Титановые сплавы

Тита'новые спла'вы, сплавы на основе титана . Лёгкость, высокая прочность в интервале температур от криогенных (-250 °С) до умеренно высоких (300—600 °С) и отличная коррозионная стойкость обеспечивают Т. с. хорошие перспективы применения в качестве конструкционных материалов во многих областях, в частности в авиации и других отраслях транспортного машиностроения.

  Т. с. получают путём легирования титана следующими элементами (числа в скобках — максимальная для промышленных сплавов концентрация легирующей добавки в % по массе): Al (8), V (16), Mo (30), Mn (8), Sn (13), Zr (10), Cr (10), Cu (3), Fe (5), W (5), Ni (32), Si (0,5); реже применяется легирование Nb (2) и Та (5). Как микродобавки применяются Pd (0,2) для повышения коррозионной стойкости и В (0,01) для измельчения зерна. Легирующие добавки имеют различную растворимость в a и b-Ti и изменяют температуру a/b-превращения. Алюминий, а также кислород и азот, предпочтительнее растворяющиеся в a-Ti, повышают эту температуру по мере увеличения их концентрации, что ведёт к расширению области существования a-модификации; такие элементы называются a-стабилизаторами. Sn и Zr хорошо растворяются в обеих аллотропических модификациях титана и очень мало влияют на температуру «a/b-превращения; они относятся к так называемым нейтральным упрочнителям. Все остальные добавки к промышленным Т. с. предпочтительнее растворяются в b-Ti, являются b-стабилизаторами и снижают температуру полиморфного превращения титана. Их растворимость в a и b-модификациях титана меняется с температурой, что позволяет упрочнять сплавы, содержащие эти элементы, путём закалки и старения.

  В связи с наличием полиморфизма титана и его способностью образовывать твёрдые растворы и химические соединения со многими элементами диаграммы состояния Т. с. отличаются большим разнообразием. Однако в промышленных Т. с. концентрация легирующих элементов, как правило, не выходит за пределы твёрдых растворов на основе a-Ti и b-Ti и металлидные фазы обычно не наблюдаются.

  В нелегированном титане, а также в сплавах титана с a-стабилизаторами и нейтральными упрочнителями нельзя зафиксировать высокотемпературную b-модификацию путём закалки ввиду наличия мартенситного превращения , в результате которого образуется вторичная a-фаза игольчатой формы. В сплавах же с b-стабилизаторами можно, в зависимости от концентрации, зафиксировать любое количество b-фазы вплоть до 100%. На сплошную b-структуру могут закаливаться двойные сплавы, содержащие не менее 4% Fe, 7% Mn, 7% Cr, 10% Mo, 14% V, 35% Nb, 50% Ta; эти концентрации называются критическими. В закалённых сплавах докритического и критического составов (b-фаза является нестабильной и при последующей низкотемпературной обработке (старении) распадается с образованием дисперсных выделений вторичной a-фазы, что даёт эффект упрочнения. В сплавах закритического состава (например, Ti — 30% Mo) образуется стабильная b-фаза и эффекта упрочнения не наблюдается.

  Общепринято деление промышленных Т. с. на 3 группы по типу структуры. К сплавам на основе a-структуры относятся сплавы с Al, Sn и Zr, а также с небольшим количеством b-стабилизаторов (0,5—2%). Ввиду незначительного количества или даже отсутствия в их структуре b-фазы они практически не упрочняются термической обработкой и поэтому относятся к категории сплавов средней прочности (s_b = 700—950 Мн/м ² ; или 70—95 кгс/мм ² ). Листовая штамповка этих Т. с. возможна только вгорячую. Достоинства a-сплавов — отличная свариваемость, высокий предел ползучести и отсутствие необходимости в термической обработке, а также отличные литейные свойства, что важно для фасонного литья. Малолегированные a-сплавы, а также относимый к этой группе технический титан, имеющие предел прочности менее 700 Мн/м ² (70 кгс/мм ² ), поддаются листовой штамповке вхолодную. Двухфазные a + b-сплавы — наиболее многочисленная группа промышленных Т. с. Эти сплавы отличаются более высокой технологической пластичностью, чем a-сплавы, и вместе с тем могут быть термически обработаны до очень высокой прочности (s_b = 1500—1800 Мн/м ² , или 150—180 кг/мм ² ); они могут обладать высокой жаропрочностью. К недостаткам двухфазных сплавов следует отнести несколько худшую свариваемость по сравнению со сплавами предыдущей группы, так как в зоне термического влияния возможно появление хрупких участков и образование трещин, для предотвращения чего требуется специальная термическая обработка после сварки. Сплавы на основе b-структуры имеют наиболее высокую технологическую пластичность и хорошо поддаются листовой штамповке вхолодную; после старения приобретают высокую прочность; хорошо свариваются, но сварные соединения нельзя подвергать упрочняющей термической обработке из-за охрупчивания, что ограничивает применение сплавов этого типа. Другим недостатком (b-сплавов является сравнительно невысокая предельная рабочая температура — примерно 300 °С; при более высоких температурах большинство сплавов этого типа становится хрупким.

  Химический состав промышленных Т. с., выпускаемых в СССР, приведён в табл. 1 (с разбивкой по типу структуры). По областям применения и виду полуфабрикатов можно приблизительно подразделить сплавы на следующие группы: свариваемые сплавы преимущественно для листов (ВТ5-1, ОТ4-0, ОТ4-1, ОТ4, ВТ20, ВТ6С, ВТ14, ВТ15); сплавы повышенной прочности для штамповок (ВТ5, ВТ6, ВТ14, ВТ16, ВТ22); жаропрочные сплавы для штамповок (ВТЗ-1, ВТ8, ВТ9, ВТ18). Сплав ВТ6С специально рекомендуется для баллонов высокого давления, все жаропрочные сплавы — для дисков, лопаток и других деталей компрессоров газотрубных двигателей, сплав ВТ22 — для массивных нагруженных штамповок, сплав ВТ16 — для болтов. В случае необходимости (например, при изготовлении штампосварных конструкций) все листовые сплавы могут применяться для изготовления штамповок.

Табл. 1. — Химический состав промышленных титановых сплавов СССР

Тип сплава	Марка сплава	Химический состав, % (остальное Ti)
Аl	V	Mo	Mn	Cr	Si	другие элементы
a	ВТ5 ВТ5-1	4,3—6,2 4,5—6,0	— —	— —	— —	— —	— —	— 2—3 Sn
Псевдо-a	ОТ4-0 ОТ4-1 ОТ4 ВТ20 ВТ18	0,2—1,4 1,0—2,5 3,5—5,0 6,0—7,5 7,2—8,2	— — — 0,8—1,8 —	— — — 0,5—2,0 0,2—1,0	0,2—1,3 0,7—2,0 0,8—2,0 — —	— — — — —	— — — — 0,18—0,5	— — — 1,5—2,5 Zr 0,5—1,5 Nb 10—12 Zr
a + b	ВТ6С ВТ6 ВТ8 ВТ9 ВТ3-1 ВТ14 ВТ16 ВТ22	5,0—6,5 5,5—7,0 6,0—7,3 5,8—7,0 5,5—7,0 4,5—6,3 1,6—3,0 4,0—5,7	3,5—4,5 4,2—6,0 — — — 0,9—1,9 4,0—5,0 4,0—5,5	— — 2,8—3,8 2,8—3,8 2,0—3,0 2,5—3,8 4,5—5,5 4,5—5,0	— — — — — — — —	— — — — 1,0—2,5 — — 0,5—2,0	— — 0,20—0,40 0,20—0,36 0,15—0,40 — — —	— — — 0,8—2,5 Zr 0,2—0,7 Fe — — 0,5—1,5 Fe
b	ВТ15	2,3—3,6	—	6,8—8,0	—	9,5—11,0	—	1,0 Zr

  Механические свойства Т. с. в отожжённом и термически упрочнённом состоянии приведены в табл. 2. Кроме обычной термической обработки, состоящей из закалки и старения, применяются различные режимы отжига, термомеханическая обработка (например, закалка из-под штампа с последующим старением), а также изотермическая деформация (медленная штамповка в штампах, нагретых до температуры деформации). В последнем случае достигаются очень однородные и высокие механические свойства. Титан и его сплавы могут подвергаться ковке, объёмной и листовой штамповке, прокатке, прессованию, волочению; из них можно получать те же полуфабрикаты, что и из др. конструкционных металлов, с учётом повышенной склонности титана к окислению при нагреве. Рекомендуется применять защитные эмалевые покрытия, которые при обработке давлением одновременно являются технологическими смазками. Термическую обработку следует проводить в печах с нейтральной атмосферой или в вакууме. Большинство промышленных Т. с. имеют довольно узкий интервал кристаллизации и поэтому обладают удовлетворительными литейными свойствами. Для получения фасонных отливок предпочтительнее a-сплавы, которые, кроме хороших литейных свойств, позволяют заваривать дефекты. Наиболее употребительный в СССР литейный Т. с. — сплав ВТ5Л. Для деталей повышенной прочности применяются сплавы ВТ6Л, ВТ9Л, ВТ20Л и др. В качестве материала для форм используются специальные керамические и графитовые смеси а также стальные кокили.