ТИТАН И ЕГО СПЛАВЫ
Титан по сравнению со сталью обладает более низким коэффициентом теплопроводности, повышенным электрическим сопротивлением и пониженной теплоемкостью, поэтому для его сварки затрачивается меньше энергии.
Небольшая линейная усадка, малый интервал кристаллизации, высокая прочность и пластичность в области высоких температур снижают склонность титана к образованию в сварных швах Кристаллизационных трещиц. Наиболее часто при сварке титана встречаются такие дефекты, как поры и холодные трещины.
Холодные трещины возникают сразу после сварки и вылеживания изделий. Причиной образования пор является перенасыщенность металла шва водородом. Для предотвращения образования пор тщательно подготавливают под сварку металл и присадочную проволоку, применяют защитные газы высокой степени чистоты и строго соблюдают технологию сварки.
Низкая теплопроводность титана способствует увеличению времени пребывания сварных швов и околошовной зоны в области высоких температур. Между тем титан при нагреве более 882 °С в области a-фазы склонен к значительному росту зерна, поэтому в зоне термического влияния в металле шва при нагреве выше этой температуры при сварке на больших погонных энергиях образуется крупнокристаллическая структура. Снижение нагрева околошовных участков при сварке достигается ограничением силы сварочного тока, уменьшением погонной энергии сварки и применением многослойного заполнения разделки кромок для металлов больших толщин.
Для получения сварных соединений высокого качества сварку титана и его сплавов рекомендуется выполнять при минимально возможной погонной энергии и применять методы обработки, уменьшающие или полностью устраняющие остаточные напряжения. Снятие остаточных напряжений и стабилизация структуры сварных соединений производится полным отжигом изделий.
Титан ВТ 1-0 и ВТ 1-00 отжигается при температуре 550— 680 °С. Для остальных сплавов температура отжига из-'
меняется от 620 до 820 °С. Отжиг производится в печах с защитной атмосферой аргона или гелия. Время полного отжига для металла толщиной 6—50 мм составляет 60 мин. Если изделие эксплуатируется при высоких температурах, для повышения стабильности свойств сварных соединений рекомендуется выполнять отжиг с последующим медленным охлажде - ; нием изделий со скоростью 2—4 °С /мин.
Таблица 1.3. Классификация титановых сплавов
|
Титановые сплавы с пределом прочности 735 — 882 МПа относятся к группе малопрочных. Сплавы средней прочности имеют предел прочности 1078—1176 МПа, высокотемпературные титановые сплавы обладают пределом прочности 1372 МПа и выше (габи. 1.3).
Сплавы малой и большинство сплавов средней прочности не подвергаются упрочняющей термической обработке. Высокопрочные титановые сплавы подвергаются термической обработке. После закалки и старения значительно повышаются их прочностные характеристики. По фазовому составу сплавы титана при комнатной температуре разделяются на три груп - ны: однофазные а-сплавы, однофазные (3-сплавы и двухфазные (a - f (З)-структуры. а-модификация существует при температуре 882 °С, а (3-структура сохраняется вплоть до температуры плавления [8J.
К элементам, образующим a-структуру, относятся алюминий, галлий, индий, а также примеси кислорода, азота и углерода. (3-структуру образуют такие элементы, как молибден, хром, марганец, ниобий, железо, медь и водород К нейтральным упрочняющим элементам относятся цирконий и олово.
Первый класс сплавов объединяет технический титан и сплавы титана с a-стабилизирующими элементами. Такие сплавы содержат нейтральные упрочняющие элементы, структура которых в преобладающем большинстве случаев имеет a-твердый раствор титана, и термической обработкой не упрочняются. Некоторое повышение их твердости достигается благодаря образованию твердых растворов.
а-сплавы для снятия нагарговки или для уменьшения внутренних напряжений в сварных конструкциях подвергаются только низкотемпературному отжигу. До температуры 400-—500 °С такие сплавы сохраняют высокие пластические свойства даже после длительного действия повышенных температур.
(3-сплавы содержат при комнатной температуре (3-фазу, полученную легированием титана (3-стабилизирующими элементами. Сплавы с (3-фазой упрочняются термической обработкой, состоящей из закалки и старения. Однако даже после такой обработки (3-сплавы обладают невысокой термической стабильностью и большой склонностью к росту зерна, а поэтому применяются в незначительных объемах.
Двухфазные (a - f -(З)-сплавы получают определенным соотношением легирующих элементов, образующих а - и (3-фазы. Закалка и старение двухфазных сплавав приводит к заметному повышению "их прочности и снижению пластичности.
Эффект термического упрочнения сплавов повышается с увеличением содержания (3-фазы. В качестве конструкционного материала наибольшее распространение при изготовлении сварных конструкций получили а-сплавы.
Повышение прочности достигается легированием титана различными элементами. По увеличению предела прочности титана легирующие элементы могут быть распределены в ряд: ниобий, цирконий, олово, ванадий, алюминий, хром, марганец, железо и кремний. Кроме таких легирующих элементов на свойства титана значительное влияние оказывают кислород, водород, азот и углерод.
Кислород при высоких температурах легко растворяется как в а-, так и в (3-титане, образуя твердые растворы внедрения. Максимально растворимая молярная доля кислорода в титане составляет 30 %. До температуры 450—500 °С титан от окисления защищаетокиснонитридная пленка, прочно удерживаемая на его поверхности. При более высокой температуре происходит интенсивное окисление титана на воздухе. Скорость взаимодействия титана с кислородом по сравнению с другими газами является наибольшей. При растворении кислорода в титане с образованием твердого раствора значительно искажается кристаллическая решетка. Это приводит к резкому повышению прочности, твердости и снижению пластичности титана.
Водород растворяется в титане в значительных массовых долях, достигающих 1 % с образованием твердого раствора внедрения и гидридов, повышающих склонность титана к охрупчиванию. С повышением температуры растворимость водорода в титане уменьшается и составляет при температуре 20 °С — 40300 см3/Ю0 г, а при 1000 °С — уже всего 6500 см3/100г.
Чем больше в двухфазном сплаве ^-стабилизирующего элемента, тем меньше водород оказывает влияние на температуру перехода от хрупкого разрушения к вязкому. По уменьшению водородного охрупчивания (3-стабилизаторы могут быть расположены в ряд: железо, марганец, ванадий, хром, ниобий и молибден. При горячей обработке Давлением и сварке чрезмерное содержание водорода приводит к трещинам и разрывам.
Азот является элементом, расширяющим область а - фазы. В связи с большим сродством титана с азотом при высокой температуре образуются нитриды титана, которые легко растворяются в металле. Максимально растворимая массовая доля азота в а-титане составляет около 0,75 %. Азот снижает пластичность и повышает прочность и твердость титана.
Углеродв а-титане при температуре, близкой к точке а~у Р, растворяется до 0,28 % (массовые доли). При понижении температуры растворимость углерода в а-титане значительно снижается. В Р-титане растворяется массовых долей углерода около 0,06 %. Даже незначительная растворимость углерода в титане^ри его массовых долях, достигающих десятые доли процента, приводит к образованию карбидов титана и хрупкости сварных швов.
Для хорошей свариваемости в титане ограничивают содержание кислорода, водорода, азота и углерода. Так, в техническом титане ВТ1-00 их массовая доля (%) должна быть не более: 02—0,1; N2—0,04; Н2—0,008; С—0,05. Механические свойства титана ВТ1-0 толщиной 60 мм и его сварного соединения составляют: основной металл — ов= 470,9 МПа, 6 = 27,5 %, ф = 56 %, ан— 1697,1 кДж/мг; сварное соединение — (тв— 451,3 мПа, б— 31 %, ф = 65 %, а„= 1722,6 кДж/м1.
При расчетах рекомендуется принимать прочность сварных соединений с коэффициентом 0,90...0,95 прочности основного металла.
Технический титан используют для изготовления сварных аппаратов, работающих при температуре от — 269 до +250 °С. Однако сварные соединения некоторых сплавов сохраняют работоспособность и при более высокой температуре. Так, титановый сплав АТЗ применяется для изделий, работающих при температуре до 300—350 °С, сплав ВТ5-1 сохраняет работоспособность до 500 °С.
Комментарии закрыты.