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

тролите, над которым находится воздух. При этом кислород воздуха непрерывно восстанавливает пленку, разрушаемую соляной кисло­ той, и величина потенциала практически не изменяется. Потенциал, определяемый в электролите под атмосферой гелия (график 2), с те­

чением времени падает, так как пленка, разрушаемая соляной кис­ лотой, не восстанавливается из-за отсутствия кислорода воздуха.

Величина электродного потенциала титана зависит от примеси ионов некоторых металлов в электролите. По данным Шлейна [3], по­ тенциал титана в нормальном растворе соляной кислоты в присут­ ствии воздуха через час-после начала испытания имеет значение око­ ло 0 в. При тех же условиях, но с ионами металлов в электролите

электродный -потенциал увеличивается, \т. е. -происходит облагора­ живание титана. Добавка к электролиту 0,0032 моля на литр ионов алюминия вызывает повышение потенциала титана в нормальном растворе соляной кислоты до +0,05 в, ионов -кобальта — до +0,13 », ионов ртути и железа— до +0,3 в, ионов платины — до + 0,45 н, ионов меди — до +0,55 и и ионов золота — до +0,92 в.

ПРИМЕНЕНИЕ ТИТАНА И ЕГО СПЛАВОВ

Титан и его сплавы имеют сравнительно небольшую историю-при­ менения в качестве конструкционных материалов. Несколько лет то­ му назад титан знали лишь как легирующий элемент, с успехом при­ меняемый в сталях и в других сплава-х. Титан применялся также в виде карбида при производстве твердых -сплавов и в виде окисла — в лакокрасочной промышленности для изготовления титановых бе­ лил н эмалей.

Применение титана в качестве основы новых материалов - - тита­ новых сплавов относится к периоду-последних 10— 15 лет. Тем не ме­ нее в этом новом качестве титан получил уже довольно широкое рас­ пространение. Конструкционные материалы на основе титана с ус­ пехом -применяются в различных отраслях машиностроения, в судо­ строении и при производстве летательных аппаратов и двигателей.

Широкое и быстрое распространение титановых сплавов в каче­ стве конструкционных материалов различного назначения объяс­ няется теми положительными качествами, которыми обладают титан и его сплавы по сравнению с другими материалами. К этим качест­ вам относятся:

1.Высокая температура плавления, являющаяся необходимым условием -повышенной жаропрочности.

2.Высокая прочность, низкий удельный вес и, как следствие этих двух качеств, высокая удельная прочность.

3.Низкий коэффициент теплового расширения, обусловливающий

хорошую сопротивляемость материала термической усталости.

4.Высокая химическая стойкость, обеспечивающая применение титана и его сплавов в различных агрессивных с-редах.

5.Высокая стойкость против эрозии и -кавитации.

64

В настоящее время материалы на основе титана применяются или в форме листов, или в виде поковок. В качестве отливок титан и его сплавы пока еще не применяются, что объясняется трудностя­ ми подбора материала для литейных форм. Листы изготовляются из технического титана или из однофазных а-сплавов, легированных алюминием и оловом.

Техническим называется титан, в котором содержится некоторое количество примесей (около одного процента), причем эти примеси введены не специально, с целью легирования, но практически неиз­ бежно присутствуют в металле в результате особенностей металлур­ гического процесса. Как уже отмечалось, количество примесей в тех­ ническом титане зависит от способа его получения, причем нередко содержание кислорода и азота преднамеренно допускается несколь­ ко завышенным с целью некоторого увеличения прочности металла.

Поэтому технический титан не без основания часто называют ма­ лолегированным многокомпонентным титановым сплавом. Однако этот сплав в ряде случаев является недостаточно прочным, а повы­ шение прочности за счет увеличения количества примесей вызывает значительное понижение пластичности. Вследствие этого приходится переходить к сплавам, легированным алюминием и оловом. Эти эле­ менты, каждый в отдельности и оба вместе, растворяясь в « -титане, повышают его прочность без существенного снижения пластичности, благодаря чему получаемые сплавы могут быть прокатаны в лист, как и технический титан, но имеют значительно более высокую проч­ ность.

Для поковок применяются главным образом двухфазные спла­ вы, имеющие структуру a -f р. Эти сплавы сравнительно легко обрабатываются и могут упрочняться путем термической обра­ ботки. Они имеют значительно более высокие свойства проч­ ности при меньшей пластичности по сравнению с однофазными а-сплавами.

Титан и его сплавы применяются после тщательного учета всех положительных и отрицательных качеств этих материалов. При этом обращается внимание как на эксплуатационные свойства, так и на технологические особенности. Учитывается также и экономический фактор.

Принимая во внимание пока еще высокую стоимость титана, его применяют главным образом в тех случаях, когда первостепенную роль играет .не экономический фактор, а комплекс технических и экс­ плуатационных характеристик материалов на основе титана. Тем не мёнёе перечень областей, где применение титана в той или иной мере уже развернулось или по крайней мере достаточно четко обозначи­ лось, является весьма обширным.

В первую очередь титан и его сплавы были применены и в на­ стоящее время получили уже довольно широкое распространение в конструкциях летательных (аппаратов и двигателей для них. Они ин­ тенсивно внедряются в конструкциях кораблей и оборудования во­ енно-морского флота, применяются для деталей артиллерийских

установок и для изготовления танковой брони. Имеются сведения об известном применении титана и его сплавов в химическом машино­ строении и апФаратостроении, для некоторых деталей ядерных реак­ торов, для деталей различного транспортного оборудования, для из­ готовления медицинских инструментов и фармацевтического обору­ дования. Намечается использование титана и его сплавов в общем машиностроении, при производстве спортивного инвентаря, в пище­ вой, нефтяной и электротехнической промышленности, а также во многих других специальных областях. Ниже по литературным источ­ никам [1, 10, 14, 38, 39, 43, 44, 45, 46, 54, 55] приводятся краткие сведения о применении титана и его сплавов в некоторых из указан­ ных областей.

Л е та те л ь н ы е а ппа р а ты и д в и га те л и . Основными качествами ти­

тановых сплавов, привлекающими внимание конструкторов лета­ тельных аппаратов и двигателей, являются малый удельный вес и высокая прочность, особенно при повышенных температурах. Конеч­ но, титан и его сплавы не решают всех проблем, возникающих при конструировании летательных аппаратов и двигателей. Каждая груп­ па матералов, будь то стали или алюминиевые сплавы, находит свое специфическое применение, соответствующее свойствам этих мате­ риалов. Тем не менее по величине удельной прочности в интервале температур 300—500° титановые сплавы превосходят многие стали и алюминиевые сплавы, а по удельному напряжению потери устой­ чивости панелей конструкций они уступают лишь высокопрочному алюминиевому сплаву типа В95 и то только до температуры 150", а при более высоких температурах превосходят его [54].

Поэтому в конструкциях летательных аппаратов, предназначен­ ных для полетов со сверхзвуковыми скоростями и испытывающих аэродинамический нагрев, а также в конструкциях реактивных дви­ гателей титановые сплавы находят все более широкое применение. При этом достигается снижение веса без потери прочности, что по­ зволяет увеличить полезную нагрузку, дальность полета и маневрен­ ность летательного аппарата.

Многочисленные исследования и эксперименты, проведенные в последние годы, говорят о целесообразности использования титано­ вых сплавов для обшивки летательных аппаратов, скорости которых соответствуют числу М = 3—3,5 [55]. Кроме того, титановые сплавы используются для швеллеров, рам, угольников, поясов шпангоутов, противопожарных перегородок и других деталей внутреннего набора летательного аппарата, работающих при температуре до 420°.

На фиг. 56, по данным фирмы Рем-Крю Тайтениум [1], представ­ лена схема реактивного истребителя F-2 с отмеченными на ней де­ талями, изготовленными из титана. Этими деталями являются шпан­

нервюры, элементы жесткости и другие детали каркаса фюзеляжа. Масштабы использования титана в конструкциях тяжелых само­

летов иллюстрируются данными о количестве и общем весе деталей

66

из титана на самолетах Дуглас и других [39]. Количество деталей из титана на самолетах Комета, Дуглас DC-7 и Дуглас DC-7-C состав-

Ф и г . 5 6 . О с н о в н ы е д е т а л и р е а к т и в н о г о и с т р е б и т е л я , и з г о т о в л е н ­ н ы е и з т и т а н а :

1— ш п а н г о у т ы ; 2 — к о ж у х ; 3 — л е н т ы щ и т к а ; 4 — б а л к и ; 5 — к о р о б д л я п р о в о д к и ; 6 — к а р к а с ; 7 — с о п л о

ляет 554 шт., а общий вес их 363 кг. У самолета Дуглас DC-8 вес титановых деталей 428 кг, а у самолета Бристоль Британия 100 —

до 1225 кг.

Ф и г . 5 7 . С х е м а р е а к т и в н о г о д в и г а т е л я с о т м е ч е н н ы м и

ш т р и х о в к о й д е т а л я м и и з т и т а н о в ы х с п л а в о в

Для реактивных двигателей титан применяется как в виде ли­ стов, так и, главным образом, в виде поковок. На фиг. 57, по данным фирмы Вестингауз [1], представлена схема реактивного двигателя с осевым компрессором, на которой отмечены детали, изготовляемые из титановых сплавов, а именно диски и лопатки компреосбра, ли­

стовые детали наружного кожуха двигателя, болты, валы и другие детали.

Титан и его сплавы могут быть широко использованы в конструк­ циях ракет. Необходимо отметить, что ввиду непродолжительной ра­ боты ракеты титановые сплавы, применяемые в ее конструкции, мо­ гут быть использованы при температурах, значительно превышаю­ щих обычные рабочие температуры этих материалов. В этом случае малая продолжительность выдержки при высокой температуре в про­ цессе эксплуатации практически исключает опасность охрупчивания и разупрочнения титанового сплава. Имеются сведения, что многие титановые сплавы, легированные алюминием, ванадием, молибденом и хромом, выдерживают высокие кратковременные напряжения до 760°. В межконтинентальной ракете Атлас из титанового сплава, со­ держащего 6% А1 и 4% V, предполагается изготовлять сферические резервуары для сжатого гелия, применяемого для регулировки пода­ чи топлива в камеру сгорания.

Сплав В 120VCA, содержащий 13% V, 11% Сг и 3% А1, имеет структуру Р и используется для производства поковок, листов н проволоки. Он хорошо деформируется, легко сваривается, подвер­ гается упрочнению закалкой и старением и предназначается для изготовления сотовых панелей. При нагревах в течение 2—3 минут этот сплав может быть использован при температурах до 815° [44].

Для авиационных деталей, изготовляемых штамповкой, и в част­ ности для сотовых панелей, может применяться сплав C105VA, со­ держащий 16% V и 2,5% А1. Он выпускается' в виде листав, полос и проволоки и обладает настолько хорошей пластичностью, что мо­ жет быть прокатан в фольгу [43]. Для изготовления сотовых панелей может применяться также сплав MST-185, содержащий 1 % А1, 8% V и 5% Fe и являющийся достаточно прочным в отожженном состоя­ нии [45].

Для деталей реактивных двигателей и летательных аппаратов при скоростях, соответствующих ЗМ, рекомендуется сплав MST-881, со­ держащий 8% А1, 8% Zr и 1% Та и Nb [46]. Этот сплав имеет вы­ сокую длительную прочность до 590° и высокую кратковременную прочность до 815°. По своим механическим свойствам он превосхо­ дит многие стали.

Сплав марки 821, содержащий 8% АГ, 2% Nb и 1 % Та, обладает повышенной жаропрочностью, хорошо сваривается и может приме­ няться для обшивки летательных аппаратов, а также для дисков и лопаток компрессоров газовых турбин. Изготовление из титана де­ талей ротора компрессора способствует уменьшению напряжений от центробежных сил. Поэтому титановые сплавы в большом количе­ стве идут для изготовления лопаток компрессора.

Титан, примененный в авиационном производстве Англии в 1956г., был использован :40%—для лопаток компрессора, 20% — для противопожарных перегородок, 20% —для капотов двига­ телей, 5%—для дисков компрессора и распорных колец, 5% —

68