Титановые сплавы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Титановый сплав

Титан по распространенности в земной коре занимает среди конструкционных металлов четвертое место, уступая лишь алюминию, железу и магнию. Титан - металл IV группы периодической системы с атомным номером 22, атомной массой 47,3, относится к переходным элементам. Титан обладает удельным весом порядка 4500 кг/м3 и довольно высокой температурой плавления, ~1665± 5оС. Модуль упругости у титана низкий Е= 112 ГПа, почти в 2 раза меньше, чем у железа и никеля. Коэффициент теплопроводности составляет 18,85 Вт/(м·К), почти в 13 раз ниже, чем у алюминия и в 4 раза ниже, чем у железа. Имеет низкий коэффициент линейного термического расширения - 8,15 х 106 К-1 (50% от коэффициента расширения аустенитной нержавеющей стали). Титан обладает высоким удельным электросопротивлением. Титан - парамагнитный металл.

Титан - твердый металл: он в 12 раз тверже алюминия, в 4 раза - железа и меди. Титан химически стоек. На поверхности титана легко образуется стойкая оксидная пленка TiO2, вследствие чего он обладает высокой сопротивляемостью коррозии в пресной и морской воде и в некоторых кислотах, устойчив против коррозии под напряжением. Во влажном воздухе, в морской воде и азотной кислоте он противостоит коррозии не хуже нержавеющей стали, а в соляной кислоте во много раз лучше ее. При температурах выше 500°С титан и его сплавы легко окисляются и поглощают водород, который вызывает охрупчивание (водородная хрупкость).

Титан имеет две полиморфные модификации:

низкотемпературную модификацию a -Ti, устойчивую до 882°С, (ГП - решетка а = 0,296 нм, с = 0,472 нм)

высокотемпературную b -Ti, устойчивую выше 882оС (ОЦК решетка а= 0,332 нм).

На механические свойства титана значительно влияют примеси кислорода, водорода, углерода и азота, которые образуют с титаном твердые растворы внедрения и промежуточные фазы: оксиды, гидриды, карбиды и нитриды, повышая его характеристики прочности при одновременном снижении пластичности. Поэтому содержание этих примесей в титане ограничено сотыми и даже тысячными долями процента. Опасность водородной хрупкости, особенно в напряженных сварных конструкциях ограничивает содержание водорода. В техническом титане оно находится в пределах 0,008 - 0,012%. Титан обладает высокой прочностью и удельной прочностью и в условиях глубокого холода, сохраняя при этом достаточную пластичность.

титановый сплав легирование полуфабрикат

Легирование

Титановый сплав 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 б и в-Ti и изменяют температуру б/в-превращения. Алюминий, а также кислород и азот, предпочтительнее растворяющиеся в б-Ti, повышают эту температуру по мере увеличения их концентрации, что ведёт к расширению области существования б-модификации; такие элементы называются б-стабилизаторами. Sn и Zr хорошо растворяются в обеих аллотропических модификациях титана и очень мало влияют на температуру «б/в-превращения; они относятся к так называемым нейтральным упрочнителям. Все остальные добавки к промышленным Т. с. предпочтительнее растворяются в в-Ti, являются в-стабилизаторами и снижают температуру полиморфного превращения титана. Их растворимость в б и в-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 Титановый сплав отличаются большим разнообразием. Однако в промышленных Титановых сплавов концентрация легирующих элементов, как правило, не выходит за пределы твёрдых растворов на основе б-Ti и в-Ti и металлидные фазы обычно не наблюдаются.

Все легирующие элементы по влиянию на полиморфизм титана подразделяются на три группы:

1. a -стабилизаторы -- элементы, повышающие Тпп титана (Рис. 5.13 а). Из металлов к числу a -стабилизаторов относятся Al, Ga, In, из неметаллов -- C, N, O.

2. b -стабилизаторы -- элементы, понижающие Тпп титана. Их можно разбить на три подгруппы. В сплавах титана с элементами 1 подгруппы при достаточно низкой температуре происходит эвтектоидный распад b -фазы b а a +g (Рис. 5.13 б); к их числу относятся Si, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, называемые эвтектоидообразующими b-стабилизаторами.

В сплавах титана с элементами 2 подгруппы b -раствор сохраняется до комнатной температуры (Рис. 5.13 в). К числу этих элементов принадлежат V, Mo, Nb, Ta. Поскольку они образуют непрерывные твердые растворы с b -титаном, их назвали изоморфными b - стабилизаторами.

В сплавах 3 подгруппы равновесная b - фаза также стабилизируется при комнатной температуре, но непрерывных твердых b - растворов не образуется. К элементам этой подгруппы относятся Re, Ru, родий Rh, осмий, иридий, которые в области, богатой титаном, дают с ним такую же диаграмму состояния, как и изоморфные b -стабилизаторы (см. Рис. 3). Их можно назвать квазиизоморфными b - стабилизаторами.

3. Третья группа представлена легирующими элементами, мало влияющими на Тпп титана. Это олово, цирконий, германий, гафний и торий, которые называют нейтральными упрочнителями.

Почти все промышленные титановые сплавы содержат алюминий.

1)

2)

3)

Общая характеристика титановых сплавов

Практически все титановые сплавы, за редким исключением, легируют алюминием, который имеет следующие преимущества перед остальными легирующими компонентами:

а) широко доступен и сравнительно дешев;

б) плотность алюминия значительно меньше плотности титана, поэтому введение алюминия повышает удельную прочность сплавов;

в) алюминий эффективно упрочняет a -, (a +b )- и b - сплавы при сохранении удовлетворительной пластичности;

г) с увеличением содержания алюминия повышается жаропрочность сплавов;

д) алюминий повышает модули упругости;

е) с увеличением содержания алюминия в сплавах уменьшается их склонность к водородной хрупкости.

Однако с увеличением содержания алюминия повышается чувствительность титановых сплавов к солевой коррозии, а также уменьшается их технологическая пластичность. Поэтому если есть опасность контакта сплавов с поваренной солью при работе в интервале температур 250--550°С или необходима высокая технологическая пластичность, содержание алюминия в титановых сплавах следует ограничивать.

Титановые a -сплавы, помимо Al, легируют нейтральными упрочнителями (Sn и Zr). Весьма ценным свойством a -сплавов титана является их хорошая свариваемость; эти сплавы даже при значительном содержании алюминия однофазны, поэтому не возникает охрупчивания шва и околошовной зоны.

К недостаткам a -сплавов относится их сравнительно невысокая прочность, сплавы этого класса термически не упрочняются. При содержании более 6% (по массе) Al технологическая пластичность сплавов невелика. С увеличением содержания алюминия повышаются рабочие температуры титановых a -сплавов. Однако при этом возникает опасность их охрупчивания в результате выделения фазы a 2. Сплавы этого класса, хотя и в меньшей степени, чем титан, склонны к водородной хрупкости.

Псевдо-b -сплавы относятся к высоколегированным титановым сплавам, в которых суммарное .содержание легирующих элементов доходит до 20% и более. Хотя при закалке из b -области в этих сплавах фиксируется только b -фаза, она термически нестабильна и при старении распадается с выделением дисперсной a -фазы.

К преимуществам псевдо-b -сплавов относятся:

1. Высокая технологическая пластичность в закаленном состоянии. Это связано с тем, что b -фаза с ОЦК. решеткой по своей природе более пластична, чем гексагональная a -фаза.

2. Большой эффект термического упрочнения, что связано с большим пересыщением закаленной b -фазы. Распад пересыщенной b -фазы при старении обеспечивает повышение прочности сплавов в 1,5--1,7 раза.

3. Малая склонность к водородной хрупкости.

Недостатки псевдо b -сплавов:

а) невысокая термическая стабильность, в результате чего их нельзя применять для длительной работы при температурах выше 350°С;

б) неудовлетворительная свариваемость;

в) большой разброс механических свойств, вызванный химической неоднородностью сплавов в связи с высокой степенью их легирования и большой чувствительностью процесса старения к содержанию примесей внедрения;

г) сравнительно высокая плотность (5--5,1 г/см3).

Разработанные к настоящему времени псевдо-b -титановые сплавы можно разделить на две группы: а) легированные алюминием, b -стабилизаторами, а в некоторых случаях и нейтральными упрочнителями; б) легированные b -стабилизаторами и нейтральными упрочнителями.

Псевдо-b -сплав ВТ15 содержит 3-4% Al; 7- 8% Mo и 10-11,5%Cr. В закаленном состоянии сплав ВТ15 отличается невысокой прочностью, большой пластичностью (s в = 880--1000 МПа; d =12-20%) и хорошо штампуется. Затем сплав термически упрочняют старением. При старении из пересыщенного b -раствора выделяются дисперсные частицы a -фазы, которые и обеспечивают упрочнение. После закалки и старения временное сопротивление разрыву составляет 1300-1500 МПа при удлинении около 6%.

Свариваемость этих сплавов затрудняет бурный рост зерна в b -области. По указанным причинам псевдо-b -сплавы первой группы применяют ограниченно.

Сплав ВТ30 (Ti - 11Mo - 5,5Zr - 4,5Sn). Сплав ВТ30 обладает высокой технологической пластичностью в закаленном состоянии, в котором хорошо поддается холодной обработке давлением. Сплав закаливают с температуры 800°С, а затем подвергают старению при 530°С. Отличительная его особенность -- большая разница в прочностных свойствах в закаленном состоянии и после старения: временное сопротивление разрыву составляет 650--750 МПа после закалки, а после старения достигает 1400--1600 МПа.

В нашей стране в полупромышленном масштабе производят b -сплав 4201 (Ti+33%Мо), отличающийся высокой коррозионной стойкостью. В ряде областей применения он может заменять тантал, коррозионно-стойкие никелевые сплавы и даже золото и платину. Сплав отличается высокой технологической пластичностью, хорошо сваривается всеми видами сварки.

Титановые b - сплавы с термодинамически устойчивой b - фазой можно получить лишь на основе таких систем, в которых легирующие элементы имеют о.ц.к. решетку при комнатной температуре и образуют с b -титаном непрерывный ряд твердых растворов. К таким элементам принадлежат ванадий, молибден, ниобий и тантал. Однако стабильные b - фазы в этих сплавах образуются при таких высоких концентрациях компонентов, что титановые сплавы теряют основное их преимущество, а именно сравнительно малую плотность. Поэтому титановые сплавы со стабильной b - фазой не получили широкого промышленного применения.

Полуфабрикаты и изделия. Технология изготовления

Сплавы с ЭПФ часто относят к так называемым интеллектуальным материалам, позволяющим создавать принципиально новые конструкции и технологии в различных отраслях машиностроения, авиакосмической и ракетной техники, приборостроения, энергетики, медицины и др.

На рис. 5. приведена схема космического аппарата с антеннами саморазворачивающейся конструкции. Антенны состоят из листа и стержня из сплава Ti - Ni, которые свернуты в виде спирали и помещены в углубление в искусственном спутнике. После запуска спутника и выведения его на орбиту антенна нагревается с помощью специального нагревателя или тепла солнечного излучения, в результате чего она выходит в космическое пространство.

Доставка в открытый космос громоздких агрегатов технически возможна только по частям с последующими монтажными работами.

Используемые в массовом производстве способы соединения деталей, такие как сварка, пайка, склеивание, клепка и другие, непригодны в космических условиях. Особые требования предъявляются к обеспечению исключительно высокой техники безопасности.

Рис. 5. Схема космического аппарата с самотрансформирующимися элементами: 1 - антенна, 2 - механический стабилизатор; 3 -излучатель энергии, 4 - солнечная батарея

С учетом этих особенностей в России была создана уникальная технология соединения элементов в открытом космосе с использованием муфты из сплава ТН-1. Эта технология успешно использована при сборке конструкции фермы из алюминиевых сплавов общей длиной 14,5 м и поперечным сечением в виде квадрата со стороной 0,5 м. Ферма состояла из отдельных трубчатых деталей диаметром 28 мм, которые соединялись между собой с помощью муфты из металла с памятью формы (рис.6). Муфту деформировали при низкой температуре таким образом, чтобы ее внутренний диаметр был больше наружного диаметра соединяемых элементов.

Рис. 6. Соединение трубчатых деталей (1) с помощью муфты (2) из металла с памятью формы' а - до сборки; б - после нагрева

После нагрева выше температуры обратного мартенситного превращения внутренний диаметр муфты восстанавливался до того диаметра, который муфта имела перед расширением.

Эти же принципы строительства могут быть использованы для монтажа на больших глубинах крупногабаритных морских подводных конструкций.

Сплавы с ЭПФ используют в качестве силовых элементов блокировочных устройств, срабатывающих как на запирание (собственно блокировка), так и в обратном направлении, в силовых конструкциях прессов, домкратов.

Особенностью исполнительных элементов из сплавов с памятью формы является их миниатюрность. Это обусловлено простотой механизма их действия, а также тем, что элемент состоит из одного сплава. На действие таких механизмов не влияет среда или атмосфера, а влияет только температура. В Японии создан робот с плечевой опорой, локтевым шарниром, запястьем и захватом, имеющий пять степеней свободы. Сгибание запястья, сжимание и разжимание захвата обеспечиваются спиралями из сплава Ti - Ni, а действие шарнира и плечевой опоры - удлинением или сокращением проволоки из того же сплава. Положение руки и скорость действия регулируются прямым пропусканием тока с модулированной шириной импульса. Плавность действия робота обусловлена тем, что заданная величина усилия (силы восстановления памяти формы) соответствует величине регулируемого параметра (току). Действия робота приближаются к действию мускульного механизма.

Особый интерес представляет использование сплавов с памятью формы в медицине. Их применение открывает широкие возможности создания новых эффективных методов лечения. Сплавы, используемые в медицине, должны обладать не только высокими механическими характеристиками, но и биологической совместимостью с тканями человеческого организма, обеспечивать отсутствие токсичности, канцерогенности, оказывать сопротивление образованию тромбов, сохраняя эти свойства в течение длительного времени. Специальные эксперименты показали, что сплавы на основе Ti - Ni имеют биологическую совместимость на уровне и даже выше обычно применяемых нержавеющих сталей и кобальтхромовых сплавов и могут быть использованы в качестве функциональных материалов в биологических организмах. Использование сплавов с ЭПФ для лечения показало их хорошую совместимость с тканями и отсутствие реакций отторжения биологических структур человеческого организма.

При ортопедической хирургической операции коррекцию позвоночника обычно осуществляют с помощью стержня Харинтона, изготовленного из нержавеющей стали. Недостатком этого метода является уменьшение во времени первоначального корректирующего усилия. Если для стержня Харинтона применить сплав с ЭПФ, то установить стержень можно за один раз, необходимость в повторной операции отпадает.

Методы медицинской помощи в случае костных переломов заключаются в том, чтобы с помощью пластинок зафиксировать зону перелома в таком состоянии, когда на кость действует сила сжатия. Если для соединительной пластинки применить сплав с эффектом памяти формы, то становится возможной прочная фиксация зоны перелома путем внешнего нагрева пластинки до температуры несколько выше температуры тела после операции, при этом отпадает необходимость осуществлять продольное сжатие кости во время операции.

Одним из наиболее перспективных методов лечения стенозов (сужения) сосудов является использование эндоваскулярных спиралевидных протезов, изготовленных из нитиноловой проволоки. В медицине нитинол впервые использовали в 1977 г. M.Simon с соавторами для изготовления кавафильтра.

Импланты с памятью формы также применяются: для суставов, в грудной и сердечно-сосудистой хирургии, в хирургии легких, в офтальмологии, ортопедии.

Размещено на Allbest.ru