Титан и его сплавы

Титан – легкий металл серебристо-белого цвета. Впервые титан в виде TiO2 был обнаружен английским любителем минералогии У. Грегором в 1791 году в железистых песках местечка Менакан (Англия). Металл был назван титаном М. Г. Клапротом, в честь детей Урана и Геи. В чистом виде титан получил американец М. А. Хантер в 1910 году.

Титан существует в двух аллотропических формах: α-форма с гексагональной плотноупакованной решеткой, существующей до температуры 882,5о С, и β-форма, выше 882,5о С, с объемно-центрированной кубической атомной решеткой. Плотность титана – 4,505 г/см3 (при 20о С); 4,35 г/см3 (при 870оС); 4,32 г/см3 (при 900оС), температура плавления –1668±5 оС, кипения - 3227оС, теплопроводность – 22,065 Вт/(мК), теплоемкость – 0,523 кДж/(кгК), предел прочности – 256 МН/м2, относительное удлинение – 72%. Титан отличается высокой прочностью и коррозионной стойкостью в интервале температур от -250 до 300- 600оС. Эти свойства обусловили его широкое применение в авиа- и ракетостроении, судостроении, химическом машиностроении, в криогенной технике, для изготовления сосудов, резервуаров, топливных баков ракет-носителей, корпусов подлодок, реакторов, трубопроводов, арматуры и насосов. Титановые сплавы изготавливаются по ГОСТ 19807-74 и ОСТ 1.90013-71.

Основной недостаток титана – его высокая химическая активность при повышенных температурах. При температуре более 300-350 оС титан начинает активно взаимодействовать с кислородом с образованием на поверхности альфированного слоя TiO2 высокой твердости. По мере окисления изменяется окраска окисной пленки. Золотисто-желтая окраска с металлическим блеском появляется при возникновении TiO, Ti2O3 имеет темно-фиолетовую, TiO2 белую окраску. Темная окисная пленка предохраняет металл от воздействия атмосферы, но при температуре более 400-450о С начинает растворяться в металле, и процесс окисления возобновляется. При температуре более 500-600о С титан начинает взаимодействовать с азотом, с образованием нитридов TiN, Ti3N. Насыщение кислородом и азотом стабилизирует α-фазу, что приводит к образованию альфированного слоя высокой твердости и снижению пластичности металла. Наличие альфированного слоя приводит к охрупчиванию сварного шва и образованию холодных трещин, поэтому перед сваркой его удаляют. При повышении содержания кислорода и, особенно, азота в титане происходит линейное снижение пластичности и увеличение прочности. Поэтому содержание кислорода O2 ограничивают до 0,1-0,12 %, а азота N2 до 0,04- 0,05 %. Вероятность охрупчивания, образования трещин и газовых пор увеличивается за счет образования соединений титана с водородом – гидридов TiH2. Поэтому содержание водорода в титане ограничивают до 0,01%. Вообще, присутствие примесей активных газов и модификаторов, даже в тысячных долях процента, может изменить микроструктуру.

Свариваемость титана оценивают по формуле: НВ=40+310(Оэ)1/2, где Оэ= % О+2(% N)+2/3(% C). Если НВ 200 и содержание H2 0,01 %, считается, что технический титан обладает хорошей свариваемостью.

Легирующие элементы титановых сплавов разделяют на α-стабилизаторы (Al, Sn, Zr, O2, Nx), которые повышают температуру полиморфного превращения, и β-стабилизаторы, которые снижают температуру превращения. Стабилизаторы β-типа разделяют на β-эвтектоидные (Cr, Mn, Fe, Cu, Ni, Pb, Be, Co, H) и β-изоморфные (V, Mo, Nb, Ta, W). В зависимости от содержания легирующих элементов различают α-, β- и α + β-сплавы титана.

Титан и его сплавы обладают малой усадкой, значительной прочностью и пластичностью при высоких температурах, поэтому образование горячих трещин не происходит. Сплавы α-типа обладают хорошей свариваемостью, они не упрочняются термообработкой. Сплавы α + β-типа наиболее многочисленны, обладают высокой прочностью и жаропрочностью, но чувствительны к нагреву. При сварке двухфазных сплавов возможно образование холодных трещин, поэтому обычно после сварки проводят термообработку сварных соединений. При малом количестве β- фазы и степени легирования свариваемость улучшается. Сплавы β- типа обладают ограниченной свариваемостью из-за роста зерна и развития микрохимической неоднородности, приводящих к холодным трещинам.

Технология сварки титановых сплавов

Технология сварки титановых сплавов зависит от системы легирования, исходного состояния и требований к сварному соединению. При сварке деталей после проката или отжига, если не требуется упрочнение, подбирают режим сварки, обеспечивающий оптимальные свойства сварного соединения. Для снижения напряжений и предотвращения холодных трещин проводят отжиг. Такая технология используется при сварке технического титана, α-, α+β- сплавов с малым содержанием β-фазы.

Если детали поступают после отжига и после сварки требуется произвести упрочнение путем закалки и старения, подбирают режим сварки, снижающий вероятность образования холодных трещин. Эту технологию используют при сварке α+β- и β-сплавов. При сварке α+β- и β-сплавов в закаленном состоянии, если требуется произвести после сварки старение, подбирают режимы, снижающие вероятность охрупчивания, возникновение холодных трещин и разупрочнение.

α- и α+β-сплавы с малым содержанием β-фазы (псевдо α-сплавы) не упрочняются термообработкой. Мягкие режимы вызывают рост зерна, снижение прочности и пластичности. Жесткие режимы могут приводить к закаливанию, особенно при увеличении степени легирования.

Сварные соединения среднелегированных α+β-сплавов имеют низкую пластичность. Мягкие режимы способствуют повышению пластичности. При увеличении скорости охлаждения может произойти закаливание. После сварки этих сплавов проводят отжиг. Высоколегированные α+β-сплавы с большим содержанием β- фазы сваривают на жестких режимах, что обеспечивает формирование в околошовной зоне β-фазы с высокой пластичностью. Мягкие режимы приводят к распаду β-фазы и снижению пластических свойств.

Детали под сварку подготавливают холодной механической обработкой – фрезой, гильотиной, пилой, отрезным кругом. При горячей штамповке или прокатке титановые изделия следует подвергать химической обработке для удаления стойкой окисной пленки. Химическая обработка проводится последовательно в три этапа. Вначале окисную пленку разрыхляют при травлении в течение 24-36 часов в растворе следующего состава: 150-250 г/л нитрита натрия, 500-700 г/л углекислого натрия. Затем травят в растворе состава: 220-300 мл/л плавиковой кислоты, 480-550 мл/л азотной кислоты при температуре 25оС в течение 1-20 часов. Последней операцией является осветление в растворе: 600-750 мл/л азотной кислоты, 85-100 мл/л плавиковой кислоты в течение 3-10 минут.

Проволоку отжигают в вакуумной печи и обезжиривают. Срок хранения подготовленных деталей и проволоки из титановых сплавов в закрытом виде не более 20 ч.

Конструкцию сварного соединения можно выбрать по ГОСТ 14771-76. При толщине более 3-4 мм требуется разделка кромок деталей. При сварке и прихватке очень важно обеспечить надежную защиту свариваемых кромок и зоны термического влияния с наружной и с внутренней стороны. Для сварки применяют аргон высшего сорта по ГОСТ 10157-73 и гелий высокой чистоты. При этом на горелке закрепляют специальные козырьки с соплами, которые защищают шов при охлаждении до температуры менее 300оС. При сварке титана прихватки должны быть серебристого цвета. Прихватки серого цвета и с белым налетом следует удалять. Сварку швов следует начинать и заканчивать на технологических планках, использовать стальные и медные подкладки. При плотном прижатии деталей к сплошной подкладке защита обратной стороны шва не требуется. Если подкладка имеет газовый канал, то аргон для защиты об- ратной стороны вводится внутрь канала. Для защиты деталей используют герметичные оболочки, которые приклеи- ваются по краям изделия с обратной стороны и заполняются аргоном.

Сварку ведут левым способом при перемещении электрода углом вперед. Длина дуги минимальная: 1,5-2,5 мм, при вылете вольфрамового электрода: 6-10 мм, с углом заточки электрода: 30- 60о . Угол наклона электрода к поверхности детали 70-90о в зависимости от толщины металла. Угол между присадочной проволокой и осью электрода 90- 110о . В начале шва скорость сварки следует уменьшить для прогрева кромок, а затем по мере прогревания скорость сварки возрастает в 1,2-1,5 раза. Перемещение горелки и присадочной проволоки должно быть плавным и поступательным без поперечных колебаний на максимальной скорости. Такая техника сварки позволяет уменьшить тепловложение в изделие и увеличить пластичность сварного соединения. Присадочная проволока при подаче нагревается, и на ней также образуется альфированный слой, что снижает пластичность шва на 30-50%. Поэтому нужно тщательно защищать проволоку и наносить на её поверхность активирующие флюсы, металлические и композиционные покрытия.

При вынужденном обрыве дуги, при окончании сварного шва или прихватке дугу нельзя резко обрывать. Необходимо сначала заделать кратер путем сбрасывания двух-трех капель присадочного материала, а затем погасить дугу плавным удлинением до её естественного обрыва. После обрыва дуги горелку нужно задержать на месте последней сварочной ванны или кратера, чтобы нагретый металл изделия и электрода находился под защитой аргона до полного потемнения. Места окончания сварки и обрыва дуги следует наиболее тщательно контролировать. При обнаружении на этих участках следов побежалости, светлого налета и дефектов металл следует удалить механической обработкой и после обработки продолжить сварной шов. Новый шов следует начинать за 15-20 мм до конца обрыва предыдущего шва. Признаком хорошей газовой защиты при сварке титана является серебристый цвет сварного шва. Цвета побежалости и налет белого или черного цвета появляются при нарушении газовой защиты, присутствии в аргоне примесей, грязи. Степень потери пластичности при сварке титана можно оценить по цвету побежалости: при светлом цвете – светло-желтом, желтом, голубом потеря пластичности меньше, чем при синем и темно-голубом цвете побежалости, при котором происходит хрупкое разрушение металла. При защите обратной стороны корневого шва расход аргона следует увеличить на 50%. Для увеличения глубины проплавления металла и уменьшения образования газовых пор при сварке титановых сплавов можно применить активирующие флюсы. Флюсы наносят на поверхность свариваемых кромок в виде спиртового или водяного шликера, слоем толщиной 0,05...0,1 мм. При использовании активирующих флюсов увеличивается глубина проплавления в 2,5-3,5 раза. Это связано с уменьшением поверхностного натяжения расплавленного титана и сжатием сварочной дуги под воздействием флюсов. Происходит увеличение пластичности металла шва, уменьшение содержания водорода, других остаточных газов, модификация зерна.

Механизированную сварку титановых сплавов плавящимся электродом производят в аргоне высшего сорта или гелии высокой чистоты на обратной полярности. Сборку, прихватку и сварку корневого слоя шва обычно производят сваркой вольфрамовым электродом, а последующие слои выполняют плавящимся электродом. Для сварки технического титана и однофазных сплавов низкой прочности используют проволоку диаметром 0,8-7 мм марки ВТ-1-00. Для сварки двухфазных сплавов используют проволоку марки ВТ-2, ВТ-5. Электросопротивление титана в 6 раз больше, чем сопротивление железа, поэтому для исключения перегрева вылет электрода уменьшают. Обычными дефектами при сварке являются поры и трещины, причинами которых являются попадание в шов газов и влаги, а также высокая скорость сварки. Сварка титана под флюсом также обеспечивает хорошее качество свар- ных соединений. Применяют бескислородные солевые флюсы типа АН-Т1, АН- Т2, состоящие из фторидов CaF2, NaF и хлоридов NaCl, KCl. Сварку изделий толщиной 2-5 мм проводят с одной стороны на остающихся стальных подкладках, а изделия толщиной более 6-8 мм сваривают с двух сторон. При этом сила тока составляет для толщин 8-15 мм – 330-450 А, напряжение дуги – 30-32 В, диаметр сварочной проволоки – 3 мм, скорость сварки 50 м/ч.