Технология сварки титана и его сплавов

Характеристика титана и его сплавов

Титан по содержанию в земной коре занимает 4-е место среди конструкционных материалов: после алюминия, железа и магния. До сравнительно недавнего времени титан применяли лишь как легирующую добавку к черным металлам, что объясняется сложностью технологий его получения. Появление промышленного титана относится к 50-м годам XX в. Преимущественное применение титан получил в авиации, ракетостроении и других отраслях техники, где удельная прочность и коррозионная стойкость имеют большое значение. Для интервала температур 300…600 °С сплавы титана имеют самые высокие значения удельной прочности, уступая при температуре ниже 300 °C алюминиевым сплавам, а выше 600 °C — сплавам на основе железа и никеля. Титан и его сплавы обладают высокой коррозионной и кавитационной стойкостью при эксплуатации во многих жидких и газовых агрессивных средах, а также в атмосферных условиях.

Титан как конструкционный материал имеет целый ряд и других достоинств. Даже чистый титан обладает высокой прочностью (сг_в ~ 450 МПа) и пластичностью (3 ~ 60%). При этом плотность, как указано ниже, почти в два раза ниже плотности железа.

Титан — серебристо-серый металл с малой плотностью (4,505 г/см³) и высокой температурой плавления (1668 °С) и кипения (5100 °С). Скрытая теплота плавления титана почти в 2 раза больше, чем у железа, поэтому его расплавление требует больших затрат энергии. Коэффициент теплопроводности титана почти в 4 раза меньше, чем у железа, и в 13 раз меньше, чем у алюминия, что способствует увеличению объема сварочной ванны. Элекгрическое сопротивление титана превосходит этот показатель для железа почти в 6 раз, а для алюминия — более чем в 20 раз. Вблизи температуры кристаллизации поверхностное натяжение жидкого титана в 1,5 раза выше, чем у алюминия. Это обеспечивает благоприятные условия для формирования корневого слоя шва при сварке на весу.

Титан — полиморфный металл. Существует две его аллогрогшческие модификации: низкотемпературная a-Ti с гексагональной плотноупакованной кристаллической решеткой и высокотемпературная /?-Ti, имеющая объемно-центрированную кубическую решетку. Температура полиморфного превращения титана а р в равновесных условиях равна 882,5 °С. Плотность a-Ti выше плотности fi-Ti, поэтому превращение высокотемпературной фазы в низкотемпературную /? —? а сопровождается, в отличие от сталей, уменьшением объема (~ 0,13%) и не дает достаточно сильного внутрифазного наклепа.

При охлаждении с любой скоростью /?-фаза превращается в «-фазу по бездиффузионному мартенситному механизму. Однако в зависимости от скорости охлаждения получаются различные конечные микроструктуры чистого титана — от обычной полиэдрической равноосной a-фазы, характерной вообще для чистых металлов при медленном охлаждении, до мартенситоподобной в виде зазубренных пластинок при быстром охлаждении. Такая структура превращенной /?-фазы именуется «'-фазой.

В зависимости от характера влияния на процесс полиморфного превращения легирующие элементы и примеси в титановых сплавах разделяют: на а-стабилизаторы, понижающие температуру превращения, и /?-стабилизаторы, повышающие ее. Наиболее широко распространенным а-стабилизатором, добавляемым почти во все сплавы титана, является алюминий. Кроме того, в эту группу входят галлий, индий и такие примеси, как кислород, азот и углерод. К^{-стабилизаторам} относятся молибден, хром, ванадий, марганец, ниобий, железо, медь и др., из примесей — водород. Некоторые элементы практически нс влияют на температуру полиморфного превращения — олово, цирконий, германий; их называют нейтральными упрочнитслями. При легировании титана достигается значительное повышение прочности. Для изготовления сварных конструкций применяют сплавы на основе титана с прочностью от 500 до 1500 МПа (табл. 16).

Таблица 16.

Химический состав и механические свойства некоторых титановых сплавов

* закалка и старение.

По структуре, формирующейся после нормализации, титановые сплавы разделяют на три группы: се-сплавы, (а + /?)-сплавы и /?-сплавы. Иногда выделяют псевдо-а-сплавы и псевдо-/?-сплавы, в которых содержится, кроме основной фазы, небольшое количество /?-фазы или а- фазы соответственно.

Основным отечественным материалом для изготовления листов служит технический титан марки ВТ 1−0, а также группа сплавов типа ОТ-4 на основе тройной системы Ti—А1-Мп. Эти сплавы обеспечивают три гарантированных уровня прочности 500, 600 и 700 МПа. Наряду с марганцовистыми сплавами широко используется в промышленности сплав типа ВТ5−1, имеющий гарантированный уровень прочности 750 МПа. Для изготовления деталей типа емкостей, работающих под давлением, значительное применение находит сплав ВТ6С с прочностью 850 МПа. Если необходимо иметь гарантированную прочность без упрочняющей термообработки выше 900 МПа, применяют сплавы ВТ20, ВТ6 и ВТ 14.