Титановые сплавы

Одним из важных преимуществ  титановых сплавов перед алюминиевыми и магниевыми сплавами является жаропрочность, которая в условиях практического применения с избытком компенсирует разницу в плотности (магний 1,8, алюминий 2,7, титан 4,5). Превосходство титановых сплавов над алюминиевыми и магниевыми  сплавами особенно резко проявляется при температурах выше 300°С. Так как при повышении температуры прочность алюминиевых и магниевых сплавов сильно уменьшается, а прочность титановых сплавов остается высокой.

Титановые сплавы по удельной прочности (прочности, отнесенной к плотности) превосходят большинство  нержавеющих и теплостойких сталей при температурах до 400°С – 500°С. Если учесть к тому же, что в большинстве  случаев в реальных конструкциях не удается полностью использовать прочность сталей из-за необходимости сохранения жесткости или определенной аэродинамической формы изделия (например, профиль лопатки компрессора), то окажется, что при замене стальных деталей титановыми можно получить значительную экономию в массе.

Еще сравнительно недавно  основным критерием при разработке жаропрочных сплавов была величина кратковременной и длительной прочности  при определенной температуре. В  настоящее время можно сформулировать целый комплекс требований к жаропрочным титановым сплавам, по крайней мере для деталей авиационных двигателей.

В зависимости от условий работы обращается внимание на то или иное определяющее свойство, величина которого должна быть максимальной, однако сплав должен обеспечивать необходимый минимум и других свойств, как указано ниже.

1. Высокая кратковременная и длительная прочность во всем интервале рабочих температур. Минимальные требования: предел прочности при комнатной температуре 100· Па; кратковременная и 100-ч прочность при 400° С – 75· Па. Максимальные требования: предел прочности при комнатной температуре 120· Па, 100-ч прочность при 500° С – 65· Па.

2. Удовлетворительные пластические свойства при комнатной температуре: относительное удлинение 10%, поперечное сужение 30%, ударная вязкость 3· Па·м. Эти требования могут быть для некоторых деталей и ниже, например для лопаток направляющих аппаратов, корпусов подшипников и деталей, не подверженных динамическим нагрузкам.

3. Термическая стабильность. Сплав должен сохранять свои пластические свойства после длительного воздействия высоких температур и напряжений. Минимальные требования: сплав не должен охрупчиваться после 100-ч нагрева при любой температуре в интервале 20 – 500°С. Максимальные требования: сплав не должен охрупчиваться после воздействия температур и напряжений в условиях, заданных конструктором, в течение времени, соответствующего максимальному заданному ресурсу работы двигателя.

4. Высокое сопротивление усталости при комнатной и высоких температурах. Предел выносливости гладких образцов при комнатной температуре должен  составлять не менее 45% предела прочности, а при 400° С – не менее 50% предела прочности при соответствующих температурах. Эта характеристика особенно важна для деталей, подверженных вибрациям в процессе работы, как, например, лопатки компрессоров.

5. Высокое сопротивление ползучести.  Минимальные требования: при температуре 400° С и напряжении 50· Па остаточная деформация за 100 ч не должна превосходить 0,2%. Максимальным требованием можно считать тот же предел при температуре 500° С за 100 ч. Эта характеристика особенно важна для деталей, подверженных в процессе работы значительным растягивающим напряжениям, как, например, диски компрессоров.

Однако со значительным увеличение ресурса работы двигателей правильнее будет базироваться на продолжительности  испытания не 100 ч, а значительно  больше - примерно 2000 – 6000 ч.

Несмотря на высокую  стоимость производства и обработки  титановых деталей, применение их оказывается  выгодным благодаря главным образом  повышению коррозионной стойкости деталей, их ресурса и экономии массы.

Стоимость титанового компрессора значительно выше, чем  стального. Но в связи с уменьшением  массы стоимость одного тонно-километра  в случае применения титана будет  меньше, что позволяет очень быстро окупить стоимость титанового компрессора и получить большую экономию.

Коррозионная  стойкость титана и титановых сплавов

Реакции титана со многими элементами происходят только при высоких температурах. При  обычных температурах химическая активность титана чрезвычайно мала и он практически  не вступает в реакции. Связано это  с тем, что на свежей поверхности  чистого титана, как только она  образуется, очень быстро появляется инертная, хорошо срастающаяся с металлом тончайшая (в несколько ангстрем (1А=10-10м) пленка диоксида титана, предохраняющая его от дальнейшего окисления. Если даже эту пленку снять, то в любой  среде, содержащей кислород или другие сильные окислители (например, в  азотной или хромовой кислоте), эта  пленка появляется вновь, и металл, как говорят, ею «пассивируется», т. е. защищает сам себя от дальнейшего  разрушения.

Рассмотрим  несколько подробнее поведение  чистого титана в различных агрессивных  средах: в таких, как азотная, соляная, серная, «царская водка» и другие кислоты  и щелочи.

В азотной  кислоте, являющейся сильным окислителем, в котором быстро растворяются очень  многие металлы, титан исключительно  стоек. При любой концентрации азотной  кислоты (от 10 до 99%-ной), при любых  температурах скорость коррозии титана не превышает 0,1–0,2 мм/год. Опасна только красная дымящая азотная кислота, пересыщенная (20% и более) свободными диоксидами азота: в ней чистый титан  бурно, со взрывом, реагирует. Однако стоит  добавить в такую кислоту хотя бы немного воды (1–2% и более), как  реакция заканчивается, и коррозия титана прекращается.

В соляной  кислоте титан стоек лишь в  разбавленных ее растворах. Например, в 0,5%-ной соляной кислоте даже при нагревании до 100° С скорость коррозии титана не превышает 0,01 мм/год, в 10%-ной при комнатной температуре  скорость коррозии достигает 0,1 мм/год, а в 20%-ной при 20° С–0,58 мм/год. При  нагревании скорость коррозии титана в соляной кислоте резко повышается. Так, даже в 1,5%-ной соляной кислоте  при 100° С скорость коррозии титана составляет 4,4 мм/год, а в 20%-ной при  нагревании до 60° С – уже 29,8 мм/год. Это объясняется тем, что соляная  кислота, особенно при нагревании, растворяет пассивирующую пленку диоксида титана и начинается растворение металла. Однако скорость коррозии титана в  соляной кислоте при всех условиях остается ниже, чем у нержавеющих  сталей.

В серной кислоте  слабой концентрации (до 0,5–1% ) титан  и большинство его сплавов  стойкие даже при температуре  раствора до 50–95° С. Стоек титан  и в более концентрированных  растворах (10–20%-ных) при комнатной  температуре, в этих условиях скорость коррозии титана не превышает 0,005–0,01 мм/год. Но с повышением температуры раствора титан в серной кислоте даже сравнительно слабой концентрации (10–20%-ной) начинает растворяться, причем скорость коррозии достигает 9–10 мм/год. Серная кислота, так же как и соляная, разрушает  защитную пленку диоксида титана и  повышает его растворимость. Ее можно  резко понизить, если в растворы этих кислот добавлять определенное количество азотной, хромовой, марганцевой  кислот, соединений хлора или других окислителей, которые быстро пассивируют  поверхность титана защитной пленкой  и прекращают его дальнейшее растворение. Вот почему титан практически  единственный металл, не растворяющийся в «царской водке»: в ней при  обычных температурах (10–20° С) коррозия титана не превышает 0,005 мм/год. Слабо  корродирует титан и в кипящей  «царской водке», а ведь в ней, как  известно, многие металлы, и даже такие, как золото, растворяются почти мгновенно.

Очень слабо  корродирует титан в большинстве  органических кислот (уксусной, молочной, винной), в разбавленных щелочах, в  растворах многих хлористых солей, в физиологическом растворе. А  вот с расплавами хлоридов при  температуре выше 375° С титан  взаимодействует очень бурно.

В расплаве многих металлов чистый титан обнаруживает удивительную стойкость. В жидких горячих  магнии, олове, галлии, ртути, литии, натрии, калии, в расплавленной сере титан  практически не корродирует, и лишь при очень высоких температурах расплавов (выше 300–400° С) скорость его  коррозии в них может достигать 1 мм/год. Однако есть немало агрессивных  растворов и расплавов, в которых  титан растворяется очень интенсивно.

Главный «враг» титана – плавиковая кислота (HF). Даже в 1%-ном ее растворе скорость коррозии титана очень высока, а в более  концентрированных растворах титан  «тает», как лед в горячей воде. Фтор – этот «разрушающий все» (греч.) элемент – бурно реагирует  практически со всеми металлами  и сжигает их.

Не может  противостоять титан кремнефтористоводородной и фосфорной кислотам даже слабой концентрации, перекиси водорода, сухим  хлору и брому, спиртам, в том  числе спиртовой настойке йода, расплавленному цинку. Однако стойкость титана можно  увеличить, если добавить различные  окислители – так называемые ингибиторы, например, в растворы соляной и  серной кислот – азотную и хромовую. Ингибиторами могут быть и ионы различных  металлов в растворе: железо, медь и  др.

В титан  можно вводить некоторые металлы, повышающие его стойкость в десятки  и сотни раз, например до 10% циркония, гафния, тантала, вольфрама. Введение в  титан 20–30% молибдена делает, этот сплав  настолько устойчивым к любым  концентрациям соляной, серной и  других кислот, что он может заменить даже золото в работе с этими кислотами. Наибольший эффект достигается благодаря  добавкам в титан четырех металлов платиновой группы: платины, палладия, родия и рутения. Достаточно всего 0,2% этих металлов, чтобы снизить  скорость коррозии титана в кипящих  концентрированных соляной и  серной кислотах в десятки раз. Следует  отметить, что благородные платиноиды влияют лишь на стойкость титана, а  если добавлять их, скажем, в железо, алюминий, магний, разрушение и коррозия этих конструкционных металлов не уменьшаются.

Влияние легирующих элементов  в титане на коррозионную стойкость

Все присутствующие в титане легирующие элементы по коррозионной стойкости можно разделить на четыре группы.

К первой группе относятся легко пассивирующиеся  элементы, повышающие коррозионную стойкость  титана за счет торможения анодного процесса (в различной степени и в  зависимости от природы среды). К  этой группе относятся следующие  наиболее важные легирующие: Мо, Та, Nb, Zr, V (расположены в порядке убывания благоприятного воздействия на коррозионную стойкость).

Ко второй группе металлов, оказывающих сходное  влияние на коррозионную стойкость  титана, относятся Cr, Ni, Mn, Fe. Эти элементы, некоторые из которых сами являются коррозионностойкими (Cr, Ni), хотя и не сильно, но снижают коррозионную стойкость  титана, особенно в неокислительных  кислотах по мере повышения легирования  титана.

К третьей  группе легирующих элементов, имеющих  общие черты влияния на коррозионную стойкость титана, относятся Al, Sn, О, N, С. Установлено, что добавки алюминия снижают коррозионную стойкость  титана в активном и пассивном  состояниях. В нейтральных средах алюминий (до 5% Al) хотя и оказывает  отрицательное влияние, но оно невелико. Понижение коррозионной стойкости  при легировании алюминием связано  с облегчением анодного и катодного  процессов вследствие изменения  химической природы пассивных пленок.

К четвертой  группе легирующих элементов, однотипно  влияющих на коррозионную стойкость  титана, относятся металлы с низким сопротивлением катодному процессу. По возрастанию эффективности воздействия  на титан эти элементы располагаются  в следующий ряд: Си, W, Мо, Ni, Re, Ru, Pd, Pt.

Доказано, что  введение в титановые сплавы таких  элементов, как молибден, ниобий, цирконий, тантал не лимитируется по количеству. Они повышают коррозионную стойкость, способствуют увеличению прочности.

Электрохимическая коррозия под действием внутренних макро- и микрогальванических пар

Раньше электрохимическую  коррозию называли гальванической коррозией, так как разрушение металла происходит под действием возникающих гальванических пар.

Рассмотрим  различные случаи возникновения  коррозионных гальванических пар.

1. Контакт  с электролитом двух разных  металлов в случае сочетания  в одном узле или детали  металлов различной активности  в данной среде, или в случае  применения сплава эвтектического  типа из двух металлов разной  активности.

2. Контакт  металла и его соединения, обладающего  металлообразными или полупроводниковыми  свойствами. В любом случае свободный  металл имеет отрицательный электрический  заряд, а соединение — положительный  заряд, так как в нем часть  электронов проводимости связана.  Это также справедливо и для  интерметаллидов.