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

■возможность скользить относительно зажимных губок на 1—0,1 мк.

При этом поверхность образца подвергалась фрикционной коррозии. Исследуемый сплав имел аа=114 кг;мм- и 3 = 16,5%. Предел

выносливости его при фрикционной коррозии определялся на

При увеличении зажимного давления предел выносливости сна­ чала несколько уменьшается, а затем остается постоянным.

Оксидирование или покрытие пленкой политетрафторэтилена, вы­ зывающие снижение коэффициента трения и препятствующие непо­ средственному контакту металлов, приводят к повышению усталост­ ной прочности при фрикционной коррозии. Это же наблюдается и в результате дробеструйной обработки. Во всех трех случаях предел выносливости достигает 0,5—0,6 от обычного.

Предел выносливости при фрикционной коррозии в значительной мере зависит от материала зажимных губок. Если зажимные губки изготовлены из мягких материалов, например магния, алюминиевых рплавов, меди, имеющих твердость 100—230 единиц по Виккерсу, то предел выносливости при (фрикционной коррозии достигает 0,8 обыч­

ного предела.

Трение и износ. Титановые сплавы плохо работают при трении

и износе. Этому вопросу посвящены многочисленные исследования. Досадно, что титан, превосходящий по многим показателям другие материалы, оказывается неудовлетворительным в такой важной для машиностроения области, как трение и износ.

При работе в паре с другими металлами титан заедает и исти­ рается. Только некоторые сплавы, в частности сплав серебра с 10% меди, а также баббит, способны скользить по титану, не вызывая за­ метного истирания его поверхности. Поверхностный слой титана, на­ сыщенный кислородом и азотом, несмотря на снижение коэффициен­ та трения с 1,5 до 0,47 [28], не препятствует .истиранию и заеданию исследованных титана и его сплавов; под действием тепла, механиче­ ского трения и давления он легко разрушается и обнажает поверх­ ность титана. Кроме того, этот слой не может удерживать обычные смазки и препятствует нанесению на титан металлических покрытий.

Изменение твердости титановых сплавов от 32 до 41 по Роквеллу и структуры почти не влияет на их износостойкость, остающуюся та­ кой же низкой, как и у нелегированного титана. Уменьшение износа титана при трении скольжения может быть достигнуто изменением свойств поверхности его путем создания покрытий, способных удер­ живать смазку. Ими могут служить тонкие пленки галогенированных органических соединений с линейной структурой молекул, со­ держащих фтор.

Для зубчатых передач можно применять цианирование титано­ вых сплавов, однако для цианированных изделий должна быть пра­ вильно подобрана смазка. При нетяжелых условиях износа хорошие результаты дает оксидирование. Нанлучшим средством борьбы с за­

50

еданием и истиранием являются металлические покрытия трущихся титановых поверхностей. Сообщается [28] об исследовании покры­ тий титана никелем, хромом, кобальтом, железом, серебром, медью, свинцом, оловом, золотом, кадмйем, марганцем и карбидом вольфра­ ма WC. Наилучшим из всех указанных покрытий оказался электро­ литический никель.

В статье И. С. Калтюг и В. И. Сыщикова [29] приведены резуль­ таты исследований коэффициента трения и глубины повреждения скользящих поверхностей при длительнам испытании титана и его сплавов в паре с титаном, сталью 2X13, сталью 3 и латунью Л062-1. Испытания проводились без смазки при давлениях 10, 100 и 300 кг/см2. В результате испытаний было установлено, что наиболь­

ший коэффициент трения имеет место при работе титанового сплава в паре с гитанам.

Повреждения титанового сплава при работе по латуни не наблю­ дается, в то время как при трении по титану титановый сплав по­ вреждается на глубину 30—40 мк.

Проводились также испытания титановых сплавов на износ при работе в паре с латунью, бронзой и сталью 2X13. При этом было установлено, что износ титановых сплавов в 15—30 раз выше износа латуни, бронзы и стали.

В статье сделан вывод о том, что в узлах трения, работающих при высоких напряжениях, титановые сплавы не могут быть исполь­ зованы. Применять Их можно только при небольших напряжениях и в паре с латунью или бронзой. Однако этот вывод вряд ли яв­ ляется общим, поскольку авторы не исследовали всех титановых сплавов и не применили эффективные способы упрочнения поверх­ ности, способные значительно улучшить свойства титановых дета­ лей при работе их на трение. Такие сплавы и способы упрочнения могут быть найдены в результате дальнейших исследований.

Влияние предварительной обработки. Различные виды предвари­ тельной обработки, например ковка, гомогенизирующий отжиг и Другие, способны сильно изменить структуру и свойства титановых сплавов.

В работе Сольнье и Девле [30] приведены результаты исследова­ ния влияния режимов ковки на микроструктуру и механические свойства титанового сплава, содержащего 2,7% Сг и 1,3% Fe. Из слитка этого сплава ковкой при 830° была получена болванка квад­ ратного сечения со стороной квадрата 100 мм. Дальнейшей ковкой

этой-болванки при температурах начала деформации в интервале 700—900° и при степенях деформации от 10 до 80% было установ­ лено, что степень уковки влияет не столько на абсолютную вели­ чину механических свойств, сколько на их однородность по сечению заготовки.

После ковки с температуры начала деформации 700 — 750° микроструктура сплава состоит из p-основы и массивных зерен a-фазы, вытянутых в направлении деформации. При высокой степени уковки, составляющей свыше 40%, микроструктура

поковки получается мелкозернистой, а механические свойства е е —достаточно однородными и высокими.

При температуре начала деформации 800°, равной для этого сплава точке аллотропического превращения а [3, после ковки наблюдается видманштеттова структура. При этом сплав содер­ жит максимальное количество стабильной (3-фазы, а высокая

водит к повышению прочности и снижению пластичности; свой­ ства получаются близкими к тем, которые имеют место после ковки с температуры начала деформации 700—750°, а неодно­ родность— выше из-за наличия пластинчатой a-фазы наряду с массивной.

В сплаве, содержащем 4% А1 и 1,5% Мп, наилучшая струк­

тура, представляющая собой равномерное и мелкозернистое строение а + (3-фаз и обеспечивающая оптимальное сочетание свойств прочности и пластичности, получается при ковке в ин­ тервале температур 1000 — 800° (11]. Повышение температуры ковки приводит к ухудшению структуры: (3-фаза становится крупнозернистой и игольчатой (фиг. 43). При этом сплав при­ обретает более высокую прочность, но меньшую пластичность и ударную вязкость.

Отжиг сплава, прокованного в оптимальном интервале тем­ ператур, вызывает некоторое изменение структуры и свойств, зависящее от температуры нагрева. Так, например, при нагреве до 200— 300° происходит снижение прочности и повышение пла­ стичности по причине снятия внутренних напряжений. Отжиг при 400—600° вызывает повышение прочности и снижение пла­ стичности вследствие распада [3-раствора и образования хрупкой

в интервале температур 1000-800" [12]. Микроструктура сплава при этом характеризуется равномерным мелкозернистым строе­ нием и состоит из смеси а + |3 (фиг. 44,а). Повышение интервала температур ковки до 1100 — 90СГ снижает ударную вязкость и пластичность сплава вследствие роста зерен [3-фазы и образова­ ния грубоигольчатых продуктов ее распада (фиг. 44,6).

Сплав, прокованный по оптимальному режиму, после отжига при 400—500° имеет несколько большую прочность и понижен­ ную пластичность. Это объясняется распадом (3-раствора с об­ разованием метастабильной ш-фазы, которая, однако, под микро­ скопом не обнаруживается. Повышение температуры отжига вызывает заметное снижение прочности и некоторое повышение пластичности вследствие образования стабильной а-фазы.

52

Структурные'Превращения очень сильно сказываются на измене­ нии механических свойств титановых сплавов. Причем эти превра­ щения могут протекать даже в процессе механических испытаний. В работе Берджера и других [31] отмечается возможность таких пре­ вращений в структуре, а также рассматривается'изменение механи­ ческих свойств сплавов в результате гомогенизации их.

Сплав титана с 35% Nb после'закалки в воду с температуры 845° имел структуру p-раствора и в то же время максимальные значения предела прочности и относительного удлинения при минимальной величине предела текучести. Это, по мнению ав­ торов работы |31|, связано, вероятно, с мартенситным превра­ щением р-э-а', протекающим в закаленном титановом сплаве под влиянием пластической деформации, интенсивно развиваю­ щейся при напряжениях, превышающих предел текучести.

Механические свойства сплавов титана с ниобием могут быть

в результате последующей выдержки при 650° в течение 16 ча­ сов дает повышение относительного удлинения с 5 до 17% [311.

В работе Ричардса и других [31] приведены результаты ис­ следований механических свойств, способности к формоизмене­

приятно сказывается на способности сплава к формоизменению. Кроме того, сплав имеет высокие значения свойств, непосред­ ственно определяющих пластичность, а именно: общее 3 = 16%,

рого ап достигает 130 кг,мм*, з02—105 kzJmm2, а 8 падает до 8 %.

Повышение температуры гомогенизации подвергаемого старению сплава вызывает увеличение предела прочности и некоторое сниже­ ние относительного удлинения и пластичности при изгибе.

Предел прочности 135 кг/мм2, полученный в результате гомогени­

зации при 900° и старения при 480° в течение 24 часов, сохраняется при нагревании до 540°. Деформация ползучести сплава при напря­ жении 35 кг/мм2 и температуре 425° за 1000 часов составляет в сред­

нем 1,25%.

По способности к формоизменению при комнатной температуре сплав, гомогенизированный при 845°, не хуже технического титана. Сплав хорошо сваривается и имеет высокую пластичность шва, уве­ личивающуюся в результате закалки в воду после получасовой го­ могенизации при 845°.

В одной из последних работ [32] было исследовано влияние отжига на структуру и свойства сплава технического титана с

53

4% А1 и 4% Мп. После отжига в течение 1 часа при 700° н

охлаждения на воздухе микроструктура этого сплава состоит из изогнутых пластин a-фазы, разделенных прямолинейными пластинами (3-фазы. В результате отжига в течение 2 часов при 700°, охлаждения с печью до 540° и последующего охлаждения на воздухе микроструктура исследованного сплава получается аналогичной предыдущей, однако (3-фаза в ней находится в форме более сфероидизированных образований.

Деформация сплава, отожженного в области а -f (3, при испы­

тании на ползучесть в течение 100 часов при 400° и напряже­ нии 35,5 кг]мм? существенно зависит от предварительной терми­

ческой обработки. Так, например, образец, выдержанный 16 часов при 700° и охлажденный на воздухе, имел деформацию за время

на воздухе деформация за время испытания составила 0,23%.

Аналогичная картина наблюдается и при более высокой темпера­ туре отжига. Образец, выдержанный 1 час при 800°, охлажденный с печью до 700°, а затем охлажденный на воздухе, имел деформа­ цию за .время испытания 0,473%, а после выдержки при 800° в тече­ ние 1 часа, охлаждения с печью до 550° и охлаждения на воздухе де­ формация за время испытания оказалась равной 0,151%.

Минимальная деформация рассматриваемого сплава при ползу­ чести имеет место после отжига при 800° и охлаждения с печью до 550°. Все сказанное позволяет сделать вывод о том, что чем стабиль­ нее структура, тем ниже скорость ползучести сплава при повышен­ ной температуре. Наибольшая прочность и стабильность свойств сплава Ti-4Al-4Mn наблюдается после прокатки, отжига при 800°, охлаждения с печью со скоростью 100°/час до 550° и последующего охлаждения на воздухе.

Влияние предварительной пластической деформации изучалось в работе Гейла и Каруайла [33]. Исследованию подвергались гладкие

инадрезанные образцы технического титана и сплава ТГ4АГ4Мп

всостоянии после отжига и предварительной деформации растяже­ нием на 8 и 12%. Угол надреза составлял 60°, а радиус закругления

внадрезе был 1,27 мм. Испытания на растяжение проводились со

скоростью 0,5— 1,0% сужения поперечного сечения в минуту.

Прочность как гладких, так и надрезанных образцов почти не за­ висит от температуры предварительного деформирования. Наклеп гладких образцов в результате предварительного деформирования при температурах — 196°, +25 и +100° почти одинаков. Истинный предел прочности, определенный в результате испытаний на растя­ жение при этих температурах, не зависит от величины предваритель­ ной деформации, за исключением образцов из сплава Ti-4Al-4Mn с глубоким надрезом, предварительно деформированных при 25° на величину свыше 4%. Истинный предел прочности этих образцов с увеличением предварительной деформации понижается,.

5 4

Пластичность как гладких, так и надрезанных образцов, опреде­ ляемая при испытании на растяжение, в известной мере зависит от величины и температуры предварительного деформирования. Так, например, предварительное деформирование при 25° понижает пла­ стичность как титана, так и сплава при — 196°.

КОРРОЗИОННАЯ СТОЙКОСТЬ ТИТАНА И ЕГО СПЛАВОВ

Титан и его сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью в различных средах. Это объясняется малой химической активностью титана вследствие образования на его поверхности защитной окисной пленки. Однако при повышении температуры эта пленка разру­ шается и титан обнаруживает чрезвычайно высокую химическую ак­ тивность, энергично взаимодействуя с галоидами, кислородом, се­ рой, углеродом, азотом и другими элементами. Так, например, с фтсъ ром титан заметно реагирует при температуре выше 150°, с хло­ ром — при 350°, с бромом — при 360° и с иодом — при 400°. Йодная настойка вызывает сильную точечную коррозию титана уже при ком­ натной температуре. При' накаливании происходит сгорание титана в атмосфере азота.

Различают химическую, газовую и электрохимическую коррозию титана и его сплавов.

Хи м и ческа я коррозия. Под химической коррозией, как известно,

понимается процесс разрушения металла в результате простого хи­ мического взаимодействия его с внешней средой. Титановые сплавы хорошо противостоят этому виду разрушения во многих средах. Они безусловно устойчивы против химической коррозии в органических кислотах, сильных щелочах, во влажном хлоре, содержащем свыше 0,013% водяного пара, а также в морской воде. По стойкости про­ тив коррозионного действия многих сред титан иногда сравнивают с платиной.

Оказывая высокое сопротивление химической коррозии, титан и его сплавы вместе с тем являются нестойкими в ряде сред. Титан не сопротивляется воздействию многих неорганических кислот. Так, например, в соляной кислоте при температуре кипения титан оказы­ вается стойким только в том случае, когда концентрация кислоты не превышает 1%. Сильно разъедает титан фтористоводородная кисло­ та любой концентрации. Серная кислота комнатной температуры слабо действует на титан при концентрациях до 10%. Однако уве­

личение температуры свыше 85° дает усиление коррозии Уже при концентрации кислоты 1%.

Азотная кислота даже при концентрации 98% не действует на ти­ тан, так как является сильным окислителем и образует защитную окисную пленку, препятствующую коррозии. Тем не менее при тем­ пературе кипения титан оказывается устойчивым в азотной кислоте только при концентрации ее не более 65%.

Титан -стоек в фосфорной кислоте концентрации до 30% при ком­ натной температуре и до 5% при температуре кипения, В хромовой

55

кислоте титан также не корродирует. Против действия смеси соля­ ной и азотной кислот титан 'полностью устойчив при комнатной температуре. Добавка азотной кислоты к другим кислотам или при­ сутствие кислорода в них замедляет процесс коррозии титана в этих средах. Однако добавка азотной кислоты, кислорода или других пас­ сивирующих агентов к плавиковой кислоте не препятствует коррозии титана в ней. Скорость коррозии титана в кипящей 5-процентной плавиковой кислоте может быть снижена почти в 100 раз введением

в него 0,1 % палладия [48].

Титан обладает хорошим сопротивлением коррозии в растворах неорганических солей, в частности в холодных и горячих растворах хлоридов меди, железа, магния, ртути, серебра, натрия, цинка и дру­ гих, но нестоек в горячем концентрированном растворе хлорида алюминия.

Титан не корродирует в гидроокиси алюминия, в сернокислой ме­ ди, перекиси водорода, сероводороде, серном газе и в различных соединениях натрия. Из органических соединении на титан не дей­ ствуют, в частности, бензин, метиловый и этиловый спирты, толуол, фенол, формальдегид, трихлорэтилен и другие.

Как известно, под влиянием напряжений коррозионное действие химических сред на металлы усиливается. К титану это относится только отчасти. В настоящее время можно указать две среды, в ко­ торых наблюдается усиление коррозии титана под действием напря­ жений,— это бромистоводородная кислота и дымящая азотная кис­ лота, причем в последней коррозия титана под напряжением разви­ вается настолько интенсивно, что может сопровождаться взрывом.

Взрыв титана в дымящей азотной кислоте происходит неожидан­ но в результате длительного контакта металла со средой [10]. При этом напряжения производят разрушение защитной окисной пленки, а окислы азота попадают .в небольшие поверхностные трещины и, являясь катализаторами, аккумулируют быстрое действие азотной кислоты. Отмечается [10], что взрывоопасность свойственна только титану и не наблюдается в сплавах на его основе, однако это нуж­ дается в проверке путем проведения более тщательных исследова­ ний.

Высокая стойкость против химического действия различных аг­ рессивных сред делает возможным использование титана в качестве защитного покрытия на других металлах, например на сталях [34].

Газовая коррозия. Газовая коррозия, как известно, представляет

собою разрушение титана в результате взаимодействия его с газами при высоких температурах. Происходящая при производстве, обра­ ботке и эксплуатации, газовая коррозия титана является в первую очередь результатом взаимодействия его с воздухом. Основные ком­ поненты воздуха — кислород и азот, воздействуя на титан, насы­ щают его и образуют различные химические соединения — оксиды и нитриды, являющиеся продуктами коррозии.

Газовая коррозия сопровождается не только разрушением тита­ на за счет образования химических соединений; ей сопутствует так­

56

же изменение свойстп металла олагодаря насыщеппкк.его кислоро­ дом и азотом.

Интенсивная коррозия титана в результате взаимодействия его с кислородом наблюдается в процессе обработки при высоких темпе­ ратурах, например при ковке, штамповке, длительном отжиге и т. д. При этом на заготовке образуется так называемый измененный слой, обладающий повышенной прочностью и пониженной пластичностью и затрудняющий дальнейшую обработку и эксплуатацию изделия. Этот слой, как правило, удаляется с заготовки механической обра­ боткой резанием или при помощи •равления.

При температуре свыше 850° па титане в результате взаимодей­ ствия его с кислородом воздуха образуется толстая окалина, имею­ щая сложное строение [3]. Темный внешний слой ее имеет структуру рутила с некоторьим дефицитом атомов кислорода1). Второй слой состоит из вещества пурпурного цвета, представляющего собой Т120з. Третий слой имеет бронзовый цвет и состоит из закиси ти­

тана TiO, содержащей в кристаллической решетке некоторое коли­ чество атомов азота. Азот образует с титаном нитриды, которые и придают этому слою бронзовый цвет. Четвертый слой серебристого цвета по внешнему виду похож на металл и состоит из закиси тита­ на, имеющей дефицит по кислороду, но нс содержащей азота. Пятый слой находится в непосредственном соприкосновении с поверхностью

') Слой рутила без дефицита по кислороду имеет желтую окраску.

57