Титановые слитки

Титановые слитки: назначение и общая характеристика

Титановый слиток — исходная заготовка (полуфабрикат), из которой последующей горячей и холодной деформацией получают весь спектр титанового проката: листы, плиты, прутки, трубы, поковки, штамповки и профили. Химический состав и качество слитка определяют свойства конечного изделия, поэтому к металлургии титановых слитков предъявляются жёсткие требования по однородности, содержанию газовых примесей и отсутствию металлургических дефектов.

Титан — лёгкий серебристо-белый металл с плотностью 4,505 г/см³ при 20 °C и температурой плавления 1668 ± 5 °C. Два главных преимущества титана как конструкционного материала — высокая удельная прочность (отношение прочности к плотности) и коррозионная стойкость в большинстве агрессивных сред, включая морскую воду, хлориды и азотную кислоту. Эти качества в полной мере передаются полуфабрикатам, полученным из титановых слитков.

Марки титана и титановых сплавов по ГОСТ 19807-91

Основным стандартом, регламентирующим марки и химический состав деформируемого титана и титановых сплавов в странах СНГ, является ГОСТ 19807-91 «Титан и сплавы титановые деформируемые. Марки». Стандарт распространяется на все виды деформированных полуфабрикатов, а также на слитки. С учётом Изменения №1 (введено 01.07.2012) документ охватывает более 30 марок, различающихся химическим составом, системой легирования и комплексом механических свойств.

Массовая доля водорода, указанная в таблице ГОСТ 19807-91, нормирована именно для слитков. Для полуфабрикатов (листов, прутков, труб) допустимое содержание водорода устанавливается в отдельных стандартах на конкретные виды продукции.

Классификация по структуре

Все титановые сплавы разделяют на группы в зависимости от фазового состава при комнатной температуре. Структура определяет основные свойства и область применения сплава.

α-сплавы и технически чистый титан (ВТ1-00, ВТ1-0, ВТ5, ВТ5-1). Однофазная α-структура с гексагональной кристаллической решёткой. Эти марки не упрочняются термической обработкой. Основные достоинства — высокая пластичность, свариваемость и коррозионная стойкость. Применяются в химической промышленности, теплообменном оборудовании, криогенной технике.

Псевдо-α-сплавы (ОТ4-0, ОТ4-1, ОТ4, ВТ20). Содержат небольшое количество β-фазы (до 5–7 %). Обладают более высокой прочностью по сравнению с чистым титаном при сохранении хорошей пластичности и свариваемости. ВТ20 — один из наиболее технологичных сплавов, из которого получают все виды полуфабрикатов, включая листы, трубы, поковки и штамповки.

(α + β)-сплавы (ВТ6, ВТ6С, ВТ14, ВТ3-1, ВТ22, ПТ-3В). Двухфазные сплавы — наиболее многочисленная и промышленно значимая группа. Могут упрочняться закалкой и старением. Сплав ВТ6 (система Ti–6Al–4V) — самый массовый титановый сплав: по различным оценкам, на него приходится свыше 50 % мирового объёма выплавки титановых сплавов. Применяется в авиастроении, двигателестроении, медицине.

Псевдо-β- и β-сплавы (ВТ22, ВТ35). Содержат высокую долю β-стабилизаторов (Mo, V, Cr, Fe). Отличаются наибольшей прочностью среди титановых сплавов — до 1100–1350 МПа после упрочняющей термообработки. Используются для высоконагруженных силовых деталей в авиации.

Международная классификация ASTM

В международной практике титан и титановые сплавы обозначаются по системе Grade стандартов ASTM (B265 — листы, B348 — прутки, B381 — поковки). Нумерация Grade не является непрерывной и охватывает номера от 1 до 41 с пропусками. Grade 1–4 — нелегированный (коммерчески чистый) титан различной степени прочности. Grade 5 (Ti-6Al-4V) — аналог российского ВТ6, наиболее распространённый сплав в мировом масштабе. Grade 9, 12, 23 и другие — легированные сплавы с различным назначением.

Способы выплавки титановых слитков

Титан обладает высокой химической активностью в расплавленном состоянии — он взаимодействует с кислородом, азотом, углеродом и большинством огнеупорных материалов. Поэтому плавку ведут исключительно в вакууме или среде инертного газа.

Вакуумно-дуговой переплав (ВДП) — основной промышленный метод. Расходуемый электрод из прессованной титановой губки и легирующих добавок переплавляется электрической дугой в вакууме в водоохлаждаемом медном кристаллизаторе. Для достижения требуемой однородности химического состава слиток переплавляют дважды (двойной ВДП), а для ответственных изделий — трижды. На выходе получают цилиндрические слитки.

Электронно-лучевая плавка (ЭЛП) — шихту плавят направленным пучком электронов в глубоком вакууме. Метод обеспечивает высокую степень дегазации и рафинирования металла от тугоплавких включений. Позволяет получать слитки как цилиндрического, так и прямоугольного (слябового) сечения, что удобно для дальнейшей прокатки на листы и плиты.

Плазменно-дуговая плавка (ПДП) — относительно более новый метод, при котором источником тепла служит плазменная дуга в среде инертного газа (аргон или гелий). Применяется преимущественно для переработки титанового лома и получения слитков с контролируемым составом.

Физические свойства титана

Параметр	Значение
Плотность при 20 °C	4,505 г/см³
Температура плавления	1668 ± 5 °C
Температура кипения	3260 °C
Температура полиморфного превращения (α → β)	882,5 °C
Удельная теплоёмкость при 20 °C	0,54 кДж/(кг·°C)
Теплопроводность при 20 °C	18,85 Вт/(м·К)
Модуль упругости	110–120 ГПа

Низкая теплопроводность титана (в 4 раза меньше, чем у железа, и в 13 раз меньше, чем у алюминия) — существенный фактор при механической обработке: при резании титановых заготовок необходимо учитывать концентрацию тепла в зоне контакта инструмента с деталью.

Области применения титановых слитков

Из титановых слитков деформацией получают полуфабрикаты, используемые в следующих отраслях:

Авиация и ракетная техника. Силовые элементы планера, детали шасси, лопатки и диски компрессоров, крепёж. Основные сплавы — ВТ6, ВТ3-1, ВТ22, ВТ20. Титановые детали позволяют снизить массу конструкции на 15–25 % по сравнению со стальными при сопоставимой прочности.

Судостроение. Обшивка, валы гребных винтов, теплообменное оборудование. Применяют сплавы повышенной коррозионной стойкости — ПТ-3В, ПТ-7М, ОТ4.

Химическая и нефтехимическая промышленность. Реакторы, теплообменники, трубопроводы для агрессивных сред. Используют технически чистый титан (ВТ1-0, ВТ1-00) и низколегированные сплавы.

Энергетика. Конденсаторные трубки электростанций, лопатки паровых турбин последних ступеней.

Медицина. Имплантаты, эндопротезы, хирургические инструменты. В медицинских изделиях применяют сплавы ВТ6 (Grade 5) и технически чистый титан Grade 1–4, а также Grade 23 (Ti-6Al-4V ELI) с пониженным содержанием примесей внедрения.

Формы поставки титановых слитков

Титановые слитки поставляются в двух основных формах:

Цилиндрические слитки — стандартный продукт вакуумно-дугового переплава. Диаметр промышленных слитков, как правило, составляет от 200 до 1000 мм и более. Масса может достигать нескольких тонн в зависимости от диаметра и назначения.

Слябы (слитки прямоугольного сечения) — получают электронно-лучевой или плазменно-дуговой плавкой. Прямоугольное сечение удобно для последующей прокатки на листы и плиты без промежуточной ковки.

Каждый слиток сопровождается сертификатом с указанием марки сплава, номера плавки, химического состава и результатов контроля.

Нормативная документация

Производство и поставка титановых слитков в России регулируются комплексом стандартов:

ГОСТ 19807-91 — устанавливает марки и химический состав деформируемого титана и титановых сплавов, включая слитки.

ГОСТ 19807-91 (Изменение №1) — введено 01.07.2012, дополнило стандарт новыми марками (в том числе ПТ-1М, 3М, 2В, 5В и другими).

Полуфабрикаты из титановых слитков поставляются по отдельным стандартам на каждый вид продукции: ГОСТ 22178 (листы), ГОСТ 26492 (прутки), ГОСТ 21945 (трубы) и другим.