | 40–60 | 1000–960 | 850 | 40–60 | – |
| ВТ14 | 1100 | 850 | 30–50 | Все толщины | 980–1070 | 800 | 40–70 | 930–960 | 800 | 40–70 | 920–940 | 750 | 40–70 | 600–750 |
| ВТ20 | 1180 | 900 | 20–30 | То же | 1080 | 900 | ³ 40 | 970–1000 | 900 | 40–50 | 990–1020 | 850–900 | 40–50 | 700–900 |
| ВТ22 | 1180 | 850 | 30–50 | То же | 1020 | 800 | 40–70 | 840 | 750 | 20–50 | 950 | 800 | 40–70 | 700–900 |
* Степень деформации за один нагрев, %.
** Деформация в (a + b )-области.
*** Деформация в b -области.
Таблица 17.8
Режимы отжига титановых сплавов
| Марка сплава | Температура отжига, ° С | Примечание | |
|---|---|---|---|
| Листы и детали из них | Прутки, поковки, штамповки, трубы, профили и детали из них | ||
| ВТ1-00 | 520–540 | 670–690 | 445–585 ° С* |
| ВТ1-0 | 520–540 | 670–690 | 445–585 ° С* |
| ОТ4-0 | 590–610 | 690–710 | 480–520 ° С* |
| ОТ4-1 | 640–660 | 740–760 | 520–560 ° С* |
| ОТ4 | 660–680 | 740–760 | 545–585 ° С* |
| ВТ3-1 | – | 870–920 600–650 (530–620)* | Изотермический отжиг: нагрев до 870–920 ° С, выдержка, охлаждение до 600–650 ° С, охлаждение с печью или перенос в другую печь, выдержка 2 ч, охлаждение на воздухе |
| ВТ3-1 | – | 870–920 550–600 | Двойной отжиг, выдержка при 550–600 ° С 2–5 ч. Для силовых деталей допускается отжиг при 850 ° С, охлаждение на воздухе |
| ВТ5 | – | 800–850 | 550–650 ° С* |
| ВТ5-1 | 700–750 | 800–850 | |
ВТ6 ВТ6С | 750–800 (600–650)* | 750–800 (600–650)* | Допускается отжиг по режимам: 1) нагрев до 850 ° С, выдержка, охлаждение с печью до 750 ° С, выдержка 3,5 ч, охлаждение на воздухе; 2) нагрев до 800 ° С, выдержка 30 мин, охлаждение с печью до 500 ° С, далее на воздухе |
| ВТ8 | – | 920–950 570–600 (530–620)* | Двойной отжиг, выдержка при 570–600 ° С — 1 ч. Допускается изотермический отжиг: нагрев до 920–950° С, выдержка, охлаждение с печью или перенос в другую печь с температурой 570–600 ° С, выдержка 1 ч, охлаждение на воздухе |
| ВТ9 | – | 950–980 530–580 (530–620)* | Двойной отжиг, выдержка при 530–580 ° С — 2–12 ч. Допускается изотермический отжиг: нагрев до 950–980° С, выдержка, охлаждение с печью или перенос в другую печь с температурой 530–580 ° С, выдержка 2–12 ч, охлаждение на воздухе |
| ВТ14 | 740–760 | 740–760 | 550–650 ° С* |
| ВТ 14 | 790–810 640–660 | 790–810 640–660 | Допускается изотермический отжиг: нагрев до 790–810° С, выдержка, охлаждение с печью или перенос в другую печь до 640–660 ° С, выдержка 30 мин, охлаждение на воздухе |
| ВТ20 | 700–800 | 700–850 | Допускается отжиг листовых деталей при 650–750 ° С, (600–650 ° С)* |
| ВТ22 | 740–760 | 670–820 (в зависимости от сечения и вида полуфабриката) | Охлаждение с печью со скоростью 2–4 ° С/мин до 450 ° С, затем на воздухе. Двойной отжиг, выдержка при 500–650 ° С 1–4 ч. Двойной отжиг допускается для деталей, работающих при температурах до 300 ° С и продолжительности до 2000 ч |
| 700–800 | |||
| 500–650 | |||
| АТ3 | 800–850 | 800–850 | (545–585 ° С *) |
* Температуры неполного отжига.
Таблица 17.9
Механические характеристики титановых сплавов при низких температурах
| Сплав | s в (МПа) при температуре, ° С | d (%) 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 | – |
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 емкостей высокого давления. 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 (табл. 17.9).
Высокопрочные титановые сплавы
К этой группе относятся сплавы с пределом прочности s в > 1000 МПа, а именно (a + b )-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 s 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. Режимы горячей обработки давлением приведены в табл. 17.7. Сплавы ВТ6 и ВТ14 в отожженном состоянии (s в » 850 МПа) могут подвергаться холодной листовой штамповке с малыми деформациями. Механические характеристики основных полуфабрикатов в отожженном и упрочненном состояниях приведены в табл. 17.4–17.6.
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 (см. выше). Рекомендуемые режимы нагрева под закалку и старение для монолитных изделий, полуфабрикатов и сварных деталей приведены в табл. 17.10.
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 (a + b )-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. 17.4 (1–7 типы).
Таблица 17.10
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 |
Исходная игольчатая структура сплава с наличием границ первичного зерна b -фазы (8–9 типы) при перегреве после закалки и старения или отжига приводит к браку — сниженнию прочности и пластичности. Поэтому необходимо избегать нагрева (a + b )-сплавов до температур выше температуры полиморфного превращения, так как перегретую структуру исправить термической обработкой невозможно.
Нагрев при термической обработке рекомендуется производить в электрических печах с автоматической регулировкой и регистрацией температуры. Для предупреждения образования окалины нагрев готовых деталей и листов необходимо проводить в печах с защитной атмосферой или с применением защитных покрытий.
При нагреве под закалку тонких листовых деталей для выравнивания температуры и уменьшения коробления их на под печи укладывается стальная плита толщиной 30–40 мм. Для закалки деталей сложной конфигурации и тонкостенных деталей применяются фиксирующие приспособления для предупреждения коробления и поводки.
После проведения высокотемпературной обработки (закалки или отжига) в печи без защитной атмосферы полуфабрикаты, не подвергающиеся дальнейшей обработке, должны пройти гидропескоструйную обработку или обработку корундовым песком, а листовые изделия — еще и травление.
Применение. Высокопрочные титановые сплавы применяются для изготовления деталей и узлов ответственного назначения: сварные конструкции (ВТ6, ВТ14), турбины (ВТ3-1), штампосварные уз-лы (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. 17.4. Девятибальная шкала микроструктуры титановых сплавов. ´ 500
Титан и его сплавы » Все о металлургии
14.05.2015
Титан
Большой интерес, проявляемый к титану и титановым сплавам, основан на его ценных свойствах — малом удельном весе, высокой удельной прочности и хорошей сопротивляемости коррозии.
В последние годы в связи с разработкой более совершенных методов получения ковкого и деформируемого титана применение его в различных отраслях промышленности расширилось.
Титан существует в двух полиморфных модификациях; α-Ti, имеющий гексагональную плотноупакованную решетку и существующую при температурах ниже 885°, и β-Ti с кубической объемноцентрированной решеткой — при более высоких температурах. При α→β-превращении изменения объема составляют 5,5%.
Титан слабо реагирует с азотной и разбавленной соляной кислотой. но растворяется в концентрированных соляной и серной кислотах и в аарской водке. В щелочах, во многих солях даже при кипячении и в органических кислотах титан весьма устойчив. Энергично реагирует титан с кислородом, азотом, водородом, углеродом и со многими окислами металлов, что чрезвычайно затрудняет получение чистого титана и вызывает большие трудности при производстве из него полуфабрикатов.
Кислород в большинстве случаев отрицательно влияет на физико-химические и технологические свойства титана. Растворимость кислорода в титане составляет около 30% (атомн.), что отвечает составу ТiO0,42. При нагреве до 600° кислород практически еще не взаимодействует с титаном. При температурах выше 650° кислород воздуха начинает энергично диффундировать в титан, в результате чего образуется весьма твердый поверхностный слой. Скорость окисления титана при температурах от 650 до 800° показана на рис. 7.
Диаграмма состояния системы титан — кислород при содержании кислорода до 30% приведена на рис. 8. По характеру эта диаграмма перитектической системы. В твердом состоянии кислород образует ограниченные области растворов α и β.
В приведенном участке системы имеются две перитектики.
Максимальная растворимость кислорода в β-титане равна 1,8% при 1740°, в α-титане — 14,5% в интервале температур 800—1700°.
Наивысшей температурой плавления 1900° обладает сплав типа твердого раствора а, содержащий 10% кислорода.
Кислород, проникший в кристаллическую решетку титана, сильно искажает ее, поэтому значительно изменяются физические свойства и механическая прочность титана.
Влияние кислорода в пределах 0—1% (атомн.) на предел прочности, удлинение, твердость и удельное электрическое сопротивление йодидного титана приведено на рис. 9.
Титан при содержании 0,25% (атомн.) кислорода может быть прокатан на холоду без появления трещин до 95% обжатия. При большем содержании кислорода трещины появляются уже при 60—70% обжатия.
При ковке и волочении титана необходимо избегать образования трещин, так как они очень трудно затягиваются вследствие быстрого окисления поверхности.
Сплавы, содержащие 0,5—2,0% (атомн.) кислорода, сравнительно легко обрабатываются три сверлении и нарезке, а содержащие 2,5—3,0% (атомн.) кислорода удовлетворительно обрабатываются резанием, но тверды для сверления.
Сплавы с содержанием 3,5—5,0% (атомн.) кислорода чрезвычайно трудно поддаются обработке.
Азот сильно влияет на свойства титана уже при содержании сотых долей процента. Система титан — азот (рис. 10) характеризуется наличием двух перитектических реакций.
Азот значительно увеличивает твердость и прочность титана и резко снижает его пластичность. Сплавы азота с титаном очень трудно обрабатывать в холодном состоянии: при содержании азота свыше 0,5% (вес.) сплав становится хрупким и не поддается обработке.
Уже в небольших количествах азот приводит к образованию игольчатой структуры. Влияние азота на механические свойства и электрическое сопротивление титана приведено на рис. 11.
Изменение физических и прочностных свойств титана от примесей азота связано, по-видимому, с тем, что азот оказывает значительное влияние на параметры кристаллической решетки, главным образом на параметр с, что хорошо видно на рис. 12.
Азот, как и кислород, значительно повышает температуру начала и конца β⇔α-превращепия титана.
Водород в отличие от кислорода, азота и углерода оказывает незначительное влияние на механические свойства титана, но все же является весьма вредной примесью, так как под его влиянием разрушаются изделия из титана и его сплавав при прокатке, ковке или нагреве.
Из диаграммы состояния титан — водород (рис. 13) следует, что по мере увеличения содержания водорода температура фазового превращения снижается, а температурная область существования двухфазной структуры α+β расширяется.
Водород весьма энергично диффундирует в титан и образует растворы внедрения, подобно кислороду, азоту и углероду. При растворении водорода в титане выделяется тепло, при нагреве из сплавов выделяется водород.
При 20° α-титан, содержащий несколько десятитысячных долей процента избыточного водорода, будет иметь в структуре свободные гидриды, которые под микроскопом видны в виде тонких пластинок. Повышение хрупкости сплавов является следствием появления в их структуре увеличивающегося количества гидридов.
Водород в пределах 0,3—0,5% (атомн.), обычно содержащийся в техническом титане, существенно понижает поглощение энергии при ударе без изменения предела прочности на растяжение. На рис. 14 приведены кривые, иллюстрирующие влияние водорода на предел прочности при растяжении, удлинение, твердость и электрическое сопротивление титана.
Углерод сильно влияет на свойства титана. Система титан — углерод (рис. 15) по своему характеру относится к перитектическим системам с химическими соединениями. В этой системе наблюдается перитектический распад β-фазы при ограниченной растворимости углерода в β- и α-титане.
Углерод является α-стабилизатором, он повышает температуру аллотропического превращения титана с 882 до 920°.
При 0,48% углерода и 920° происходит перитектоидное превращение
β+δ⇔α.
При высоких температурах углерод энергично соединяется с титаном я образует тугоплавкий карбид титана TiC, который обладает высокой твердостью и высокой температурой плавления (свыше 3000°).
Карбид титана нашел широкое применение для многих целей: для изготовления жаростойких и жаропрочных материалов, как компонент твердых сплавов и как абразивный материал.
Расстворимость углерода в титане значительно уменьшается с понижением температуры. В результате незначительной растворимости углерода в α- и β-титане уже десятые доли процента углерода в сплавах титана с углеродом вызывают хрупкость, так как выделяется карбид титана.
Влияние углерода на механические свойства титана представлено на рис. 16. Как видно, прочность сплавов увеличивается линейно до 0,25% углерода, пластичность сплавов изменяется в обратном направлении.
Основными легирующими добавками в титановых сплавах в настоящее время служат марганец, хром, железо, ванадий, молибден, алюминий, олово. С большинством этих добавок титан образует эвтектоид.
Увеличение прочности титана в зависимости от легирующих добавок характеризуется кривыми, приведенными на рис. 17.
Сплавы титана могут состоять либо из α-фазы, либо из β-фазы или α+β-фазы. Однако широко применяются в промышленности только α+β-сплавы, α-сплавы имеют ограниченное применение, а β-сплавы вовсе не применяются.
Алюминий расширяет область α-фазы и вводится в жаропрочные сплавы. Ванадий не образует эвтектоида с титаном и незначительно повышает прочность сплавов титана. По некоторым данным сплавы титан-ванадий склонны к водородной хрупкости. Марганец сильно замедляет эвтектоидный распад, упрочняет β-фазу и способствует термообработке. Двойные сплавы типа Tl+8% Mn склонны к водородной хрупкости.
Молибден повышает твердость титановых сплавов, а вместе с алюминием придает сплавам жаропрочность. Олово также расширяет область α-фазы и хотя придает титану несколько меньшую жаропрочность, чем алюминий, но в меньшей мере снижает пластичность.
Хром в большинстве случаев вводится в титан в виде феррохрома. Хром замедляет эвтектоидный распад. Детали из сплавов титана с хромом мало пригодны для работы под напряжением и при повышенных температурах. Действие железа подобно хрому. Титан с железом дает сплавы, в которых эвтектоидный распад протекает относительно медленно; железо способствует повышению твердости и снижает прочность при высоких температурах.
Для упрочнения α-титана используются также цирконий и кремний, для упрочнения β-титана — ниобий и вольфрам.
По последним данным, медь, никель и кремний дают с титаном сплавы, в которых эвтектоидный распад протекает очень быстро. Этим сплавам можно придавать желаемые свойства, охлаждая их с различной скоростью.
Одновременная присадка в титан марганца, алюминия или кремния, бериллия и бора, дающих химические соединения, позволяет упрочнять сплавы термической обработкой.
Механические свойства титана в значительной степени зависят от чистоты его и способа получения.
В табл. 21 приведены механические свойства титана, полученного различными методами.
При нагревании прочность титана падает, но даже при 500° предел прочности еще остается около 28 кг/мм2 (рис. 18).
В России, согласно временным техническим условиям, выпускается губчатый титан пяти марок, химический состав и механические свойства которого приведены в табл. 22.
Титановые сплавы
Применяемые в промышленности стандартные титановые сплавы еще недостаточно разработаны, что следует объяснить сравнительной новизной технологии производства самого титана. Однако в настоящее время уже имеется довольно много сплавов на титановой основе с различными физико-механическими свойствами.
В табл. 23 приведены химический состав и механические свойства некоторых титановых сплавов.
Необычные Титановые инструменты и приспособления на каждый день (Aliexpress)
Часто ли вы сталкиваетесь с повседневными предметами, но изготовленными из авиационного титанового сплава? А ведь это могло бы решить определенные проблемы: титан легкий и прочный материал. Это один из самых перспективных металлов в машиностроении. Титановые сплавы встречаются в узких направлениях, например, все мы слышали про титановые оправы для очков или про титановые походные приборы, но теперь стали доступны и повседневные предметы, принадлежности для EDC, необычные инструменты и приспособления. Выбирай Титановые!
Титановый складной скальпель со сменными лезвиями
Больше всего из титанового ассортимента с Алиэкспресс меня зантересовал данный титановый скальпель. Из-за складной конструкции его легко носить с собой в кармане, и даже, ключах. Предусмотрено специальное кольцо для темляка или кольца брелока. В разложенном состоянии фиксируется замком (типа фрейм-лок). Лезвия стандартные, сменные, как от обычных ножей для моделистов. Данный вариант гораздо удобнее, чем дешевые канцелярские ножи. Стоит ли добавлять, что титан не ржавеет и не вступает в реакцию с агрессивными средами?
Тактическая титановая расческа
из титанового сплава делают необычные (или наоборот — привычные) полезные вещи. Например, можно найти расческу из титана с ЧПУ обработкой. Поставляется в кожаном чехле, есть отверстие под темляк или кольцо. На выбор светная или темная (оксидированная) расческа. При размерах 140 х 38 мм она легкая и не ломается. Можно брать с собой в поездки, путешествия, походы. При контакте с водой не ржавеет — огромный плюс. И не окисляется как латунь или бронза.
мужское кольцо на палец
Стильное кольцо шириной 8 мм из настоящего титана. Темный оттенок придает оксидированная пленка. На выбор несколько размеров. Кольцо необычайно прочное, дизайн без изысков. На внутренней стороне выбита надпись «titanium». Смотрится гораздо интереснее, чем попсовая бижутерия. В магазине в ассортименте несколько моделей подобных колец, можно выбрать на свой вкус.
Кольцо из титана
Прочное и легкое кольцо для брелока или связки ключей, изготовленное из титановой проволоки. Тип кольца: двойная петля. В лоте на выбор размеры колец: 10 мм, 12 мм, 14 мм, 18 мм, 24 мм, 28 мм, 32 мм. Не ржавеет и не окисляется, служит, как минимум, не хуже стального. И значительно прочнее дешевых алюминиевых колец. Цена за такое кольцо символическая. А вот титан настоящий — это сплас ТС4.
титановый водонепроницаемый контейнер
Удобный контейнер для хранения мелочи и важных вещей (лекарства, спички и так далее), для ношения в походах и путешествиях. Контейнер имеет резьбу с уплотнением, и защищает от проникновения влаги или пыли. А титан придает особую прочность и легкость. На выбор три размера: S (50 x 12 мм), M (58 x 15 мм), L (65 x 18 мм). Внутренний диаметр, естественно меньше. На крышке есть отверстие под кольцо или темляк. Материал — титановый сплав.
Ложка-вилка из титана
Недорогая комбинированная ложка/вилка из титанового сплава. Удобный вариант для тех, кто постоянно носит все свое с собой. Пригодится на даче, кемпинге, да и просто сходить на шашлыки. С одной стороны вилки сделано заострение аля ножик. С другой — средняя по размеру столовая ложка. Длина прибора 17 см, а масса не более 20 г. Цена около $3.
Титановый карабин
Брелок-карабин на ключи с интересной конструкцией. Представляет собой карабин из титанового сплава, толщина 5 мм. В основной части карабина сделана открывалка для бутылок. Пружина выполнена методом лазерной резки в самом металле — используются свойства самого титана. Брелок легкий, и, в отличие от подобных алюминиевых, действительно прочный. В лоте на выбор два цвета (обычный и анодированный). Подойдет для того, чтобы подвесить ключи, рыбацкие принадлежности, какие-либо вещи к рюкзаку и так далее.
Фляжка из титана
Необычный подарок человеку «в теме» — титановая фляжка для жидкостей. В верхней части присутствует логотип, нанесенный лазером. На выбор в лоте несколько вариантов, фляжки объемом от 100 до 200 мл, есть выбор формы, а также подарочный вариант в кожаной отделке. На мой взгляд, последний самый приемлемый по внешнему виду. Такая фляжка будет хорошим подарком рыбаку или охотнику, да и просто человеку, который проводит много времени на улице. Титан имеет плохую теплопроводность, так что имейте это в виду.
Титановый EDC брелок
Маленький и удобный брелок на ключи. На верхней части сделан прилив с отверстием под кольцо связки ключей или под темляк. Там же и открывашка для бутылок. Передняя часть заострена — можно использовать как шлицевую отвертку (плоскую) или как ломик — просто поддеть что-либо. Материал — титановый сплав ТС4, прочный и легкий. Размеры 60 х 13 х 7 мм. Вес всего 20 граммов.
Титановая пряжка
Предмет для ценителей — пряжка для ремня, изготовленная из титанового сплава. Не окисляется, как бронзовые пряжки, не вступает в контакт с потом, не ржавеет и не теряет «товарный» вид со временем. На выбор несколько пряжек, отличающихся размерами и формой — можете выбрать на свой вкус. Если честно, это как раз то, что я искал. Установка на ремни с винтовым замком занимает пару минут.
Другие интересные подборки можете посмотреть по ссылкам ниже и у меня в профиле.
Современные методы производства титановых сплавов: обзор
1. Введение
Титан (Ti) — это блестящий металл серебристого цвета. Этот металл существует в двух различных физических кристаллических состояниях, называемых объемно-центрированной кубической (ОЦК) и гексагональной закрытой упаковкой (ГПУ), показанных на рис. 1 (а) и (б) соответственно. Титан имеет пять природных изотопов: 46Ti, 47Ti, 48Ti, 49Ti, 50Ti. 48Ti является наиболее распространенным (73,8%).
Рис. 1.
Кристаллическое состояние титана: (а) ОЦК, (б) ГПУ [8].
Титан имеет высокую прочность 430 МПа и низкую плотность 4,5 г / см 3 по сравнению с железом с прочностью 200 МПа и плотностью 7,9 г / см 3 . Соответственно, у титана самое высокое отношение прочности к плотности, чем у всех других металлов. Однако титан довольно пластичен, особенно в бескислородной среде. Кроме того, титан имеет относительно высокую температуру плавления (более 1650 ° C или 3000 ° F) и является парамагнитным с довольно низкой электрической и теплопроводностью. Кроме того, титан имеет очень низкую биотоксичность и, следовательно, биосовместим.Кроме того, титан легко реагирует с кислородом при 1200 ° C (2190 ° F) на воздухе и при 610 ° C (1130 ° F) в чистом кислороде с образованием диоксида титана. При температуре окружающей среды титан медленно реагирует с водой и воздухом, образуя пассивное оксидное покрытие, которое защищает основной металл от дальнейшего окисления, следовательно, он имеет отличную стойкость к коррозии и воздействию разбавленных серной и соляной кислот, растворов хлоридов и большинства органических кислот. . Однако титан реагирует с чистым газом азота при 800 ° C (1470 ° F) с образованием нитрида титана [1, 2].
Некоторые из основных областей использования титана включают аэрокосмическую промышленность, ортопедию, зубные имплантаты, медицинское оборудование, производство электроэнергии, хранилище ядерных отходов, автомобильные компоненты, а также производство продуктов питания и фармацевтики.
Титан — девятый по содержанию элемент в земной коре (0,63% по массе) и седьмой по содержанию металл. Тот факт, что титан обладает наиболее полезными свойствами, делает его предпочтительным материалом для будущего инженерного применения. Более того, применение титана может быть расширено за счет его легирования другими элементами, как описано ниже.
2. Титановые сплавы
Сплав — это вещество, состоящее из двух или более элементов (металлов или неметаллов), которые тесно смешаны плавлением или электроосаждением. Исходя из этого, титановые сплавы производятся путем добавления таких элементов, как алюминий, ванадий, молибден, ниобий, цирконий и многих других, для производства таких сплавов, как Ti-6Al-4V, Ti-24Nb-4Zr-8Sn и некоторых других [2]. Эти сплавы обладают исключительными свойствами, как показано ниже. В зависимости от их влияния на температуру термообработки и легирующие элементы сплавы титана можно разделить на следующие три типа:
2.1 Тип 1: альфа (α) сплавы
Эти сплавы содержат большое количество α-стабилизирующих легирующих элементов, таких как алюминий, кислород, азот или углерод. Алюминий широко используется в качестве альфа-стабилизатора для большинства коммерческих титановых сплавов, поскольку он способен упрочнять сплав при температуре окружающей среды и повышенных температурах примерно до 550 ° C. Эта способность в сочетании с его низкой плотностью делает алюминий дополнительным преимуществом перед другими легирующими элементами, такими как медь и молибден. Однако количество алюминия, которое может быть добавлено, ограничено из-за образования хрупкого соединения титана с алюминием при добавлении 8 мас.% Или более алюминия.Иногда к чистому титану добавляют кислород для получения ряда марок, обладающих повышенной прочностью по мере повышения уровня кислорода. Ограничение альфа-сплавов титана не поддается термической обработке, но, как правило, они хорошо свариваются. Кроме того, эти сплавы обладают прочностью от низкой до средней, хорошей ударной вязкостью, достаточно хорошей пластичностью и превосходными свойствами при криогенных температурах. Эти сплавы можно дополнительно упрочнить, добавив олово или цирконий. Эти металлы обладают заметной растворимостью как в альфа-, так и в бета-фазах, и, поскольку их добавление не оказывает заметного влияния на температуру превращения, они обычно классифицируются как нейтральные добавки.Как и у алюминия, преимущество закалки при температуре окружающей среды сохраняется даже при повышенных температурах, когда олово и цирконий используются в качестве легирующих элементов.
2.2 Тип 2: альфа-бета (α-β) титановые сплавы
Эти сплавы содержат 4–6% стабилизирующих элементов β-фазы, таких как молибден, ванадий, вольфрам, тантал и кремний. Количество этих элементов увеличивает количество β-фазы в металлической матрице. Следовательно, эти сплавы поддаются термообработке и значительно упрочняются за счет дисперсионного твердения.Обработка этих сплавов растворами приводит к увеличению механической прочности содержания β-фазы при снижении пластичности. Самым популярным примером α-β-титанового сплава является Ti-6Al-4V с 6 и 4 мас.% Алюминия и ванадия соответственно. Этот сплав титана составляет около половины всех производимых титановых сплавов. В эти сплавы алюминий добавляется в качестве стабилизатора α-фазы и отвердителя из-за его упрочняющего действия. Ванадий стабилизирует пластичную β-фазу, обеспечивая горячую обрабатываемость сплава.
2.2.1 Свойства титановых сплавов α-β
Титановые сплавы α-β обладают высокой прочностью на растяжение, высокой усталостной прочностью, высокой коррозионной стойкостью, хорошей способностью к горячему деформированию и высоким сопротивлением ползучести [3].
2.2.2 Новое применение титановых сплавов α-β
Таким образом, эти сплавы используются для производства лопаток паровых турбин, газовых и химических насосов, корпусов самолетов и деталей реактивных двигателей, сосудов под давлением, лопаток и дисков авиационных турбин, гидравлических систем самолетов. насосно-компрессорные трубы, корпуса ракетных двигателей, криогенные детали и морские компоненты [4].
2.3 Тип 3: бета (β) титановые сплавы
Эти сплавы демонстрируют объемно-центрированную кубическую кристаллическую форму, показанную на рисунке 1 (а). Β-стабилизирующие элементы, используемые в этих сплавах, представляют собой один или несколько из следующих элементов: молибден, ванадий, ниобий, тантал, цирконий, марганец, железо, хром, кобальт, никель и медь. Помимо упрочнения бета-фазы, эти β-стабилизаторы снижают сопротивление деформации, что улучшает технологичность сплава как при горячей, так и при холодной обработке.Кроме того, этот β-стабилизатор титановых композиций также обеспечивает способность к термообработке, которая позволяет значительно упрочнить в процессе термообработки [4].
2.3.1 Свойства бета (β) титановых сплавов
В результате β-титановые сплавы имеют большое отношение прочности к модулю упругости, которое почти в два раза выше, чем у аустенитной нержавеющей стали 18–8. Кроме того, эти β-титановые сплавы содержат полностью биосовместимые элементы, которые придают исключительные биохимические свойства, такие как превосходные свойства, такие как исключительно высокое отношение прочности к массе, низкий модуль упругости, сверхэластичность, низкий модуль упругости, большие упругие отклонения и низкая токсичность [ 1, 3].
2.3.2 Новое применение бета (β) титановых сплавов
Вышеуказанные свойства делают их биосовместимыми и являются отличными перспективными материалами для производства биоимплантатов. Таким образом, в настоящее время эти сплавы широко используются в ортодонтии с 1980-х годов, заменяя нержавеющую сталь для определенных целей, поскольку нержавеющая сталь преобладала в ортодонтии с 1960-х годов [2].
2.4 Резюме
Благодаря легированию титана достигаются улучшенные свойства, которые делают его предпочтительным материалом для применения в аэрокосмической, медицинской, морской и приборостроительной отраслях.Степень улучшения свойств титановых сплавов и, в конечном итоге, выбор области применения зависит от методов производства и обработки, которые обсуждаются в следующих разделах.
3. Производство титана
Основным металлом, необходимым для производства титановых сплавов, является чистый титан. Чистый титан производится несколькими способами, включая процесс Кролла. Этот процесс производит большую часть первичных металлов титана, используемых сегодня во всем мире промышленностью.В этом процессе титан извлекается из рутила — TiO 2 или титановых концентратов. Эти материалы помещают в реактор с псевдоожиженным слоем вместе с газообразным хлором и углеродом и нагревают до 900 ° C, и последующая химическая реакция приводит к образованию нечистого тетрахлорида титана (TiCl 4 ) и монооксида углерода. Полученный тетрахлорид титана подают в вертикальные перегонные резервуары, где он нагревается для удаления примесей путем разделения с использованием таких процессов, как фракционная перегонка и осаждение.Эти процессы удаляют хлориды металлов, включая хлориды железа, кремния, циркония, ванадия и магния. После этого очищенный жидкий тетрахлорид титана переносят в реактор, в который добавляют магний, и контейнер нагревают до температуры чуть выше 1000 ° C. На этом этапе в контейнер закачивают аргон, чтобы удалить воздух и предотвратить загрязнение титана кислородом или азотом. Во время этого процесса магний реагирует с хлором с образованием жидкого хлорида магния, в результате чего остается чистый твердый титан.Этот процесс схематически представлен на рисунке 2.
Рисунок 2.
Процесс Кролла для производства титана: (а) хлорирование, (б) фракционная перегонка [5].
Полученное твердое вещество титана удаляют из реактора путем просверливания, а затем обрабатывают водой и соляной кислотой для удаления избытка магния и хлорида магния, оставляя пористую титановую губку, которую подвергают механическому отбойному молотку, дроблению и прессованию с последующим плавлением в вакуумной электрической дуге. печь с использованием одноразового угольного электрода.Расплавленному слитку дают затвердеть в вакууме. Это твердое вещество часто переплавляют для удаления включений и гомогенизации его компонентов. Эти этапы плавления увеличивают стоимость производства титана, и эта стоимость обычно примерно в шесть раз превышает стоимость нержавеющей стали. Обычно твердый титан подвергается дополнительной обработке для получения порошка титана, необходимого в процессе легирования. Основные методы, используемые для производства титанового порошка, кратко изложены ниже.
3.1 Процесс Армстронга
Первый метод называется процессом Армстронга, показанным на Рисунке 3, в котором порошок получается как продукт процессов экстракции, которые производят первичный металлический порошок.Этот процесс позволяет производить технически чистый порошок титана (Ti) путем восстановления тетрахлорида титана (TiCl 4 ) и других галогенидов металлов с использованием натрия (Na). Этот процесс позволяет получать частицы порошка с уникальными свойствами и низкой насыпной плотностью. Для улучшения свойств порошка, таких как гранулометрический состав и плотность утряски, применяются дополнительные операции последующей обработки, такие как сухая и влажная шаровая мельница. Суженный гранулометрический состав необходим для типичных процессов порошковой металлургии.Кроме того, морфология результирующего порошка, полученного с помощью процесса Армстронга, обеспечивает превосходные свойства сжимаемости и уплотнения, что приводит к получению плотных прессовок с повышенной прочностью в сыром виде по сравнению с порошками неправильной формы. По этой причине порошки могут быть консолидированы даже традиционными методами порошковой металлургии, такими как одноосное уплотнение и холодное изостатическое прессование. На рис. 4 показаны изображения порошков титана, полученные методом Армстронга, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа.Как видно на рисунке, порошок имеет неправильную морфологию, состоящую из гранулированных агломератов более мелких частиц.
Рисунок 3.
Иллюстрация процесса Армстронга [5].
Рис. 4.
СЭМ-микрофотографии CP-Ti, полученного по процессу Армстронга [5].
3.2 Процесс гидрид-дегидрид
Процесс гидрид-дегидрид (HDH), показанный на Рисунке 5, используется для производства титанового порошка с использованием титановой губки, титана, продуктов прокатного производства или титанового лома в качестве сырья.Процесс гидрирования осуществляется с использованием печи периодического действия, которая обычно работает в вакууме и / или в атмосферных условиях водорода. Условиями, необходимыми для гидрирования титана, являются давление в одну атмосферу и максимальную температуру 800 ° C. Этот процесс приводит к образованию гидрида титана и гидридов сплава, которые обычно являются хрупкими по своей природе. Эти гидриды металлов измельчаются и просеиваются для получения тонких порошков. Размер порошка изменяется с использованием различных методов измельчения и измельчения, включая щековую дробилку, шаровую мельницу или струйную мельницу.После измельчения и классификации порошков гидрида титана их снова помещают в печь периодического действия для дегидрирования и удаления межузельного водорода в вакууме или в атмосфере аргона и получения металлического порошка. Эти порошки имеют неправильную форму и угловатую морфологию, их можно также подвергнуть магнитному просеиванию и промыть кислотой для удаления любых ферромагнитных загрязнений. Могут быть получены более мелкие частицы, но они используются редко, поскольку содержание кислорода быстро увеличивается, когда порошок мельче, чем -325 меш.Порошок мельче -325 меш также имеет больше проблем с безопасностью [5]. Порошок может быть пассивирован после завершения циклов гидрирования и дегидрирования для минимизации экзотермического тепла, выделяемого при контакте с воздухом.
Рисунок 5.
Гидридно-дегидридный процесс получения порошков титана [6].
Процесс гидрид-дегидрид является относительно недорогим, поскольку процессы гидрирования и дегидрирования вносят небольшую стоимость в стоимость исходного материала.Дополнительным преимуществом этого процесса является то, что чистота порошка может быть очень высокой при условии уменьшения примесей в сырье. Содержание кислорода в конечном порошке сильно зависит от исходного материала, технологических процессов и удельной поверхности порошка. Таким образом, основные недостатки гидрид-дегидридного порошка включают в себя: морфология порошка нерегулярная, и процесс не подходит для изготовления первичных легированных порошков или модификации составов сплавов, если сырье из сплавов лома (Рисунок 6) [5].
Рис. 6.
СЭМ микрофотографии CP-Ti, полученного HDH [5].
4. Обычные методы производства титановых сплавов
4.1 Порошковая металлургия
Обычное спекание, показанное на рисунке 7, является одним из широко применяемых методов порошковой металлургии (ПМ) для производства титановых сплавов. В этом методе исходный титановый порошок тщательно смешивается с легирующими элементами, упомянутыми в разделе 2, с использованием подходящего порошкового смесителя, с последующим уплотнением смеси под высоким давлением и, наконец, спеканием.Операция спекания проводится при высокой температуре и давлении, при котором частицы порошка соединяются друг с другом с незначительным изменением формы частиц, что также позволяет формировать пористость в продукте, когда температура хорошо регулируется. Этот метод позволяет производить детали из титанового сплава с высокими эксплуатационными характеристиками и низкой стоимостью. Детали из титанового сплава, полученные с помощью порошковой металлургии, имеют ряд преимуществ, таких как сопоставимые механические свойства, почти чистая форма, низкая стоимость, полностью плотный материал, минимальный внутренний дефект, почти однородная микроструктура, хорошее сцепление частиц с частицами и низкое внутреннее напряжение. по сравнению с теми деталями из титана, которые производятся другими традиционными способами [7].
Рисунок 7.
Процесс порошковой металлургии [7].
4.2 Самораспространяющийся высокотемпературный синтез
Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС), показанный на рисунке 8, является еще одним процессом на основе PM, который используется для производства титановых сплавов. Этапы этого процесса включают: смешивание реагентов, холодное прессование и, наконец, зажигание, чтобы инициировать самоподдерживающуюся экзотермическую реакцию для создания титанового сплава [7].
Рисунок 8.
SHS-процесс [7].
Хотя вышеупомянутые процессы PM являются зрелыми технологиями для изготовления костных имплантатов, они сталкиваются с трудностями при изготовлении пористых покрытий на хрупких поверхностях или поверхностях сложной формы. Кроме того, эти процессы приводят к образованию хрупких продуктов из-за трещин и оксидов, образующихся внутри материалов. Кроме того, высокая стоимость и низкая технологичность, связанные с этими процессами PM, ограничивают их применение в промышленном производстве костных имплантатов. Следовательно, были разработаны новые методы, основанные на принципах аддитивного производства [7].
5. Передовые методы производства титановых сплавов
Под передовыми методами производства понимается использование технологических методов для улучшения качества продукции и / или процессов, при этом соответствующая технология описывается как «передовая», « инновационный, «или» передовой «. Эти технологии произошли от традиционных процессов, некоторые из которых были разработаны для получения различных компонентов сплавов на основе титана и алюминидов. Процессы распыления являются одними из наиболее широко используемых передовых методов производства титановых сплавов [5].
5.1 Распыление
Процессы распыления используются для получения легированных титановых порошков. В этих процессах исходным материалом обычно является титан, а полученные порошки сплавов, как правило, дополнительно обрабатываются для производства компонентов с использованием таких процессов, как горячее изостатическое прессование (бедро). Как упоминалось ранее, обычно считается, что легированные порошки не подходят для холодного прессования с использованием обычных способов одноосного прессования в штампе. Кроме того, присущая легированным порошкам прочность слишком высока, что затрудняет деформацию частиц для достижения желаемой сырой плотности.Процессы распыления производят порошки титанового сплава относительно сферической формы, которые наиболее подходят для аддитивного производства с использованием таких методов, как селективное лазерное плавление или плавление электронным лучом. Эти сферические порошки также требуются для изготовления титановых деталей с использованием методов литья металла под давлением. Обычно в процессах аддитивного производства и литья металла под давлением требуется, чтобы размер частиц порошков находился в диапазоне 100 мкм, чтобы гарантировать хорошую сыпучесть порошка во время операций.Однако проблема процессов распыления обычно состоит в том, что получаемые порошки имеют тенденцию иметь широкий гранулометрический состав, от нескольких до сотен микрометров. Примерами процессов распыления являются процессы распыления газа и плазменного распыления, описанные ниже [5].
5.1.1 Процесс газового распыления
В процессе газового распыления, показанном на рисунке 9, металл обычно плавится с использованием газа, а расплавленный металл распыляется с помощью струй инертного газа. Образовавшиеся мелкие металлические капли затем охлаждаются во время их падения в распылительную колонну.Металлические порошки, полученные путем газового распыления, имеют идеально сферическую форму в сочетании с высоким уровнем чистоты. Однако, несмотря на то, что распыление газа, как правило, является зрелой технологией, ее применение необходимо расширить после решения нескольких вопросов, на которые стоит обратить внимание, таких как значительное взаимодействие между каплями во время их охлаждения во время полета в охлаждающей камере, вызывающее образование спутниковых частиц. Кроме того, из-за эрозии распылительного сопла жидким металлом высока вероятность загрязнения керамическими частицами.Обычно в порошке может быть улавливание газообразного аргона, что создает нежелательные пустоты [5].
Рисунок 9.
Принципиальные схемы процесса распыления газа [5].
5.1.2 Процесс плазменного распыления
При плазменном распылении, показанном на Рисунке 10, в качестве исходного материала используется сплав титановой проволоки, что является существенным фактором, влияющим на стоимость. Проволока из титанового сплава, подаваемая через катушку, плавится в плазменной горелке, и высокоскоростной поток плазмы разбивает жидкость на капли, которые быстро охлаждаются, с типичной скоростью охлаждения в диапазоне 100–1000 ° C / с.Плазменное распыление позволяет получать порошки с размером частиц от 25 до 250 мкм. В целом, выход частиц размером менее 45 мкм при использовании метода распыления плазменной проволокой значительно выше, чем при использовании традиционных процессов распыления газа [5].
Рисунок 10.
Принципиальные схемы процесса плазменного распыления [5].
6. Будущие методы производства титановых сплавов
Будущие методы производства титановых сплавов зависят от спроса на эти продукты и от того, в какой степени природа сможет их обеспечить.Спрос на титановые сплавы также повлияет на количество и тип технологических достижений, степень автоматизации, применение робототехники, количество открытий новых титановых сплавов, методы их производства и новые области применения. Автоматизация — важный аспект будущего отрасли, и уже значительная часть производственных процессов полностью автоматизирована. Кроме того, автоматизация обеспечивает высокий уровень точности и производительности, превосходящие человеческие возможности, даже в опасных средах.И хотя автоматизация устраняет некоторые из самых утомительных производственных работ, она также создает новые рабочие места для переобученной рабочей силы. Новое поколение робототехники не только намного проще программировать, но и проще в использовании благодаря дополнительным возможностям, таким как распознавание голоса и изображений во время работы, они способны делать именно то, что вы их просите. Открытие новых титановых сплавов или инновационное использование существующих имеет важное значение для достижения прогресса в решении многих технологических проблем, с которыми мы сталкиваемся.Это открытие может привести к новым методам синтеза новых сплавов и дизайну суперсплавов, теоретическому моделированию и даже расчетному прогнозированию титановых сплавов. Это открытие требует разработки новых методов производства. В свете этого развивается «аддитивное производство», которое рассматривается как новаторский шаг в развитии производства, предлагающий производителям эффективные решения для производства любого количества продуктов с минимальными затратами и минимальными отходами.Примерами аддитивных технологий производства являются холодное напыление, трехмерная печать, электронно-лучевая плавка и селективная лазерная плавка. Чтобы изготовить поверхности сплава с использованием этих технологий, легирующие элементы тщательно смешиваются с порошком исходного материала, и процессы изготовления проходят, как описано в следующих параграфах [7, 8].
6.1 Холодное напыление
Процесс холодного напыления (CS), схематически показанный на рисунках 11 и 12, позволяет наносить металлы или металлические сплавы или композитные порошки на металлическую или диэлектрическую подложку с использованием высокоскоростной (300–1200 м / с) струи мелкие (5–50 мкм) частицы, вводимые в потоке предварительно нагретого и сжатого газа, проходящего через специально сконструированное сопло.Основные компоненты типовой системы CS включают источник сжатого газа, подогреватель газа, дозатор порошка, узел распылительного сопла и датчики давления и температуры газа. Источник сжатого газа забирает газ из внешнего резервуара, сжимает его до желаемого давления и подает в газовый нагреватель. Затем газовый нагреватель предварительно нагревает сжатый газ, чтобы увеличить его энергию энтальпии. Предварительно нагретый газ подается в узел распылительного сопла, геометрия сходящейся / расходящейся геометрии которого не только преобразует энергию энтальпии газа в кинетическую энергию, но также смешивает металлические порошки с газом пропорционально.Дозатор порошка дозирует и впрыскивает порошок в узел распылительной форсунки. Датчики давления и температуры газа отвечают за регулирование заданного давления и температуры газового потока. Точка впрыска порошка в узле распылительной насадки, давление газа и температура газа отличают систему CS низкого давления (LP-CS) от CS высокого давления (HP-CS). В системе LP-CS порошок исходного материала вводится на стороне выхода сужающейся секции узла сопла, в то время как в системе HP-CS; порошок впрыскивается на входной стороне сужающейся / расширяющейся секции узла сопла, как показано на рисунках 11 и 12.Некоторые другие параметры, которые способствуют различению систем CS, приведены в таблице 1 [8].
Рисунок 11.
Конфигурация процесса CS низкого давления [8].
Рис. 12.
Конфигурация процесса CS высокого давления [8].
Таблица 1.
Параметры работы для систем CS [8].
6.2 Трехмерная печать
Трехмерная печать — это метод аддитивного производства, в котором применяется принцип добавления материала для создания структур с использованием автоматизированного проектирования (САПР), моделирования деталей и послойного нанесения исходного материала.Эта передовая технология также называется стереолитографией и проиллюстрирована на Рисунке 13 [8].
Рисунок 13.
Процесс 3D-печати [8].
В этой технологии узор переносится из цифровой 3D-модели, хранящейся в файле САПР, на объект с помощью лазерного луча, сканированного через реактивный жидкий полимер, который затвердел, образуя тонкий слой твердого тела. Таким образом создается структура на желаемой поверхности. Этот метод был доказан в лабораторных условиях, и он все еще внедряется в коммерческую установку, поскольку трехмерная печать является наиболее широко признанной версией аддитивного производства.По этой причине изобретатели и инженеры этого процесса в течение многих лет использовали машины стоимостью от нескольких тысяч долларов до сотен тысяч для быстрого создания прототипов новых продуктов. Можно отметить, что все процессы аддитивного производства следуют одному и тому же основному принципу послойного осаждения, но с немного разными способами, такими как использование порошковых или жидких полимеров, металлов, металлических сплавов или других материалов для производства желаемого продукта [ 8].
6.3 Электронно-лучевое плавление
Электронно-лучевое плавление (EBM), показанное на рисунке 14, является одним из процессов аддитивного производства, при котором титановые покрытия изготавливаются путем плавления и осаждения металлических порошков, слой за слоем, с использованием магнитно-направленных электронов. луч.Хотя этот метод оказался успешным, он требует высоких затрат на установку из-за требований атмосферы высокого вакуума [7].
Рисунок 14.
Метод электронно-лучевой плавки [1].
6.4 Селективное лазерное плавление
Селективное лазерное плавление (SLM), показанное на рисунке 15, представляет собой второй способ аддитивного производства покрытий из титанового сплава, при котором порошок полностью плавится с использованием мощного лазерного луча. Точно так же этот метод является дорогостоящим, поскольку требует современных высокопроизводительных систем охлаждения.Более того, колебания температур при обработке отрицательно сказываются на качестве продукции [1].
Рисунок 15.
Метод селективной лазерной плавки [1].
7. Заключение
В этой главе титан описан как металл, который в природе существует в двух кристаллических формах. В этой главе освещены свойства металлического титана, влияющие на его применение. Тот факт, что титан обладает уникальными свойствами, которые можно улучшить путем легирования с другими элементами, делает его предпочтительным техническим материалом для будущего применения в таких областях, как биомедицинские имплантаты, аэрокосмическая промышленность, морские конструкции и многие другие.В этой главе обсуждались традиционные, современные и будущие методы, необходимые для изготовления конструкций из титана и титановых сплавов. Кроме того, в этой главе предложены «методы аддитивного производства» в качестве передовых методов для будущего производства, поскольку они предлагают эффективные решения для производства любого типа и количества продуктов с минимальными затратами и с минимальными отходами. Примерами этих методов являются холодное напыление, 3-D печать, плавление электронным лучом и селективное лазерное плавление. Наконец, были также представлены различные процессы, используемые при изготовлении сплавов с использованием этих методов.
Лаборатория обнаружила сплав титана и золота, который в четыре раза тверже, чем большинство сталей
Кристаллическая структура бета-титана-3 золота. Фото: Э. Моросан / Университет РайсаТитан — ведущий материал для искусственных коленных и тазобедренных суставов, потому что он прочный, износостойкий и нетоксичный, но неожиданное открытие физиков из Университета Райса показывает, что золотой стандарт для искусственных суставов можно улучшить, добавив немного настоящего золота.
«Она примерно в 3-4 раза тверже, чем большинство сталей», — сказала Эмилия Моросан, ведущий ученый в новом исследовании, опубликованном в журнале Science Advances , которое описывает свойства смеси титана и золота 3: 1 с специфическая атомная структура, придающая твердость. «Он в четыре раза тверже чистого титана, который в настоящее время используется в большинстве зубных имплантатов и суставов.«
Моросан, физик, специализирующийся на разработке и синтезе соединений с экзотическими электронными и магнитными свойствами, сказал, что новое исследование является «первым для меня во многих отношениях. Это соединение несложно сделать, и оно не ново. материал «.
Фактически, атомная структура материала — его атомы плотно упакованы в «кубическую» кристаллическую структуру, которая часто ассоциируется с твердостью, — была известна ранее. Неясно даже, что Моросан и бывший аспирант Этери Сванидзе, ведущий соавтор исследования, были первыми, кто сделал чистый образец сверхтвердой «бета-формы» соединения.Но благодаря паре счастливых случайностей они и их соавторы первыми задокументировали замечательные свойства материала.
«Это началось с моих основных исследований», — сказал Моросан, профессор физики и астрономии, химии, материаловедения и наноинженерии из Райса. «Не так давно мы опубликовали исследование титана и золота, соединения с соотношением 1: 1, которое представляло собой магнитный материал, сделанный из немагнитных элементов. Одна из вещей, которые мы делаем, когда создаем новое соединение, — это пытаемся измельчить его в порошок для рентгеновских целей.Это помогает определить состав, чистоту, кристаллическую структуру и другие структурные свойства.
Этери Сванидзе (слева) и Эмилия Моросан. Предоставлено: Джефф Фитлоу / Университет Райса.«Когда мы пытались измельчить титан-золото, у нас ничего не вышло», — вспоминает она. «Я даже купил ступку с алмазным покрытием и пестик, но мы все равно не могли их измельчить».
Моросан и Сванидзе решили провести дополнительные испытания, чтобы точно определить, насколько твердым было соединение, и пока они занимались этим, они также решили измерить твердость других композиций титана и золота, которые они использовали для сравнения в оригинальное исследование.
Одно из дополнительных соединений представляло собой смесь трех частей титана и одной части золота, приготовленных при высокой температуре.
В то время команда не знала, что изготовление титана-3-золота при относительно высокой температуре дает почти чистую кристаллическую форму бета-версии сплава — кристаллическую структуру, которая в четыре раза тверже, чем титан.При более низких температурах атомы имеют тенденцию образовывать другую кубическую структуру — альфа-форму титана-3-золота. Альфа-структура примерно такая же твердая, как у обычного титана. Похоже, что лаборатории, которые ранее измеряли твердость титана-3-золота, измеряли образцы, которые в основном состояли из альфа-расположения атомов.
Команда измерила твердость бета-формы кристалла совместно с коллегами из Лаборатории турбомашин Техасского университета A&M и Национальной лаборатории сильного магнитного поля в Университете штата Флорида. Моросан и Сванидзе также провели другие сравнения с титаном.Например, для биомедицинских имплантатов двумя ключевыми показателями являются биосовместимость и износостойкость. Поскольку титан и золото сами по себе являются одними из самых биосовместимых металлов и часто используются в медицинских имплантатах, команда считает, что титан-3-золото будет сопоставимым. Фактически, испытания коллег из онкологического центра доктора медицины Андерсона Техасского университета в Хьюстоне показали, что новый сплав даже более биосовместим, чем чистый титан. То же самое и с износостойкостью: титан-3-золото также превосходил чистый титан.
Моросан сказала, что у нее нет планов стать ученым-материаловедом или кардинальным образом изменить фокус своей лаборатории, но она сказала, что ее группа планирует провести дополнительные испытания для дальнейшего исследования кристаллической структуры бета-титана-3-золота и выяснить, не химические ли химические вещества. легирующие добавки могут еще больше повысить его твердость.
Сочетание титана и золота создает первый странствующий антиферромагнитный металл
Дополнительная информация: Успехи науки , DOI: 10.1126 / sciadv.1600319, http://advances.sciencemag.org/content/2/7/e1600319 Предоставлено Университет Райса
Ссылка : Лаборатория обнаружила сплав титана и золота, который в четыре раза тверже, чем большинство сталей (2016, 20 июля) получено 13 декабря 2020 с https: // физ.org / news / 2016-07-lab-titanium-gold-sale-harder-steels.html
Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, нет часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.
Данные о свойствах титанового сплава
Данные о свойствах титанового сплава
MatWeb содержит записи для более чем 350 титановых сплавов и термообработок, включая общие записи для обоих обычные и редкие сплавы, сплав на основе нитинола с памятью формы, а также данные конкретных производителей титана, таких как Timet, Deutsche Titan и Allegheny Ludlum.Когда вы перейдете к спецификациям конкретных материалов, вы найдете полные данные о свойствах титановых сплавов по вашему выбору, такие как предел прочности на разрыв и вязкость разрушения Ti-3Al-2.5V или коэффициент теплового расширения отожженного Титан марки 12. Общие свойства, которые не сильно различаются в зависимости от композиции, сообщается в MatWeb Титановые сплавы, Общая запись.
Значения для чистого элемента находятся под названием Титан, Ti.1, 2, 3, 4, 7, 11 классы, и 12 и считается «нелегированным» титаном и имеют аналогичные механические свойства. С 1 по 4 позволяют увеличить уровень примесей. Сорта 7 и 11 содержат 0,2% палладия для улучшения титана. уже отличная коррозионная стойкость. Grade 12 содержит 0,8% Ni и 0,3% Mo для улучшения коррозии. сопротивление по более низкой цене, чем Pd. Титановые сплавы обычно имеют более высокую прочность, чем нелегированный титан.
Самый быстрый и надежный способ найти записи в базе данных для всех титановых сплавов — это перейти по ссылке выше и Выполните поиск по категории материалов, а затем выберите «Титановый сплав» под товарные позиции цветных металлов; Эта функция воспроизводится ниже:
Вы также можете выбрать «Титановый сплав» в сочетании со значениями свойств, когда вы Поиск по собственности.Это поможет вам найти сплавы, отвечающие вашим конструктивным требованиям, как часть процесса выбора материалов.
Титановые сплавы трудно найти с помощью текстового поиска из-за отсутствия стандартизированных обозначения сплавов. При поиске с использованием вводимого вами текста помните, что текстовый поиск MatWeb чувствителен к пробелам и пунктуации, он будет обрабатывать Ti-6-4 иначе, чем Ti 6-4. Номер UNS, если он доступен, поддерживается MatWeb.Его можно ввести в наш текстовый поиск (вверху справа на этой странице) или вы можете посетить нашу специальную страницу поиска UNS.
Независимо от того, как вы попадаете в записи MatWeb для конкретных записей альфа, бета, альфа-бета или нелегированных титановых записей, вы найдете полные данные о физическом имуществе. Сотрудники MatWeb собрали обширные данные, чтобы вы значения таких свойств, как плотность, твердость, усталостная прочность, предел прочности при растяжении, вязкость разрушения, твердость и др.
ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ Масса обычных титановых фигур Лист & Табличка Круглый и Квадратный бар Титановые сплавы по стандарту ASTM Список марок ASTM Титановые сплавы по типу
| |
Пассивация титана и медицинских сплавов
Наиболее распространенными спецификациями, используемыми при пассивации титана и медицинских компонентов, являются ASTM F86, ASTM A380 и ASTM A967. Краткое изложение этих характеристик приводится ниже:Пассивация титана и медицинских сплавов согласно ASTM F86
Очистка
Обезжиривание с использованием органических растворителей для удаления грубых масел и смазок
Горячая щелочная очистка в соответствии с рекомендациями
Горячая щелочная электроочистка в соответствии с рекомендациями
Ультразвуковая очистка в соответствии с рекомендациями
Можно использовать кислотную очистку, но ее необходимо нейтрализовать перед этапом пассивации
Пассивация
20-45 об.% Азотной кислоты (удельный вес 1.От 1197 до 1,285) при комнатной температуре в течение минимум 30 минут. Для ускоренного процесса можно использовать раствор кислоты с концентрацией 20-25 об.%, Нагретый до 120-140F, в течение минимум 20 минут (перекрестная ссылка на ASTM A967 и ASTM A380)
Нейтрализация
Используйте процедуру нейтрализации для продуктов, в которых может скапливаться кислая жидкость (например, маленькие глухие отверстия).
Ополаскивание и сушка
Тщательная промывка и сушка водой очень важны. Конкретные методы оставлены на усмотрение компетентной инженерной организации.
Пассивация титана и медицинских сплавов согласно ASTM A967
Пять азотных и лимонных методов перечислены ниже:
Азот 1: 20-25 об.% Азотной кислоты, 2,5 мас.% Дихромата натрия, 120-130 ° F, минимум 20 минут
Азот 2: 20-45 об.% Азотной кислоты, 70-90 ° F, минимум 30 минут
Азот 3: 20- 25 об.% Азотной кислоты, 120-140 ° F, минимум 20 минут
Азот 4: 45-55 об.% Азотной кислоты, 120-130F, минимум 30 минут
Азот 5: другие комбинации температуры, времени и кислоты с ускорителями или без них, ингибиторы или запатентованные решения, позволяющие производить детали, соответствующие указанным требованиям испытаний.
Лимонная 1: 4-10 мас.% Лимонной кислоты, 140-160 ° F, минимум 4 минуты
Лимонная 2: 4-10 мас.% Лимонной кислоты, 120-140 ° F, минимум 10 минут
Лимон 3: 4-10 мас.% Лимонной кислоты, 70-120F, минимум 20 минут
Лимонная 4: Другие комбинации температуры, времени и концентрации лимонной кислоты с химическими веществами или без них для улучшения очистки, ускорителей или ингибиторов, позволяющих производить детали, которые соответствуют указанным требованиям испытаний.
Лимонная 5: другие комбинации температуры, времени и концентрации лимонной кислоты с химическими веществами или без них для улучшения очистки, ускорителей или ингибиторов, позволяющих производить детали, которые соответствуют указанным требованиям испытаний.Погружная ванна с контролем pH 1,8-2,2
Предлагаются следующие пять методов тестирования для подтверждения услуг по пассивации:
Практика A — Испытание погружением в воду
Практика B — Испытание на высокую влажность
Практика C — Испытание солевым туманом
Практика D — Испытание на сульфат меди
Практика E — Феррицианид калия-азотная кислота Тест
Таблица рекомендуемых методов пассивации азотной кислотой представлена в Приложении, в котором методы азотной кислоты 1–5 соотносятся с конкретной маркой сплава нержавеющей стали.В спецификации для методов Citric 1–5 такой ссылки нет.
Пассивация титана и медицинских сплавов в соответствии с ASTM A380
ASTM A380 охватывает пассивацию азотной кислотой, а также удаление окалины с компонентов с использованием плавиковой кислоты или комбинаций азотной / плавиковой кислоты. Удаление накипи при пассивации титана или других медицинских компонентов нечасто. В случае необходимости такого удаления накипи APT совместно с производителем разработает протокол, который позволит эффективно удалять накипь с деталей без травления или повреждения сплава.Обычно фтористоводородной кислоты избегают из-за крайних рисков при обращении с ней.
ASTM A380 уникален тем, что ссылается на внешний вид компонента в рекомендуемой выноске для процесса пассивации. Краткое описание методов пассивации согласно ASTM A380 приведено ниже:
Код F
Материал: серии 200 и 300, серии 400, дисперсионно-твердеющие и мартенситностареющие сплавы, содержащие 16% или более Cr (кроме сплавов для свободной механической обработки).
Состояние: матовая или неотражающая поверхность
Метод: 20-50 об.% Азота, 120-160 F 10-30 минут или 70-100 F в течение 30-40 минут
Код G
Материал: серии 200 и 300, серии 400, дисперсионно-твердеющие и мартенситностареющие сплавы, содержащие 16% Cr или более (кроме сплавов для свободной механической обработки).
Состояние: блестящие обработанные или полированные поверхности
Метод: 20-40 об.% Азота, 2-6 мас.% Бихромата натрия, 120-155 ° F 10-30 минут или 70-100 ° F в течение 30-60 минут
Код H
Материал: мартенситностареющие и дисперсионно-твердеющие сплавы серии 400, содержащие менее 16% хрома или высокоуглеродистые прямолинейные хромовые сплавы (кроме сплавов для свободной механической обработки)
Состояние: матовая или неотражающая отделка
Метод: 20-50 об.% Азота, 110-130F, 20-30 минут или 70-100F, 60 минут
Код I
Материал: мартенситностареющие и дисперсионно-твердеющие сплавы серии 400, содержащие менее 16% хрома или высокоуглеродистые прямолинейные хромовые сплавы (кроме сплавов для свободной механической обработки)
Состояние: блестящие или полированные поверхности
Метод: 20-25 об.% Азота, 2-6 мас.% Бихромата натрия, 120-130 ° F, 15-30 минут или 70-100 ° F, 30-60 минут
Код J
Материал: легкообрабатываемые сплавы серий 200, 300 и 400
Состояние: блестящие или полированные поверхности
Метод: 20-50 мас.% Азота, 2-6 мас.% Дихромата натрия, 70-120 ° F, 25-40 минут
Код K
Материал: легкообрабатываемые сплавы серий 200, 300 и 400
Состояние: блестящие или полированные поверхности
Метод: 1-2 об.% Азота, 1-5 мас.% Бихромата натрия, 120-140 F, 10 минут
Код L
Материал: легкообрабатываемые сплавы серий 200, 300 и 400
Состояние: блестящие или полированные поверхности
Метод: 12% азотной кислоты, 4% сульфата меди, 120-140 ° F, 10 минут
Код M
Материал: Специальные легкообрабатываемые сплавы серии 400 с содержанием Mn более 1.