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

металла и состоит из порошка темного цвета, представляющего со­ бой смесь закиси титана с твердым раствором кислорода в а-титане.

Интенсивность насыщения титана кислородом характеризуется графиками, приведенными на фиг. 45 [3]. Анализируя эти графики, можно отметить, что процесс насыщения титана кислородом яв­ ляется самозамедляющимся.

Взаимодействие титана с азотом протекает медленнее, чем с кис­ лородом. Интенсивность насыщения титана азотом характеризуется графиками, представленными на фиг. 46. Процесс насыщения тита­ на азотом, как и кислородом, идет с замедлением во времени, т. е. является самотормозящимся. Таким образом, поверхностный слой титана, содержащий азот и кислород, частично препятствует даль­ нейшему насыщению его этими элементами.

Особенно большое значение имеют исследования газовой корро­ зии титана не отдельно в кислороден азоте, а в среде воздуха, когда эти два компонента действуют совместно. Результаты таких исследо­ ваний приведены во многих работах [2, 3, 23, 35, 36 и др.].

Титан имеет высокую коррозионную стойкость на воздухе как при обычных, так и при повышенных температурах. При нагреве до 600° он покрывается окисно-нитридной пленкой, которая прочно дер­ жится на поверхности металла. Скорость диффузии кислорода че­ рез эту пленку при низких температурах очень мала, благодаря че­ му металл надежно защищается от дальнейшего разрушения. Опыты показывают, что чистый титан может длительно использоваться в ат­ мосфере воздуха при температурах 550—560° [2]. Выше этих темпе­

ратур диффузия через пленку усиливается и металл начинает раз­ рушаться быстрее.

Большое практическое значение для производства изделий из ти­ тана и его сплавов методами горячей обработки давлением имеет изучение газовой коррозии при высоких температурах. Оно позволяет выяснить кинетику взаимодействия воздуха с металлом, влияние продуктов этого взаимодействия на обрабатываемость и свойства ти­ тановых сплавов и получить ответы на ряд других вопросов, знание которых позволяет правильно выбрать режимы обработки титана в процессе авиационного производства.

Изучение газовой коррозии является полезным также и в пер­ спективном плане. Уже сейчас известны случаи применения титано­ вых сплавов в течение непродолжительного времени при температу­ рах до 900°. А в дальнейшем, по мере развития этих материалов, их использование при -высоких температурах будет все больше расши­ ряться, причем знание законов газовой коррозии безусловно явится фактором, способствующим этому.

В работе Г. П. Лучкина и Г. Г. Ильина [52] было исследовано окисление титана в атмосфере воздуха и в парах воды. Полученные результаты приведены в таблице 14.

58

казывает, что интенсивность газовой коррозии исследованного спла­ ва сильно возрастает при увеличении температуры. Так, например, привес за 10 часов при 700° составил 2,4 мг]см2, при 800°— 10,4, т. е. в четыре раза больше, а при 900° — 23 мг/см2, т. е. почти в де­

сять риз больше, чем при температуре 700°.

Результаты проведенных опытов показывают также, что при всех температурах коррозия исследованного .сплава развивается вовремени с некоторым замедлением, тем оольшим, чем выше температура опыта. Так, например, средний привес за один час при 700° состав­ ляет за первый час испытания 0,3 мг/см2час, за 5 часов — 0,28 и за

10 часов — 0,24, т. е. среднечасовой привес за 10 часов уменьшается на 20%. При температуре 800° этот привес равен соответственно 1,8, 1,36 и 1,04 мг/см2час, т. е. за 10 часов уменьшается на 42%. При

900° величина рассматриваемого привеса составила соответственно 5,3, 2,85 и 2,3 мг/см2час, т. е- уменьшилась почти на 57 %.

59

приводит к снижению коррозионной стойкости, а при большей кон­ центрации наблюдается повышение ее. Самым стойким 'Против окис­ ления оказывается шестикомпонентный сплав с 12% алюминия.

Сплав Т4 без кремния обнаруживает при 700° наиболее высокую скорость окисления. Введение 0,25% кремния делает скорость окис­ ления минимальной, а затем несколько увеличивающейся при даль­ нейшем повышении содержания кремния (фиг. 50). Таким образом, алюминий и кремний повышают стойкость против окисления шести­

дены графики изменения привеса двойных сплавов титана при раз­ личных температурах в зависимости от содержания хрома. При тем­ пературе. 815° наихудшей стойкостью против окисления обладают сплавы, содержащие 2—4% хрома. Это подтверждается результа­

тами нашрх исследований [37], по которым построены графики, пред­ ставленные на фиг. 52. По этим графикам видно, что при темпера­ туре 800° стойкость против окисления у технического титана выше, чем у сплава его сч4% хрома.

Электрохимическая коррозия. Электрохимическая коррозия, как известно, представляет сабой процесс разрушения одного из разно­ родных !.металлов при контакте их в присутствии раствора электро­ лита. При этом разрушается тот металл, который имеет более низ­ кий электродный потенциал.

По величине электродного потенциала в морской воде некоторые металлы и сплавы располагаются в такой последовательности. На первом месте стоит пассивированная нержавеющая сталь типа 18-8,

61

имеющая наиболее -высокий электродный потенциал. Затем следует монель-металл с несколько меньшим потенциалом, титан, меднони­ келевый сплав, содержащий 30% меди, латунь, инконель, никель, непассивйрованная нержавеющая сталь типа 18-8, мягкая углероди­ стая сталь, алюминиевый сплав, алюминий, магниевый сплав и, наконец, магний [1].

Титан имеет высокий электродный потенциал, по­ этому возможность электро­ химической коррозии его в паре с другим металлом ма­ ловероятна. Однако высокое значение потенциала титана является -причиной электро­ химической коррозии сопря­ женных е ним металлов.

В монографии А. Д. и М. К. Маквиллэн [3] по дан­ ным различных авторов при­ ведены графики зависимо­ сти электродного потенциа­

ла титана от состояния образцов, природы и концентрации электро­ литов, длительности выдержки в электролите при определении по­ тенциала и т. д. По приводимым авторами данным Шлепна, элек­ тродный потенциал титана в вод­ ном растворе поваренной соли, оп­ ределенный на образце со свеже-

температуре, т. е. подвергался пассивированию кислородом воздуха, то первоначальное значение -потенциала титана окажется менее от­ рицательным.

На фиг. 53 по данным Шлейна [3] приведены графики изменения, электродного потенциала титана в зависимости от продолжительно­

62

сти выдержки его в растворе электролита (3% NaCl в воде). Вели­ чина первоначального потенциала свежеза-чищенного образца (я) на 0,17 в ниже потенциала образца, подвергнутого пассивированию

пассивированного титана за счет разрушения окисной пленки неко­ торыми электролитами может быть изменено путем создания соот­ ветствующих внешних условий за счет применения атмосферы раз-

личных газов над электролитом. На фиг. 55 по тем же данным [3] при­ ведено два графика изменения во времени электродного потенциала титана, определенного в нормальном piacTBope соляной кислоты, спо­ собной разрушать защитную окисную пленку на титане. График 1

построен для случая, когда определение потенциала ведется в элек­

63

тролите, над которым находится воздух. При этом кислород воздуха непрерывно восстанавливает пленку, разрушаемую соляной кисло­ той, и величина потенциала практически не изменяется. Потенциал, определяемый в электролите под атмосферой гелия (график 2), с те­

чением времени падает, так как пленка, разрушаемая соляной кис­ лотой, не восстанавливается из-за отсутствия кислорода воздуха.

Величина электродного потенциала титана зависит от примеси ионов некоторых металлов в электролите. По данным Шлейна [3], по­ тенциал титана в нормальном растворе соляной кислоты в присут­ ствии воздуха через час-после начала испытания имеет значение око­ ло 0 в. При тех же условиях, но с ионами металлов в электролите

электродный -потенциал увеличивается, \т. е. -происходит облагора­ живание титана. Добавка к электролиту 0,0032 моля на литр ионов алюминия вызывает повышение потенциала титана в нормальном растворе соляной кислоты до +0,05 в, ионов -кобальта — до +0,13 », ионов ртути и железа— до +0,3 в, ионов платины — до + 0,45 н, ионов меди — до +0,55 и и ионов золота — до +0,92 в.

ПРИМЕНЕНИЕ ТИТАНА И ЕГО СПЛАВОВ

Титан и его сплавы имеют сравнительно небольшую историю-при­ менения в качестве конструкционных материалов. Несколько лет то­ му назад титан знали лишь как легирующий элемент, с успехом при­ меняемый в сталях и в других сплава-х. Титан применялся также в виде карбида при производстве твердых -сплавов и в виде окисла — в лакокрасочной промышленности для изготовления титановых бе­ лил н эмалей.

Применение титана в качестве основы новых материалов - - тита­ новых сплавов относится к периоду-последних 10— 15 лет. Тем не ме­ нее в этом новом качестве титан получил уже довольно широкое рас­ пространение. Конструкционные материалы на основе титана с ус­ пехом -применяются в различных отраслях машиностроения, в судо­ строении и при производстве летательных аппаратов и двигателей.

Широкое и быстрое распространение титановых сплавов в каче­ стве конструкционных материалов различного назначения объяс­ няется теми положительными качествами, которыми обладают титан и его сплавы по сравнению с другими материалами. К этим качест­ вам относятся:

1.Высокая температура плавления, являющаяся необходимым условием -повышенной жаропрочности.

2.Высокая прочность, низкий удельный вес и, как следствие этих двух качеств, высокая удельная прочность.

3.Низкий коэффициент теплового расширения, обусловливающий

хорошую сопротивляемость материала термической усталости.

4.Высокая химическая стойкость, обеспечивающая применение титана и его сплавов в различных агрессивных с-редах.

5.Высокая стойкость против эрозии и -кавитации.

64

В настоящее время материалы на основе титана применяются или в форме листов, или в виде поковок. В качестве отливок титан и его сплавы пока еще не применяются, что объясняется трудностя­ ми подбора материала для литейных форм. Листы изготовляются из технического титана или из однофазных а-сплавов, легированных алюминием и оловом.

Техническим называется титан, в котором содержится некоторое количество примесей (около одного процента), причем эти примеси введены не специально, с целью легирования, но практически неиз­ бежно присутствуют в металле в результате особенностей металлур­ гического процесса. Как уже отмечалось, количество примесей в тех­ ническом титане зависит от способа его получения, причем нередко содержание кислорода и азота преднамеренно допускается несколь­ ко завышенным с целью некоторого увеличения прочности металла.

Поэтому технический титан не без основания часто называют ма­ лолегированным многокомпонентным титановым сплавом. Однако этот сплав в ряде случаев является недостаточно прочным, а повы­ шение прочности за счет увеличения количества примесей вызывает значительное понижение пластичности. Вследствие этого приходится переходить к сплавам, легированным алюминием и оловом. Эти эле­ менты, каждый в отдельности и оба вместе, растворяясь в « -титане, повышают его прочность без существенного снижения пластичности, благодаря чему получаемые сплавы могут быть прокатаны в лист, как и технический титан, но имеют значительно более высокую проч­ ность.

Для поковок применяются главным образом двухфазные спла­ вы, имеющие структуру a -f р. Эти сплавы сравнительно легко обрабатываются и могут упрочняться путем термической обра­ ботки. Они имеют значительно более высокие свойства проч­ ности при меньшей пластичности по сравнению с однофазными а-сплавами.

Титан и его сплавы применяются после тщательного учета всех положительных и отрицательных качеств этих материалов. При этом обращается внимание как на эксплуатационные свойства, так и на технологические особенности. Учитывается также и экономический фактор.

Принимая во внимание пока еще высокую стоимость титана, его применяют главным образом в тех случаях, когда первостепенную роль играет .не экономический фактор, а комплекс технических и экс­ плуатационных характеристик материалов на основе титана. Тем не мёнёе перечень областей, где применение титана в той или иной мере уже развернулось или по крайней мере достаточно четко обозначи­ лось, является весьма обширным.

В первую очередь титан и его сплавы были применены и в на­ стоящее время получили уже довольно широкое распространение в конструкциях летательных (аппаратов и двигателей для них. Они ин­ тенсивно внедряются в конструкциях кораблей и оборудования во­ енно-морского флота, применяются для деталей артиллерийских

установок и для изготовления танковой брони. Имеются сведения об известном применении титана и его сплавов в химическом машино­ строении и апФаратостроении, для некоторых деталей ядерных реак­ торов, для деталей различного транспортного оборудования, для из­ готовления медицинских инструментов и фармацевтического обору­ дования. Намечается использование титана и его сплавов в общем машиностроении, при производстве спортивного инвентаря, в пище­ вой, нефтяной и электротехнической промышленности, а также во многих других специальных областях. Ниже по литературным источ­ никам [1, 10, 14, 38, 39, 43, 44, 45, 46, 54, 55] приводятся краткие сведения о применении титана и его сплавов в некоторых из указан­ ных областей.

Л е та те л ь н ы е а ппа р а ты и д в и га те л и . Основными качествами ти­

тановых сплавов, привлекающими внимание конструкторов лета­ тельных аппаратов и двигателей, являются малый удельный вес и высокая прочность, особенно при повышенных температурах. Конеч­ но, титан и его сплавы не решают всех проблем, возникающих при конструировании летательных аппаратов и двигателей. Каждая груп­ па матералов, будь то стали или алюминиевые сплавы, находит свое специфическое применение, соответствующее свойствам этих мате­ риалов. Тем не менее по величине удельной прочности в интервале температур 300—500° титановые сплавы превосходят многие стали и алюминиевые сплавы, а по удельному напряжению потери устой­ чивости панелей конструкций они уступают лишь высокопрочному алюминиевому сплаву типа В95 и то только до температуры 150", а при более высоких температурах превосходят его [54].

Поэтому в конструкциях летательных аппаратов, предназначен­ ных для полетов со сверхзвуковыми скоростями и испытывающих аэродинамический нагрев, а также в конструкциях реактивных дви­ гателей титановые сплавы находят все более широкое применение. При этом достигается снижение веса без потери прочности, что по­ зволяет увеличить полезную нагрузку, дальность полета и маневрен­ ность летательного аппарата.

Многочисленные исследования и эксперименты, проведенные в последние годы, говорят о целесообразности использования титано­ вых сплавов для обшивки летательных аппаратов, скорости которых соответствуют числу М = 3—3,5 [55]. Кроме того, титановые сплавы используются для швеллеров, рам, угольников, поясов шпангоутов, противопожарных перегородок и других деталей внутреннего набора летательного аппарата, работающих при температуре до 420°.

На фиг. 56, по данным фирмы Рем-Крю Тайтениум [1], представ­ лена схема реактивного истребителя F-2 с отмеченными на ней де­ талями, изготовленными из титана. Этими деталями являются шпан­

нервюры, элементы жесткости и другие детали каркаса фюзеляжа. Масштабы использования титана в конструкциях тяжелых само­

летов иллюстрируются данными о количестве и общем весе деталей

66

из титана на самолетах Дуглас и других [39]. Количество деталей из титана на самолетах Комета, Дуглас DC-7 и Дуглас DC-7-C состав-

Ф и г . 5 6 . О с н о в н ы е д е т а л и р е а к т и в н о г о и с т р е б и т е л я , и з г о т о в л е н ­ н ы е и з т и т а н а :

1— ш п а н г о у т ы ; 2 — к о ж у х ; 3 — л е н т ы щ и т к а ; 4 — б а л к и ; 5 — к о р о б д л я п р о в о д к и ; 6 — к а р к а с ; 7 — с о п л о

ляет 554 шт., а общий вес их 363 кг. У самолета Дуглас DC-8 вес титановых деталей 428 кг, а у самолета Бристоль Британия 100 —

до 1225 кг.

Ф и г . 5 7 . С х е м а р е а к т и в н о г о д в и г а т е л я с о т м е ч е н н ы м и

ш т р и х о в к о й д е т а л я м и и з т и т а н о в ы х с п л а в о в

Для реактивных двигателей титан применяется как в виде ли­ стов, так и, главным образом, в виде поковок. На фиг. 57, по данным фирмы Вестингауз [1], представлена схема реактивного двигателя с осевым компрессором, на которой отмечены детали, изготовляемые из титановых сплавов, а именно диски и лопатки компреосбра, ли­