Белорусский национальный технический университет
Механико-технологический факультет
Кафедра «Материаловедение в машиностроении»
Курсовая работа
Современные сплавы для космической техники на основе титана
Выполнил: студент 3-ого курса МТФ
группы 10401120
Семеняк В.В.
Минск 2022
Реферат
Содержание, введение, классификация химических элементов на: основные легирующие элементы; вспомогательные легирующие элементы; вредные примеси; нейтральные примеси, влияние легирующих элементов на структуру и свойства сплавов, основные группы сплавов в соответствии с ГОСТ, предварительная и окончательная ТО и ХТО, основные направления совершенствования данного класса материалов, области применения данных материалов в промышленности, список использованных источников.
Введение
Титан является одним из наиболее распространенных элементов земной коры. Природные ресурсы титана превышают в несколько раз общее количество хорошо известных и широко применяемых металлов - меди, никеля, олова, свинца, цинка и других. Среди конструкционных металлов титан занимает по распространенности четвертое место, уступая только алюминию, железу и магнию. Однако еще недавно использование металлического титана и сплавов на его основе не имело перспектив, так как не было промышленных способов получения ковкого материала.
В последние годы, в связи с разработкой способов получения технически чистого ковкого титана, положение резко изменилось. Началось усиленное развитие исследования титана и сплавов на его основе. В настоящее время проводиться большая экспериментальная работа по разработке и испытанию сплавов титана, о чем свидетельствует большое количество публикаций по этому вопросу за последние годы в мировой литературе. Большие природные ресурсы и замечательные свойства титана дают основания утверждать, что он станет одним из важнейших конструкционных материалов.
Титан - один из распространённых элементов, среднее содержание его в земной коре составляет 0,57% по массе. Титан постоянно присутствует в тканях растений, накапливается у позвоночных животных, преимущественно в роговых образованиях, селезёнке, надпочечниках, щитовидной железе, плаценте; плохо всасывается из желудочно-кишечного тракта. У человека суточное поступление титана с продуктами питания и водой составляет 0,85 мг, выводится с мочой и калом (0,33 и 0,52 мг соответственно). Этот металл относительно малотоксичен.
Большую потребность в титане и его сплавах, обусловленную чрезвычайно высокими физико-механическими свойствами этого металла, собственно говоря, впервые испытала авиационная промышленность. Когда в конце 40-х - начале 50-х гг. стали создаваться реактивные самолеты со звуковыми и сверхзвуковыми скоростями, возникла необходимость в новом конструкционном материале для корпусов, обшивки, двигателей. Он мог быть получен только на основе титана, известного уже в те годы своими уникальными характеристиками. И сегодня авиационная и космическая техника в основном определяет потребность в титане и диктует темпы развития производства этого металла.
1. Классификация химических элементов на: основные легирующие элементы; вспомогательные легирующие элементы; вредные примеси; нейтральные примеси
Основные легирующие элементы в титановых сплавах это алюминий, никель, олово, медь, железо, молибден, цирконий, ванадий и хром.
Титановые сплавы в металловедении классифицируются по конфигурации кристаллических решёток, от которой напрямую зависят те или иные свойства конечного материала.
Хотя углерод, кислород, азот и водород упрочняют титан, их содержание в титане стараются свести к минимуму, и они редко применяются для легирования титана, так как вызываемое ими упрочнение сопровождается резким снижением пластичности и вязкости сплава.
Легирующие добавки. В целях повышения прочности титана с сохранением нужной пластичности применяется легирование такими элементами, атомы которых замещают атомы титана в его решетке, а не размещаются между последними, как атомы кислорода, азота и т. п.
Результаты исследования диаграмм состояния различных систем практическая разработка сплавов позволили выявить ряд таких элементов, легирование которыми улучшает механические свойства титана (марганец, алюминий, хром, олово, железо, ванадий и молибден). Эти элементы упрочняют титан за счет снижения пластичности и вязкости, которое, однако, далеко не столь значительно, как при загрязнении титана элементами внедрения.
Из числа легирующих элементов, растворяющихся в титане, единственно важными элементами, стабилизирующими а-фазу, нужно назвать алюминий и олово. Небольшие добавки алюминия могут вводиться в сплавы, от которых требуется большая прочность, чем у нелегированного титана, и которые подлежат сварке. При содержании алюминия свыше 6-7% двойной сплав становится хрупким и трудно поддается прокатке, что можно объяснить увеличением осевого числа с/а для гексагональной решетки титана. Эта гипотеза представляется еще правдоподобнее с учетом отличных свойств, получаемых при совместном легировании титана алюминием и ванадием. Ванадий является единственным легирующим элементом, уменьшающим величину с/а в гексагональной решетке титана. Сплав титана с содержанием 6% Аl и 4% V показал предел прочности при растяжении 112 кг/мм2, относительное удлинение 18% и ударную вязкость по Шарпи 3,45 кгм при комнатной температуре. Термической обработкой прочность сплава удалось повысить до 134 кг/мм2 при относительном удлинении 14% и работе разрушения образца Шарли 2,1 кгм [2]. 3 настоящее время этот сплав получает все более широкое применение.
Железо и хром применяются для упрочнения титана в промышленных сплавах RS 110 и Ti 150A. Марганец применяется для легирования титана при производстве двойного сплава С-110М и вместе с алюминием - тройного сплава С-130АМ.
Независимо от сочетания легирующих добавок наивысшая пластичность достигается при использовании губчатого титана высокой чистоты. Важное значение имеет и чистота легирующих добавок. Ряд железомарганцовистых сплавов не оправдал возлагавшихся на них надежд, видимо, по той причине, что железо и марганец вводились в виде загрязненного примесями ферромарганца, а не в виде чистого железа и чистого марганца.
2. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства сплавов
Основной целью легирования титановых сплавов является повышение прочности, жаропрочности и коррозионной стойкости. В промышленности выплавляют широкую гамму титановых сплавов. Широкое применение нашли сплавы титана с алюминием, хромом, молибденом, ванадием, марганцем, оловом и некоторыми другими элементами. Как и в сплавах на основе железа, легирующие элементы оказывают сильное влияние на полиморфные превращения титана. По технологии изготовления титановые сплавы подразделяются на деформиру_ емые и литейные; по уровню механических свойств -- на сплавы невысокой прочности и повышенной пластичности, средней прочности, высокопрочные; по условиям применения -- на хладостойкие, жаропрочные, коррозионностойкие. По способности упрочняться термообработкой они делятся на упрочняемые и неупрочняемые, по структуре в отожженном состоянии -- на a-сплавы, псевдо-a-сплавы, (a+b)-сплавы, псевдо-b-сплавы и b-сплавы.
За основу классификации принято соотношение a- и b-фаз в структуре сплава и особенности структурных превращений, происходящих при их термической обработке. В соответствии со структурой можно выделить наиболее распространенные группы сплавов:
1) a-сплавы, имеющие структуру: твердый раствор легирующих элементов в a-титане; основной легирующий элемент в a-сплавах -- алюминий;
2) a+b-сплавы, состоящие из a- и b-твердых растворов; a+b-сплавы содержат, кроме алюминия, 2-4% b-стабилизаторов, таких как Cr, Mo, Fe и др.;
3) b-сплавы, имеющие структуру: твердый раствор легирующих элементов в b-титане; эти сплавы содержат большое количество b-стабилизаторов.
Наибольшее применение получили a- и a+b-сплавы.
Как правило, все титановые сплавы содержат алюминий, который способствует повышению удельной прочности, жаропрочности, сохранению удовлетворительной пластичности, повышению модуля нормальной упругости, снижению склонности к водородной хрупкости. Также в качестве легирующих элементов вводят Mo, V, Mn, Cr, Sn, Zr, Nb и небольшие количества Si. Влияние легирующих элементов на предел прочности и относительное удлинение титана показано на рис. 1.
Несмотря на то, что титановые сплавы имеют высокую удельную прочность (отношение предела прочности к его плотности), упрочнение титана одновременно сопровождается снижением пластичности. Так, при содержании алюминия в титане более 7 мас.% в сплавах образуется соединение Ti3Al с упорядоченной структурой, заметно снижающее пластичность. Это соединение носит название алюминида титана, и на его основе пытаются создавать жаропрочные сплавы титана.
Рис. 1. Влияние легирующих элементов на механические свойства титана
Вследствие химической активности титан легко взаимодействует с примесями внедрения -- кислородом, азотом и углеродом. И хотя прочность его при этом сильно возрастает, пластичность существенно снижается. Примеси внедрения образуют с титаном твердые растворы внедрения, что приводит к снижению не только пластичности, но и коррозионной стойкости, а также таким технологическим свойствам, как штампуемость, свариваемость и т. д. Наиболее вредная примесь для титана -- водород, который малорастворим в a-титане. Попадая в титан при плавке и последующей обработке, в частности при травлении полуфабрикатов даже в небольших количествах, он вызывает водородную хрупкость, т. е. ведет к образованию тонких хрупких пластинчатых частиц гидридной фазы по границам зерен, приводящей к значительному охрупчиванию титана, снижению ударной вязкости, что особенно отрицательно проявляется при испытаниях на замедленное разрушение. Поэтому содержание примесей, особенно газов, в титане и титановых сплавах строго ограничено. Так, при введении всего лишь 0,03 % Н2, 0,2 % N2 или 0,7 % О2 титан полностью теряет способность к пластическому деформированию и хрупко разрушается. Допустимое количество водорода в титане 0,008-0,012 %.
Интенсивность взаимодействия титана с кислородом и водородом растет с температурой, поэтому в условиях эксплуатации при повышенных температурах его следует защищать от насыщения указанными элементами. Вместе с тем эту способность титана используют для поглощения газов в электронике. Титан сильно адсорбирует водород, но до 500 о С наводороживание происходит лишь в атмосфере, богатой водородом. А в воздушной среде проникновение водорода через защитную оксидную пленку невелико. Несмотря на свою высокую химическую активность, титан во многих агрессивных средах обладает высокой коррозионной стойкостью, что объясняется образованием стойкой защитной пассивной пленки TiO2 на его поверхности, прочно связанной с основным металлом и исключающей его непосредственный контакт с электролитом. Оксидная пленка на титане возникает при окислении на воздухе, анодном окислении и самопассивации его не только в сильноокислительных, но и в слабокислых и нейтральных растворах. Толщина оксидной пленки, образующейся на титане после длительного пребывания на воздухе, обычно достигает 5-6 нм. Благодаря оксидной пленке титан и его сплавы не корродируют в атмосфере, пресной и морской воде, устойчивы против кавитационной коррозии и коррозии под напряжением, а также в органических кислотах.
3. Основные группы сплавов в соответствии с ГОСТ
Таблица 1 (ГОСТ 19807-91, 26492-85)
4. Предварительная и окончательная ТО и ХТО
Титан и a-сплавы титана не упрочняются термической обработкой. И их подвергают только рекристаллизационному отжигу. Температура отжига a+b-сплавов должна быть выше температуры рекристаллизации, но не превышать температуры превращения a+b=b, так как и в b-области происходит сильный рост зерен. Отжиг при температурах, соответсвующих b-области, мало влияет на sB и s0,2, но сильно снижает относительное удлинение (d) и относительное сужение (y). Вязкость разрушения (КC) возрастает при повышении темпе ратуры обработки в a+b-области при сохранении высоких значений d и y. Для обеспечения высокой конструктивной прочности следует применять отжиг на 20-30 о С ниже температуры a+b=b-превращения (псевдо b-отжиг).
В последние годы все шире применяется вакуумный отжиг, который позволяет уменьшить содержание водорода в титановых сплавах. Это приводит к существенному повышению вязкости разрушения, уменьшению склонности к замедленному разрушению и коррозионному растрескиванию.
Для снятия внутренних напряжений, возникающих при механической обработке a- и a+b-сплавов, применяют неполный отжиг при 550-600 о С. При этом a+b-сплавы могут быть упрочнены закалкой с последующим старением.