ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ АВИАЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НИЦ «КУРЧАТОВСКИЙ ИНСТИТУТ» г. Москва, ул. Радио, д. 17 тел: +7(499)261-86-77 e-mail: [email protected]

Сплав ВТ8М-1 Сплав ВТ32 Сплав ВТ35 Сплав ВТ4 Сплав ВТ41 Сплав ВТ5 Сплав ВТ5-1 Сплав ВТ6 (ВТ6св.) Сплав ВТ6С Сплав ВТ6ч Сплав ВТ8 Сплав ВТ8-1 Сплав ВТ3-1 Сплав ВТ9 Сплав ОТ4 Сплав ОТ4-0 Сплав ОТ4-1 Сплав ОТ4-2 Сплав ПТ-1М Сплав ПТ-3В Сплав ПТ-7М Сплав СПТ-2 Сплав ТС5 Сплав ТС6 Сплав ВТ15 Сплав 14 Сплав 19 Сплав 27 Сплав 2В Сплав 37 Сплав 3М Сплав 40 Сплав 5В Сплав АТ3 Сплав АТ6 Сплав ВТ14 Сплав ВТ25У Сплав ВТ16 Сплав ВТ18 Сплав ВТ18У Сплав ВТ2 (ВТ2св.) Сплав ВТ20 Сплав ВТ20-1 (ВТ20-1св.) Сплав ВТ20-2 (ВТ20-2св.) Сплав ВТ22 Сплав ВТ22И Сплав ВТ23

Описание

Сплав ВТ20 применяется: для изготовления полуфабрикатов (листов, лент, фольги, полос, плит, прутков, профилей, трубных заготовок и труб, поковок и штампованных заготовок толщиной до 250 мм) методом деформации, а также слитков; сварных колец из горячекатаных и прессованных профилей, а также цельнокатаных колец; коррозионностойких деталей, длительно работающих при температурах до +500 °С; для изготовления в авиастроении обшивок крыла, деталей и сварных узлов, длительно работающих при температурах от -70 до +450 °С (6000 ч.), до +500 °С (3000 ч.).

Примечание

Псевдо a-сплав ВТ20 принадлежит к системе Ti-Al-Zr-Mo-V. Довольно высокое содержание алюминия обеспечивает значительную прочность и жаропрочность этого сплава. Его пластичность и технологичность при обработке давле­нием ниже, чем у сплавов типа ОТ4. Тем не менее он хорошо дефор­мируется в горячем состоянии. В листовом варианте этот сплав по жаропрочным харак­теристикам уступает только сплаву ВТ18У. Сплав хорошо свари­вается всеми видами сварки, применяемыми для титановых сплавов. Механические свойства сварного соединения не уступа­ют свойствам основного металла. Сплав ВТ20 может свариваться с титановыми сплавами ВТЗ-1, ОТ4, ОТ4−1, ВТ5−1, ВТ6, ВТ14, ВТ5Л, ВТ21Л. Этот сплав поставляется также в виде фасонного литья под маркой ВТ20Л.

Промышленные титановые сплавы

Марки и химический состав отечественных сплавов (ГОСТ 19807–91) представлены в табл. 17.2.

По технологии изготовления титановые сплавы подразделяются на деформируемые и литейные

; по уровню механических свойств — на сплавы
невысокой прочности и повышенной пластичности
,
среднейпрочности, высокопрочные
; по условиям применения — на
хладостойкие, жаропрочные, коррозионностойкие.
По способности упрочняться термообработкой они делятся на
упрочняемые
и
неупрочняемые
, по структуре в отожженном состоянии — на a -, псевдо-a -, (a + b )-, псевдо-b — и b -сплавы (табл. 17.3).

Отдельные группы титановых сплавов различаются по величине условного коэффициента стабилизации Кb

, который показывает отношение содержания b -стабилизирующего легирующего элемента к его содержанию в сплаве критического состава
с
кр. При содержании в сплаве нескольких b -стабилизирующих элементов их
Кb
суммируется.

Деформируемые титановые сплавы

Титановые сплавы невысокой прочности и повышенной пластичности

К этой группе относятся сплавы с пределом прочности s в <�

700 МПа, а именно: a -сплавы марок ВТ1-00, ВТ1-0 (технический титан) и сплавы ОТ4-0, ОТ4-1 (система Ti—Al—Mn), АТ3 (система Ti—Al c небольшими добавками Cr, Fe, Si, B), относящиеся к псевдо-a -сплавам с небольшим количеством b -фазы. Характеристики прочности этих сплавов выше, чем чистого титана благодаря примесям в сплавах ВТ1-00 и ВТ1-0 и незначительному легированию a — и b -стабилизаторами в сплавах ОТ4-0, ОТ4-1, АТ3.

Эти сплавы отличаются высокой пластичностью как в горячем, так и в холодном состоянии, что позволяет получать все виды полуфабрикатов: фольгу, ленту, листы, плиты, поковки, штамповки, профили, трубы и т. п. Механические свойства полуфабрикатов из этих сплавов приведены в табл. 17.4–17.6.

Таблица 17.3

Классификация титановых сплавов по структуре

* Опытные сплавы.

Таблица 17.4

Механические свойства листов из титановых сплавов (ГОСТ 22178–76)

Примечание.

В скобках приведены данные для листов с высокой отделкой поверхности.

Таблица 17.5

Механические свойства прутков из титановых сплавов (ГОСТ 26492–85)

Примечание.

В скобках приведены данные для прутков повышенного качества.

Таблица 17.6

Механические свойства плит из титановых сплавов (ГОСТ 23755–79)

Ковка, объемная и листовая штамповка, прокатка, прессование производятся в горячем состоянии по режимам, указанным в табл. 17.7. Окончательная прокатка, листовая штамповка, волочение и другие операции производятся в холодном состоянии.

Эти сплавы и изделия из них подвергаются только отжигу по режимам, указанным в табл. 17.8. Для снятия внутренних напряжений, образовавшихся в результате механической обработки, листовой штамповки, сварки и др., применяется неполный отжиг.

Указанные сплавы хорошо свариваются сваркой плавлением (аргонодуговая, под флюсом, электрошлаковая) и контактной (точечная, роликовая). При сварке плавлением прочность и пластичность сварного соединения практически аналогичные основному металлу.

Коррозионная стойкость данных сплавов высокая во многих средах (морская вода, хлориды, щелочи, органические кислоты и т. п.), кроме растворов HF, H2SO4, HCl и некоторых других.

Применение

. Эти сплавы широко применяются как конструкционные материалы для изготовления практически всех видов полуфабрикатов, деталей и конструкций, включая сварные. Наиболее эффективно их применение в авиационно-космической технике, в химическом машиностроении, в криогенной технике (табл. 17.9.), а также в узлах и конструкциях, работающих при температурах до 300–350 ° С.

Титановые сплавы средней прочности

К этой группе относятся сплавы с пределом прочности s в= 750–1000 МПа, а именно: a -спла-вы марок ВТ5 и ВТ5-1; псевдо-a -сплавы марок ОТ4, ВТ20; (a + b )-сплавы марок ПТ3В, а также ВТ6, ВТ6С, ВТ14 в отожженном состоянии.

Сплавы ВТ5, ВТ5-1, ОТ4, ВТ20, ПТ3В, ВТ6С, содержащие небольшое количество b -фазы (2–7 % b -фазы в равновесном состоянии), упрочняющей термообработке не подвергаются и используются в отожженном состоянии. Сплав ВТ6С иногда применяют в термически упрочненном состоянии. Сплавы ВТ6 и ВТ14 используют как в отожженном, так и в термически упрочненном состоянии. В последнем случае их прочность становится выше 1000 МПа, и они будут рассмотрены в разделе, посвященном высокопрочным сплавам.

Рассматриваемые сплавы, наряду с повышенной прочностью, сохраняют удовлетворительную пластичность в холодном состоянии и хорошую пластичность в горячем состоянии, что позволяет получать из них все виды полуфабрикатов: листы, ленту, профили, поковки, штамповки, трубы и др. Исключение составляет сплав ВТ5, из которого листы и плиты не изготавливают из-за невысокой технологической пластичности. Режимы горячей обработки давлением приведены в табл. 17.7.

На эту категорию сплавов приходится основной объем производства полуфабрикатов, применяемых в машиностроении. Механические характеристики основных полуфабрикатов приведены в табл. 17.4–17.6.

Все среднепрочные сплавы хорошо свариваются всеми видами сварки, применяемыми для титана. Прочность и пластичность сварного соединения, выполненного сваркой плавлением, близка к прочности и пластичности основного металла (для сплавов ВТ20 и ВТ6С это соотношение составляет 0,9–0,95). После сварки рекомендован неполный отжиг для снятия внутренних сварочных напряжений (табл. 17.8).

Обрабатываемость резанием этих сплавов хорошая. Коррозионная стойкость в большинстве агрессивных сред аналогична техническому титану ВТ1-0.

Таблица 17.7

Режимы горячей обработки давлением титановых сплавов

* Степень деформации за один нагрев, %.

** Деформация в (a + b )-области.

*** Деформация в b -области.

Таблица 17.8

Режимы отжига титановых сплавов

* Температуры неполного отжига.

Таблица 17.9

Механические характеристики титановых сплавов при низких температурах

Применение.

Данные сплавы рекомендуется применять для изготовления изделий листовой штамповкой (ОТ4, ВТ20), для сварных деталей и узлов, для штампосварных деталей (ВТ5, ВТ5-1, ВТ6С, ВТ20) и др. Сплав ВТ6С широко применяется для изготовления сосудов и емкостей высокого давления. Детали и узлы из сплавов ОТ4, ВТ5 могут длительно работать при температурах до 400 ° С и кратковременно — до 750 ° С; из сплавов ВТ5-1, ВТ20 — длительно при температурах до 450–500 ° С и кратковременно — до 800–850 ° С. Сплавы ВТ5-1, ОТ4, ВТ6С также рекомендуются для применения в холодильной и криогенной технике (табл. 17.9).

Высокопрочные титановые сплавы

К этой группе относятся сплавы с пределом прочности s в > 1000 МПа, а именно (a + b )-сплавы марок ВТ6, ВТ14, ВТ3-1, ВТ22. Высокая прочность в этих сплавах достигается упрочняющей термообработкой (закалка + старение). Исключение составляет высоколегированный сплав ВТ22, который даже в отожженном состоянии имеет s в > 1000 МПа.

Указанные сплавы наряду с высокой прочностью сохраняют хорошую (ВТ6) и удовлетворительную (ВТ14, ВТ3-1, ВТ22) технологическую пластичность в горячем состоянии, что позволяет получать из них различные полуфабрикаты: листы (кроме ВТ3-1), прутки, плиты, поковки, штамповки, профили и др. Режимы горячей обработки давлением приведены в табл. 17.7. Сплавы ВТ6 и ВТ14 в отожженном состоянии (s в » 850 МПа) могут подвергаться холодной листовой штамповке с малыми деформациями. Механические характеристики основных полуфабрикатов в отожженном и упрочненном состояниях приведены в табл. 17.4–17.6.

Несмотря на гетерофазность структуры, рассматриваемые сплавы обладают удовлетворительной свариваемостью всеми видами сварки, применяемыми для титана. Для обеспечения требуемого уровня прочности и пластичности обязательно проводят полный отжиг, а для сплава ВТ14 (при толщине свариваемых деталей 10–18 мм) рекомендуется проводить закалку с последующим старением. При этом прочность сварного соединения (сварка плавлением) составляет не менее 0,9 от прочности основного металла. Пластичность сварного соединения близка к пластичности основного металла.

Обрабатываемость резанием удовлетворительная. Обработку резанием сплавов можно проводить как в отожженном, так и в термически упрочненном состоянии.

Данные сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью в отожженном и термически упрочненном состояниях во влажной атмосфере, морской воде, во многих других агрессивных средах, как и технический титан.

Термическая обработка.

Сплавы ВТ3-1, ВТ6, ВТ6С, ВТ14, ВТ22 подвергаются закалке и старению (см. выше). Рекомендуемые режимы нагрева под закалку и старение для монолитных изделий, полуфабрикатов и сварных деталей приведены в табл. 17.10.

Охлаждение при закалке производится в воде, а после старения — на воздухе. Полная прокаливаемость обеспечивается для деталей из сплавов ВТ6, ВТ6С с максимальным сечением до 40–45 мм, а из сплавов ВТ3-1, ВТ14, ВТ22 — до 60 мм.

Для обеспечения удовлетворительного сочетания прочности и пластичности сплавов с (a + b )-структурой после закалки и старения необходимо, чтобы их структура перед упрочняющей термической обработкой была равноосной или «корзиночного плетения». Примеры исходных микроструктур, обеспечивающие удовлетворительные свойства, приведены на рис. 17.4 (1–7 типы).

Таблица 17.10

Режимы упрочняющей термической обработки титановых сплавов

Исходная игольчатая структура сплава с наличием границ первичного зерна b -фазы (8–9 типы) при перегреве после закалки и старения или отжига приводит к браку — сниженнию прочности и пластичности. Поэтому необходимо избегать нагрева (a + b )-сплавов до температур выше температуры полиморфного превращения, так как перегретую структуру исправить термической обработкой невозможно.

Нагрев при термической обработке рекомендуется производить в электрических печах с автоматической регулировкой и регистрацией температуры. Для предупреждения образования окалины нагрев готовых деталей и листов необходимо проводить в печах с защитной атмосферой или с применением защитных покрытий.

При нагреве под закалку тонких листовых деталей для выравнивания температуры и уменьшения коробления их на под печи укладывается стальная плита толщиной 30–40 мм. Для закалки деталей сложной конфигурации и тонкостенных деталей применяются фиксирующие приспособления для предупреждения коробления и поводки.

После проведения высокотемпературной обработки (закалки или отжига) в печи без защитной атмосферы полуфабрикаты, не подвергающиеся дальнейшей обработке, должны пройти гидропескоструйную обработку или обработку корундовым песком, а листовые изделия — еще и травление.

Применение.

Высокопрочные титановые сплавы применяются для изготовления деталей и узлов ответственного назначения: сварные конструкции (ВТ6, ВТ14), турбины (ВТ3-1), штампосварные уз-лы (ВТ14), высоконагруженные детали и штампованные конструкции (ВТ22). Эти сплавы могут длительно работать при температурах до 400 ° С и кратковременно до 750 ° С.

Особенность высокопрочных титановых сплавов как конструкционного материала — их повышенная чувствительность к концентраторам напряжения. Поэтому при конструировании деталей из этих сплавов необходимо учитывать ряд требований (повышенное качество поверхности, увеличение радиусов перехода от одних сечений к другим и т. п.), аналогичных тем, которые существуют при применении высокопрочных сталей.

Рис. 17.4.

Девятибальная шкала микроструктуры титановых сплавов. ´ 500

Стандарты

Металл титан

Основная часть титана расходуется на нужды авиационной и ракетной техники и морского судостроения. Его, а также ферротитан используют как легирующую добавку к качественным сталям и как раскислитель. Технический титан идет на изготовление емкостей, химических реакторов, трубопроводов, арматуры, насосов, клапанов и других изделий, работающих в агрессивных средах. Из компактного титана изготавливают сетки и другие детали электровакуумных приборов, работающих при высоких температурах. По использованию в качестве конструкционного материала Ti находится на 4-ом месте, уступая лишь Al, Fe и Mg. Алюминиды титана являются очень стойкими к окислению и жаропрочными, что в свою очередь определило их использование в авиации и автомобилестроении в качестве конструкционных материалов. Биологическая безвредность данного металла делает его превосходным материалом для пищевой промышленности и восстановительной хирургии.

Титан и его сплавы нашли широкое применение в технике ввиду своей высокой механической прочности, которая сохраняется при высоких температурах, коррозионной стойкости, жаропрочности, удельной прочности, малой плотности и прочих полезных свойств. Высокая стоимость данного металла и материалов на его основе во многих случаях компенсируется их большей работоспособностью, а в некоторых случаях они являются единственным сырьем, из которого можно изготовить оборудование или конструкции, способные работать в данных конкретных условиях.

Титановые сплавы играют большую роль в авиационной технике, где стремятся получить наиболее легкую конструкцию в сочетании с необходимой прочностью. Ti легок по сравнению с другими металлами, но в то же время может работать при высоких температурах. Из материалов на основе Ti изготавливают обшивку, детали крепления, силовой набор, детали шасси, различные агрегаты. Также данные материалы применяются в конструкциях авиационных реактивных двигателей. Это позволяет уменьшить их массу на 10-25%. Из титановых сплавов производят диски и лопатки компрессоров, детали воздухозаборников и направляющих в двигателях, различный крепеж.

Еще одной областью применения является ракетостроение. Ввиду кратковременной работы двигателей и быстрого прохождения плотных слоев атмосферы в ракетостроении в значительной мере снимаются проблемы усталостной прочности, статической выносливости и отчасти ползучести.

Технический титан из-за недостаточно высокой тепловой прочности не пригоден для применения в авиации, но благодаря исключительно высокому сопротивлению коррозии в ряде случаев незаменим в химической промышленности и судостроении. Так его применяют при изготовлении компрессоров и насосов для перекачки таких агрессивных сред, как серная и соляная кислота и их соли, трубопроводов, запорной арматуры, автоклав, различного рода емкостей, фильтров и т. п. Только Ti обладает коррозионной стойкостью в таких средах, как влажный хлор, водные и кислые растворы хлора, поэтому из данного металла изготовляют оборудование для хлорной промышленности. Также из него делают теплообменники, работающие в коррозионно активных средах, например в азотной кислоте (не дымящей). В судостроении титан используется для изготовления гребных винтов, обшивки морских судов, подводных лодок, торпед и т.д. На данный материал не налипают ракушки, которые резко повышают сопротивление судна при его движении.

Титановые сплавы перспективны для использования во многих других применениях, но их распространение в технике сдерживается высокой стоимостью и недостаточной распространенностью данного металла.

Соединения титана также получили широкое применение в различных отраслях промышленности. Карбид (TiC) обладает высокой твердостью и применяется в производстве режущих инструментов и абразивных материалов. Белый диоксид (TiO2) используется в красках (например, титановые белила), а также при производстве бумаги и пластика. Титанорганические соединения (например, тетрабутоксититан) применяются в качестве катализатора и отвердителя в химической и лакокрасочной промышленности. Неорганические соединения Ti применяются в химической электронной, стекловолоконной промышленности в качестве добавки. Диборид (TiB2)- важный компонент сверхтвердых материалов для обработки металлов. Нитрид (TiN) применяется для покрытия инструментов.

Химический состав

Ti — основа. По ГОСТ 19807-91 и ОСТ 1 90013-81 суммарное содержание прочих примесей ≤ 0,30 %. Массовая доля водорода указана для слитков. В сплаве допускается частичная замена молибдена вольфрамом в количестве не более 0,3 %. Суммарная массовая доля молибдена и вольфрама не должна превышать норм, предусмотренных таблицей для молибдена. Массовая доля хрома и марганца не должна превышать 0,15 % (в сумме). Массовая доля меди и никеля должна быть не более 0,10 % (в сумме), в том числе никеля не более 0,08 %.

ВТ20

Применение:
детали, длительно работающие при температуре до 500°; коррозионная стойкость хорошая; класс по структуре псевдо α.

Химический состав в % материала ВТ20:

ГОСТ 19807 — 91

Примечание: Ti

– основа; процентное содержание
Ti
дано приблизительно.

Технологические свойства материала ВТ20:

Механические свойства при Т=20oС материала ВТ20:

Физические свойства материала ВТ20:

Механические свойства:

σв — Предел кратковременной прочности, [МПа]

σТ — Предел пропорциональности (предел текучести для остаточной деформации), [МПа]

δ5 — Относительное удлинение при разрыве, [%]

Ψ — Относительное сужение, [%]

KCU — Ударная вязкость, [кДж/м2]

HB — Твердость по Бринеллю, [МПа]

Физические свойства:

T — Температура, при которой получены данные свойства, [Град]

E — Модуль упругости первого рода, [МПа]

α — Коэффициент температурного (линейного) расширения (диапазон 20o — T), [1/Град]

λ — Коэффициент теплопроводности (теплоемкость материала), [Вт/(м·град)]

ρ — Плотность материала, [кг/м3]

C — Удельная теплоемкость материала (диапазон 20o — T), [Дж/(кг·град)]

R — Удельное электросопротивление, [Ом·м]

Свариваемость:

без ограничений

– сварка производится без подогрева и без последующей термообработки

ограниченно свариваемая

– сварка возможна при подогреве до 100-120 град. и последующей термообработке

трудносвариваемая

– для получения качественных сварных соединений требуются дополнительные операции: подогрев до 200-300 град. при сварке, термообработка после сварки – отжиг

Механические характеристики

Описание механических обозначений

Физические характеристики