|
|
Материаловедение. Общетехнический курс материаловедение
Титан.
Титан является одним из наиболее распространенных элементов в природе. По распространению в земной коре он занимает девятое место, уступая О, Si, Al, Fe Ca, Na, К и Mg. Его содержание в земной коре оценивают в 0,6% по весу. Титан входит в состав многих минералов, из которых наиболее важное промышленное значение имеют:
- ильменит (FeTiO3)
- титаномагнетит (Fe3O4 + FeTiO3)
- рутил (ТiO2).
Титановые руды содержат невысокий процент полезных составляющих: ильменит — от 40 до 60% ТiO2, а титаномагнетит от 8 до 11% ТiO2. Для получения титановых концентратов применяются методы мокрой гравитации, электромагнитные методы и чисто металлургический метод, заключающийся в плавке руды и переводе титана в шлак.
Все методы получения металлического титана основаны на использовании рутила в качестве основного продукта сырья. В настоящее время известны следующие, главные методы получения титана:
1. Магниетермический метод, заключающийся в хлорировании ТiO2, получении TiCl4 и восстановлении его магнием. Для получения губки титана с малым содержанием кислорода и азота и некоторых других вредных примесей TiCl4 перед восстановлением подвергается тщательной очистке путем многократной фракционной перегонки с одновременной химической очисткой. Восстановление ТiCl4 производится в специальных реакторах в атмосфере аргона при температуре 700—950°. Губка титана затем очищается от MgCl2 и Mg методом вакуумной дисцилляции или путем выщелачивания. Второй способ значительно дешевле, но приводит к насыщению губки титана водородом до 0,05%. Водород удаляется при последующей плавке губки в вакууме. Вместо магния в качестве восстановителя применяется также и натрий. Это позволяет получать титан в виде порошка и облегчает производство гомогенных сплавов титана.
2. Гидридно-кальциевый метод, основанный на получении гидрида титана и последующем разложении его на Ti и Н2 путем нагрева в высоком вакууме. Образующийся СаО отмывается разбавленными кислотами.
3. Электролизный метод заключается в разложении электрическим током ТiO2 или ТiСl4. Процесс происходит в расплавленных солях хлоридов и фторидов щелочных и щелочно-земельных металлов, при 700—800° в атмосфере инертных газов.
4. Иодидный метод, основанный на термической диссоциации иодида титана TiJ4, который предварительно получают путем реакции металлического титана низкой чистоты с парами иода.
Первые три метода применяются для производства технического титана, а иодидный для получения титана высокой чистоты, практически свободного от газов и содержащего весьма малое количество других примесей. Основные способы производства технического титана заключаются в использовании магние- или натрие-термического методов.
В 1956 г. в США было произведено 15 тыс. т титановой губки и около 8 тыс. т заготовок, в то время как в 1953 г. выпуск составлял 2 тыс. т. В 1957 г. намечалось получить 30 тыс. т губки. В СССР производство титана резко возрастает с каждым годом.
Для заготовок компактного титана применяют метод иодидного осаждения чистого титана, порошковой металлургии, горячего прессования или прокатки, выплавки в индукционных и дуговых печах.
Основным методом в настоящее время является метод однократной выплавки или двойной переплавки в дуговых печах в медной охлаждаемой изложнице плавящимся прессованным титановым электродом под вакуумом или в атмосфере инертных газов. Этот метод позволяет получать слитки металла диаметром до 500 мм и весом до 2,7 т.
При двойной переплавке существенно снижается содержание водорода и повышается химическая однородность сплавов. Перспективным является также способ порошковой металлургии, который при производстве проката и изделий сложной конфигурации может оказаться наиболее экономичным и производительным. Этот метод включает прессование, спекание, ковку или прокатку. Титан подвергаются ковке при температурах 850—1000°, а его сплавы при 1100—1150°. Для нагрева применяют муфельные газовые или электрические печи с нейтральной или слегка восстановительной сухой атмосферой для предотвращения водородной хрупкости. Нагрев под ковку желательно производить в две стадии: медленный нагрев до 700° и затем быстрый до температуры ковки. Ковку титана заканчивают при температурах не ниже 780—790°. Из-за высокой чувствительности титана к надрывам ковку желательно вести постепенно при малых степенях деформации. После ковки рекомендуется производить отжиг при температуре 600—650° в течение 1 часа с последующим охлаждением на воздухе. В настоящее время производится листовой прокат толщиной от 0,3 мм и выше. В последнее время начался выпуск титановой фольги толщиной до 0,013 мм методом холодной прокатки с последующим отжигом в вакуумных печах. Начинает также широко внедряться горячее прессование различных титановых профилей. Прессование титана рекомендуется вести при более низких температурах и с более высоким удельным давлением, чем сталь, из-за опасности загрязнения титана газами. Титан и некоторые его сплавы можно подвергать также холодной прокатке со ступенчатым обжатием до 50%, горячей и холодной штамповке, гибке, растяжке, высадке и т. д. Механическую обработку титана и его сплавов по трудности можно сравнить с обработкой нержавеющих хромоникелевых сталей. Применение кислородной резки ограничено из-за сильного окисления кромок, что исключает возможность сварки без последующей механической обработки.
П рименения титана и его сплавов.
Титан благодаря хорошему сочетанию механических и технологических свойств и высокой коррозионной стойкости находит широкое применение в самых различных отраслях промышленности: авиакосмической, химическом. В нефтяном машиностроении, черной и цветной металлургии, пищевой промышленности и в других отраслях. Применение титана в авиастроении. Авиационная промышленность была первым потребителем титана. Создание летательных аппаратов со скоростями близкими к скорости звука и превосходящими ее, определило ряд технических и экономических требований к конструкционным материалам, идущим на изготовление корпуса самолета и его обшивки, а также двигателей, которые невозможно было удовлетворить без применения материалов на основе титана. Авиационно-космическая и техника сейчас определяет темпы развития титановой промышленности, хотя доля ее в общем объеме потребления титана постепенно снижается.
Благодаря высокой коррозионной стойкости титан и его сплавы широко используются в химической промышленности: теплообменники и выпарная аппаратура, реакторы, скрубберы, сушилки, разделительные колонны, емкости, насосы,
прочее оборудование. Примерно 30% титана расходуется на изготовление коммуникаций из титана, примеяемых в химической промышленности, используется в хлорном производстве.
Широкое применение титан находит в производстве искусственного волокна, красителей, азотной кислоты. Применяется для изготовления синтетических жирны кислот, хлорированных углеводородов, кальцинированной соды. Большой интерес вызывает применение фасонного литья для изготовления титановых насосов и запорной арматуры. В мировой практике трубы из титана широко применяют в нефтяной промышленности
В судостроении с увеличением размеров кораблей требуются все более мощные турбинные двигатели, паровые котлы и конденсаторы.
По объему применения титана цветная металлургия занимает второе место среди гражданских отраслей промышленности. Наибольшее распространение титановое оборудование получило на предприятиях кобальтово-никелевой и титаново-магниевой промышлености, а также в производстве меди, цинка, свинца, ртути и других металлов.
Титан применяется в качестве элемента, повышающего твердость алюминиевых сплавов, и модификатора, позволяющего получать мелкозернистую структуру металла.
Добавки титана повышают качество чугуна и стали. Отдельно или с другими элементами титан применяется как раскислитель при производстве многих низколегированых и углеродистых сталей.
Маркировка титана.
Титан (Ti) (Titanium) - химический элемент с порядковым номером 22, атомный вес 47,88, легкий серебристо-белый металл. Плотность 4,51 г/см3, tпл.=1668+(-)5°С, tкип.=3260°С. Для технического титана марок ВТ1-00 и ВТ1-0 плотность приблизительно 4,32 г/см3.
Титановые сплавы ВТ1-00 и ВТ1-0
Технический титан. Металлургическая промышленность поставляет полуфабрикаты технического титана двух марок ВТ1 - 00 и ВТ1 - 0 отличающихся содержанием примесей (кислорода, азота, углерода, железа, кремния и др.). Это материалы малой прочности, причем титан ВТ1 - 00, содержащий меньше примесей, отличается меньшей прочностью и большей пластичностью. Основное достоинство технического титана - высокая технологическая пластичность, что позволяет получать из него даже фольгу.
Сплав ВТ5 (ВТ5Л)
Сплав ВТ5 (ВТ5Л) легирован только алюминием. Алюминий относится к числу наиболее распространенных легирующих элементов в титановых сплавах. Это обусловлено следующими преимуществами алюминия перед остальными легирующими компонентами.
Сплав ВТ5-1
Сплав ВТ5-1 относится к системе Ti-Al-Sn. Олово улучшает технологические свойства сплавов титана с алюминием, замедляет их окисление, повышает сопротивление ползучести.
Сплав ПТ-7М
Сплав ПТ-7М относится к малолегированным, малопрочным и высокопластичным сплавам системы Ti-Al-Zr. Он довольно легко деформируется не только при повышенных, но и комнатной температуре, что обусловлено небольшим содержанием в нем алюминия. Сплав производится в основном в форме горячепрессованных, горячекатаных и холоднодеформированных труб. Высокая пластичность сплава позволяет получать из него особо тонкостенные трубы. Сплав ПТ-7М применяют в основном для изготовления различного рода трубопроводов, работающих при комнатной и повышенных температурах в агрессивных средах.
Сплав ОТ4-0
Сплав ОТ4-0 малой прочности и высокой технологичности. Марганец повышает технологичность при горячей обработке давлением Термически не упрочняется. Основными полуфабрикатами являются: листы, ленты, полосы, прутки, поковки, штамповки. Хорошо деформируется в горячем и холодном состояниях, допускает штамповку при комнатной температуре; хорошо сваривается всеми видами сварки. Используется в деталях для изготовления которых требуется высокая технологичность при холодной штамповке.
Сплав ОТ4-1
Сплав ОТ4-1 относится к числу наиболее технологичных титановых сплавов; является малопрочным, алолегированным сплавом системы Ti-Al-Mn. Он хорошо деформируется в горячем и холодном состояниях и предназначен в основном для изготовления листов, лент и полос. Из них получают также плиты, поковки, прутки, трубы и профили. Листовая штамповка деталей простой формы может производиться в холодном состоянии; при штамповке деталей сложной формы необходим подогрев до 500 °С.
Сплав ВТ18 (ВТ18У)
Сплав ВТ18 (ВТ18У) системы Ti-Al-Zr-Mo-Nb-Si относится к высокопрочным псевдо а-сплавам. Большое содержание алюминия и циркония обеспечивает высокое сопротивление ползучести и высокую длительную прочность до температур 550 - 600°С. Это один из наиболее жаропрочных титановых сплавов. Пластические свойства и технологичность при обработке давлением у сплава ВТ 18 ниже, чем у сплавов типа ОТ4. Поэтому он предназначен в основном для производства прутков, поковок и штамповок.
Псевдо a-сплав ВТ18У
Псевдо a-сплав ВТ18У отличается от ВТ18 более низким содержанием алюминия и циркония, а также дополнительным легированием оловом. В связи с этим он несколько технологичнее ВТ18. Поэтому из него получают не только прутки, поковки и штамповки, но и листы, хотя и с большим трудом. Термическая обработка полуфабрикатов из сплава ВТ18У производится по режимам, принятым для сплава ВТ18. По жаропрочным свойствам сплав ВТ18У не уступает сплаву ВТ 18 и рекомендуется для тех же условий эксплуатации, что и сплав ВТ 18.
Псевдо a-сплав ВТ20
Псевдо a-сплав ВТ20 принадлежит к системе Ti-Al-Zr-Mo-V. Довольно высокое содержание алюминия обеспечивает значительную прочность и жаропрочность этого сплава. Его пластичность и технологичность при обработке давлением ниже, чем у сплавов типа ОТ4. Тем не менее, он хорошо деформируется в горячем состоянии и поставляется в виде поковок и штамповок толщиной до 250 мм, профилей, прутков, плит и листа. В листовом варианте этот сплав по жаропрочным характеристикам уступает только сплаву ВТ18У. Из этого сплава изготовляют сварные кольца из горячекатаных и прессованных профилей, а также цельнокатаные кольца.
Сплавы типа ВТ6
Сплавы типа ВТ6 (Ti-6A1-4V) (a + b)-класса относятся к числу наиболее распространенных за рубежом титановых сплавов. Сплав Ti-6А1-4V используется для изготовления крупногабаритных сварных и сборных конструкций летательных аппаратов, для изготовления баллонов, работающих под внутренним давлением в широком интервале температур от 196 до 450 °С, и целого ряда других конструктивных элементов. По данным зарубежной печати, около 50 % используемого в авиакосмической промышленности титана приходится на сплав Ti-6A1-4V, аналогом которого являются отечественные сплавы типа ВТ6.
Сплав ВТ14
Сплав ВТ14 относится к высокопрочным термически упрочняемым титановым (а + b)-сплавам мартенситного типа системы Ti-A1-Мо-V. Этот сплав хорошо деформируется в горячем состоянии и из него получают прутки, трубы, профили, листы, плиты, поковки, штамповки. Листовую штамповку сплава в отожженном или закаленном состоянии с небольшими деформациями можно проводить в холодном состоянии, но основные операции штамповки удается успешно провести лишь при повышенных температурах.
Сплав ВТ16
Сплав ВТ16 относится к высокопрочным (а + b)-сплавам той же системы Ti-A1-Мо-V, что и ВТ 14, но отличается от последнего меньшим содержанием алюминия и большим содержанием Р-стабилизаторов. В связи с этим сплав ВТ 16 по сравнению со сплавом ВТ 14 содержит больше р-фазы в отожженном состоянии (10 % - в ВТ14, 25-30 % - в ВТ16). Благодаря высокому содержанию р-фазы сплав ВТ 16 отличается высокой технологичностью. Он хорошо деформируется не только в горячем, но и в холодном состоянии, что обусловлено не только (а + b)-структурой, но и невысоким содержанием алюминия.
Сплав ВТЗ-1
Сплав ВТЗ-1 системы Ti-Al-Mo-Cr-Fe-Si относится к высокопрочным (а + b) - сплавам мартенситного класса. Алюминий в сплаве ВТЗ-1 упрочняет а- и b-фазы и уменьшает плотность сплава. Эвтектоидообразующие b-стабилизаторы хром, железо и кремний упрочняют а- и b-фазы и повышают прочностные и жаропрочные свойства при умеренных температурах. Молибден не только увеличивает прочностные и жаропрочные свойства сплава, но и затрудняет эвтектоидный распад b-фазы, повышая термическую стабильность.
Сплав ВТ22
Сплав ВТ22 (a + b)-класса относится к сильнолегированным высокопрочным сплавам системы Ti-Al-Mo-V-Fe-Cr. По содержанию b-стабилизирующих элементов сплав 1ГГ22 близок ко второй критической концентрации (К*
1,0). Структура и свойства сплава ВТ22 сильно зависят от колебания химического состава в пределах, установленных техническими условиями. В зависимости от содержания легирующих элементов его структура после закалки из b -области может быть представлена или одной b-фазой, или b-фазой и мартенситом. Таким образом, по структуре в закаленном состоянии - это сплав переходного класса. Сплав обладает хорошей технологической пластичностью при горячей обработке давлением. Из него получают прутки, профили, трубы, поковки, штамповки, плиты. Сплав удовлетворительно сваривается сваркой плавлением, аргонодуговой сваркой, сваркой под флюсом, роликовой и точечной сваркой. После сварки необходимо проводить отжиг для повышения комплекса механических свойств сварного соединения.
Сплав ВТ9
Сплав ВТ9 обеспечивает более высокие прочностные и жаропрочные свойства по сравнению со сплавом ВТ6 за счет высокого содержания алюминия и легированием кремния. Предназначен для работы при 400 - 500 °С. Двойной отжиг обеспечивает оптимальное сочетание механических свойств; содержание b - фазы после отжига примерно 10%. Сплав термически упрочняется путем закалки и старения. Основными вида полуфабриката являются прутки, поковки, штамповки и плиты. Удовлетворительно деформируется в горячем состоянии. Технологические свойства при обработке давлением хуже, чем у сплава ВТ6. Сварка не рекомендуется. В основном применяется в деталях ГТД (дисках, лопатках) и других деталях компрессора.
Сплав ВТ8
Сплав ВТ8 обеспечивает более высокие прочностные и жаропрочные свойства по сравнению со сплавом ВТ6 за счет высокого содержания алюминия и легированием кремния. Максимальная рабочая температура 480 0С. Сплавы ВТ8-1 и ВТ8-1М превосходят сплавы ВТ3-1 и ВТ9 по термической стабильности, пластичности, технологичности и характеристикам трещиностойкости.
Сплав ВТ35
Сплав ВТ35 высоколегированный псевдо - b - сплав с b - фазой, легко сохраняющейся при охлаждении; сплав ВТ35Л сохраняет b фазу в процессе естественного охлаждения. Обладает большой прокаливаемостью. В закаленном состоянии сплав обладает высокой пластичностью и способен к холодной деформации. Старение приводит к существенному упрочнению (sв > 1200МПа; d = 6%) при высокой вязкости разрушения. Применяется для изготовления листов, фольги, фасонных отливок.
Современная отечественная промышленность располагает большой номенклатурой титановых сплавов различного типа и назначения.
Марка ВТ означает «ВИАМ титан», затем следует порядковый номер сплава.
Марка ОТ означает «Опытный титан» - сплавы, разработанные совместно ВИАМом и заводом ВСМПО (г. Верхняя Салда, Свердловской области).
Марка ПТ означает «Прометей титан» - разработчик ЦНИИ КМ («Прометей», г. Санкт-Петербург.)
Иногда в марку сплава добавляют буквы:
«У» - улучшенный,
«М» - модифицированный,
«И» - специального назначения.
«Л» - литейный сплав,
«В» - сплав, где марганец заменен эквивалентным количеством ванадия.
Встречаются и другие обозначения.
Цветная маркировка титана
Марка сплава Цвета окраски торца прутка
ВТ 1-00 БЕЛЫЙ + ЧЁРНЫЙ
ВТ 1-0 БЕЛЫЙ
ОТ 4-0 ЗЕЛЁНЫЙ + БЕЛЫЙ
ОТ 4-1 ЗЕЛЁНЫЙ + ЧЁРНЫЙ
ОТ 4 ЗЕЛЁНЫЙ
ВТ5 КОРИЧНЕВЫЙ + БЕЛЫЙ
ВТ 5-1 ЖЁЛТЫЙ
ВТ 6 КОРИЧНЕВЫЙ + СИНИЙ
ВТ 6С КОРИЧНЕВЫЙ
ВТ 3-1 КРАСНЫЙ
ВТ 8 СИНИЙ
ВТ 9 ГОЛУБОЙ
ВТ 14 ЧЁРНЫЙ + КРАСНЫЙ
ВТ 20 ЧЁРНЫЙ + ЖЁЛТЫЙ
ВТ 22 КОРИЧНЕВЫЙ + ЗЕЛЁНЫЙ
ПТ3В ЖЁЛТЫЙ + БЕЛЫЙ
3М БЕЛЫЙ + СИНИЙ
СП19 БЕЛЫЙ + КРАСНЫЙ
Классификация
Титановые сплавы целесообразно разделить на три большие группы:
Конструкционные и высокопрочные титановые сплавы представляют собой - твердые растворы, что позволяет им обеспечивать оптимальное соотношение характеристик прочности и пластичности.
Жаропрочные титановые сплавы представляют собой - твердые растворы с большим или меньшим количеством химического соединения (или начальной стадии его образования), что обеспечивает им повышенную жаропрочность при минимальном снижении пластичности.
Титановые сплавы на основе химического соединения - представляют интерес как жаропрочный материал с низкой плотностью, способный конкурировать с жаропрочными никелиевыми сплавами в определенном температурном интервале.
|
|
|
Скачать 1.24 Mb.