книги из ГПНТБ / Пульцин Н.М. Титан и его применение в авиации

Н. М. ПУЛЬЦИН

ТИ Т А Н

ИЕГО ПРИМЕНЕНИЕ

ВАВИАЦИИ

АКВВИА

им.А Ф Можайского

ЛЕНИНГРАДСКАЯ КРАСНОЗНАМЕННАЯ ВОЕННО-ВОЗДУШНАЯ ИНЖЕНЕРНАЯ АКАДЕМИЯ имени А. Ф. МОЖАЙСКОГО

Ленинград—1960

ВВЕДЕНИЕ

Авиационная техника, как правило, является главным претенден­ том ,на новые материалы. Больше того, очень часто она стимулирует изыскание и производство таких материалов.

По мере развития и совершенствования летательных аппаратов требования к авиационным материалам непрерывно повышаются и становятся все более сложными. Если в начальный период развития авиации требовались материалы, обладающие высокой удельной прочностью при обычных температурах, то в настоящее время необ­ ходимы жаропрочные материалы, имеющие достаточную удельную прочность при высоких температурах и обеспечивающие требуемую жесткость конструкции.

Сферы применения таких материалов в авиации непрерывно рас­ ширяются. Теперь жаропрочные материалы нужны не только для двигателей, но и для самих летательных аппаратов, подвергающихся аэродинамическому нагреву при сверхзвуковых скоростях полета. Поэтому в последние годы разработаны и внедрены в производство новые авиационные материалы.

Наряду с другими новейшими авиационными материалами яв­ ляются титановые сплавы. Их развитие началось совсем недавно. Еще :в 1948 году и США было произведено всего лишь 3 т ти­

тана. Однако в последнее десятилетие в производстве титана и его сплавов были достигнуты значительные успехи. В Советском Союзе освоено и успешно развивается промышленное производство как ти­ тана, так и его сплавов.

Темпы развития промышленности титана могут быть проиллю­ стрированы данными о производстве его в США, приведенными в

таблице 1.

Таблица 1

в тоннах

3

Приведенные данные свидетельствуют о значительном росте мощности титановой промышленности передовой в техническом от­ ношении капиталистической страны. За последние годы значительно возросло производство титана и в других странах. По имеющимся в литературе сведениям, в 1957 году в Японии было произведено около 2500 т титана, в Англии — около 2000 т, а во Франции — около 1000 т. Предполагается, что объем мирового производства ти­ тана в 1960 году без СССР составит 100000 т.

Однако, несмотря на значительный рост производства титана и его сплавов, проблема использования этих материалов в авиации н^

Из таблицы 2 видно, что основа титановых сплавов — металл ти­ тан имеет высокие прочность и твердость и хорошую пластичность при малом удельном весе. Титан имеет также высокую температуру плавления, что является необходимым условием для Получения жа­ ропрочных сплавов. Малый коэффициент линейного расширения его обеспечивает надежную работу титановых сплавов в условиях теплосмен. Наконец, необходимо отметить еще одно положительное каче­ ство титана — высокую коррозионную стойкость, объясняемую ма­ лой химической активностью вследствйе образования на поверхности металла защитной окисноупленки. Хорошее сопротивление корро-

4

зин позволяет использовать титан н его сплавы для работы в раз­ личных агрессивных средах.

На фиг. 1 приводится сравнительная оценка основных групп авиационных материалов по их жаропрочности при различных тем­ пературах. Как видно из приведенных графиков, титановые сплавы имеют достаточно высокий предел длительной прочности до темпера­ туры 550 и даже до 600° *).

Таким образом, даже на современном уровне развития титановые сплавы являются вполне удовлетворительными авиационными мате­ риалами.

К-’

Температура в °С

Фиг. 1. Диапазоны значений длительной прочности основных групп метериалов при различных температурах:

1—магниевые сплавы; 2—алюминиевые сплавы; 3—материалы САП; 4—титановые сплавы; 5 —жаростойкие и нержавеющие стали; б—жаропрочные аустенитные стали; 7—никелевые сплавы; 8—молибденовые сплавы

Однако титан и его сплавы имеют существенные недостатки, ог­ раничивающие использование этих материалов и требующие прове­ дения дальнейших исследований, направленных на изыскание новых возможностей создания хороших титановых сплавов.

Титан имеет низкий модуль нормальной упругости. Это вызывает затруднения при создании жестких и устойчивых конструкций. В ря­ де случаев возникает необходимость дополнительного утяжеления детали с целью обеспечения необходимой жесткости. При этом эко­ номия в весе, достигаемая за счет высокой прочности и малой плот­ ности титана, утрачивается.

*) Здесь и далее температура приводится в градусах Цельсия.

5

Титан обладает ползучестью, которая развивается не только при повышенных температурах, но и при обычных. Эта особенность ти-. тана при высокой температуре плавления и рекристаллизации его яв­ ляется весьма неожиданной, не встречающейся у других металлов; она создает определенные трудности при изыскании сплавов, пред­ назначенных для работы в течение продолжительного времени при высоких температурах.

Свойства сплавов титана при эксплуатации весьма изменчивы. Это связано как с органическими недостатками самого титана, на­ пример его ползучестью и взаимодействием с воздухом при высокой температуре, так и с превращениями в структуре его сплавов, кото­ рые протекают при длительной эксплуатации и пока еще не всегда могут быть предсказаны заранее.

Наконец, обсуждая проблему титана и его сплавов, нельзя не упомянуть и об экономическом факторе. Производство титана яв­ ляется пока еще весьма сложным и дорогим. Обработка в процессе изготовления изделий связана с большим отходом металла в ока­ лину и на удаляемый при обработке резанием измененный слой. Способы использования отходов титана еще fie найдены. Все это при высокой стоимости самого титана значительно удорожает использо­ вание титановых сплавов в авиационной промышленности и в дру­ гих отраслях машиностроения.

Рассматривая недостатки титана, мы не имеем в виду в какой-ли­ бо мере умалить достоинства его как сов|ременного и весьма Пер­ спективного материала. В этом надо усматривать только желание подчеркнуть те трудности, которые необходимо преодолеть на пути создания новых титановых сплавов.

Прежде чем перейти к рассмотрению свойств титановых сплавов, необходимо остановиться на вопросах, касающихся процесса получе­ ния титана.

Титан является элементом 4-й группы периодической системы с порядковым номером 22 и атомным весом 47,9. Он имеет две аллотропические модификации; низкотемпературную а, сущест­ вующую до 885° и имеющую гексагональную кристаллическую, решетку, и высокотемпературную [3, существующую при темпе­ ратурах выше 885° и имеющую кристаллическую решетку объемноцентрированного куба.

Среди других металлов по распространенности в природе титан занимает пятое место после кремния, алюминия, железа и магния. Его содержание в земной коре составляет свыше 0,6 %. Если срав­

нить титан с такими давно известными и широко применяемыми в технике металлами, как никель, медь, свинец и другие, содержание которых в земной коре составляет тысячные и сотые доли процента, то станет ясно, что титан является далеко не редким металлом, хотя обычно его и относят к редким, и распространенность этого металла вполне позволяет широкую добычу и использование его в технике.

6

Титан впервые был открыт в 1789 году в виде двуокиси. Однако чистый ковкий титан в лабораторных условиях был получен только в 1910 году.

Титан является весьма активным элементом. Он обладает боль­ шим сродством к кислороду, азоту, углероду и другим металлоидам, способен образовывать сплавы с различными металлами. Поэтому получение титана в чистом виде является весьма трудным процес­ сом.

Ввиду высокой активности титана число минералов, содержащих его, весьма велико и достигает 60. Однако основными минералами, из которых в настоящее время производится промышленная добыча титана, являются рутил ТЮг и ильменит ГеТЮ3. Они входят 'в со­ став титановых руд наряду с другими веществами. Поэтому одним из первых металлургических процессов получения титана является производство чистой двуокиси. Однако возможно извлечение гитана из руд и в виде галоидных соединений. Это является даже более предпочтительным, так как ввиду трудности восстановления метал­ лического титана из окиси все равно приходится получать из нее га­ лоидное соединение, например путем хлорирования.

Одним из промежуточных продуктов в процессе металлургиче­ ского производства титана является четыреххлористый титан ПСЦ. Он получается хлорированием рутила, ильменита, чистой двуокиси и других соединений титана. Аналогично может быть получен и четырехиодистый титан ПП. Галоидные соединения легко восстанав­ ливаются до металлического титана магнием, натрием, алюминием, кальцием или литием.

Основным методом получения титана в настоящее время является магниетермический. По этому методу процесс ведется следующим образом. В железную реторту помещают магний и нагревают его в нейтральной атмосфере, а затем ъ эту реторту вводят четыреххло­ ристый титан. В результате реакции получается губчатый титан и жидкий хлористый магний. Последний сливается, остатки его уда­ ляются под вакуумом или вымываются подкисленной водой.

Губчатый титан подвергают переплавке электродуговым или ин­ дукционным способом с целью получения обычного компактного ме­ талла. В настоящее время наиболее распространенным является электродуговой метод переплавки, при котором губчатый титан предварительно размельчается и спрессовывается в стержни. Затем эти стержни используются в качестве расходуемых электродов. Вто-

•рьпм электродом является металлический титан, помещенный на дне охлаждаемой медной изложницы. При плавке металл расплавляется небольшими порциями и сразу застывает. Слиток получается как бы послойным, вследствие чего он оказывается неоднородным по со­ ставу. Для повышения однородности применяют двойную пере­ плавку.

Более однородный слиток с лучшей воспроизводимостью состава получается при индукционной переплавке титана. Однако при этом процесс ведется в графитовых тиглях, что вызывает значительно?

7

насьНцение титана углеродом, повышение твердости и снижение пла­ стичности его. Указанный недостаток является настолько серьезным, что индукционная плавка, несмотря на ее преимущества перед эле-к- тродуговой, по высказываемому в литературе мнению [1] не сможет

найти широкого применения до тех шор, пока не будет разработан материал, в тиглях из которого можно было бы плавить титан без загрязнения его.

Магниетермическим методом с последующей переплавкой полу­ чают обычный технический титан, широко применяемый для листов

идругих полуфабрикатов1. В его состав входит некоторое количество примесей кислорода, азота, водорода, углерода, кремния, железа И других элементов. Общее содержание примесей достигает. 0,5% ')

иболее.

Для получения более чистого титана применяется иодидный ме­ тод, при котором в реакторе специальной конструкции в результате взаимодействия технического титана, с иодом образуется четырехиодистый титан, диссоциирующий в этом же реакторе на поверхно­ сти раскаленной пропусканием электрического тока тонкой титано­ вой или вольфрамовой нити. При этом чистый титан осаждается на поверхности указанной нити, а иод вновь взаимодействует с техни­ ческим титаном. Получаемый этим методом титан содержит не бо­ лее 0,1% примесей и применяется для исследований, проводимых в

целях изучения различных систем титановых сплавов. Хотя иодид­ ный метод и является малопроизводительным и дорогим, однако луч­ шего способа получения чистого титана в настоящее время не суще­ ствует.

В литературе [1, 2, 3] сообщается о большом числе работ по изы­ сканию способа получения титана электролизом его соединений. Од­ нако существенных положительных результатов в этом направлении пока еще не достигнуто.

Титановые сплавы, так же как ,и технический титан, получаются из титановой губкй методом переплавки. Однако при изготовлении расходуемых электродов в измельченный губчатый титан вводятся легирующие элементы или промежуточные сплавы их, так называе­ мые лигатуры. Для получения однородного по составу слитка при изготовлении сплава применяют, как правило, метод двойной пере­ плавки. При этом, имея в виду не допустить насыщение сплава сверх нормы нежелательными примесями кислорода, азота и других, про­ цесс ведут в защитной атмосфере аргона, гелия или смеси этих га­ зов. Это же относится и к процессу получения-технического титана.

Технический титан и его сплавы могут быть получены не только переплавкой, но и методом порошковой -металлургии, кратко рас­ смотренным далее в главе «Технологические особенности титановых сплавов».

Общее количество примесей, содержащихся в. титане и его спла­ вах, зависит от качества титановой губки и от чистоты защитной

') Здесь и далее содержание элементов приводится в весовых процентах.

атмосферы, применяемой в процессе переплавки. В качестве при­ мера в таблице 3 приведен химический состав технического титана

марки ВТ1.

Таблица 3

более

Суммарное количество примесей железа и вольфрама не должно превышать 0,8 %.

ОБЩЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ТИГДН ПРИМЕСЕИ И ЛЕГИРУЮЩИХ ДОБАВОК

Ввиду высокой химической активности титана трудно предста­ вить себе этот металл совершенно чистым, не содержащим примесей каких-либо элементов. Обычный технический титан, как известно, содержит некоторое количество примесей кислорода, азота, водоро­ да, углерода и других элементов. При получении титановых сплавов в технический титан преднамеренно вводятся различные легирую­ щие присадки. Наконец, при производстве и эксплуатации титан и его сплавы в определенных условиях могут дополнительно насы­ щаться некоторыми примесями.

Все это обязывает нас знать и учитывать влияние отдельных эле­ ментов, как случайных примесей, так и преднамеренно вводимых ле­ гирующих присадок, на фазовые превращения, структуру, свойства и поведение при обработке и в эксплуатации как титана, так и- его сплавов.

Титан способен вступать во взаимодействие почти со всеми эле­ ментами периодической системы. Однако наиболее важное практи­ ческое значение в качестве примесей или легирующих элементов п

настоящее время имеют кислород, азот, водород, углерод, кремний, железо, вольфрам, алюминий, хром, молибден, ванадий, марганец, ■олово, медь, ниобий и тантал.

Небольшие количества примесей азота, кислорода и других эле­ ментов благоприятно сказываются на повышении прочности. Поэто­ му иногда, желая дополнительно повысить прочность, сознательно идут на некоторое увеличение количества примесей азота и кисло­ рода. При этом пластичность и вязкость титана несколько пони­ жаются.

Влияние кислорода и азота на механические свойства, титана ил­ люстрируется графиками, приведенными на фиг. 2 и 3.

9