Титановые литейные сплавы

В табл. 1 приведен химический состав отечественных промышленных литейных титановых сплавов, в табл. 2 — предельное содержание примесей в этих сплавах, в табл. 3 — физические свойства титана и его литейных сплавов в твердом состоянии.

По плотности титан занимает промежуточное место между алюминием и железом — основными конструкционными металлами.

Отличительная особенность титана — низкая теплопроводность, примерно в 13 раз меньшая теплопроводности алюминия и в 4 раза — железа. Титан имеет сравнительно высокое удельное электросопротивление, возрастающее с повышением температуры. Титан и его сплавы отличаются высокой коррозионной стойкостью в атмосфере, морской воде и во многих агрессивных средах, которые не разрушают защитную оксидную пленку на его поверхности.

Для расчетов формирования отливок необходимо знать теплофизические свойства металлов не только в твердом, но и в жидком состоянии. Ниже приведены теплофизические свойства чистого титана в жидком состоянии при температуре 100-200°С:

Плотность, кг/м³ .       ............................................................................................................ 4110

Удельная теплоемкость, кДж/(кг.К)..................................................................................... 1,18

Коэффициент теплопроводности, Вт/(м.К)............................................................................ 24

Титан обладает относительно высокой удельной теплотой кристаллизации, которая составляет 419 кДж/кг, что в 1,6 раза больше, чем теплота кристаллизации железа.

В табл. 4 приведены механические свойства отечественных промышленных литейных титановых сплавов. Отливки из титановых сплавов зачастую работают при повышенных температурах. Так, сплавы ВТ5Л; BT6Л; BT21Л рекомендуются для литых деталей, длительно работающих при температурах до 400°С; сплав BT13-1Л — до 400-450°С и сплавы BT9Л и BT20Л

—    до 500°С. Поэтому для этих сплавов важное значение имеют механические свойства при повышенных температурах. В табл. 2.94 приведены механические свойства промышленных литейных титановых сплавов при различных температурах, а в табл. 5 — их пределы длительной прочности, ползучести и выносливости (для литых образцов без термической обработки). База испытаний на выносливость составляла 10⁷ циклов.

Возможность применения фасонных отливок для деталей ответственного назначения определяется их механическими свойствами, которые в свою очередь, зависят от комплекса литейных свойств выбранного сплава, связанных с температурным интервалом кристаллизации.

Почти все промышленные титановые сплавы, в том числе и литейные, обладают небольшим температурным интервалом кристаллизации в соответствии с двойной диаграммой состояния Ti­Al, на основе которой они построены. Дополнительное легирование сплавов Ti-Al другими элементами оказывает некоторое влияние на температурный интервал кристаллизации, но для боль­шинства промышленных композиций он обычно находится в пределах 50-70°С.

Двойные сплавы с изоморфными β-стабилизаторами — ванадием, ниобием, танталом и молиб­деном также имеют сравнительно небольшой температурный интервал затвердевания. Поэтому сплав ВТ6 — один из наиболее распространенных деформируемых титановых сплавов является хорошим литейным сплавом.

Более широкий температурный интервал кристаллизации имеют двойные титановые сплавы с эвтектоидообразующими элементами — кремнием, железом, марганцем, медью, но поскольку эти компоненты входят в промышленные сплавы в небольших количествах (0,2-2%), их отрицательное влияние на литейные свойства невелико (см. табл. 6).

Отличительная особенность литейных титановых сплавов — отсутствие в них эвтектики. Она образуется лишь при высоких концентрациях второго элемента, значительно превосходящих мак­симальные пределы легирования промышленных титановых сплавов. Структура промышленных титановых сплавов обычно состоит из смеси двух твердых растворов на основе α- и β-фаз, иногда с небольшим количеством интерметаллидных фаз.

Максимальная эвтектическая концентрация наблюдается в системе Ti-Si и соответствует 8,5%Si, в то время как максимальное содержание этого элемента в промышленных сплавах не превышает 0,3%. В двойных сплавах титана с другими элементами эвтектические концентрации еще выше. Так, в системе Ti-Mn эвтектическая концентрация составляет 42,5%, а предельная кон­центрация этого элемента в промышленных титановых сплавах обычно не более 2% (за исключе­нием устаревших сплавов).

Наиболее технологичными и распространенными литейными титановыми сплавами являются α- и псевдо α-сплавы, которые аналогично деформируемым сплавам той же группы характеризу­ются хорошей свариваемостью и малочувствительны к упрочняющей термической обработке. Такое совпадение объясняется сходством термических циклов сварки плавлением и охлаждения отливки в форме. В обоих случаях затвердевающий металл (а в случае сварки и зона термического влияния) проходит широкую полосу различных режимов охлаждения, вызывающих охрупчивание, если сплав чувствителен к закалке и старению. Кроме того, термически упрочняемые сплавы двухфазного типа содержат повышенное количество добавок β-стабилизаторов, расширяющих температурный интервал кристаллизации и, следовательно, ухудшающих литейные свойства.