Титан и его сплавы

Титан представляет собой серебристо-белый металл, плотность которого составляет 4,5 т/м3. Температура плавления у чистого металла составляет 1660°С, у сплавов она может отличаться на значение до 50-70°. Механические свойства сплавов также существенно отличаются от свойств чистого титана. Так, сплав ВТ1 имеет предел прочности 650 МПа, в то время как у чистого металла он составляет всего 300 МПа.

Подводная лодкаГлавным достоинством титана выступает высокая прочность в сочетании с низким весом
 

Главным достоинством титана выступает высокая прочность в сочетании с низким весом. Благодаря этому титан используется как заменитель стали в тех сферах, где вес конструкции критически важен. К таким сферам относят авиационное и ракетное машиностроение. Широкому распространению титана препятствует его высокая цена.

Другим важным достоинством титана выступает высокая стойкость к коррозии. Он устойчив к действию воды, многих органических и неорганических веществ. Быстрое растворение титана происходит только в плавиковой кислоте, концентрированных азотной и серной кислотах. На воздухе титан покрывается плотной и прочной пленкой из оксидов, которые защищают остальной металл от разрушения. Однако химическая активность титана значительно возрастает при температурах выше 500°С, поэтому его не рекомендуется ограниченно использовать для деталей, работающих при повышенных температурах. Предел рабочей температуры составляет 600-700°С для разных сплавов.

Существенным недостатком титановых сплавов выступает плохая обрабатываемость резанием. Сварка этих сплавов затруднена, она производится в защитной атмосфере.

Легирование и термическая обработка титана

Титан имеет две твердые фазы: α–титан и β–титан, переход между которыми происходит при температуре 882°С. Наличие нескольких фаз дает возможность улучшения свойств сплавов на основе титана термической обработкой. Промышленные сплавы титан образуют с ним твердые растворы, которые изменяют температуру перехода.

Легирующие элементы для титана можно разделить на три категории. Первая категория - элементы, стабилизирующие α–титан, к ним относятся азот, алюминий, кислород, углерод. Эти элементы повышают температуру фазового перехода. Второй категорией являются элементы, стабилизующие фазу β–титан, это железо, хром, ванадий и молибден. К третьей категории относятся элементы, не оказывающие влияние температуру фазового перехода. Олово, гафний и цирконий только повышают прочность сплава. В соответствии с требованиями к сплаву выбираются элементы из первой или второй категории, к которым добавляются упрочняющие элементы. Отрицательно на свойства сплавов воздействует водород, поэтому состав подбирается так, чтобы компенсировать его воздействие.

Титановые сплавы подвергаются всем видам термической и химико-термической обработки. Часто применяется увеличение износостойкости поверхности азотирование или цементацией. Также улучшить механические свойства можно обработкой давлением.

Применение титановых сплавов

Несмотря на свои высокие конструкционные свойства, титан ограниченно используется в машиностроении. Существенная часть получаемого титана применяется для производства краски, пластика и бумаги, поскольку диоксид титана является отличным красящим веществом, он обеспечивает белый цвет многим изделиям. В машиностроении используется менее 10% выплавляемого титана.

Сплавы на основе титана делятся на два типа: литейные и деформируемые. В обозначение литейных сплавов указывается буква Л, например ВТ21Л и ВТ31Л. Литейные сплавы имеют худшие механические свойства, но их стоимость ниже. При литье титана необходимо исключить возможность взаимодействия металла, который при высокой температуре становится очень активным, с атмосферой окружающей среды и литейной формой.

Из литейных сплавов популярность пользуется ВТ5Л. Он обладает хорошую пластичностью и свариваемость. Отлитые из него детали не подвержены трещинообразованию. Использовать изделия из ВТ5Л можно использовать при температурах до 400°С. Главным недостатком этого сплава является низкая прочность – 800 МПа. Из деформируемых можно отметить ВТ5 и ВТ14.

Основными сферами использования титана считаются:

  • Летальные аппараты. Из титана выполняются корпуса аппаратов и двигателей, сопки, диски, крепежные детали. В этой сфере прочностные и химические свойства титана используются в полной мере.
  • Оборудование химической промышленности. Титановые сплавы применяются для производства компрессоров, вентилей и клапанов, которые предназначены для работы с агрессивными жидкостями.
  • Ядерная энергетика. Из титана производят оборудование, работающее с ядреным топливом.
  • Судостроение. Титан изредка используется для речных и морских судов, сказывается его высокая стоимость. Наиболее широко титановые сплавы применяются для строительства подводных лодок. Так, наиболее крупные подводные лодки проекта 941 «Акула» имеют значительную часть корпусных элементов из титана.
  • Криогенная техника. Титан сохраняет свои механические свойства до температур -253°С.

Титановые сплавы применяются в порошковой металлургии. В этой сфере широко используется сплав ВТ6. После термической обработки деталь, полученная порошковой металлургии, имеет прочность такую же, как и изделия, изготовленную традиционными способами.

Статья носит ознакомительный характер.
Не забывайте консультироваться со специалистами.