Титан и его сплавы

Титан и его сплавы появились в начале 1950-х годов, эти материалы за относительно короткое время стали основой для аэрокосмической, энергетической и химической промышленности.

Сочетание высокого отношения прочности к весу, превосходных механических свойств и коррозионной стойкости делает титан лучшим выбором материала для многих критических областей применения. Сегодня титановые сплавы используются для сложных задач, таких как статические и вращающиеся компоненты газотурбинных двигателей. Из этих сплавов изготавливаются некоторые из наиболее важных и напряжённых частей планера гражданского и военного назначения.

Три основные группы титановых сплавов

группы титановых сплавов

  1.  Коррозионно-стойкие сплавы, такие как коммерчески чистые марки 1,2,3,4, Ti-Pd (классы 7 и 16), Ti-3Al-2,5 В (классы 9 и 18). ), Ti-Pd (класс 11 и 17), Ti-0,3Mo-0,8Ni (класс 12), BETAC (класс 19 и 20);
  2. Высокопрочные сплавы: Ti-6Al-4V (класс 5), Ti-5Al-2.5Sn (класс 6), Ti-6Al-6V-2Sn, Ti-10V-2Fe-3Al, Ti-15V-3Cr-3Sn. -3Al, Ti-5Al-2Sn-4Mo-2Zr-4Cr, Ti-4Al-4Mo-2Sn (Ti550), Ti-8Al-1Mo-1V;
  3. Высокотемпературные сплавы, такие как Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo, Ti-11Sn-5Zr-2.5Al-1Mo-0.2Si (IMI679), Ti-6Al-5Zr-0.5 Mo-Si (IMI685), Ti-5,5Al-3,5Sn-3Zr-1Nb (IMI829), Ti-5,8Al-4Sn-3,5Zr-0,7Nb (IMI834), TIMETAL 1100 и алюминиды титана.

Ti-6Al-4V является наиболее широко используемым из титановых сплавов, так как он может быть подвергнут термообработке до различных уровней прочности, легко поддаётся сварке и относительно прост в обработке. Многочисленные применения Ti-6Al-4V включают лопасти и диски для авиационных турбин и компрессоров, корпуса ракетных двигателей, морские компоненты, лопасти паровых турбин, конструктивные поковки и крепежные элементы. Для повышения долговечности был разработан ряд термических, механических, химических и других обработок для изменения характеристик поверхности.

Основные типы конструкций из титановых сплавов

  •  Альфа-сплавы не подвергаются термической обработке и, как правило, очень свариваемы. Они имеют низкую и среднюю прочность, хорошую ударную вязкость, достаточно хорошую пластичность и обладают превосходными механическими свойствами при криогенных температурах. Более высоколегированные альфа-и почти альфа-сплавы предлагают оптимальную жаропрочность и стойкость к окислению;
  • Альфа-бета-сплавы являются термообрабатываемыми и большинство из них свариваемы. Их уровни силы от среднего до высокого. Их свойства горячей штамповки хорошие, но прочность при жаропрочности не такая хорошая, как у большинства альфа-сплавов;
  • Бета или почти бета сплавы легко поддаются термообработке, обычно свариваются и обладают высокой прочностью и хорошей устойчивостью к ползучести при промежуточных температурах. От бета-сплавов в состоянии, обработанном раствором, можно ожидать превосходной формуемости. Сплавы бета-типа имеют хорошие сочетания свойств в листовых, тяжелых сечениях, крепежных изделиях и пружинных применениях.

Титан и его сплавы

Альфа сплавы

Альфа-сплавы (α-сплавы) легко свариваются и относительно прочны даже при криогенных температурах. Алюминий является основным легирующим элементом, кроме Zr и Sn. Совокупный эффект выражается как:
эквивалент алюминия, мас.% = Al + (1/3) Sn + (1/6) Zr + 10 (O + C + 2N)

Если это превышает примерно 9 мас.%, то могут происходить вредные реакции осаждения.

Наличие небольшого количества более пластичной β-фазы в α-сплавах выгодно для термической обработки и способности к ковке. Следовательно, сплавы могут содержать около 1 мас.% Мо, например

Ti — 6Al — 2Sn — 4Zr — 2Mo

где Zr и Sn дают упрочнение твердого раствора.

Ti-5Al-2.5Sn представляет собой α-сплав, который имеется в продаже во многих формах. Поскольку он стабилен в условиях α , его нельзя закалить термической обработкой. Поэтому он не особенно прочен, но легко поддается сварке. Ударная вязкость при криогенных температурах увеличивается, когда концентрации кислорода, углерода и азота уменьшаются, чтобы получить вариант, обозначенный как ELI , что означает очень низкое содержание междоузлий. Тот факт, что прочность увеличивается при низких температурах без какого-либо ухудшения ударной вязкости, делает сплав особенно подходящим для изготовления криогенных резервуаров для хранения, например, для содержания жидкого водорода.

Альфа-бета сплавы

Большинство α + β-сплавов имеют высокую прочность и формуемость и содержат 4-6 мас.% Β-стабилизаторов, которые позволяют удерживать значительные количества β при гашении из полей β → α + β-фазы, например Ti-6Al-4V.
Al снижает плотность, стабилизирует и укрепляет α, в то время как ванадий обеспечивает большее количество более пластичной β-фазы для горячей обработки. Этот сплав, на долю которого приходится около половины всего производимого титана, популярен благодаря своей прочности (1100 МПа), сопротивлению ползучести при 300 °C, усталостному сопротивлению и литейной способности.

Одна из трудностей, связанных с β-фазой, которая имеет объёмно-центрированную кубическую кристаллическую структуру, заключается в том, что она, подобно ферритному железу, имеет температуру пластического перехода к хрупкому. Температура перехода имеет тенденцию быть выше комнатной температуры, при этом при температурах окружающей среды преобладают трещины разрушения.

Был разработан порошковый металлургический вариант Ti-6Al-4V, содержащий небольшие концентрации бора и углерода с примерно на 25% более высокой прочностью и модулем, но значительно более низкой пластичностью. Сплав содержит стабильные осадки TiB, которые предотвращают рост зерна во время операций горячей обработки.

Жаростойкие бета сплавы

На основе титана, используемого в химической промышленности, могут происходить пожары в авиационных двигателях или в теплообменниках. Добавление хрома в концентрациях, превышающих 10 мас.%, Помогает улучшить стойкость к ожогу титановых сплавов.
Сплав Ti-35V-15Cr, мас.%, содержит достаточно хрома, чтобы противостоять горению в среде авиационного двигателя до температур примерно до 510 °C. Не обнаружено, что хром эффективен в бинарных сплавах Ti-Cr, где он не способствует образованию сплошной плёнки защитного оксида.

Высокая стоимость компонентов из титанового сплава может ограничивать их применение в тех областях применения, для которых используются более дешёвые сплавы, такие как алюминий и нержавеющая сталь. Относительно высокая стоимость часто является результатом внутренних затрат на сырьё для металла, затрат на изготовление и затрат на удаление металла, возникающих при получении желаемой конечной формы.

Эти технологии титановой сетки включают порошковую металлургию (P / M), сверхпластичное формование (SPF), прецизионную ковку и точное литьё. Прецизионное литьё является наиболее развитой и широко используемой технологией титановой сетки.

Поскольку производители авиационных двигателей стремятся использовать литой титан при более высоких рабочих температурах, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo и Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo используются чаще. Другие усовершенствованные высокотемпературные титановые сплавы для работы до 595 °C , такие как Ti-1100 и IMI-834, разрабатываются в качестве отливок. Упомянутые выше сплавы обладают той же степенью превосходства при повышенной температуре, что и их деформированные аналоги по сравнению с более широко используемым Ti-6Al-4V.

Кованые изделия из титана и сплавов на основе титана, которые включают в себя поковки и типичные прокатные изделия, составляют более 70% рынка производства титана и титановых сплавов.

Другие сплавы титана предназначенные для конкретных областей применения

сплавы титана

  1. Сплавы Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr (обычно называемые Ti-17) и Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo для высокой прочности в тяжелых секциях при повышенных температурах.
  2. Сплавы Ti-6242S, IMI 829 и Ti-6242 (Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo) для сопротивления ползучести
  3. Сплавы Ti-6Al-2Nb-ITa-Imo и Ti-6Al-4V-ELI предназначены как для противостояния коррозии под напряжением в водных растворах солей, так и для высокой вязкости разрушения
  4. Сплав Ti-5Al-2,5Sn предназначен для свариваемости, а марка ELI широко используется для криогенных применений.
  5. Сплавы Ti-6Al-6V-2Sn, Ti-6Al-4V и Ti-10V-2Fe-3Al для высокой прочности при низких и умеренных температурах.

Сварка имеет наибольший потенциал влияния на свойства материала. Во всех типах сварных швов загрязнение промежуточными примесями, такими как кислород и азот, должно быть минимизировано, чтобы сохранить полезную пластичность в сварном шве. Состав сплава титана, процедура сварки и последующая термическая обработка очень важны для определения конечных свойств сварных соединений.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Всё о металлах
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: