Титанові сплави

Тита́нові спла́ви (англ. titanium alloys) — сплави на основі титану з добавками алюмінію, олова, мангану, молібдену, заліза, хрому, ванадію, кобальту, міді, вольфраму та інших елементів. Відзначаються високою механічною міцністю, жароміцністю, значною корозійною стійкістю в агресивних середовищах, багато які з них — доброю зварністю.

Демонстраційний зразок фрагмента моноколеса вентилятора турбіни, виготовленого з титанового сплаву (Румунський НДІ газових турбін)

Хімічний склад

Легувальні елементи утворюють з титаном тверді розчини заміщення або інтерметаліди типу Ti_xMe_y, а домішки (гідроген, азот, карбон, оксиген) — тверді розчини проникнення або хімічні сполуки (гідриди, нітриди, карбіди й оксиди).

Найістотніше підвищують міцність (з одночасним зниженням пластичності) титанових сплавів Fe, Mn, Cr і Mo. Як мікродобавки застосовуються Pd (до 0,2%) для підвищення корозійної стійкості і В (до 0,01%) для подрібнення зерна.

Легувальні добавки мають різну розчинність в алотропічних модифікаціях α- і β-Ti і змінюють температуру α/β -перетворення. Алюміній, а також оксиген і азот, що переважно розчиняються в α-Ti, підвищують цю температуру по мірі збільшення їх концентрації, що веде до розширення області існування α-модифікації. Такі елементи називаються α-стабілізаторами. Карбон, азот і оксиген роблять титанові сплави крихкими, тому їхній масовий вміст обмежують сотими і тисячними частками відсотка.

Sn і Zr добре розчиняються в обох алотропічних модифікаціях титану і дуже мало впливають на температуру α/β-перетворення; вони належать до так званих нейтральних зміцнювачів. Елементи цієї групи поділяють на β-ізоморфні (ванадій, молібден, ніобій, тантал) і β-евтектоїдні стабілізатори (хром, марганець, залізо, мідь, нікель, кобальт). β-ізоморфні стабілізатори, як і β-титан, мають об'ємоцентровану кубічну ґратку і здатні необмежено розчинятися у ньому. Коли концентрація ізоморфних стабілізаторів висока, β-твердий розчин у рівноважному стані зберігається аж до кімнатної температури

Всі інші добавки до промислових титанових сплавів переважно розчиняються в β-Ti, є β-евтектоїдними стабілізаторами й знижують температуру поліморфного перетворення титану. Їх розчинність в α і β-модифікаціях титану змінюється з температурою, що дозволяє зміцнювати сплави, які містять ці елементи, шляхом гартування та старіння. У сплавах титану з β-евтектоїдними стабілізаторами на лінії евтектоїдного перетворення при достатньо низькій температурі відбувається евтектоїдний розпад β-фази:

$\beta =\alpha +\gamma ,$

де γ — проміжна фаза Ti_xMe_y.

Утворення евтектоїду (α+γ) істотно збільшує крихкість, що обмежує промислове використання сплавів з такою структурою. У рівноважному стані титанові сплави, леговані β-стабілізаторами, за кімнатної температурі можуть мати однофазну структуру α-твердого розчину низької концентрації, двофазну (α+β)-структуру при збільшенні концентрації β-стабілізаторів і однофазну β-структуру при високій концентрації β-ізоморфних стабілізаторів. У промисловості найчастіше застосовують сплави зі структурами α й (α+β).

Через поліморфізм титану і його здатність утворювати тверді розчини й хімічні сполуки з багатьма хімічними елементами діаграми стану титанових сплавів мають велику різноманітність. Проте в промислових титанових сплавах концентрація легувальних елементів, зазвичай, не виходить за межі твердих розчинів на основі α-Ti та β-Ti і металідні фази зазвичай не спостерігаються.

В нелегованому титані, а також в сплавах титану з α-стабілізаторами і нейтральними зміцнювачами неможливо зафіксувати високотемпературну β-модифікацію шляхом гартування через наявність мартенситного перетворення, в результаті якого утворюється вторинна α-фаза голчастої форми. У сплавах же з β -стабілізаторами можна, залежно від концентрації, зафіксувати будь-яку кількість β-фази аж до 100%. На суцільну β -структуру можуть гартуватися подвійні сплави, що містять не менше 4% Fe, 7% Mn, 7% Cr, 10% Мо, 14% V, 35% Nb, 50% Ta. Вказані концентрації називаються критичними. У загартованих сплавах докритичного і критичного складів (β-фаза є нестабільною і при подальшій низькотемпературній обробці (старінні) розпадається з утворенням дисперсних виділень вторинної α-фази, що дає ефект зміцнення. У сплавах закритичного складу (наприклад, Ti — 30% Мо) утворюється стабільна β-фаза й ефекту зміцнення не спостерігається.

Класифікація сплавів

За механічними характеристиками титанові сплави поділяють на маломіцні (високопластичні), середньої міцності та високоміцні а за фізико-хімічними властивостями на жароміцні і корозієстійкі. За технологічною ознакою титанові сплави поділяють на деформівні, ливарні, та порошкові.

За рівноважною структурою (після відпалювання) титанові сплави поділяють на три основні групи: α -сплави, (α+β)-сплави (двофазні) та β-сплави. Сплави першої групи (α-сплави) малопластичні, а третьої групи (β-сплави) найпластичніші, але мають меншу міцність. Найкращий комплекс механічних і технологічних властивостей мають двофазні (α+β)-сплави. Вони є міцнішими, ніж однофазні, добре куються і штампуються, піддаються термічній обробці. Тому, як конструкційний матеріал, переважно застосовуються двофазні (α+β)-сплави.

Маркуються титанові сплави літерами ВТ і числом (порядковий номер), наприклад ВТ5, ВТ15, ВТ20 тощо

Титанові деформівні сплави

Більшість титанових сплавів конструкційного призначення легують алюмінієм, який підвищує їх жорсткість, міцність, жароміцність і жаротривкість, а також знижує густину. Механічні властивості титанових сплавів поліпшують термомеханічним обробленням.

α-титанові сплави (ВТ1-00,BT1-1, BT5, BT5-1) термічною обробкою не зміцнюються. Їх зміцнення досягається легуванням твердого розчину і пластичним деформуванням. До цієї групи належить сплав ВТ5-1, який має добру зварність, жароміцність, кислотостійкість, пластичність при низьких температурах, термічну стабільність за температур до 450 °C. До складу цього сплаву входять ~5%Al і ~2,5%Sn. Олово додають у сплав для поліпшення його технологічних і механічних властивостей. Механічні властивості даного сплаву: σ_в=800…1000 МПа, δ=10…15%. Зі сплаву ВТ5-1 виготовляють листи, поковки, труби, дріт, профілі.

Псевдо-α-сплави (ОТ4-0, ОТ4-1, ОТ4-2, ВТ18, ВТ20) можуть загартовуватись з утворенням титанового мартенситу, як твердого розчину легувальних елементів в α-титані. Мартенсит у псевдо-α-сплавах має невеликий ступінь пересичення. Зміцнення сплаву при цьому є незначним.

(α+β)-сплави (мартенситного класу: ВТ6, ВТ3-1, ВТ8, ВТ9, ВТ14, ВТ16, ВТ23, ВТ 33, перехідного класу: ВТ22, ВТ30) зміцнюються термічною обробкою, що складається із гартування і старіння. Їх зварюваність гірша, ніж α-сплавів. Типовим представником цієї групи є сплав ВТ6, який характеризується оптимальним поєднанням технологічних і механічних властивостей. Хімічний склад сплаву ВТ6: ~6%Al, ~4%V, решта Ті, механічні властивості: σ_в=1100…1250 МПа, δ =6%.

До двофазних сплавів належить жароміцний сплав ВТ8, який призначений для довготривалої роботи за температур 450…500 °C під навантаженням. Хімічний склад сплаву ВТ8: ~6,4%Al, ~3,1%Mg, ~3%Si, механічні властивості: σ_в=1000…1250 МПа, δ=9…11%.

β-сплави за усіх температур мають структуру β-фази. Термічним обробленням не зміцнюються.

Псевдо-β-титанові сплави (ВТ15, ВТ32) характеризуються високим вмістом β-стабілізаторів, високою пластичністю у загартованому стані та високою міцністю після старіння. При загартуванні псевдо β-сплавів фіксується метастабільна β′-фаза. При старінні з β′ виділяється дрібнодисперсна α-фаза, яка суттєво підвищує міцність і твердість сплаву. До цієї групи належить сплав ВТ15, який має високу пластичність (δ=20%) і відносно невисоку міцність (σ_в=900 МПа) у загартованому стані. Однак після старіння при 450 С його міцність підвищується до σ_в=1500 МПа при пластичності δ=6%. Сплав ВТ15 поставляється у вигляді прутків, поковок, листів, штаб. Хімічний склад сплаву ВТ15: ~3%Al, ~8%Mo, ~11%Cr.

Ливарні титанові сплави

Ливарні сплави у порівнянні зі сплавами, що деформуються, мають нижчу міцність, пластичність і витривалість, але є дешевшими. Їх склад аналогічний складу сплавів, що деформуються, тільки наприкінці марки ливарних сплавів ставлять літеру Л, наприклад, ВТ5Л, ВТ14Л.

Порошкові сплави титану

Порошкові сплави отримують методом порошкової металургії, що забезпечує зниження їх вартості приблизно на 50% і підвищення продуктивності виготовлення виробів у два рази.

Застосування

Титанові сплави застосовують як конструкційний матеріал в авіаційній (обшивка літаків, диски й лопаті компресорів тощо) і ракетно-космічній техніці (корпуси двигунів, балони для стиснутих і скраплених газів, сопла тощо), в хімічній і нафтовій промисловості (клапани, вентилі для середовищ хлору та його розчинів, теплообмінники, що працюють в азотній кислоті), суднобудуванні (гребні гвинти, обшивки морських суден, підводних човнів, торпед), холодильній (кріогенній) техніці тощо.

Див. також

• Алюмінієві сплави

Джерела

• ГОСТ 19807-91 Титан и сплавы титановые деформируемые. Марки.
• ГОСТ 22176-76 Листы из титана и титановых сплавов. Технические условия.
• Колачев Б. А., Елагин В. И., Ливанов В. А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. М.: МИСИС, 2005. — 432 с.
• Захаров А. М. Промышленные сплавы цветных металлов. Фазовый состав и структурные составляющие / А. М. Захаров. — М.: Металлургия, 1980. — 256 с.
• Компан Я. Ю. Металлургия и технология сварки титана и его сплавов. — К.: Наукова думка, 1978. — 120 с.