2. Металлургия титана

3.2.1.Физико-химические свойства и области применения

По внешнему виду титан похож на сталь. Он плавится при 1668 ^оС и кипит при 3300 ^оС.

Титан существует в двух кристаллических модификациях- α и β. Температура полиморфного превращения титана зависит от количества примесей в нем; для чистого металла она равна 882,5^о С. Низкотемпературная модификация (α- титан) имеет гексагональную решетку с плотной упаковкой атомов. Параметры кристаллической решетки: а_о = 2,95111 А^о ± 6.10 ^-5; с₀ =4,68433 ±10.10 ^-5; с / а = 1,5873. Параметры решетки α- титана, особенно значение с, увеличиваются при поглощении малых количеств кислорода или азота, сопровождаемом образованием твердых растворов кислорода и азота в титане. Высокотемпературная модификация (β - титан) имеет объемно-центрированную кубическую решетку. Ее параметр а при 900 ± 5^о С равен 3,3065 ±0,0001 А^о. При α → β – превращении изменение объема составляет 5,5 %. Полиморфизм титана, хорошая растворимость в нем многих элементов, образование химических соединений с переменной растворимостью позволяют получить на основе титана большое количество сплавов с разнообразной структурой и свойствами

Плотность чистого α – титана при 25^оС равна 4,507 г/ см³, β - титан при 900^о С 4,32 г/см³, жидкого (технического) при температуре кристаллизации 4,11 г/ см³.

Коэффициент теплопроводности титана снижается по мере роста температуры от 3,7.10 ^-2 кал/(см.сек.град ^-1 ) при 50^о С до 3,1.10^-2 кал/(см.сек.град^-1) при 700 ^оС.

Его механическая прочность примерно вдвое больше, чем чистого железа, и почти в шесть раз выше, чем у алюминия. В чистом виде титан пластичен и легко подается механической обработке. На воздухе при обычной температуре титан устойчив. При нагреве выше 550 ^ОС он энергично окисляется и поглощает кислород и другие газы.

Титан способен растворять почти все элементы периодической системы. Однако наиболее важное практическое значение в качестве легирующих добавок к титану имеют алюминий, хром, молибден, ванадий, марганец, олово, медь, ниобий, тантал, железо, вольфрам, кремний. Они образуют с титаном твердые растворы замещения.

Основные неметаллические примеси – кислород, азот, углерод, водород относятся к твердым растворам внедрения. Растворяясь в титане, они искажают кристаллическую решетку, повышают жесткость межатомных связей и уменьшают способность кристаллитов к пластической деформации. Поэтому под влиянием указанных примесей твердость и прочность титана возрастают, а пластичность снижается. Для дополнительного повышения прочности титана иногда в нем повышают содержание кислорода, в частности вводя в шихту для выплавки слитков рассчитанное количество двуокиси титана. Этот же эффект достигается введением в шихту для выплавки слитков некоторого количества отходов, обогащенных кислородом.

Титан обладает ценным сочетанием высоких механических свойств и сравнительно небольшой плотностью (4,5 г/см³). Сплавы титана отличаются термостойкостью и особенно высокой удельной прочностью (отношение прочности к плотности) при температурах до 600° С, превосходящее основные марки стали и другие металлы конструкционного назначения.

Это преимущество титана значительно увеличивается у его сплавов, удельная прочность которых может быть повышена в 1,5…2 раза и сохраняется при повышенной температуре, тогда как многие другие конструкционные материалы в значительной степени разупрочняются.

По пластичности титан не уступает другим металлам. Чистый титан может быть подвергнут всем видам холодной и горячей механической обработки, вплоть до получения фольги толщиной 0,1...0,01 мм. Отношение предела текучести к пределу прочности составляет для титана около 0,8 - 0,9 против 0,65 для углеродистых и 0,5 для нержавеющих сталей, что ограничивает степень деформации титана в охлажденном состоянии. При нагреве титана до 500 - 600⁰С и особенно вблизи температуры рекристаллизации указанное отношение значительно снижается, в результате чего он может деформироваться при меньших напряжениях и с большими степенями обжатия.

Титан и многие его сплавы хорошо свариваются. Однако присутствие в металле в заметном количестве кислорода, азота, углерода и особенно водорода ухудшает свариваемость титан и способствует образованию в сварных швах холодных трещин.

Механические свойства титана зависят от его чистоты. Внедрение кислорода и азота в титан увеличивает твердость, прочность, предел текучести и снижает пластичность металла. Водород является одной из наиболее вредных примесей, так как резко снижает пластичность металла и особенно ударную вязкость.

Положительным качеством титана является широкое его распространение в природе. По содержанию в земной коре среди металлов основного конструкционного назначения он уступает только алюминию и железу.

Другим важным достоинством титана является его исключительно высокая химическая стойкость по отношению к очень многим агрессивным средам неорганического и органического происхождения, морской воде, физиологическим растворам и пищевым кислотам. Причем во многих агрессивных средах коррозионная стойкость титана сопоставима с коррозионной стойкостью наиболее стойких материалов, в том числе платины.

С другой стороны, нелегированный титан обладает недостатками, ограничивающими применение его в чистом виде: не высокая прочность и довольно быстрое разупрочнение металла с ростом температуры, а также склонность металла к ползучести, понижение усталостной прочности и коррозионной стойкости в некоторых агрессивных средах. Необходимо отметить также, что уровень переменных напряжений в титановых лопатках ниже, чем в стальных. Широкое использование титана в двигателях сдерживается также особенностью титана, связанное с пожароопасностью, что ставит ограничение по максимальным рабочим температурам.

Предел текучести титана в пять раз выше, чем у алюминия, и почти в три раза - чем у железа. Неудивительно, что когда перед авиаконструкторами встал вопрос, какому металлу доверить преодоление звукового барьера, выбор пал на титан.