ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 04.04.2024
Просмотров: 55
Скачиваний: 0
Н. М. ПУЛЬЦИН
ТИ Т А Н
ИЕГО ПРИМЕНЕНИЕ
ВАВИАЦИИ
АКВВИА
им.А Ф Можайского
ЛЕНИНГРАДСКАЯ КРАСНОЗНАМЕННАЯ ВОЕННО-ВОЗДУШНАЯ ИНЖЕНЕРНАЯ АКАДЕМИЯ имени А. Ф. МОЖАЙСКОГО
Ленинград—1960
mavuu ДОЛИННАЯ i И^” ЧЛ' ™• 1-«апгЧ Е*чС!1Н А Я j —^/!i±2I§i5^cЧЕiJVCj^rp I -
Гос. публичная !
научно-техкии * :г.я |
I |
библиотека r O O P |
! |
Э .Ч З Е М П Л ^ Р |
j |
Ч И Т А Л Ь Н О Г О З А Л А | |
|
п -ms |
2.8 i ч 8 |
Технический |
редактор Е. |
Г. Элькнн |
|
Корректор И. А. Хабло |
|
||
Подписано к печати 25.7.60 |
Печ. листов |
5,25—1-2 вкл. |
Авт. листов 5, |
Зак. 699 |
|
|
Г-74560 |
Типолитография ЛКВВИА имени |
А. Ф. Можайского |
ВВЕДЕНИЕ
Авиационная техника, как правило, является главным претенден том ,на новые материалы. Больше того, очень часто она стимулирует изыскание и производство таких материалов.
По мере развития и совершенствования летательных аппаратов требования к авиационным материалам непрерывно повышаются и становятся все более сложными. Если в начальный период развития авиации требовались материалы, обладающие высокой удельной прочностью при обычных температурах, то в настоящее время необ ходимы жаропрочные материалы, имеющие достаточную удельную прочность при высоких температурах и обеспечивающие требуемую жесткость конструкции.
Сферы применения таких материалов в авиации непрерывно рас ширяются. Теперь жаропрочные материалы нужны не только для двигателей, но и для самих летательных аппаратов, подвергающихся аэродинамическому нагреву при сверхзвуковых скоростях полета. Поэтому в последние годы разработаны и внедрены в производство новые авиационные материалы.
Наряду с другими новейшими авиационными материалами яв ляются титановые сплавы. Их развитие началось совсем недавно. Еще :в 1948 году и США было произведено всего лишь 3 т ти
тана. Однако в последнее десятилетие в производстве титана и его сплавов были достигнуты значительные успехи. В Советском Союзе освоено и успешно развивается промышленное производство как ти тана, так и его сплавов.
Темпы развития промышленности титана могут быть проиллю стрированы данными о производстве его в США, приведенными в
таблице 1.
Таблица 1
|
|
Рост производства титана в США |
|
|
|
|||||
Годы |
1948 |
1949 |
1950 |
195! |
1952 |
1953 |
1954 |
1955 |
1956 |
1957 |
Годовое |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
производст |
3 |
8 |
50 |
500 |
1200 |
2300 |
1 4000 |
8500 |
16000 |
27000 |
во титана |
в тоннах
3
Приведенные данные свидетельствуют о значительном росте мощности титановой промышленности передовой в техническом от ношении капиталистической страны. За последние годы значительно возросло производство титана и в других странах. По имеющимся в литературе сведениям, в 1957 году в Японии было произведено около 2500 т титана, в Англии — около 2000 т, а во Франции — около 1000 т. Предполагается, что объем мирового производства ти тана в 1960 году без СССР составит 100000 т.
Однако, несмотря на значительный рост производства титана и его сплавов, проблема использования этих материалов в авиации н^
у.ожет считаться полностью разрешенной. |
|
|
|
|
||||
. Титановые сплавы безусловно обладают рядом |
преимуществ |
по |
||||||
сравнению с другими материалами. |
Об этом убедительно |
говорят |
||||||
данные, |
приведенные в таблице 2 и на фиг. |
1. |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
Таблица 2 |
||
Свойства некоторых металлов при нормальной температуре |
|
|||||||
Наименование свойства |
Тита н |
Алюми |
Магний |
Железо |
Никель |
|||
|
|
|
|
ний |
|
|
|
|
Плотность, ZjCM3 |
4,5 |
2,7 |
1,74 |
7,83 |
8,8 |
|
||
Температура плавления, °С |
1660 |
659 |
651 |
1535 |
1452 |
|||
Предел прочности при растя |
30 |
10 |
10 |
20 |
33' |
1 |
||
жении, кг/мм? |
|
|
|
|
|
|
||
Модуль нормальной упруго |
11250 |
7100 |
4300 |
20000 |
19900 |
|||
сти, кг(мм* |
|
|
|
|
|
|
|
|
Твердость |
по |
Бринеллю, |
105 |
25 |
25 |
60 |
80 |
|
кг'мм* |
|
|
|
|
|
|
|
|
Относительное удлинение, % |
40 |
40 |
5 |
40 |
— |
|
||
Коэффициент линейного рас |
9 |
24 |
25 |
12 |
14 |
|
||
ширения X 10°, 1/°С |
|
|
|
|
|
|
||
Коэффициент |
теплопровод |
0,01 |
0,52 |
0,38 |
0,19 |
0,145 |
||
ности, |
ка л ’см-сек-0С |
|
|
|
|
|
|
Из таблицы 2 видно, что основа титановых сплавов — металл ти тан имеет высокие прочность и твердость и хорошую пластичность при малом удельном весе. Титан имеет также высокую температуру плавления, что является необходимым условием для Получения жа ропрочных сплавов. Малый коэффициент линейного расширения его обеспечивает надежную работу титановых сплавов в условиях теплосмен. Наконец, необходимо отметить еще одно положительное каче ство титана — высокую коррозионную стойкость, объясняемую ма лой химической активностью вследствйе образования на поверхности металла защитной окисноупленки. Хорошее сопротивление корро-
4
зин позволяет использовать титан н его сплавы для работы в раз личных агрессивных средах.
На фиг. 1 приводится сравнительная оценка основных групп авиационных материалов по их жаропрочности при различных тем пературах. Как видно из приведенных графиков, титановые сплавы имеют достаточно высокий предел длительной прочности до темпера туры 550 и даже до 600° *).
Таким образом, даже на современном уровне развития титановые сплавы являются вполне удовлетворительными авиационными мате риалами.
К-’
Температура в °С
Фиг. 1. Диапазоны значений длительной прочности основных групп метериалов при различных температурах:
1—магниевые сплавы; 2—алюминиевые сплавы; 3—материалы САП; 4—титановые сплавы; 5 —жаростойкие и нержавеющие стали; б—жаропрочные аустенитные стали; 7—никелевые сплавы; 8—молибденовые сплавы
Однако титан и его сплавы имеют существенные недостатки, ог раничивающие использование этих материалов и требующие прове дения дальнейших исследований, направленных на изыскание новых возможностей создания хороших титановых сплавов.
Титан имеет низкий модуль нормальной упругости. Это вызывает затруднения при создании жестких и устойчивых конструкций. В ря де случаев возникает необходимость дополнительного утяжеления детали с целью обеспечения необходимой жесткости. При этом эко номия в весе, достигаемая за счет высокой прочности и малой плот ности титана, утрачивается.
*) Здесь и далее температура приводится в градусах Цельсия.
5
Титан обладает ползучестью, которая развивается не только при повышенных температурах, но и при обычных. Эта особенность ти-. тана при высокой температуре плавления и рекристаллизации его яв ляется весьма неожиданной, не встречающейся у других металлов; она создает определенные трудности при изыскании сплавов, пред назначенных для работы в течение продолжительного времени при высоких температурах.
Свойства сплавов титана при эксплуатации весьма изменчивы. Это связано как с органическими недостатками самого титана, на пример его ползучестью и взаимодействием с воздухом при высокой температуре, так и с превращениями в структуре его сплавов, кото рые протекают при длительной эксплуатации и пока еще не всегда могут быть предсказаны заранее.
Наконец, обсуждая проблему титана и его сплавов, нельзя не упомянуть и об экономическом факторе. Производство титана яв ляется пока еще весьма сложным и дорогим. Обработка в процессе изготовления изделий связана с большим отходом металла в ока лину и на удаляемый при обработке резанием измененный слой. Способы использования отходов титана еще fie найдены. Все это при высокой стоимости самого титана значительно удорожает использо вание титановых сплавов в авиационной промышленности и в дру гих отраслях машиностроения.
Рассматривая недостатки титана, мы не имеем в виду в какой-ли бо мере умалить достоинства его как сов|ременного и весьма Пер спективного материала. В этом надо усматривать только желание подчеркнуть те трудности, которые необходимо преодолеть на пути создания новых титановых сплавов.
Прежде чем перейти к рассмотрению свойств титановых сплавов, необходимо остановиться на вопросах, касающихся процесса получе ния титана.
Титан является элементом 4-й группы периодической системы с порядковым номером 22 и атомным весом 47,9. Он имеет две аллотропические модификации; низкотемпературную а, сущест вующую до 885° и имеющую гексагональную кристаллическую, решетку, и высокотемпературную [3, существующую при темпе ратурах выше 885° и имеющую кристаллическую решетку объемноцентрированного куба.
Среди других металлов по распространенности в природе титан занимает пятое место после кремния, алюминия, железа и магния. Его содержание в земной коре составляет свыше 0,6 %. Если срав
нить титан с такими давно известными и широко применяемыми в технике металлами, как никель, медь, свинец и другие, содержание которых в земной коре составляет тысячные и сотые доли процента, то станет ясно, что титан является далеко не редким металлом, хотя обычно его и относят к редким, и распространенность этого металла вполне позволяет широкую добычу и использование его в технике.
6
Титан впервые был открыт в 1789 году в виде двуокиси. Однако чистый ковкий титан в лабораторных условиях был получен только в 1910 году.
Титан является весьма активным элементом. Он обладает боль шим сродством к кислороду, азоту, углероду и другим металлоидам, способен образовывать сплавы с различными металлами. Поэтому получение титана в чистом виде является весьма трудным процес сом.
Ввиду высокой активности титана число минералов, содержащих его, весьма велико и достигает 60. Однако основными минералами, из которых в настоящее время производится промышленная добыча титана, являются рутил ТЮг и ильменит ГеТЮ3. Они входят 'в со став титановых руд наряду с другими веществами. Поэтому одним из первых металлургических процессов получения титана является производство чистой двуокиси. Однако возможно извлечение гитана из руд и в виде галоидных соединений. Это является даже более предпочтительным, так как ввиду трудности восстановления метал лического титана из окиси все равно приходится получать из нее га лоидное соединение, например путем хлорирования.
Одним из промежуточных продуктов в процессе металлургиче ского производства титана является четыреххлористый титан ПСЦ. Он получается хлорированием рутила, ильменита, чистой двуокиси и других соединений титана. Аналогично может быть получен и четырехиодистый титан ПП. Галоидные соединения легко восстанав ливаются до металлического титана магнием, натрием, алюминием, кальцием или литием.
Основным методом получения титана в настоящее время является магниетермический. По этому методу процесс ведется следующим образом. В железную реторту помещают магний и нагревают его в нейтральной атмосфере, а затем ъ эту реторту вводят четыреххло ристый титан. В результате реакции получается губчатый титан и жидкий хлористый магний. Последний сливается, остатки его уда ляются под вакуумом или вымываются подкисленной водой.
Губчатый титан подвергают переплавке электродуговым или ин дукционным способом с целью получения обычного компактного ме талла. В настоящее время наиболее распространенным является электродуговой метод переплавки, при котором губчатый титан предварительно размельчается и спрессовывается в стержни. Затем эти стержни используются в качестве расходуемых электродов. Вто-
•рьпм электродом является металлический титан, помещенный на дне охлаждаемой медной изложницы. При плавке металл расплавляется небольшими порциями и сразу застывает. Слиток получается как бы послойным, вследствие чего он оказывается неоднородным по со ставу. Для повышения однородности применяют двойную пере плавку.
Более однородный слиток с лучшей воспроизводимостью состава получается при индукционной переплавке титана. Однако при этом процесс ведется в графитовых тиглях, что вызывает значительно?
7
насьНцение титана углеродом, повышение твердости и снижение пла стичности его. Указанный недостаток является настолько серьезным, что индукционная плавка, несмотря на ее преимущества перед эле-к- тродуговой, по высказываемому в литературе мнению [1] не сможет
найти широкого применения до тех шор, пока не будет разработан материал, в тиглях из которого можно было бы плавить титан без загрязнения его.
Магниетермическим методом с последующей переплавкой полу чают обычный технический титан, широко применяемый для листов
идругих полуфабрикатов1. В его состав входит некоторое количество примесей кислорода, азота, водорода, углерода, кремния, железа И других элементов. Общее содержание примесей достигает. 0,5% ')
иболее.
Для получения более чистого титана применяется иодидный ме тод, при котором в реакторе специальной конструкции в результате взаимодействия технического титана, с иодом образуется четырехиодистый титан, диссоциирующий в этом же реакторе на поверхно сти раскаленной пропусканием электрического тока тонкой титано вой или вольфрамовой нити. При этом чистый титан осаждается на поверхности указанной нити, а иод вновь взаимодействует с техни ческим титаном. Получаемый этим методом титан содержит не бо лее 0,1% примесей и применяется для исследований, проводимых в
целях изучения различных систем титановых сплавов. Хотя иодид ный метод и является малопроизводительным и дорогим, однако луч шего способа получения чистого титана в настоящее время не суще ствует.
В литературе [1, 2, 3] сообщается о большом числе работ по изы сканию способа получения титана электролизом его соединений. Од нако существенных положительных результатов в этом направлении пока еще не достигнуто.
Титановые сплавы, так же как ,и технический титан, получаются из титановой губкй методом переплавки. Однако при изготовлении расходуемых электродов в измельченный губчатый титан вводятся легирующие элементы или промежуточные сплавы их, так называе мые лигатуры. Для получения однородного по составу слитка при изготовлении сплава применяют, как правило, метод двойной пере плавки. При этом, имея в виду не допустить насыщение сплава сверх нормы нежелательными примесями кислорода, азота и других, про цесс ведут в защитной атмосфере аргона, гелия или смеси этих га зов. Это же относится и к процессу получения-технического титана.
Технический титан и его сплавы могут быть получены не только переплавкой, но и методом порошковой -металлургии, кратко рас смотренным далее в главе «Технологические особенности титановых сплавов».
Общее количество примесей, содержащихся в. титане и его спла вах, зависит от качества титановой губки и от чистоты защитной
') Здесь и далее содержание элементов приводится в весовых процентах.