Материал: Технологические основы современных способов сварки. учебное пособие. Пешков В.В., Коломенский А.Б

даже при быстром охлаждении металла, нагретого выше температуры полиморфного превращения (882,5°С). При охлаждении с любой скоростью имеет место превращение β-фазы в α-фазу, которое осуществляется по бездиффузионному мартенситному механизму. Однако в зависимости от скорости охлаждения получаются различные конечные микроструктуры чистого титана: от обычной полиэдрической равноосной

структуры α-фазы, характерной вообще для чистых металлов при медленном охлаждении, до мартенситоподобной в виде зазубренных пластинок при быстром охлаждении. Такая струк-

тура превращенной β- фазы носит название α′-фазы.

Чистый (иодидный) титан обладает высокой пластично-

стью (δ = 60 %, ψ = 80 %). Плотность жидкого титана при температуре кристаллизации составляет 4,1 г/см3. Титан обладает

высокими температурами плавления и кипения (1668 и 5100°С соответственно). Скрытая теплота плавления титана почти в два раза больше, чем у железа, поэтому расплавление титана требует больших затрат энергии. Низкое значение коэффициента теплопроводности титана - почти в 4 раза меньше, чем для железа и в 13 раз меньше, чем для алюминия - способствует увеличению объема сварочной ванны и снижению температуры.

Высокое удельное сопротивление титана, превосходящее значение такого же показателя для железа почти в 6 раз, а для алюминия более чем в 20 раз, необходимо учитывать, например, при выборе контактирующих устройств для сварки плавлением с использованием титановой проволоки. Вблизи точки плавления поверхностное натяжение жидкого титана в 1,5 раза выше, чем у алюминия. Это обеспечивает благоприятные условия для формирования корня шва при сварке на весу.

Сравнительно небольшое значение модуля упругости ти-

тана -1,12 105 МПа (почти в 2 раза меньше, чем у железа) относится к числу его недостатков, т. к. в некоторых случаях для получения жёстких конструкций приходится применять боль-

11

шие сечения их элементов по сравнению с теми, которые следуют из условий прочности. Модуль упругости может быть заметно повышен легированием титана.

В качестве конструкционного материала используют технический титан, содержащий примеси, важнейшими из которых являются примеси внедрения: кислород, азот, водород, углерод.

Кислород хорошо растворяется в α-титане. Атомы кисло-

рода, внедряющиеся в октаэдрические пустоты α-титана, сильно искажают её, и поэтому кислород существенно повышает предел прочности, предел текучести и твердость иодидного титана. В области малых концентраций (до 0,2 %) каждая сотая доля процента кислорода повышает предел прочности и текучести титана примерно на 12 МПа. Однако при достаточно высоком содержании кислорода сплавы становятся настолько хрупкими, что происходит падение предела прочности и текучести. Кислород сильно понижает пластические свойства титана в области малых концентраций (до 0,1 %), а при содержании кислорода более 0,7 % титан полностью теряет способность к пластическому деформированию.

Азот упрочняет титан ещё в большей степени, чем кислород. Пластичность титана при наличии азота уменьшается, и при его содержании более 0,2 % наступает хрупкое разрушение.

Углерод меньше влияет на свойства титана, чем кислород и азот. Растворимость углерода сравнительно невелика и резко уменьшается с понижением температуры. По этой причине при содержании более 0,1 % С в структуре титана появляются выделения карбидов, что приводит к значительному снижению пластичности титана.

Водород - весьма вредная примесь в титане и его сплавах, поскольку он даже при малом содержании резко ухудшает свойства титана и приводит к замедленному разрушению деталей. Содержание водорода с увеличением температуры падает в

12

связи с уменьшением его растворимости в титане, однако водород, находящийся в твердом пересыщенном растворе, выделяется и образует отдельную фазу - гидрид титана TiH2, которая сильно охрупчивает титан и способствует образованию холодных трещин через длительное время после сварки (замедленное разрушение). Кроме того, водород способствует образованию пор. В связи с этим обстоятельством допустимое содержание водорода, как правило, не превышает 0,01 %, и принимаются все меры к устранению возможности наводораживания металла, например, исходные заготовки деталей отжигают в вакууме.

В ряде случаев пригодность титана для сварки предварительно оценивают по величине расчётной твёрдости, определяя

её по эмпирической формуле:

НВ = 40 + 310 [O]э1/2,

где [O]э – эквивалентное содержание кислорода. Оно рассчитывается по формуле

[O]э = [ %О] + 2[ %N] + 2/3[ %C],

где [ %O], [ %N], [ %C] – процентное содержание в титана соответственно кислорода, азота и углерода.

Если НВ ≤ 200 и содержание водорода не превышает 0,01 %, то сплав относят к хорошо свариваемым.

Значительное повышение прочности титана достигается при его легировании. Для изготовления сварных конструкций применяют сплавы на основе титана, обладающие прочностью от 500 до 1500 МПа (табл. 1.3).

Легирующие элементы и примеси в титановых сплавах принято классифицировать в зависимости от их влияния на температуру полиморфного превращения. Все элементы разде-

ляют на повышающие (α-стабилизаторы) и понижающие (β- стабилизаторы). Наиболее широко распространённым α- стабилизатором, добавляемым почти во все сплавы титана, является алюминий. Кроме него в эту группу входят галлий, индий и такие примеси, как кислород, азот и углерод. К β-

13

стабилизаторам относятся молибден, хром, ванадий, марганец, ниобий, железо, медь и др., из примесей – водород.

Таблица 1.3 Химический состав и механические свойства некоторых

титановых сплавов

Примечание: для отдельных сплавов в числителе и знаменателе указаны

свойства без термообработки и после термообработки (закалки и старения) соответственно.

Существуют и элементы, которые практически не влияют на температуру полиморфного превращения: олово, цирконий, германий. Такие элементы называют нейтральными упрочнителями. В соответствии с этим все титановые сплавы условно

подразделяют на α-сплавы, β-сплавы и двухфазные α+β.

К α-сплавам относятся сплавы с преобладанием в их структуре α- твёрдого раствора титана (более 95 %). Как пра-

вило, это сплавы, легированные α- стабилизаторами и нейтральными упрочнителями (алюминий, олово, цирконий), например, ВТ5, ВТ5-1. Их упрочнение обусловлено легировани-

14

ем твёрдого раствора. В дополнение к упрочнению от легирования они могут упрочняться нагартовкой. α-сплавы могут быть легированы и β-стабилизаторами в количествах, близких к их растворимости в α-титане. В отличие от «чистых» α - сплавов, сплавы, дополнительно легированные β- стабилизаторами, принято называть псевдоα-сплавами (ОТ4-1, ОТ4, ВТ4,

ВТ6С, ВТ20 и др.). α-сплавы не упрочняются термической обработкой, они могут подвергаться только отжигу, например,

для уменьшения напряжений, возникающих при сварке. α- сплавы хорошо свариваются всеми видами сварки и отличаются высокой термической стабильностью.

К β-сплавам относятся сплавы с преобладанием в их структуре твердого раствора на основе β-модификации титана. Основными легирующими элементами этих сплавов являются

β-стабилизаторы. Эти сплавы эффективно упрочняются термической обработкой, состоящей из закалки и старения. Они характеризуются удовлетворительной свариваемостью.

К (α+β)-сплавам относятся сплавы со смешанной струк-

турой из твёрдых растворов на основе α- и β-модификаций титана (например, ВТ3-1, ВТ6, ВТ14, ВТ22). Сплавы этого типа обладают ограниченной свариваемостью, они требуют термической обработки после сварки.

Титан и его сплавы находят широкое применение в различных областях техники. Крупнейшей в мире сварной конструкцией из титановых сплавов является малошумный тяжёлый ракетный крейсер стратегического назначения (шифр «Акула» по классификации НАТО). Его длина 172,8 м; ширина 23,3 м; водоизмещение 28500 м3; глубина погружения 500 м. Использование титана для изготовления корпуса лодки позволило уменьшить массу корпуса, увеличить глубину погружения, уменьшить магнитное поле, что увеличивает её главное тактическое достоинство – скрытность.

Применяются титановые сплавы в конструкциях воен-

15