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

для самолетных деталей и 10%—для других назначений. По сообщению представителя фирмы Imperial Chemical Industries (10],

около 90% всего производства титана в Англии потребляется авиационной промышленностью. Это говорит о том, что в на­ стоящее время главным потребителем титана и его сплавов является авиация.

Намечается применение титановых сплавов и в конструкциях вертолетов. Использование листового титана для полов и, дверей, а также для обшивки лопастей несущих винтов позволяет значительно снизить вес вертолета и повысить его грузоподъемность. Для одного из вертолетов был изготовлен из титана экспериментальный выхлоп­

ной коллектор.

Артиллерия. Титан и его сплавы, привлекательны для артилле­ рийских установок, минометов и другого вооружения своим малым удельным весом, позволяющим облегчить транспортировку как при переноске на руках, так и при перевозке по воздуху. Однако высо­ кая стоимость титана ограничивает широкое применение его при оборудовании артиллерийских установок. Поэтому в настоящее вре­ мя в серийных. артиллерийских установках титановые конструкции встречаются еще сравнительно редко. Тем не менее, в расчете на сни­ жение стоимости титана, ведутся большие экспериментальные ра­ боты по использованию его в артиллерии. В результате этих работ установлена возможность успешного применения титановых сплавов для многих деталей орудий, например орудийных станков, крестовин лафетов, цилиндров противооткатных приспособлений и броневых

п.тит.

Титан и его сплавы могут получить широкое распространение при производстве управляемых снарядов и ракет. Предполагается использовать титан и его сплавы для изготовления гранатометов, ручных огнеметов, штыков и касок для солдат. При изготовлении опорной плиты миномета не из стали, а из титана был получен вдвое меньший вес, что позволило уменьшить число обслуживающего пер­

сонала.

При испытаниях в полевых условиях деталей артиллерийских установок, изготовленных из технического титана и сплавов его с алюминием, хромом, марганцем и железом, было обнаружено, что эти детали хорошо служат в жестких условиях работы. Разруши­ лось всего лишь несколько промежуточных и передних рессорных подвесок, которые испытывались в кованом виде без удаления по­ верхностного загрязненного слоя металла. Приводные валы, выто­ ченные из поковок сплава с 4% А1 и 4% Мп, изготовленных тем же способом, что и подвески, успешно выдержали тяжелые испытания. Вероятно, удаление поверхностного слоя играет очень важную роль

вобеспечении эксплуатационной надежности деталей.

Военно-м орской ф л о т и ги др оа ви а ци я . Применение титана и его

сплавов при строительстве судов и различного оборудования для них, а также при изготовлении гидросамолетов, особенно их лодок, объясняется высокой коррозионной стойкостью этих материалов и

69

хорошей прочностью при малом-, удельном весе. Титановые сплавы обеспечивают повышение грузоподъемности, маневренности, дально­ сти действия и боевой эффективности военных кораблей и гидроса­ молетов. Они могут применяться для обшивки судов, подводных ло­ док, торпед, лодок и корпусов гидросамолетов и для других назна­ чений.

Применение титана и его сплавов для выхлопных глушителей ди­ зелей подводных лодок, дисков измерительных приборов, тонкостен­ ных труб для конденсаторов и теплообменников обеспечивает зна­ чительное увеличение срока службы этих деталей. Титановые диски измерительных приборов, работающие в контакте с соленой водой, бензином или маслом, обладают весьма высокой стойкостью против коррозии. То же относится и к титановым трубам теплообменников, омываемым снаружи морской водой, а изнутри выхлопным конден­ сатом. Предполагается использовать титан для антенн и других де­ талей радиолокационных установок, подвергаемых воздействию ды­ мовых газов и морской воды.

Х и м и че ска я пром ы ш ле нность. Основным свойством титана и его

сплавов, обеспечивающим широкое применение этих материалов в химической промышленности, является высокая коррозионная стой­ кость. Благодаря этому свойству удается в несколько раз повысить срок службы многих деталей химического оборудования при изго­ товлении их из титана вместо сталей и других материалов.

Титан применяется для змеевиков в лабораторных теплообменни­ ках, работающих, в частности, на разъедающих кислотных растворах. Из него может быть изготовлено устройство для химического удале­ ния окалины и обезжиривания. Очень важной областью применения титана и его сплавов являются баллоны высокого давления для га­ зов и жидкостей. Игольчатый клапан для пропуска влажного хлора, изготовленный из титана, надежно работает в течение длительного времени.

Титан применяется для различных деталей химической аппара­ туры: труб, вентилей, клапанов, сеток, деталей насосов и других. Лопасти и кожухи центробежных насосов, применяемых для пере­ качки различных органических кислот, хлоридов, раствора соляной кислоты концентрации 3,5% и сухого хлора, изготовленные из тита­ на, могут работать в течение нескольких лет, в то время как ранее применявшиеся для этих деталей никельхромомолибденовые сплавы служили менее года.

Титановые инжекторы для высоких скоростей пара и разбавлен­ ной соляной кислоты работают без коррозии более 2,5 лет, а чугун­ ные выходят из строя через 3 месяца. Титановые вентили в трубах для агрессивных жидкостей работают при давлении 2 кг/мм2 более

1680 часов, а вентили, изготовленные из нержавеющей стали, в тех же условиях работы требуют замены уже через 70 часов. Барабаны для перемешивания двуокиси хлора, покрытые изнутри титановыми листами, работают без коррозии в течение года, а никельхромомолибденовые требуют замены через 5 часов.

70

Титановые сплавы применяются для высокоскоростных центри­ фуг, где важное значение имеет уменьшение вращающейся массы. Трубы теплообменников для 'перегонки паров азотной кислоты с целью уменьшения взрывоопасности целесообразно изготовлять не из чистого титана, а из сплава его с алюминием.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Изготовление деталей и конструкций из титана и его сплавов осу­ ществляется посредством обычных методов обработки, широко при­ меняемых при получении изделий из сталей, алюминиевых и других сплавов. Титановые сплавы подвергаются горячей обработке давле­ нием, обработке резанием, сварке, пайке и т. д., причем эти методы применимы к титану почти так же свободно, как и к другим метал­ лическим материалам. Только метод изготовления титановых отли­ вок пока еще находится в стадии разработки.

По способности обрабатываться давлением и резанием титан во многом аналогичен аустенитной нержавеющей стали. Тем не менее титану и его сплавам свойственны некоторые технологические осо­ бенности, связанные с природой самого металла, высокой актив­ ностью его при взаимодействии с другими элементами, значитель­

ным изменением свойств -в результате этого взаимодействия и с дру­ гими качествами титана.

Рассмотрим некоторые технологические особенности титана и его сплавов по основным методам обработки.

Л и ть е и специальны е способы получе н и я ко м п а к тн о го ти та н а .

Титан является литейным материалом, так как он обладает высо­ кой жидкотекучестью, имеет низкий коэффициент термического рас­ ширения и не склонен к газовой пористости. Трудности изготовления титановых отливок связаны с высокой химической активностью ти­ тана в расплавленном состоянии и возможностью загрязнения его различными примесями, снижающими пластичность и вязкость ме­ талла. Эти трудности преодолеваются путем использования ней­ тральной атмосферы или глубокого вакуума в зоне плавки, приме­ нения эффективных способов нагрева — электродугового или индук­ ционного и изыскания инертных материалов для тиглей и литейных форм. Метод эффективного расплавления титана без загрязнения с использованием нейтральной атмосферы, вакуума, электродугового и, частично, индукционного нагрева, достаточно хорошо разработан­ ный применительно к металлургическим процессам получения ком­ пактного металла, может быть использован и при изготовлении ти­ тановых отливок. В этой части проблема литья титана более или ме­ нее решена. Однако в области изыскания подходящего материала для тиглей и литейных форм сделано еще очень мало.

Все обычные огнеупорные материалы и фор'мовочные земли ак­ тивно взаимодействуют с расплавленным титаном, вследствие чего из них нельзя изготовлять ни тигли, ни формы для титанового литья. Проведенные исследования позволили установить пока только че­

71

тыре материала — графит, рекристалйпзованную окись кальция, рекристаллизованную окись тория и карбид титана, способные выдер­ живать длительный контакт с титаном при температуре выше точки его плавления. Однако из всех этих материалов сравнительно недо­ рогим и легко доступным является только графит. Поэтому для литья титана в настоящее время нашли некоторое применение гра­ фитовые кокили, хотя использование их и связано с известными ог­ раничениями ввиду высокой стоимости обработки и весьма ограни­ ченного срока службы.

Имеются попытки использования при изготовлении титановых от­ ливок обычных песчаных форм, покрытых слоем коллоидального графита. Применение графита для изготовления кокилей или Для об­ лицовки литейных форм не исключает загрязнения титановой отлив­ ки углеродом. Особенно это наблюдается при плавке титана в гра­ фитовом тигле, когда насыщение металла углеродом может дости­ гать 1 %. ’ ■

Во избежание снижения вязкости и пластичности титана, вызы­ ваемого растворением углерода в нем при плавке в графитовых тиг­ лях, предпринимаются -поиски более рациональных методов расплав­ ления. К таким методам относятся, в частности, плавка в гарниссаже, пла!вка во взвешенном состоянии и капельный метод плавки.

При плавке в гарниссаже внутренняя поверхность тигля заранее облицовывается слоем твердого титана, называемого гарниссажем, который благодаря соответствующему регулированию теплового ре­ жима сохраняется в процессе всего периода плавки. Таким образом, расплавленный титан находится в контакте со слоем твердого тита­ на, достигающим толщины 25 мм, и никакими примесями не загряз­

няется.

При плавке во взвешенном состоянии высокочастотный ток ис­ пользуется не только для нагрева металла, но и для создания элек­ тромагнитного поля, с помощью которого металл удерживается в пространстве во взвешенном состоянии. При этом он не соприка­ сается ни с какими материалами, а следовательно, и не загряз­ няется. Благодаря действию высокочастотного электромагнитного поля происходит интенсивное перемешивание сплава, обеспечиваю­ щее высокую однородность его.

Капельный метод плавки позволяет получить небольшие лабора­ торные слитки чистого металла или сплава, не загрязненного приме­ сями. Пруток исходного материала, подвешенный в эвакуированном резервуаре, постепенно расплавляют снизу при помощи индуктора. При этом капли металла, падающие в медную изложницу, образуют качественный слиток. Для повышения однородности слитка рекомен­ дуется двойная переплавка металла.

Имеются сведения о лабораторной разработке методов литья ти­ тановых сплавов в оболочковые формы и точного литья по выплав­ ляемым моделям. При изготовлении оболочковых (корковых) форм огнеупорным материалом служит графит или окись циркония, а свя­ зующим — термореактивиая фенольная смола. При отливке деталь

72

загрязняется с поверхности на глубину 0,25— 1,0 мм. Для удаления

загрязненного слоя проводится обработка резанием или травление. При изготовлении форм для точного литья выплавляемая модель покрывается жидкой массой, состоящей из огнеупора и связующего. Оценивая трудности, стоящие на пути освоения титанового литья, необходимо заключить, что главным препятствием в этом деле является отсутствие удовлетворительных материалов для тиглей и литейных форм. Именно это задерживает применение литья для из­ готовления деталей из титановых сплавов, особенно необходимого,

если принять во внимание сложность обработки их резанием. Титановые детали небольших размеров и простой формы могут

быть изготовлены методами порошковой металлургии. В настоящее время этими методами получают карбид титана для изготовления режущих инструментов, а также огнеупоры, в состав которых входят соединения титана.

Получение титановых деталей методом порошковой металлургии состоит из производства порошка, прессования и спекания. Титано­

1050—1100° в течение 1—2 часов. Спеченный металл несколько усту­ пает деформированному по пластичности.

Высококачественный полуфабрикат компактного титана можно изготовить способом прокатки в оболочке. При этом в отличие от метода порошковой металлургии не требуется предварительного прессования порошка и спекания его в вакууме. Для осуществления прокатки в оболочке порошок титана помещается в контейнер из железа, герметизируемый при помощи сварки. Затем производится нагрев до 800—900° и прокатка, в процессе которой под действием давления и температуры происходит соединение частиц порошка и образование компактного металла. Последующее отделение желез­ ной оболочки от титана осуществляется сравнительно легко благо­ даря образованию тонкого хрупкого слоя железотитанового сплава, 11е следует допускать чрезмерного повышения температуры про­ катки, так как при этом происходит интенсивное окисление оболочки, а также возникает опасность разрушения ее вследствие расплавле­ ния слоя железотитанового сплава при температуре 1080— 1100°.

Компактный титан, полученный прокаткой в оболочке, отличается высокой ковкостью, и может быть подвергнут холодной обработке давлением. Методом прокатки в оболочке можно получать не только чистый титан, но и сплавы его с различными элементами.

О б р а б о тк а давлением . Обработка давлением является одним из

самых распространенных методов получения полуфабрикатов, заго­ товок и изделий из титановых сплавов. При этом может применяться как горячая, так и холодная обработка давлением.

Известно, что способ обработки, и особенно обработки давле­ нием, определяет не только конфигурацию получаемого изделия, но и свойства деталей и конструкции в целом. Поэтому применение в

73