Титановые сплавы: характеристики, маркировка, свойства, виды, гост

Маркировка титановых сплавов

Существуют две кристаллографические формы титана, учитывающихся при маркировке:

Альфа-титан, в котором атомы расположены в кристаллической решетке;
бета-титан, в котором атомы расположены в кристаллической решетке с кубическим телом (BCC).

Чистый титан существует в форме альфа-фазы при температуре выше 883 C и в форме бета-фазы при температуре ниже 883 C.Температура аллотропического превращения альфа-титана в бета-титан называется температурой бета-трансуса. Легирующие элементы в ТС могут стабилизировать либо альфа-фазу, либо бета-фазу сплава.

Алюминий (Al), галлий (Ga), азот (N), кислород (O) стабилизируют альфа-фазу.

Молибден (Mo), ванадий (V), вольфрам (W), тантал (Ta), кремний (Si) стабилизируют вета-фазу.

Титановые сплавы подразделяются на четыре группы по фазовому составу:

Коммерчески чистые и низколегированные ТС. Он состоит из зерен-фазы и дисперсных сфероидных частиц бета-фазы. Небольшие количества железа, присутствующие в сплавах, стабилизируют бета-фазу и обладает относительно низкой механической прочностью и хорошей коррозионной стойкостью.
Титановые альфа сплавы состоят исключительно из альфа-фазы. Они содержат алюминий в качестве основного легирующего элемента, стабилизирующего альфа-фазу. Они имеют хорошую вязкость разрушения и сопротивление ползучести в сочетании с умеренной механической прочностью, которая сохраняется при повышенных температурах. Такие ТС легко свариваются, но их работоспособность в горячем состоянии оставляет желать лучшего.
Титановые альфа-бета сплавы, содержат 4-6% стабилизаторов вета-фазы, поэтому они состоят из смеси обеих фаз. Сплавы альфа-вета подвергаются термообработке. Они имеют высокую механическую прочность и хорошую горячую форму. Сопротивление ползучести таких ТС ниже, чем у альфа-сплавов.
Титановые бета-сплавы богаты вета-фазой. Они содержат значительное количество вета-фазных стабилизаторов, термически обрабатываемыедо очень высокой прочности и имеют хорошую форму в горячем состоянии. Пластичность и усталостная прочность этих ТС в условиях термообработки низкие.

Титановые сплавы обозначаются согласно их составам:

Ti-5Al-2.5Sn идентифицирует титановый сплав, содержащий 5% алюминия и 2,5% олова.
Ti-6Al-4V идентифицирует Ti-сплав, содержащий 6% алюминия и 4% ванадия.

Параллельно этой системе обозначений существуют и другие системы обозначения титановых сплавов (ASTM, IMI, военная система).

Применение титановых сплавов

Рассматривая области применения титановых сплавов отметим, что большая часть разновидностей 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.

Применим материал при производстве:

Трубопроводов, используемых для подачи различных веществ.
Запорной арматуры.
Клапанов и других подобных изделий, которые применяются в агрессивных химических средах.
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%.
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.
В химической промышленности титановый сплав применяется по причине того, что он не реагирует на воздействие различных веществ.
В судостроении титан хорош тем, что не реагирует на воздействие соленой воды.

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

Электрошлаковая сварка титановых сплавов

На практике широкое распространение получила электрошлаковая сварка титановых сплавов, в частности, сплава ВТ5-1, в состав которого входит титан, легированный до 5% алюминием и до 3% оловом. Изготавливается сплав, преимущественно, прессованием с последующей прокаткой до тонких листов, а также ковкой заготовок крупных сечений.

Технология сварки деталей крупных сечений из сплава ВТ5-1 наиболее сложна, но вполне выполнима электрошлаковой сваркой под флюсом АН-Т2 в среде аргона. Источник переменного тока – трёхфазный трансформатор, должен обладать жёсткой характеристикой.

Для сварки поковок небольшого размера (60х60мм) рекомендуются следующие режимы сварки: сила тока 1600-1800А, напряжение дуги 14-16В. Рекомендуемый зазор между кромками свариваемых поковок составляет 26мм, масса засыпанного флюса 130г и расход аргона 8л/мин.

Такие режимы, при условии использования пластинчатого электрода размером 12х60мм, обеспечивает стабильный процесс и удовлетворительное качество сварного соединения, не уступающего по прочности основному металлу.

При сварке прессованных профилей крупного сечения на таких же режимах электродом толщиной 8мм прочность сварного соединения оказывается несколько ниже (примерно, 80-85% от прочности основного металла) из-за применения пластинчатых электродов из нелегированного сплава ВТ1-1. А применять легированные электродные сплавы не рекомендуется, т.к. они не обеспечивают достаточной пластичности соединения, потому что прессованный металл сильно насыщен газами.

Производство и изготовление

Благодаря распространённости в природе добывать руду, содержащую титан, не сложно. Самые распространённые виды руды, в которых содержится этот металл — брукит, ильменит, анатаз и рутил. Однако дальнейшие способы обработки титана (плавка, закалка и старение) считаются дорогостоящими. Существует несколько этапов получения чистого металла из руды:

В первую очередь добывается титановый шлак, с помощью разогревания ильменита до 1650 градусов.
Далее шлак проходит процесс хлорирования.
После этого с помощью печей сопротивления производится титановая губка.
Для получения чистого металла заключительным этапом обработки является процесс рафинирования.

Если нужно получить слитки титана, губку на его основе переплавляют в вакуумной печи.

Магниетермический процесс

Магниетермическое восстановление — популярный метод получения металла. Проведение технологического процесса:

Расплавляется оборотный магниевый конденсат.
Сливается конденсат хлористого магния.
При температуре 800 градусов, жидкий тетрахлорид титана с жидким магнием подаются в форму для застывания. Скорость подачи — 2,1–2,3 г/ч см2.

Постепенно температура снижается до 600 градусов.

Гидридно-кальциевый метод

Это промышленный метод восстановления металла. Процесс проведения работ:

При температуре 500 градусов Цельсия металлический кальций насыщается водородом.
Далее его смешивают с двуокисью титана. Компоненты нагревают в реторте, постепенно повышая температуру до 1100 градусов.
Спекшиеся компоненты вымывают из реторты.
Далее проводится обработка соляной кислотой.
Титановый порошок сушат, запекают в индукционных печах при температуре около 1400 градусов.

На спекшуюся массу должно воздействовать давление 10в-3 мм.

Электролизный метод

Способ получения сплава, основанный на применении электрического тока. Напряжение воздействует на ТiO2, ТiСl4. До этого их растворяют с помощью расплавленных солей фторидов.

Йодидный метод

Способ получения металла после термической диссоциации TiJ4. Изначально его получают при реакции паров йода с металлическим титаном.

Основные свойства титана

Цвет: серебристо-белый
Плотность: 4,54 г/см³
Температура плавления: 1668°С
Температура кипения: 3260°С
Теплопроводность: 21.9 Вт/(м·К)
Атомный номер: 22
Атомная масса: 47,9
Удельная теплота плавления: 358 кДж/кг
Удельная теплоемкость (при 20°С): 0,54 кДж/(кг.°С)
Модуль упругости: 112 ГПа

Механические свойства титана в большой степени зависят от содержания примесей, особенно Н, О, N и С, образующих с титаном твердые растворы внедрения и промежуточные фазы: гидриды, оксиды, нитриды и карбиды. Небольшое содержание кислорода, азота, углерода повышает твердость и прочность, но при этом значительно уменьшается пластичность, снижается коррозионная стойкость, ухудшается свариваемость, способность к пайке и штампуемость. Титан обладает высокими прочностью и удельной прочностью в условиях глубокого холода.

Технический титан хорошо обрабатывается давлением при 20-25°С и повышенных температурах. Из него изготовляют все виды прессованного и катаного полуфабриката (листы, трубы, проволоку, поковки и др.). Ковку проводят при температуре 1000-750°С, горячую прокатку – на 100°С ниже температуры ковки. Горячей прокаткой получают листы толщиной более 6 мм, листы меньшей толщины изготовляют холодной прокаткой или с нагревом до 650-700°С. Температура прессования 950-1000°С. Титан хорошо сваривается аргонодуговой и всеми видами контактной сварки. Сварной шов обладает хорошим сочетанием прочности и пластичности. Прочность шва составляет 90% прочности основного металла.

Титан плохо обрабатывается резанием, налипает на инструмент, что приводит к его быстрому износу. Для обработки титана требуется инструмент из быстрорежущей стали и твёрдых сплавов, малые скорости резания при большой подаче и глубине резания, интенсивное охлаждение. Недостатком титана является также низкая антифрикционность.

Титановые сплавы

Достоинством титановых сплавов по сравнению с титаном являются более высокие прочность и жаропрочность при достаточно хорошей пластичности, высокой коррозионной стойкости и малой плотности. Титан в виде сплавов является важнейшим конструкционным материалом в авиа- и ракетостроении, в кораблестроении. Самым распространённым в мире титановым сплавом является сплав Ti-6Al-4V, который в российской классификации имеет обозначение ВТ6. Для изготовления деталей методами порошковой технологии используют сплавы ВТ5, ВТ5-1, ОТ4, ВТЗ-1 и другие.

По технологии изготовления титановые сплавы подразделяются на деформируемые, литейные и порошковые. По механическим свойствам титановые сплавы подразделяются на сплавы нормальной прочности, высокопрочные, жаропрочные, повышенной пластичности. По способности упрочняться с помощью термической обработки они делятся на упрочняемые и неупрочняемые термической обработкой; по структуре в отожженном состоянии они классифицируются на а-, псевдо-а, а + р, псевдо-р и р-сплавы.

Применение титановых сплавов

В авиастроении, ракетостроении: каркасные детали, обшивка, топливные баки, детали реактивных двигателей, диски и лопатки компрессоров, детали воздухозаборника, детали корпусов ракетных двигателей второй и третьей ступени и т.д.
В судостроении: обшивка корпусов судов и подводных лодок, сварные трубы, гребные винты, детали насосов и др.
В химической промышленности: реакторы для агрессивных сред, насосы, змеевики, центрифуги и др.
В гальванотехнике: ванны для хромирования, анодные корзины, теплообменники, трубопроводы, подвески и др.
В газовой и нефтяной промышленности: фильтры, седла клапанов, резервуары, отстойники и др.
В криогенной технике: детали холодильников, насосов компрессоров, теплообменники и др.
В пищевой промышленности: сепараторы, холодильники, ёмкости для продуктов, цистерны и др.
В медицинской промышленности: инструмент, наружные и внутренние протезы, внутрикостные фиксаторы, зажимы и др.

Марки и классы титана

Титановая губка
ТГ-100	ТГ-110	ТГ-120	ТГ-130	ТГ-150
ТГ-90	ТГ-Тв

Титан технический
ВТ1-0	ВТ1-00	ВТ1-1

Титановый литейный сплав
ВТ14Л	ВТ1Л	ВТ20Л	ВТ21Л	ВТ3-1Л
ВТ5Л	ВТ6Л	ВТ9Л

Титановый деформируемый сплав
АТ-6	ВТ14	ВТ15	ВТ16	ВТ20
ВТ22	ВТ23	ВТ3-1	ВТ5	ВТ5-1
ВТ6	ВТ6С	ВТ9	ОТ4	ОТ4-0
ОТ4-1	ПТ3В	ПТ7М	ТС6

Общая характеристика титана и его сплавов

Именно основные механические свойства титановых сплавов определяют их большое распространение

Если не уделять внимание химическому составу, то все титановые сплавы можно охарактеризовать следующим образом:

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.
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. Титан довольно часто применяется при изготовлении космических кораблей.
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.
Высокая удельная прочность и низкая плотность – характеристики, которые довольно редко сочетаются. Однако именно за счет подобного сочетания титановые сплавы сегодня получили самое широкое распространение.
Технологичность при обработке давлением определяет то, что сплав применяется часто в качестве заготовки при прессовании или другом виде обработки.
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.

Применение титана для изготовления спортивного инвентаря

Причина популярности использования титана в спортивном инвентаре проста — он позволяет получить превосходящее любой другой металл соотношение веса и прочности. Использование титана в велосипедах началось примерно 25-30 лет назад и было первым применением титана в спортивном инвентаре. В основном используются трубы, в том числе поставляемые ООО «Вариант», из сплава Gr.9 Тi3Аl-2.5V (АSТМ B338 Grade 9). Другие части производимые из титановых сплавов включают в себя тормоза, звёздочки и пружины сидений. Использование титана в производстве клюшек для гольфа впервые началось в конце 80-х — самом начале 90-х годов производителями клюшек в Японии. До 1994-1995 годов это применение титана было практически неизвестно в США и в Европе. Ситуация изменилась, когда компания Callaway представила на рынок свою титановую клюшку, производимую компанией Ruger Titanium и названную Great Big Bertha. В связи с очевидными преимуществами и с помощью хорошо продуманного компанией Callaway маркетинга, титановые клюшки моментально приобрели огромную популярность. В течение короткого периода времени титановые клюшки прошли путь от эксклюзивного и дорогого инвентаря небольшой группы игроков до широкого использования большинством гольфистов (по прежнему оставаясь более дорогими по сравнению со стальными клюшками).

Титан применяют в изготовлении рам для велосипедов. В США тремя наиболее часто используемыми в велосипедной промышленности сортами титана 3-2.5 являются: — сорт AMS 105, то же самое вещество соответствует наименованию 747. Этот материал отвечает всем требованиям стандарта AMS (Аэрокосмическая спецификация материалов) для гидравлических труб. Теоретически, покупка труб AMS 105 непосредственно у производителя дает неограниченный выбор диаметров и толщины стенок трубы. В действительности, существует много ограничений на минимальную партию заказа и в связи с этим, многие производители велосипедных рам, предпочитают заказывать титановые трубы у . Покупатели иногда добавляют или изменяют стандартные спецификации труб AMS. Трубы MTS325 фирмы Merlin отличаются от труб AMS тем, что имеют более строгие допущения для структуры поверхности. Трубы фирмы Merlin также превосходят трубы AMS по минимальной прочности на разрыв при растяжении и пределу текучести. — «Спортивный сорт» Grade 9. Трубы из титана Gr.9 спортивного сорта дешевле, так как они подвергаются меньшему числу шагов обработки, что позволяет снизить цену. Однако, сокращение цены негативно сказывается на формовке труб и структуре поверхности, как изнутри, так и снаружи.

Трубы для гоночных велосипедов и другие детали изготавливают из сплава АSТМ B338 Grade 9 (Тi3Аl-2.5V), поставляемого ООО «Вариант». На удивление, значительное количество титанового листа используется при производстве ножей для подводного плавания. Большинство производителей используют титановые листы ВТ6 (сплав Тi6Аl-4V или Grade 5, или Gr.5), но этот сплав не обеспечивает долговечность кромки лезвия, как другие более прочные сплавы. Некоторые производители переключаются на использование сплава ВТ23. Литые титановые подковы дают значительное уменьшение веса по сравнению со стальными, при этом обеспечивая необходимую прочность. К сожалению, это применение титана не вошло в жизнь, потому что титановые подковы искрили и пугали лошадей. Немногие согласятся использовать титановые подковы после первых неудачных опытов. Компания Titanium Beach, расположенная в Ньюпорт Бич, Калифорния (Newport Beach, Саlifornia), разработала лезвия для коньков из сплава Тi6Аl-4V Gr.5 (Grade 5 или ВТ6). К сожалению, здесь опять проблема долговечности кромки лезвий. Мы думаем, что у этого продукта есть шанс на жизнь при условии использования производителями более прочных сплавов, таких как 15-3-3-3 или ВТ-23. Титан очень широко используется в альпинизме и туризме, практически для всех предметов, которые альпинисты и туристы несут в своих рюкзаках: бутылки, чашки, наборы для приготовления пищи, столовая посуда, в основном сделанные из коммерчески чистого титана — листов, прутков и труб ВТ1-00 (Grade 1) и ВТ1-0 (Grade 2). Другими примерами альпинистского и туристского снаряжения являются компактные печки, стойки и крепления палаток, ледорубы и ледобуры. Производители вооружения недавно начали производить титановые пистолеты как для спортивной стрельбы, так и для правоохранительных органов.

Свойства титана

В системе классификации элементов Менделеева Ti находится под номером 22. Одним из важнейших свойств титана и его сплавов является четырехвалентность. Температура плавления составляет +1168°С, кипения — 33300°С. Существуют две разновидности титана с аналогичным химическим составом, но и разными свойствами, строением. Низкотемпературная альфа-модификация, которая существует до температуры +882,5°С и высокотемпературная бета-модификация – устойчива до температуры плавления.

Титан и титановые сплавы относятся к парамагнитным материалам. При нагревании их восприимчивость к температуре снижается. Материал характеризуется высокими удельным электросопротивлением – 42·10-8-80·10-6 Ом·см. В условиях, когда температура опускается ниже 0,45К, металл превращается в проводник. Внешне он напоминает сталь.

По удельной теплоемкости и плотности титан находится между алюминием и железом. При этом его механическая прочность практически в 13 раза выше, чем у чистого железа и 6 раз больше, чем у алюминия.

Сферы применения износостойких сплавов

Использование высокопрочных сталей увеличивает срок эксплуатации оборудования, машин и механизмов, значительно снижает затраты на их ремонт и обслуживание, устраняет простои на производстве. Металлопрокат используется в самых разных отраслях.

АвтомобилестроениеПроизводство деталей и узлов, подверженных интенсивным нагрузкам и работающих в условиях трения – ролики и шарики подшипников, втулки, сменные накладки, поршневые кольца, коленчатые валы и другие фасонные изделия, бронированные элементы.
Дорожная и строительная техникаИзготовление экскаваторных ковшей, режущих кромок техники, козырьков землечерпалок, гидравлических молотов, элементов разравнивателя для асфальтоукладочной машины. В качестве футеровки желобов оборудования, дробилок, контейнеров, лопастей барабана, бетономешалок.
Тяжелая карьерная и горнодобывающая техникаИзготовление режущих кромок оборудования, кузовов для самосвалов, транспортировочных емкостей и желобов, бункеров, футеровка накопителей и других элементов дробилок, режущий инструмент.
Железнодорожная отрасльОблицовка вагонов, в качестве элементов железнодорожных полотен, звеньев гусеничных механизмов, крестовин и т. д.
Сельхозтехника и оборудование для лесозаготовкиКонцевые механизмы лесопогрузчика, перегружателя, элементы отжимного пресса, плужного оборудования, оборудования для транспортировки и хранения силоса.
СтанкостроениеВ качестве элементов производственного оборудования, подвергающегося серьезным нагрузкам и трению: валы, узлы, агрегаты, детали.
Строительная отрасльИзготовление металлоконструкций различного назначения, предполагающих особую прочность строения. Для этих целей используются конструкционные марки.

Особенности маркировки

В соответствии с ГОСТ 19807-91 обозначаются буквами ВТ, ОТ, ПТ (В, О, П — идентификатор организации-разработчика или производителя, Т — титан) и цифрами, указывающими порядковый номер сплава в зависимости от химического состава.

В — ВИАМ титан — Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов (ВИАМ, г. Москва);

О — Опытный титан — совместная разработка ВИАМ и Верхнесалдинского металлургического производственного объединения (ВСМПО, г. Верхняя Салда, Свердловская область);

П — Прометей титан — Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов «Прометей» (г. Санкт-Петербург).

Кроме общего разделения, сплавам Ti присваиваются другие специальные обозначения. Они соответствуют составу и параметрам:

технические марки ВТ1-1, ВТ1-0, ВТ1-00 содержат титан от 99,3 до 99,9%;
титановые губки ТГ-90, ТГ-110, ТГ-150, ТГ-120, ТГ-Тв, ТГ-130, ТГ-100;
литейные — ВТ20Л, ВТ21Л, ВТ14Л, ВТ9Л, ВТ6Л, ВТ1Л, ВТ3-1Л, ВТ5Л.

В некоторых случаях после порядкового номера сплава ставится дополнительная буква:

У — улучшенный,

М — модифицированный,

И — специального назначения,

В — с преобладанием ванадия в качестве легирующего элемента.

Свойства титана

22 химический элемент таблицы Д. Менделеева Titanium (Ti) относится к 4 группе 4 периода.

Это один из тугоплавких металлов. Он плавится при температуре +1660 °С (±20°). Титан отличается парамагнитностью: он не намагничивается в магнитном поле и не выталкивается из него.
Металл характеризуется низкой плотностью и высокой прочностью. Но особенность этого материала заключается в том, что даже минимальные примеси других химических элементов кардинально изменяют его свойства. При наличии ничтожной доли других металлов титан теряет свою жаропрочность, а минимум неметаллических веществ в его составе делают сплав хрупким.
Эта особенность обуславливает наличие 2 видов материала: чистого и технического.

Титан чистого вида используют там, где требуется очень легкое вещество, выдерживающее большие нагрузки и сверхвысокие температурные диапазоны.
Технический материал применяется там, где ценятся такие параметры, как легкость, прочность и устойчивость к коррозии.

Вещество обладает свойством анизотропности. Это означает, что металл может изменять свои физические характеристики, исходя из приложенных усилий

На эту особенность следует обращать внимание, планируя применение материала

Титан теряет прочность при малейшем присутствии в нем примесей других металлов

Проведенные исследования свойств титана в нормальных условиях подтверждают его инертность. Вещество не реагирует на элементы, находящиеся в окружающей атмосфере.
Изменение параметров начинается при повышении температуры до +400°С и выше. Титан вступает в реакцию с кислородом, может воспламеняться в азоте, впитывает газы.
Эти свойства затрудняют получение чистого вещества и его сплавов. Производство титана основано на применении дорогостоящей вакуумной аппаратуры.

Титан и конкуренция с другими металлами

Этот металл постоянно сравнивают с алюминием и сплавами железа. Многие химические свойства титаназначительно лучше, чем у конкурентов:

По механической прочности титан превосходит железо в 2 раза, а алюминий в 6 раз. Прочность его увеличивается при снижении температуры, чего не отмечается у конкурентов.
Антикоррозионные характеристики титана значительно превышают показатели других металлов.
При температурах окружающей среды металл абсолютно инертен. Но при повышении температуры свыше +200°С вещество начинает поглощать водород, изменяя свои характеристики.
При более высоких температурах титан вступает в реакции с другими химическими элементами. Он обладает высокой удельной прочностью, что в 2 раза превосходит свойства лучших сплавов железа.
Антикоррозионные свойства титана значительно превышают показатели алюминия и нержавеющей стали.
Вещество плохо проводит электричество. Титан имеет удельное электросопротивление в 5 раз выше, чем у железа, в 20 раз, чем у алюминия, и в 10 раз выше, чем у магния.
Титан характеризуется низкой теплопроводностью, это обусловлено низким коэффициентом температурного расширения. Она меньше в 3 раза, чем у железа, и в 12, чем у алюминия.

Химические сплавы

Интерметаллические (химические) титановые сплавы основаны на так называемой интерметаллической фазе. Технический интерес представляют TiAl, Ti3Al, Al3Ti и Ti2AlNb. Свойства интерметаллидов находятся между керамикой и металлами.
TiAl – жаропрочные титановые сплавы, демонстрируют превосходные свойства, такие как жаропрочность, стойкость к окислению и ползучести, низкую плотность и высокую усталостную прочность. При этом TiAl демонстрирует низкую пластичность. Это необходимо учитывать при проектировании компонентов, и это является основным препятствием для широкого использования во многих приложениях.

ТС используется для выпуска поковки, заготовки, пластины и листы из TiAl. Также доступны сложные отливки, потому что он применяется для некоторых высокотемпературных компонентов практически чистой формы. TiAl представляет интерес для таких применений, как лопасти реактивного двигателя, колеса компрессора для турбонагнетателей, автомобильных клапанов и другие жаростойких компонентов. Для высокотемпературного применения, требующего небольшого веса, это хорошая альтернатива суперсплавам до 850 C.

Марки титана и сплавов

Наиболее распространенными марками титана являются ВТ1-0, ВТ1-00, ВТ1-00св. Титан указанных марок называется техническим. Данные марки не содержат в своем составе легирующие элементы, только незначительное количество примесей. Содержание Ti в марке ВТ1-0 составляет приблизительно 99,24-99,7%, в ВТ1-00 – 99,58-99,9%, ВТ1-00св – 99,39-99,9%. ВТ1-0, ВТ1-00 поставляется в виде листов, плит, прутков и труб. Проволока чаще всего используется для различных сварочных целей и производится из марки ВТ1-00св.

В настоящее время известно довольно большое число серийных титановых сплавов, отличающихся по химическому составу, механическим и технологическим свойствам. Наиболее распространенные легирующие элементы в таких материалах: алюминий, ванадий, молибден, марганец, хром, кремний, олово, цирконий, железо.

Титановый сплав ВТ5 содержит 5% алюминия. Он отличается более высокими прочностными свойствами по сравнению с титаном, но его технологичность невелика. Сплав куется, прокатывается, штампуется и хорошо сваривается. Из марки ВТ5 получают титановые прутки (круги), проволоку и трубы, а также листы. Его применяют при изготовлении деталей, работающих при температуре до 400 °С.

Сплав титана ВТ5-1 помимо 5% алюминия содержит 2-3% олова. Олово улучшает его технологические свойства. Из марки ВТ5-1 изготавливают все виды полуфабрикатов, получаемых обработкой давлением: титановые плиты, а также листы, поковки, штамповки, профили, трубы и проволоку. Он предназначен для изготовления изделий, работающих в широком интервале температур: от криогенных (отрицательных) до + 450 °С.

Титановые сплавы ОТ4 и ОТ4-1 в качестве легирующих элементов содержат алюминий и марганец. Они обладают высокой технологической пластичностью (хорошо деформируются в горячем и холодном состоянии) и хорошо свариваются всеми видами сварки. Указанный материал идет, в основном, на изготовление титановых плит и листов, лент и полос, а также прутков и кругов, поковок, профилей и труб. Из титановых сплавов ОТ4 и ОТ4-1 изготовляют с применением сварки, штамповки и гибки детали, работающие до температуры 350 °С. Данные материалы имеют недостатки: 1) сравнительно невысокая прочность и жаропрочность; 2) большая склонность к водородной хрупкости. В сплаве ПТ3В марганец заменяется на ванадий.

Читать также: Бустилат что это такое

Титановый сплав ВТ20 разрабатывали как более прочный листовой материал по сравнению с ВТ5-1. Упрочнение марки ВТ20 обусловлено ее легированием, помимо алюминия, цирконием и небольшими количествами молибдена и ванадия. Технологическая пластичность сплава ВТ20 невысока из-за большого содержания алюминия, однако, он отличается высокой жаропрочностью. Данный материал хорошо сваривается, прочность сварного соединения равна прочности основного металла. Сплав предназначен для изготовления изделий, работающих длительное время при температурах до 500 °С.

Титановый сплав ВТ3-1 относится к системе Ti – Al – Cr – Mo – Fe – Si. Он обычно подвергается изотермическому отжигу. Такой отжиг обеспечивает наиболее высокую термическую стабильность и максимальную пластичность. Марка ВТ3-1 относится к числу наиболее освоенных в производстве сплавов. Он предназначен для длительной работы при 400 – 450 °С; это жаропрочный материал с довольно высокой длительной прочностью. Из него поставляют прутки (титановые круги), профили, плиты, поковки, штамповки.

Технология сварки титана аргоном

Аргонодуговая сварка титана и его сплавов приобрела наибольшую популярность ввиду оптимального соотношения доступности технологического процесса и качества получаемых швов. Она широко используется как в массовом производстве деталей из титановых заготовок, так и в частных случаях.

Необходимое оборудование

Технология допускает использование любого электродугового сварочного аппарата, способного обеспечить жесткую вольт-амперную характеристику (обычно сила тока составляет не менее 140 А). Используются вольфрамовые электроды, особенности которых рассмотрены ниже. Поскольку свойства металла требуют непрерывной защиты стыка инертными газами, особую сложность представляет именно равномерная подача газа с необходимой интенсивностью.

Распространены три способа газовой защиты:

струйная – аргон подается в зону сварки направленной струей через специализированные сопла и отражатели, вытесняя атмосферный воздух;
местная – предполагает использование небольших герметичных камер, заполненных газом, работать в которых можно через гибкие рукава-манипуляторы;
полная – промышленный способ, при котором заготовки размещаются в камере с контролируемой атмосферой (например, УБС-1, ВКС-1, ВУАС-1), требует использования сварочного костюма-скафандра.

Важно помнить, что защите должна подвергаться не только сварочная ванна, но и обратная стороны стыка, а также все прилегающие к ним зоны, которые нагреваются до высоких температур в процессе сварки

Выбор электродов

Для аргонодуговой сварки титана и титановых сплавов используют вольфрамовые электроды малого диаметра.

При первых же признаках износа или повреждения электрод заменяют. Работа неисправным электродом не только отрицательно сказывается на технических характеристиках сварочных швов, чувствительных к режиму проведения работ, но и может быть небезопасной для сварщика.

Присадочная проволока

Выбор присадочного материала зависит от марки титана или сплава, толщины заготовок, толщины электрода, параметров сварки, эффективности принятого метода защиты стыка от атмосферного воздуха. В большинстве случаев можно руководствоваться этой таблицей:

Марка материала	Марка присадочной проволоки
ВТ1-00, ВТ1-0, ОТ4-0, ОТ4-1, ОТ4, ВТ5, ВТ5-1	ВТ1-00св, ВТ2, ВТ2В, ВТ20-1св, ВТ20-2св
ВТ6, ВТ3-1, ВТ9, ВТ14, ВТ16, ВТ20	ВТ15, СПТ-2, СП-15
ВТ22 (с пост-термообработкой)	ВТ20-1св, ВТ20-2св, СПТ-2
ПТ-7М, ПТ-3В, ПТ-1M	ВТ1-00св, СПТ-2, СП-15

Следует учитывать, что металлы марок ОТ4, ВТ5, ВТ5-1 требуют использования щадящих режимов сварки, в том числе с минимальной погонной энергией. Для большинства других материалов требуются режимы с быстрым охлаждением.

Процесс сварки

Наличие и метод разделки кромок, а также параметры сварки зависят от толщины стыка. Обычно эта зависимость имеет такой вид:

Толщина металла, мм	Разделка кромок	Сила сварочного тока, А	Напряжение дуги, В	Диаметр присадочной проволоки, мм	Количество проходов, шт.
1-3	Отсутствует	40-90	10-14	1,2-2,0	1
3-10	Односторонняя прямая фаска под углом 35-45°	120-200	10-15	1,5-2,5	2-12
10-20	Радиальная ванна с бортами, наклоненными на 15°	180-280	12-16	2,5-3,0	12-26
Более 20	Двухсторонние прямые фаски под углом 30-35°	230-280	13-16	2,5-3,0	Не менее 24

Электродуговую сварку титана и сплавов проводят в нижнем положении. Техника мало чем отличается от классической дуговой сварки, общий алгоритм действий включает следующее:

Закрепление очищенных и обезжиренных заготовок на опорной поверхности с зазором, соответствующим конфигурации детали и режиму сварки (для листов толщиной 2,0-3,0 мм зазор составляет 0,5-1,5 мм).
Подача аргона к месту стыка или в защитную камеру. При струйном методе защиты общий расход газа на обдув рабочей и обратной стороны шва составляет 12-16 л/мин для листов толщиной 2,0-3,0 мм.
Поджигание дуги в начале шва. Происходит не раньше, чем через 15 секунд после начала струйной подачи аргона или сразу после вытеснения атмосферного воздуха из защитной камеры.
Последовательная проварка шва. Осуществляется путем плавного и достаточно быстрого осевого перемещения, поперечное смещение следует свести к минимуму. Обычно электрод ведется углом вперед, а присадочную проволоку подают перпендикулярно ему.
Повторная проварка шва в случае необходимости. Может проводиться до 40 последовательных проходов.
Обрыв дуги и завершение работ. При этом подача аргона продолжается, пока металл в зоне стыка не остынет до 250-300℃ (для изделий небольшой толщины – около 45-60 секунд).

Источник