сплавы титана. Сплавы титана. Арзамасов Б. Н. Материаловедение. Учебник для вузов. 3изд., перераб и дополненное

• Название: Арзамасов Б. Н. Материаловедение. Учебник для вузов. 3изд., перераб и дополненное
• Анкор: сплавы титана
• Дата: 17.04.2022
• Размер: 277.46 Kb.
• Имя файла: Сплавы титана.docx
• Тип: Учебник; #481328

Содержание

Введение 3

1.Классификация титановых сплавов 4

2.Химический состав титана и титановых сплавов 7

3.Свойства титана и его сплавов 9

4.Области применения титановых сплавов 11

Большая часть разновидностей титановых сплавов применяется в авиационной и ракетостроительной сферах, а также в сфере изготовления морских судов. Для изготовления деталей авиадвигателей другие металлы не подходят по причине того, что при нагреве до относительно невысоких температур начинают плавиться, за счет чего происходит деформация конструкции. Также увеличения веса элементов становится причиной потери КПД. Среди новых типов сплавов на основе титана необходимо отметить сплавы с запоминанием формы (сплавы памяти), сверхпроводники, с повышенной коррозионной стойкостью, биосовместимые материалы, аккумуляторы водорода, высокожаропрочные сплавы (Рис. 3). 11

Заключение 13

В реферате отражена и раскрыта тема учебного материала по следующему вопросу; назначения, области применения титановых сплавов; свойства титана и его сплавов. 13

Титан и сплавы на его основе широко используются в самых разных сферах жизни общества. Титановые сплавы нашли широкое применение в строительстве различной техники благодаря своей высокой коррозийной стойкости, механической прочности, небольшой плотности, жаропрочности и множеству других характеристик. Рассматривая свойства и применение титана, нельзя не отметить его довольно высокую стоимость. Однако она в полной мере компенсируется характеристиками и долговечностью материала. 13

Список использованной литературы 14

1. Арзамасов Б.Н. Материаловедение. Учебник для вузов. 3-изд., перераб. и дополненное. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2001. - 648 с. 14

2. Илларионов А. Г. Технологические и эксплуатационные свойства титановых сплавов: учебное пособие. / Илларионов А. Г., Попов А. А. - Екатеринбург: Изд-во Уральского университета, 2014. – 137 с. 14

3. Мельников, А. А. Материаловедение. Конспект лекций. Ч. 2. Материаловедение и термическая сталей и сплавов специального назначения [Электронный ресурс] 14

4. Филиппов М. А. Методология выбора металлических сплавов и упрочняющих технологий в машиностроении: учебное пособие : в 2 т. Т. II. Цветные металлы и сплавы / Филиппов М. А., Бараз В. Р., Гервасьев М. А. – Екатеринбург: Изд-во Уральского университета, 2013. – 236 с 14

Введение

Титановые сплавы являются одним из основных конструкционных материалов, применяемых в настоящее время в разных отраслях промышленности.

Цель и задачи реферативной работы – изучение классификации, назначения, области применения титановых сплавов; исследование свойств титана и его сплавов; применение полученных знаний при изучении своей специальности, развитие навыков исследовательской учебной деятельности, формирование профессиональных компетенций в рамках изучаемой темы и специальности.

1. Классификация титановых сплавов

Титан - тугоплавкий металл с невысокой плотностью. Удельная прочность титана выше, чем у многих легированных конструкционных сталей, поэтому при замене сталей титановыми сплавами можно при равной прочности уменьшить массу детали на 40%. Титан хорошо обрабатывается давлением, сваривается, из него можно изготовить сложные отливки, но обработка резанием затруднительна. Для получения сплавов с улучшенными свойствами его легируют алюминием, хромом, молибденом (Рис.1).



Рис.1.Сферы из титанового сплава

Классификация титановых сплавов ведется по достаточно большому количеству признаков. Все сплавы можно разделить на несколько основных групп:

1. 
   Высокопрочные и конструкционные – прочные титановые сплавы, которые обладают также достаточно высокой пластичностью. За счет этого они могут применяться при изготовлении деталей, на которые оказывается переменная нагрузка.
   
2. 
   Жаропрочные с низкой плотностью применяются как более дешевая альтернатива жаропрочным никелевым сплавам с учетом определенного температурного интервала. Прочность подобного титанового сплава может варьироваться в достаточно большом диапазоне, что зависит от конкретного химического состава.
   
3. 
   Титановые сплавы на основе химического соединения представляют жаропрочную структуру с низкой плотностью. За счет существенного снижения плотности вес также снижается, а жаропрочность позволяет использовать материал при изготовлении летательных аппаратов. Кроме этого с подобной маркой связывают также высокую пластичность.
   

Маркировка титановых сплавов проводится по определенным правилам, которые позволяют определить концентрацию всех элементов. Рассмотрим некоторые из наиболее распространенных разновидностей титановых сплавов подробнее.

Наиболее распространенные марки титановых сплавов ВТ1-00 и ВТ1-0. Они относятся к классу технических титанов. В состав данного титанового сплава входит достаточно большое количество различных примесей, которые определяют снижение прочности. Однако за счет снижения прочности существенно повышается пластичность. Высокая технологическая пластичность определяет то, что технический титан можно получить даже при производстве фольги. [1]

Сплав ВТ5 довольно распространен, характеризуется применением в качестве легирующего элемента исключительно алюминия. Важно отметить, что именно алюминий считается самым распространенным легирующим элементом в титановых сплавах. Это связано с нижеприведенными моментами:

1. Применение алюминия позволяет существенно повысить модули упругости.

2. Алюминий также позволяет повысить значение жаропрочности.

3. Подобный металл один из самых распространенных в своем роде, за счет чего существенно снижается стоимость получаемого материала.

4. Снижается показатель водородной хрупкости.

5. Плотность алюминия ниже плотности титана, за счет чего введение рассматриваемого легирующего вещества позволяет существенно повысить удельную прочность.

В горячем состоянии ВТ5 хорошо куется, прокатывается и штампуется. Именно поэтому его довольно часто применяют для получения поковки, проката или штамповки. Подобная структура может выдержать воздействие не более 400 градусов Цельсия.

Титановый сплав ВТ22 может иметь самую различную структуру, что зависит от химического состава. К эксплуатационным особенностям материала можно отнести следующие моменты:

1. Высокая технологическая пластичность при обработке давлением в горячем состоянии.

2. Применяется для изготовления прутков, труб, плиты, штамповок, профиля.

3. Для сваривания могут использоваться все наиболее распространенные методы.

4. Важным моментом является то, что после завершения процесса сварки рекомендуется проводить отжиг, за счет чего существенно повышаются механические свойства получаемого шва.

Существенно повысить эксплуатационные качества титанового сплава ВТ22 можно путем применения сложной технологии отжига. Она предусматривает нагрев до высокой температуры и выдержки в течение нескольких часов, после чего проводится поэтапное охлаждение в печи также с выдержкой в течение длительного периода. После качественного проведения отжига сплав подойдет для изготовления высоконагруженных деталей и конструкций, которые могут нагреваться до температуры более 350 градусов Цельсия.

Титановый сплав ВТ6 сегодня получил самое широкое распространение за рубежом. Назначение подобного титанового сплава заключается в изготовлении баллонов, которые могут работать под большим давлением. Кроме этого, согласно результатам проведенных исследований, в 50% случаев в авиакосмической промышленности применяется титановый сплав, который по своим эксплуатационным качествам и составу соответствует ВТ6. Стандарт ГОСТ сегодня практически не применяется за рубежом для обозначения титановых и многих других сплавов, что следует учитывать. Для обозначения применяется своя уникальная маркировка.

ВТ6 обладает исключительными эксплуатационными качествами по причине того, что в состав добавляется также ванадий. Этот легирующий элемент характеризуется тем, что повышает не только прочность, но и пластичность.

Данный сплав хорошо деформируется в горячем состоянии, что также можно назвать положительным качеством. При его применении получают трубы, различные профили, плиты, листы, штамповки и многие другие заготовки (Рис.2). [2]



Рис.2. Заготовки из титановых сплавов

2. Химический состав титана и титановых сплавов

В техническом титане марки ВT1-00 допускается содержание алюминия не более 0,30%, а в техническом титане марки BT1-0 не более 0,7%.В сплаве марки ВТ5 допускается содержание молибдена не более 0,8% и ванадия не более 1,2%.   В сплаве марки BT5-1 допускается содержание ванадия не более 1,0%.   В сварочной проволоке из технического титана марки BT1-00 допускается содержание алюминия не более 0,2%, азота - не более 0,03%, допускается содержание кислорода, не более 0,12% а водорода - не более 0,0035.

В сплаве марки ВТ6, предназначенном для изготовления полуфабрикатов для баллонов высокого давления и крепежа, содержание алюминия должно быть 5,3-6,5%, ванадия 3,5-4,5%, кислорода и железа, соответственно, не более: 0,15 и 0,25%.    Сплав такого состава маркируется дополнительно буквой "С" (ВТ6С).    Во всех остальных случаях содержание алюминия в сплаве должно находиться в пределах 5,5-6,8%.

В полуфабрикатах из сплава ВТ8, кроме штамповок лопаток, дисков и заготовок для них, допускается содержание алюминия до 7,3%.   В плоском прокате из сплава марки BT14 толщиной до 10 мм содержание алюминия должно быть 3,5-4,5%, а в остальных видах полуфабрикатов - 4,5-6,3%. В сплаве марки BT15 допускается содержание циркония не более 1,5%. В полуфабрикатах из сплава марки BT16, предназначенных для изготовления крепежных деталей (кроме заклепок) содержание алюминия должно быть 2,2-3,8%, а в остальных видах полуфабрикатов - 1,8-3,4%.

В сплаве марки BT18 суммарное содержание молибдена и ниобия должно находиться в пределах 0,9-2,1%.  Во всех сплавах, содержащих в качестве основного компонента молибден, допускается частичная замена его вольфрамом в количестве не более 0,3%. Суммарное содержание молибдена и вольфрама не должно превышать норм, предусмотренных таблицей для молибдена. Во всех сплавах, не содержащих в качестве основных компонентов хром и марганец, последние допускаются в количестве не более 0,15% (в сумме). В титане и сплавах допускается медь и никель в количестве не более 0,10% (в сумме), в том числе никель не более 0,08%.

Химический состав титана и титановых сплавов определяется по ГОСТ 19663.0-80 - ГОСТ 19863.13-80, ГОСТ 23902-79 или другими методами, обеспечивающими точность не ниже, чем в вышеуказанных стандартах. [1]

Химический состав и условное обозначение марок технического титана и титановых сплавов должно соответствовать указанным в таблице 1.

Таблица. 1 Химический состав титана и титановых сплавов

Химический состав, %
Основные компоненты
Марка сплава	Ti	Al	Mn	Мо	V	Zr	Cr	Sn	Si	Fe
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
ВТ1-00	Основа	-	-	-	-	-	-	-	-	-
ВТ1-0	То же	-	-	-	-	-	-	-	-	-
ОТ4-1		1,5-2,5	0,7-2,0	-	-	-	-	-	-	-
ОТ4		3,5-5,0	0,8-2,0	-	-	-	-	-	-	-
ВТ5-1		4,3-6,0	-	-	-	-	-	2,0-3,0	-	-
ВТ5		4,5-6,2	-	-	-	-	-	-	-	-
ВТ3-1		5,5-7,0	-	2,0-3,0	-	-	0,8-2,0	-	0,15-0,40	0,2-0,7
ВТ9		5,8-7,0	-	2,8-3,8	-	1,0-2,0	-	-	0,20-0,35	-
ВТ20		5,5-7,0	-	0,5-2,0	0,8-2,5	1,5-2,5

3. Свойства титана и его сплавов

Титан — металл серебристо-белого цвета — является одним из наиболее распространенных элементов земной коры: занимает четвертое место, уступая только алюминию, железу и магнию. Отличительные особенности титана — высокие механические свойства, малая плотность, высокая удельная прочность и хорошая коррозионная стойкость. Низкий модуль упругости титана, почти в 2 раза меньший, чем у железа и никеля, затрудняет изготовление жестких конструкций. Механические свойства титана характеризуются хорошим сочетанием прочности и пластичности. Титан обладает высокой прочностью не только при комнатной температуре, но и в условиях глубокого холода. При этом, если содержание водорода мало, он сохраняет высокую пластичность.

Титановые сплавы можно охарактеризовать следующим образом:

1. 
   Высокая коррозионная стойкость. Недостатком большинства металлов можно назвать то, что при воздействии высокой влажности на поверхности образуется коррозия, которая не только ухудшает внешний вид материала, но и снижает его основные эксплуатационные качества. Титан менее восприимчив к воздействию влажности, чем железо.
   
2. 
   Хладостойкость. Слишком низкая температура становится причиной того, что механические свойства титановых сплавов существенно снижаются. Часто можно встретить ситуацию, когда эксплуатация при отрицательных температурах становится причиной существенного повышения хрупкости.
   
3. 
   Титан и титановые сплавы имеют относительно низкую плотность, что существенно снижает вес. Легкие металлы получили широкое применение в самых различных отраслях промышленности, к примеру, в авиастроении, строительстве небоскребов и так далее.
   
4. 
   Высокая удельная прочность и низкая плотность – характеристики, которые довольно редко сочетаются. Однако именно за счет подобного сочетания титановые сплавы сегодня получили самое широкое распространение.
   
5. 
   Технологичность при обработке давлением определяет то, что сплав применяется часто в качестве заготовки при прессовании или другом виде обработки.
   
6. 
   Отсутствие реакции на воздействие магнитного поля также назовем причиной, по которой рассматриваемые сплавы получили широкое применение. Часто можно встретить ситуацию, когда проводится производство конструкций, при работе которых образуется магнитное поле. Применение титана позволяет исключить вероятность возникновения связи.
   

Эти основные преимущества титановых сплавов определили их достаточно большое распространение. Однако, как ранее было отмечено, многое зависит от конкретного химического состава. Примером можно назвать то, что твердость изменяется в зависимости от того, какие именно вещества применяются при легировании. Важно, что температура плавления может достигать 1700 градусов Цельсия. За счет этого существенно повышается устойчивость состава к нагреву, но также усложняется процесс обработки. [ 1-4]

4. Области применения титановых сплавов

Большая часть разновидностей титановых сплавов применяется в авиационной и ракетостроительной сферах, а также в сфере изготовления морских судов. Для изготовления деталей авиадвигателей другие металлы не подходят по причине того, что при нагреве до относительно невысоких температур начинают плавиться, за счет чего происходит деформация конструкции. Также увеличения веса элементов становится причиной потери КПД. Среди новых типов сплавов на основе титана необходимо отметить сплавы с запоминанием формы (сплавы памяти), сверхпроводники, с повышенной коррозионной стойкостью, биосовместимые материалы, аккумуляторы водорода, высокожаропрочные сплавы (Рис. 3).



Рис. 3 . Области применения титановых сплавов

Области применения титановых сплавов при производстве:

1. Запорной арматуры.

2. Клапанов и других подобных изделий, которые применяются в агрессивных химических средах.

3. В авиастроении сплав применяется для получения обшивки, различных креплений, деталей шасси, силовых наборов и других агрегатов. Как показывают результаты проводимых исследований, внедрение подобного материала снижает вес примерно на 10-25%. Свариваемый титановый сплав ВТ20 широко применен в конструкции планера самолета Су-35 для изготовления деталей и сварных узлов фюзеляжа, центроплана, крыла и киля этого самолета (Рис.4).



Рис.4. Самолет СУ-35

4. Еще одной сферой применения является ракетостроение. Кратковременная работа двигателя, движение на большой скорости и вхождение в плотные слои становится причиной, по которой конструкция переживает серьезные нагрузки, способные выдержать не все материалы (Рис .5).



Рис.5. Ракетно-космический комплекс «Энергия—Буран»

5. В химической промышленности титановый сплав применяется по причине того, что он не реагирует на воздействие различных веществ.

6. В судостроении титан хорош тем, что не реагирует на воздействие соленой воды.

7. Трубопроводов, используемых для подачи различных веществ (Рис.6).



Рис.6. Трубы из титановых сплавов

В целом можно сказать, что область применения титановых сплавов весьма обширна. При этом проводится легирование, за счет чего существенно повышаются основные эксплуатационные качества материала.

Заключение

В реферате отражена и раскрыта тема учебного материала по следующему вопросу; назначения, области применения титановых сплавов; свойства титана и его сплавов.

Титан и сплавы на его основе широко используются в самых разных сферах жизни общества. Титановые сплавы нашли широкое применение в строительстве различной техники благодаря своей высокой коррозийной стойкости, механической прочности, небольшой плотности, жаропрочности и множеству других характеристик. Рассматривая свойства и применение титана, нельзя не отметить его довольно высокую стоимость. Однако она в полной мере компенсируется характеристиками и долговечностью материала.

Список использованной литературы

1. Арзамасов Б.Н. Материаловедение. Учебник для вузов. 3-изд., перераб. и дополненное. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2001. - 648 с.

2. Илларионов А. Г. Технологические и эксплуатационные свойства титановых сплавов: учебное пособие. / Илларионов А. Г., Попов А. А. - Екатеринбург: Изд-во Уральского университета, 2014. – 137 с.

3. Мельников, А. А. Материаловедение. Конспект лекций. Ч. 2. Материаловедение и термическая сталей и сплавов специального назначения [Электронный ресурс]

4. Филиппов М. А. Методология выбора металлических сплавов и упрочняющих технологий в машиностроении: учебное пособие : в 2 т. Т. II. Цветные металлы и сплавы / Филиппов М. А., Бараз В. Р., Гервасьев М. А. – Екатеринбург: Изд-во Уральского университета, 2013. – 236 с