Целая. Учебник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям Летательные аппараты
 Скачать 32.33 Mb.
|
|
Содержание примесей в различных марках титана
Отличительные особенности титана: высокие механические свойства, малая плотность, высокая удельная прочность и хорошая коррозионная стойкость. Физические свойства чистого титана следующие:
По механическим свойствам титан характеризуется хорошим сочетанием прочности и пластичности (табл. 42). Механические свойства титана сильно зависят от наличия примесей, особенно водорода, кислорода, азота и углерода, которые образуют с ним твердые растворы внедрения и промежуточные фазы: гидриды, оксиды, нитриды и карбиды. Небольшое количество кислорода, азота и углерода повышает твердость, предел прочности и предел текучести, но при этом значительно уменьшается пластичность, снижается коррозионная стойкость, ухудшаются свариваемость, способность к пайке и штампуемость, - поэтому содержание этих примесей в титане ограничено (табл. 41). Аналогичным образом, но в меньшей степени влияют на свойства титана железо и кремний. Особо вредная примесь - водород. Присутствуя в очень незначительном количестве, он выделяется в виде тонких хрупких пластин, гидридной фазы на границах зерен, что значительно охрупчивает титан. Водородная хрупкость наиболее опасна в сварных конструкциях из-за наличия в них напряжений. Допустимое содержание водорода в техническом титане находится в пределах 0,008...0,012 %. Несмотря на высокую температуру плавления, чистый титан не является жаропрочным материалом. При повышении температуры до 250 °С предел прочности при растяжении снижается вдвое. Титан обладает высокими прочностью и удельной прочностью не только при комнатной температуре, но и в условиях глубокого холода. При температуре жидкого гелия предел прочности при растяжении равен 120 МПа. Таблица 42 Механические свойства титана
Обозначения: σв- прочность при растяжении; ε- относительное удлинение; Е - модуль упругости; НВ- твердость по Бринеллю. 9.3.3. ПРОМЫШЛЕННЫЕ ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ Сплавы на основе титана обладают высокой удельной прочностью. У лучших современных сплавов титана, легированных добавками А1, Сг, V, Мо, Мn, после термической обработки предел прочности при растяжении составляет 1200...1500 МПа, что отвечает удельной прочности 27...33 км. Легированные стали с тем же пределом прочности имеют удельную прочность 15,5... 19 км. При комнатной температуре сплавы на основе титана лишь незначительно превосходят высокопрочные сплавы алюминия и магния. Однако при 150...430 °С сплавы алюминия быстро теряют свою прочность. В этой области температур титановые сплавы превосходят также нержавеющую сталь. В целях повышения износостойкости титановые сплавы подвергают азотированию. Лучшие результаты дает азотирование в среде сухого, очищенного от кислорода азота. Оно повышает поверхностную твердость, износостойкость, жаропрочность и жаростойкость, тогда как азотирование в аммиаке способствует охрупчиванию титановых сплавов вследствие насыщения водородом. Азотирование проводится при температуре 850...950 °С в течение 10...50 часов. При этом на поверхности образуется тонкий нитридный слой и обогащенный азотом α-твердый раствор. Толщина нитридного слоя равна 0,06...0,2 мм, НV –1200...1500. Глубина обогащенного азотом слоя в твердом растворе равна 0,1...0,15 мм., НV – 700...900. Чтобы уменьшить хрупкость азотированного слоя, рекомендуется вакуумный отжиг при температуре 800...900 °С. Для повышения жаростойкости титановые сплавы подвергают силицированию и другим видам диффузионной металлизации. Преимущество титановых сплавов по сравнению с техническим титаном - в более высоких прочности, жаропрочности и жаростойкости при достаточно хорошей пластичности, высокой коррозионной стойкости и малой плотности. Поэтому титановые сплавы получили широкое применение в авиации, ракетной технике, судостроении, химической и других отраслях промышленности. Их применяют для обшивки сверхзвуковых самолетов, изготовления деталей конструкций реактивных авиационных двигателей, корпусов ракетных двигателей второй и третьей ступени, баллонов и шаробаллонов для сжатых и сжиженных газов, обшивки морских судов, подводных лодок, торпед и т. д. По технологии изготовления титановые сплавы подразделяются на деформируемые и литейные, по механическим свойствам - на сплавы нормальной прочности, высокопрочные, жаропрочные, повышенной пластичности. По способности упрочняться с помощью термической обработки титановые сплавы делятся на упрочняемые и не упрочняемые термической обработкой. По структуре титановые сплавы классифицируются как α-, (α+β) – и β-сплавы. 9.3.3.1. ДЕФОРМИРУЕМЫЕ СПЛАВЫ Химический состав и класс по структуре наиболее распространенных деформируемых сплавов представлен в табл. 43. Сплавы с α-структурой - ВТ5, ВТ5-1 - характеризуются средней прочностью при комнатной температуре, высокими механическими свойствами при криогенных температурах, хорошей жаростойкостью, сопротивлением ползучести и жаропрочностью. Они имеют высокую термическую стабильность, обладают отличной свариваемостью и коррозионной стойкостью. Прочность сварного шва составляет 90 % от прочности основного сплава. Недостатки этих сплавов – в неспособности упрочняться термической обработкой и в низкой технологической пластичности. Сплавы с оловом более технологичны и жаростойки, но они самые дорогостоящие из сплавов. В горячем состоянии сплавы куют, прокатывают и штампуют. Поставляют их в виде прутков, сортового проката, поковок, труб и проволоки. Сплав ВТ5 предназначен для изготовления деталей, работающих при температурах до 400 °С, сплав ВТ5-1 - до 500 °С. К группе сплавов с α-сгруктурой относится технически чистый титан, а также псевдо-α-сплавы, имеющие преимущественно α-структуру и небольшое количество β-фазы (1.. .5 %), вследствие дополнительного легирования марганцем - ОТ4, ВТ4 и др. Сохраняя достоинства α-сплавов, последние благодаря наличию β-фазы обладают высокой технологической пластичностью. Таблица 43 Химический состав (%, остальное Ti) и структура титановых сплавов
Сплавы ОТ4-1 и ОТ4, содержащие меньше алюминия (соответственно 2 и 3 %), обрабатываются давлением в холодном состоянии и только при изготовлении сложных деталей подогреваются до 500... 700 °С. Сплавы с большим содержанием алюминия - ВТ4 и ОТ4-2 - при обработке давлением требуют подогрева до 600...800 °С. Недостаток этой группы сплавов - в склонности к водородной хрупкости, поэтому допустимое содержание водорода колеблется в пределах 0,02...0,005 %. Для двухфазных (α+β)-сплавов - ВТЗ-1, ВТ6, ВТ8, ВТ14 и др. - характерно лучшее сочетание технологических и механических свойств. Они упрочняются с помощью термической обработки - закалки и старения. В отожженном и закаленном состояниях имеют хорошую пластичность, а после закалки и старения - высокую прочность при комнатной и повышенной температурах. При этом чем больше β-фазы содержится в структуре сплава, тем он сильнее упрочняется при термической обработке. Особо высокопрочные сплавы - ВТ 14, ВТ 15, ВТ 16. В качестве жаропрочных используются сплавы ВТЗ-1, ВТ8 и ВТ9 (табл. 44). Все эти сплавы содержат алюминий. Он значительно упрочняет a-фазу при комнатной и повышенных температурах и повышает термическую стабильность β- фазы. Таблица 44 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||