Титан и его сплавы

Оглавление

 

Введение 2

Глава 1. Титановые  сплавы 5

1.1 Промышленные титановые сплавы 5

1.2 Полуфабрикаты из титановых сплавов 7

1.3 Титановые сплавы, применяемые для  изготовления труб 10

Глава 2. Особенности  технологии изготовления титановых  труб 14

2.1 Трубная заготовка 14

2.2 Особенности технологии изготовления  титановых труб 19

2.3 Дефекты труб и их предупреждение. Отделочные операции при производстве 22

Список литературы 25

 

Введение

Титан как химический элемент  был открыт английским священником  Уильямом Грегором в 1791 году.[4] Почти 90 лет понадобилось ученым, чтобы выделить титан в чистом виде, так как титан имеет большое сродство к кислороду. В 1875 году Д.К.Кириллов сумел получить металлический титан. [4] Методы выделения титана из тетрахлорида титана, фтортитана калия и оксида титана, разработанные разными экспериментаторами (Кирилловым, Волластоном, Веллером, Нильсоном, Муассоном, Хантером), позволяли получать, только относительно чистый титан, содержащий от десятых долей до двух процентов примесей, которые делают титан хрупким, непрочным, не поддающимся ни пластической, ни механической обработке.

Однако в начале ХХ века химические соединения титана нашли  конкретное применение. Например, двуокись титана успешно заменила свинцовые  и цинковые белила.[4] Она не только более экономичная, но и, самое главное, безвредная для человеческого организма. Двуокись титана стали вводить в состав фарфоровых масс, тугоплавких стекол, керамических материалов с высокой диэлектрической проницаемостью.[4] Как наполнитель, повышающий прочность и термостойкость, диоксид титана начали вводить в резиновые смеси. Другое соединение титана – тетрахлорид – успешно применяли для создания дымовых завес при защите растений в период заморозков.

Вместе с тем все  достоинства соединений титана кажутся  несущественными на фоне позже открытых уникальных свойств чистого металлического титана. В 1925 году голландцы Ван Аркель и де Бур йодидным способом получили титан высокой степени чистоты (до 99,9%).[4] Исследования показали, что такой металл обладает очень высокой пластичностью – он куется на холоде, прокатывается в листы, проволоку и даже в фольгу.

Титан – полиморфный материал и может существовать в двух модификациях: α и β. Полиморфное α↔β превращение  титана при нагреве и охлаждении происходит при 882,5°С. Низкотемпературная α-модификация имеет гексагональную плотноупакованную кристаллическую решетку.[5] Высокотемпературная β–модификация титана имеет объемноцентрированную кубическую кристаллическую решетку. Структуры α и β – титана на примере сплава ВТ1-0 показаны на рисунке 1.[4]

Значение температуры  полиморфного превращения у титана весьма стабильно: охлаждение со скоростью  в несколько сотен или тысяч  градусов в секунду не изменяет её величины, и только при охлаждении со скоростью около 10000°С обнаруживается снижение температуры полиморфного превращения примерно на 30°С.[5]

 

Рис.1 Микроструктура сплава ВТ1-0

а – после медленного охлаждения из β-области; б – после деформации и отжига в α- области,  ×200

 

 

Существенное изменение  температуры полиморфного превращения  может быть достигнуто легированием.

Изучение физико-химических свойств металлического титана показало, что он, будучи почти вдвое легче  железа, по прочности превосходит  многие стали.[4] Сравнения с алюминием  тоже оказались в пользу титана; последний всего в полтора  раза тяжелее, но зато более чем и  шесть раз прочнее алюминия. Что  особенно важно, титан сохраняет  необходимую прочность при температурах до 600°С.[4]

Все эти характеристики, свидетельствующие об уникальности титана, вызвали к нему широкий  интерес как к конструкционному материалу во многих странах. Однако йодидный способ получения титана из-за сложности технологического процесса и весьма ограниченного объема его получения не мог широко применяться в промышленном масштабе. И только в 1940 году В. И. Кроллем впервые был разработан процесс, открывший перспективы производства титанового сырья в промышленном объеме.[4] Он состоял в восстановлении четыреххлористого титана магнием. Этот процесс в усовершенствованном варианте до настоящего времени является основой промышленного производства губчатого титана — исходного сырья для изготовления слитков титана и его сплавов. До получения ковкого компактного титана в слитках прошло почти десятилетие, когда процесс их выплавки приобрел тот вид инженерного решения, который применяется в настоящее время.

Температура плавления титана 1665°С. Она превышает температуру  плавления стали и алюминия. Титан  имеет высокую вязкость, при механической обработке склонен к налипанию  на режущий инструмент, и поэтому  требуется нанесение специальных  покрытий на инструмент, различных  смазок.

Если рассмотреть химические свойства титана, то увидим, что титан  устойчив к коррозии благодаря оксидной плёнке (ТiO₂), но при измельчении в порошок горит на воздухе (температура вспышки 400°C).[1]

Титан устойчив к разбавленным растворам многих кислот и щелочей (кроме HF, H₃PO₄ и концентрированной H₂SO₄).

Легко реагирует даже со слабыми кислотами в присутствии  комплексообразователей, например, с  плавиковой кислотой (HF) он взаимодействует  благодаря образованию комплексного аниона [TiF₆]^2-.[1]

Титан – немагнитный материал, относится к классу парамагнетиков

Анализ физических свойств  обнаруживает недостатки и достоинства  титана. К его достоинствам относятся  низкие значения термических напряжений в конструкциях, работающих при теплосменах, а так же отсутствие термической  усталости. Эти достоинства обусловлены  низкими значениями модуля нормальной упругости и коэффициента теплового  расширения титана. В то же время  низкая теплопроводность приводит к  необходимости применения специальных  мер при проектировании теплообменной  аппаратуры.

 

Глава 1. Титановые сплавы

1.1 Промышленные титановые сплавы

 

По характеру взаимодействия с титаном легирующие элементы в  литературе разделяют на три основные группы [7]:

1. a-стабилизаторы - элементы, повышающие температуру (a®b)– превращения титана (Al, Ga, Zn, C, N, O);
2. b-стабилизаторы - элементы, снижающие температуру полиморфного превращения в титане (Mo, V, Nb, Ta, Cr, Mn, Fe, Cu, Ni, Pb, Be, Co, Ru, Rh, Re, Os, Zr, W и т.п.);
3. нейтральные упрочнители - элементы, мало влияющие на температуру полиморфного превращения (Sn, Zr, Ge, Hf, Th).

Формирование свойств  титановых сплавов, кроме химического  состава, определяется фазовым составом и структурой. В основу классификации  положен фазовый принцип. При  этой системе классификации промышленные сплавы титана можно условно разделить  на пять групп:

• a-сплавы
• псевдо– или бетированные a-сплавы;
• a+b-сплавы (двухфазные сплавы);
• b-сплавы

Промышленностью России выпускается  более 30 титановых сплавов и еще  большее количество модификаций. До сих пор единой системы маркировки титановых сплавов не существует, тем не менее, по маркировке сплава можно определить его ведомственную  принадлежность.

Поскольку главной отраслью, широко применявшей титановые сплавы, являлась авиационная промышленность, большое количество сплавов разработано  Всесоюзным институтом авиационных  материалов (ВИАМ) и имеют маркировку буквами ВТ или ОТ. К эти сплавам относятся ВТ1-00, ВТ1-0 (технически чистый титан), ВТ3-1, ВТ5, ВТ6, ВТ8, ВТ9, и т.д.; ОТ4, ОТ4-1, ОТ4-0.[7]

Морские сплавы были разработаны  ЦНИИ Конструкционных материалов "Прометей" для нужд судостроения, имеют маркировки ПТ-1М, ПТ-7М, ПТ-3В, 19, 3М, 40, 5В и 37.[7]

Кроме того, промышленностью  выпускается экономно легированные сплавы АТ3 и АТ6, разработанные в Институте металлургии (ИМЕТ) АН СССР, и два коррозионно-стойких сплава 4200 и 4201.[7]

Сплавы ОТ4-0, ОТ4-1, ОТ4, ПТ-3В, 3М, ПТ-7М, ВТ5, ВТ5-1 обладают удовлетворительной пластичностью при обработке давлением и предназначены для изготовления практически всех видов полуфабрикатов, получаемых обработкой давлением, в том числе: листы, полосы, плиты, поковки, штамповки, прессованные профили, трубы и проволока. Эти сплавы хорошо свариваются всеми видами сварки и достаточно технологичны. Применяются в качестве конструкционных сплавов со средним уровнем прочности.[7]

Сплавы ВТ6, ВТ20, 5В и 37 являются конструкционными сплавами с высоким уровнем прочности. Сплавы ВТ6, 5В и 37 отличает удачное сочетание высоких механических и технологических свойств. Из них изготавливают листы, поковки, прутки, штамповки. Они хорошо свариваются, однако, если сплав ВТ6 после сварки требует термической обработки (обычно отжиг при 700-800°С), то для сплавов 5В и 37 она не требуется. Сплав ВТ6 по своему химическому составу является аналогом наиболее распространенного за рубежом сплава Ti-6Al-4V.[7]

Сплавы ВТ3-1, ВТ8, ВТ18 обладают высокой термической стабильностью, имеют удовлетворительную пластичность, высокое сопротивление ползучести и достаточно высокую длительную прочность. Эти сплавы предназначены  для работы при высоких температурах [7]:

• сплав ВТ3-1   400 – 450°С;
• сплав ВТ8   450 – 400°С;
• сплав ВТ18   550 – 600°С.

Из сплавов этой группы изготавливают прутки, поковки и  штамповки. Следует отметить, что  все эти сплавы сравнительно плохо  свариваются.

Сплав ВТ14 достаточно технологичен в закаленном состоянии, удовлетворительно  сваривается всеми видами сварки и применяется для изготовления сварных конструкций, однако, требует  после сварки обязательной термической  обработки.

Сплав ВТ16 обладает высокой  технологичностью в отожженном состоянии  и специально разработан как сплав  для изготовления деталей крепления. Он с успехом может заменить сталь 30ХГСА в деталях крепления. Благодаря  высокому содержанию бета фазы сплав  ВТ16 может эффективно упрочняться  путем закалки и старения.[7]

Выбор сплава в каждом конкретном случае определяется условиями эксплуатации изделия, уровнем прочности материала, конструктивными и технологическими особенностями его изготовления. В то же время достаточное количество выпускаемых сплавов дает возможность  очень широко применять титан, как конструкционный материал в любой области науки, техники и промышленности.

1.2 Полуфабрикаты из титановых сплавов

 

Отечественная металлургическая промышленность имеет возможность  производить и поставлять самые  разнообразные полуфабрикаты из всех основных марок титана и титановых  сплавов [7]:

• листовой прокат и плиты из сплавов ОТ4-0, ВТ1-0, ОТ4-1, ВТ5-1, ВТ6с, ВТ14, ВТ20, ВТ22, 40, ПТ-3В, АТ3; (таблицы 2.2 и 2.3)
• полосу из сплавов ВТ1-00 и ВТ1-0;
• ленту из сплавов ВТ1-00, ВТ1-0 и ОТ4-0 обычной и повышенной точности;
• фольгу из титана марок ВТ1-00 и ВТ1-0 обычной или повышенной точности;
• проволоку сварочную из сплавов ВТ1-00, 2В и других сплавов;
• прутки кованные из сплавов ВТ1-00, ВТ1-0, ОТ4-0, ОТ4, ОТ4-1, ВТ3-1, ВТ5, ВТ5-1, ВТ6, ВТ6с, ВТ16, ВТ18, ВТ8, ВТ9, ВТ14, ВТ18У, ВТ20, ВТ22, ВТ23, ВТ25, ВТ25У, ПТ-3В, 3М, АТ3, ПТ-1М, ПТ-7М;
• прутки катанные из сплавов ВТ1-00, ВТ1-0, ОТ4-0, ОТ4-1, ОТ4, ВТ5, ВТ5-1, ВТ6, ВТ6с, ВТ3-1, ВТ8, ВТ9, ВТ14, ВТ16, ВТ18, ВТ20, ВТ22, ВТ23, ВТ25У, ПТ-3В, 3М, ПТ-7М, 5В, 37, АТ3;
• трубы бесшовные круглые катаные и тянутые из сплавов ВТ1-00, ВТ1-0, ПТ-1М, ПТ-7М, ПТ-3В, ОТ4-0, ОТ4-1, ОТ4;
• трубы сварные из сплавов ВТ1-00, ВТ1-0, ОТ4-0, 14;
• плиты биметаллические "сталь-титан";
• прокат биметаллический листовой "сталь-титан" и другие виды полуфабрикатов.

Поскольку наиболее перспективными для атомной энергетики являются титан марок ВТ1-00 и ВТ1-0, а также  сплав ПТ-3В, далее более подробно приведены основные виды полуфабрикатов, производимые в настоящее время  на предприятиях России.

 

Прутки катаные:

Размеры прутков из титана марок ВТ1-00 и ВТ1-0 и из сплава ПТ-3В  – Æ10¸150мм

По длине прутки изготавливаются:

1. немерной длины:

• от 0,5 до 4 м – при диаметре прутков от 10 до 18 мм включительно;

• от 0,5 до 6 м – при диаметре прутков от 18 до 60 мм включительно;
• от 0,5 до 2 м – при диаметре прутков от 60 до 150 мм включительно;

2. мерной и кратной мерной длины в пределах немерной.

Прутки (поковки) диаметром  свыше 150 мм производятся по согласованию с производителем.