Файл: Пульцин Н.М. Титан и его применение в авиации.pdf

Пластичность как гладких, так и надрезанных образцов, опреде­ ляемая при испытании на растяжение, в известной мере зависит от величины и температуры предварительного деформирования. Так, например, предварительное деформирование при 25° понижает пла­ стичность как титана, так и сплава при — 196°.

КОРРОЗИОННАЯ СТОЙКОСТЬ ТИТАНА И ЕГО СПЛАВОВ

Титан и его сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью в различных средах. Это объясняется малой химической активностью титана вследствие образования на его поверхности защитной окисной пленки. Однако при повышении температуры эта пленка разру­ шается и титан обнаруживает чрезвычайно высокую химическую ак­ тивность, энергично взаимодействуя с галоидами, кислородом, се­ рой, углеродом, азотом и другими элементами. Так, например, с фтсъ ром титан заметно реагирует при температуре выше 150°, с хло­ ром — при 350°, с бромом — при 360° и с иодом — при 400°. Йодная настойка вызывает сильную точечную коррозию титана уже при ком­ натной температуре. При' накаливании происходит сгорание титана в атмосфере азота.

Различают химическую, газовую и электрохимическую коррозию титана и его сплавов.

Хи м и ческа я коррозия. Под химической коррозией, как известно,

понимается процесс разрушения металла в результате простого хи­ мического взаимодействия его с внешней средой. Титановые сплавы хорошо противостоят этому виду разрушения во многих средах. Они безусловно устойчивы против химической коррозии в органических кислотах, сильных щелочах, во влажном хлоре, содержащем свыше 0,013% водяного пара, а также в морской воде. По стойкости про­ тив коррозионного действия многих сред титан иногда сравнивают с платиной.

Оказывая высокое сопротивление химической коррозии, титан и его сплавы вместе с тем являются нестойкими в ряде сред. Титан не сопротивляется воздействию многих неорганических кислот. Так, например, в соляной кислоте при температуре кипения титан оказы­ вается стойким только в том случае, когда концентрация кислоты не превышает 1%. Сильно разъедает титан фтористоводородная кисло­ та любой концентрации. Серная кислота комнатной температуры слабо действует на титан при концентрациях до 10%. Однако уве­

личение температуры свыше 85° дает усиление коррозии Уже при концентрации кислоты 1%.

Азотная кислота даже при концентрации 98% не действует на ти­ тан, так как является сильным окислителем и образует защитную окисную пленку, препятствующую коррозии. Тем не менее при тем­ пературе кипения титан оказывается устойчивым в азотной кислоте только при концентрации ее не более 65%.

Титан -стоек в фосфорной кислоте концентрации до 30% при ком­ натной температуре и до 5% при температуре кипения, В хромовой

55

кислоте титан также не корродирует. Против действия смеси соля­ ной и азотной кислот титан 'полностью устойчив при комнатной температуре. Добавка азотной кислоты к другим кислотам или при­ сутствие кислорода в них замедляет процесс коррозии титана в этих средах. Однако добавка азотной кислоты, кислорода или других пас­ сивирующих агентов к плавиковой кислоте не препятствует коррозии титана в ней. Скорость коррозии титана в кипящей 5-процентной плавиковой кислоте может быть снижена почти в 100 раз введением

в него 0,1 % палладия [48].

Титан обладает хорошим сопротивлением коррозии в растворах неорганических солей, в частности в холодных и горячих растворах хлоридов меди, железа, магния, ртути, серебра, натрия, цинка и дру­ гих, но нестоек в горячем концентрированном растворе хлорида алюминия.

Титан не корродирует в гидроокиси алюминия, в сернокислой ме­ ди, перекиси водорода, сероводороде, серном газе и в различных соединениях натрия. Из органических соединении на титан не дей­ ствуют, в частности, бензин, метиловый и этиловый спирты, толуол, фенол, формальдегид, трихлорэтилен и другие.

Как известно, под влиянием напряжений коррозионное действие химических сред на металлы усиливается. К титану это относится только отчасти. В настоящее время можно указать две среды, в ко­ торых наблюдается усиление коррозии титана под действием напря­ жений,— это бромистоводородная кислота и дымящая азотная кис­ лота, причем в последней коррозия титана под напряжением разви­ вается настолько интенсивно, что может сопровождаться взрывом.

Взрыв титана в дымящей азотной кислоте происходит неожидан­ но в результате длительного контакта металла со средой [10]. При этом напряжения производят разрушение защитной окисной пленки, а окислы азота попадают .в небольшие поверхностные трещины и, являясь катализаторами, аккумулируют быстрое действие азотной кислоты. Отмечается [10], что взрывоопасность свойственна только титану и не наблюдается в сплавах на его основе, однако это нуж­ дается в проверке путем проведения более тщательных исследова­ ний.

Высокая стойкость против химического действия различных аг­ рессивных сред делает возможным использование титана в качестве защитного покрытия на других металлах, например на сталях [34].

Газовая коррозия. Газовая коррозия, как известно, представляет

собою разрушение титана в результате взаимодействия его с газами при высоких температурах. Происходящая при производстве, обра­ ботке и эксплуатации, газовая коррозия титана является в первую очередь результатом взаимодействия его с воздухом. Основные ком­ поненты воздуха — кислород и азот, воздействуя на титан, насы­ щают его и образуют различные химические соединения — оксиды и нитриды, являющиеся продуктами коррозии.

Газовая коррозия сопровождается не только разрушением тита­ на за счет образования химических соединений; ей сопутствует так­

56

же изменение свойстп металла олагодаря насыщеппкк.его кислоро­ дом и азотом.

Интенсивная коррозия титана в результате взаимодействия его с кислородом наблюдается в процессе обработки при высоких темпе­ ратурах, например при ковке, штамповке, длительном отжиге и т. д. При этом на заготовке образуется так называемый измененный слой, обладающий повышенной прочностью и пониженной пластичностью и затрудняющий дальнейшую обработку и эксплуатацию изделия. Этот слой, как правило, удаляется с заготовки механической обра­ боткой резанием или при помощи •равления.

При температуре свыше 850° па титане в результате взаимодей­ ствия его с кислородом воздуха образуется толстая окалина, имею­ щая сложное строение [3]. Темный внешний слой ее имеет структуру рутила с некоторьим дефицитом атомов кислорода1). Второй слой состоит из вещества пурпурного цвета, представляющего собой Т120з. Третий слой имеет бронзовый цвет и состоит из закиси ти­

тана TiO, содержащей в кристаллической решетке некоторое коли­ чество атомов азота. Азот образует с титаном нитриды, которые и придают этому слою бронзовый цвет. Четвертый слой серебристого цвета по внешнему виду похож на металл и состоит из закиси тита­ на, имеющей дефицит по кислороду, но нс содержащей азота. Пятый слой находится в непосредственном соприкосновении с поверхностью

') Слой рутила без дефицита по кислороду имеет желтую окраску.

57

металла и состоит из порошка темного цвета, представляющего со­ бой смесь закиси титана с твердым раствором кислорода в а-титане.

Интенсивность насыщения титана кислородом характеризуется графиками, приведенными на фиг. 45 [3]. Анализируя эти графики, можно отметить, что процесс насыщения титана кислородом яв­ ляется самозамедляющимся.

Взаимодействие титана с азотом протекает медленнее, чем с кис­ лородом. Интенсивность насыщения титана азотом характеризуется графиками, представленными на фиг. 46. Процесс насыщения тита­ на азотом, как и кислородом, идет с замедлением во времени, т. е. является самотормозящимся. Таким образом, поверхностный слой титана, содержащий азот и кислород, частично препятствует даль­ нейшему насыщению его этими элементами.

Особенно большое значение имеют исследования газовой корро­ зии титана не отдельно в кислороден азоте, а в среде воздуха, когда эти два компонента действуют совместно. Результаты таких исследо­ ваний приведены во многих работах [2, 3, 23, 35, 36 и др.].

Титан имеет высокую коррозионную стойкость на воздухе как при обычных, так и при повышенных температурах. При нагреве до 600° он покрывается окисно-нитридной пленкой, которая прочно дер­ жится на поверхности металла. Скорость диффузии кислорода че­ рез эту пленку при низких температурах очень мала, благодаря че­ му металл надежно защищается от дальнейшего разрушения. Опыты показывают, что чистый титан может длительно использоваться в ат­ мосфере воздуха при температурах 550—560° [2]. Выше этих темпе­

ратур диффузия через пленку усиливается и металл начинает раз­ рушаться быстрее.

Большое практическое значение для производства изделий из ти­ тана и его сплавов методами горячей обработки давлением имеет изучение газовой коррозии при высоких температурах. Оно позволяет выяснить кинетику взаимодействия воздуха с металлом, влияние продуктов этого взаимодействия на обрабатываемость и свойства ти­ тановых сплавов и получить ответы на ряд других вопросов, знание которых позволяет правильно выбрать режимы обработки титана в процессе авиационного производства.

Изучение газовой коррозии является полезным также и в пер­ спективном плане. Уже сейчас известны случаи применения титано­ вых сплавов в течение непродолжительного времени при температу­ рах до 900°. А в дальнейшем, по мере развития этих материалов, их использование при -высоких температурах будет все больше расши­ ряться, причем знание законов газовой коррозии безусловно явится фактором, способствующим этому.

В работе Г. П. Лучкина и Г. Г. Ильина [52] было исследовано окисление титана в атмосфере воздуха и в парах воды. Полученные результаты приведены в таблице 14.

58