Титановые сплавы: свойства и марки

Титановые сплавы ценят за редкое сочетание: они почти вдвое легче стали, но по прочности не уступают многим конструкционным сталям, а в придачу почти не корродируют. Именно поэтому из них делают авиадвигатели, имплантаты и обшивку химических реакторов. Но за общим словом «титан» скрывается семейство материалов с разной структурой и поведением, а отечественная маркировка (ВТ6, ОТ4, ПТ-3В) на первый взгляд непрозрачна. Разберём, какие у титановых сплавов свойства, как они классифицируются по фазовому составу и как читать марки, чтобы подобрать материал под задачу. Ниже есть калькулятор-помощник: задайте марку и нужное свойство, и получите разбор.

Чистый титан и его две модификации

Чтобы понять свойства титановых сплавов, начинают с чистого металла. Титан обладает полиморфизмом: при нагреве выше $882\,°C$ его кристаллическая решётка перестраивается из плотноупакованной гексагональной ($\alpha$-фаза) в объёмно-центрированную кубическую ($\beta$-фаза). Эта температура называется температурой полиморфного превращения $T_{пп}$, и именно она лежит в основе всей классификации.

Плотность титана составляет $4{,}5\ \text{г/см}^3$ - между алюминием и сталью. Модуль упругости около $110\ \text{ГПа}$ (примерно половина стального), поэтому титановые детали заметно более податливы при изгибе. Чистый титан (марки ВТ1-00, ВТ1-0) мягкий и пластичный, его прочность $250{-}350\ \text{МПа}$, и применяют его там, где важна коррозионная стойкость, а не нагрузка: трубы, теплообменники, химическая аппаратура.

Легирующие элементы: альфа- и бета-стабилизаторы

Свойства резко меняются при легировании. Все добавки делят на две группы по влиянию на фазовый состав. Альфа-стабилизаторы (алюминий, кислород, азот) расширяют область существования $\alpha$-фазы и повышают $T_{пп}$. Главный из них - алюминий: он растворяется в титане, упрочняет его и снижает плотность. Бета-стабилизаторы (ванадий, молибден, хром, марганец, железо) понижают $T_{пп}$ и позволяют сохранить $\beta$-фазу при комнатной температуре.

Логика легирования похожа на ту, что используют для сталей, где роль добавок описывает обозначение легирующих элементов в марках стали. Но у титана главный рычаг - не углерод, а соотношение альфа- и бета-стабилизаторов, которое и определяет тип сплава.

Рассчитать для своей задачи

Классификация: альфа, бета и альфа плюс бета

По структуре в равновесном состоянии титановые сплавы делят на три класса.

• Альфа-сплавы (например, ВТ5, ВТ5-1) содержат алюминий и почти не имеют бета-стабилизаторов. Они хорошо свариваются, термически не упрочняются, сохраняют прочность при нагреве, но плохо деформируются. Применяют в криогенной технике и сварных конструкциях.
• Псевдо-альфа-сплавы (ОТ4, ВТ20) имеют небольшую долю $\beta$-фазы - компромисс между свариваемостью и технологичностью.
• Двухфазные альфа плюс бета сплавы (ВТ6, ВТ8, ВТ14) - самый массовый класс. Содержат и алюминий, и бета-стабилизаторы, поддаются упрочняющей термообработке (закалка плюс старение) и дают максимальную прочность.
• Бета-сплавы (ВТ15) полностью бета-стабилизированы, очень прочны после старения, но дороги и тяжелее.

Принцип здесь тот же, что и в модифицировании структуры сплавов: меняя фазовый состав и термообработку, управляют прочностью и пластичностью.

Расшифровка марок: ВТ, ОТ, ПТ

Отечественная маркировка титановых сплавов не похожа на стальную и читается по буквенному префиксу:

• ВТ - сплавы разработки ВИАМ (Всесоюзный институт авиационных материалов), самые распространённые: ВТ6, ВТ8, ВТ20.
• ОТ - совместная разработка ВИАМ и завода (например, ОТ4) - псевдо-альфа-сплавы повышенной технологичности.
• ПТ - «прометей-титан», сплавы для судостроения (ПТ-3В, ПТ-7М) с хорошей свариваемостью и коррозионной стойкостью в морской воде.

Цифра после букв - порядковый номер сплава, а не процент элемента (в отличие от маркировки качественных сталей вроде Сталь 45, где число - содержание углерода). Так, ВТ6 - это титан с примерно 6% алюминия и 4% ванадия, но «6» означает лишь номер марки. Иногда добавляют буквы: «ч» - чистый по примесям, «и» - для определённого передела.

Удельная прочность: главное преимущество

Ключевое свойство, ради которого выбирают титановые сплавы, - высокая удельная прочность, то есть отношение предела прочности к плотности:

$\sigma_{уд} = \frac{\sigma_в}{\rho}.$

У сплава ВТ6 предел прочности $\sigma_в \approx 1100\ \text{МПа}$ при плотности $4{,}43\ \text{г/см}^3$. Удельная прочность получается выше, чем у большинства сталей и алюминиевых сплавов в рабочем диапазоне температур. Именно поэтому при равной несущей способности титановая деталь легче. В авиации это прямая экономия топлива, в имплантологии - снижение нагрузки на кость.

Рассчитать для своей задачи

Коррозионная стойкость и биосовместимость

Титан почти не корродирует благодаря тончайшей оксидной плёнке $\text{TiO}_2$, которая мгновенно восстанавливается при повреждении (пассивация). В морской воде, азотной кислоте, многих хлоридах титановые сплавы устойчивее нержавеющей стали и не подвержены питтингу так, как межкристаллитной коррозии нержавеющей стали. Та же инертная плёнка делает титан биосовместимым: организм воспринимает имплантат из ВТ6 или ВТ1-0 как нейтральный, кость прирастает к поверхности (остеоинтеграция).

Слабые места тоже есть: титан склонен к водородной хрупкости, плохо работает на трение (задиры) и теряет свойства при контакте с кислородом и азотом при высоких температурах, поэтому его сваривают в защитной атмосфере.

Термообработка и упрочнение

Способность к упрочнению термообработкой - ещё один разделительный признак классов. Альфа-сплавы упрочняют только наклёпом (холодной деформацией) и последующим отжигом для снятия напряжений; термическая закалка им прироста прочности не даёт, потому что фазовых превращений с выделением второй фазы у них практически нет. Двухфазные альфа плюс бета сплавы (ВТ6, ВТ14) реагируют на закалку и старение: при нагреве выше $T_{пп}$ и быстром охлаждении фиксируется метастабильная $\beta$-фаза, а при последующем старении из неё дисперсно выделяется $\alpha$-фаза, упрочняя материал. По логике это близко к мартенситному превращению в сталях, но в титане превращение протекает мягче и без той же хрупкости. Так из одной марки ВТ6 в зависимости от режима получают как пластичный отожжённый, так и высокопрочный состаренный материал.

Отжиг же применяют ко всем классам как универсальную операцию: он снимает внутренние напряжения после сварки и деформации и стабилизирует структуру.

Где применяют титановые сплавы

Распределение по отраслям отражает баланс цены и свойств. Авиация и космос - диски и лопатки компрессоров (ВТ8, ВТ9), элементы планера (ВТ6, ВТ20). Медицина - имплантаты, эндопротезы, инструмент (ВТ1-0, ВТ6). Судостроение и химия - корпуса, насосы, теплообменники (ПТ-3В, ВТ1-0). Энергетика - лопатки паровых турбин. Высокая стоимость и сложность обработки ограничивают применение там, где выигрыш по массе или коррозии оправдывает затраты.

Частые ошибки

• Считают, что цифра в марке (ВТ6) - это процент элемента. Это лишь порядковый номер сплава, а не содержание алюминия или ванадия.
• Путают классы: альфа-сплавы термически не упрочняются, попытка их закалить и состарить не даст прироста прочности, в отличие от двухфазных альфа плюс бета.
• Игнорируют водородную хрупкость: повышенное содержание водорода резко снижает пластичность, особенно при ударных нагрузках.
• Сравнивают только предел прочности, забывая про плотность. Преимущество титана видно именно в удельной прочности, а не в абсолютной.
• Сваривают на воздухе: без защиты аргоном шов насыщается кислородом и азотом и становится хрупким.

FAQ

Чем альфа-сплавы отличаются от бета-сплавов? Альфа-сплавы (ВТ5) имеют гексагональную структуру, хорошо свариваются и не упрочняются термообработкой. Бета-сплавы (ВТ15) кубические, очень прочны после старения, но дороже и тяжелее. Двухфазные альфа плюс бета (ВТ6) - компромисс и самый массовый класс.

Что означает марка ВТ6? Это двухфазный титановый сплав с примерно 6% алюминия и 4% ванадия, аналог зарубежного Ti-6Al-4V. Буквы ВТ указывают на разработку ВИАМ, цифра 6 - порядковый номер марки, а не процент элемента.

Почему титан используют в имплантатах? Из-за биосовместимости: оксидная плёнка $\text{TiO}_2$ инертна, организм не отторгает металл, а кость прирастает к поверхности. Плюс высокая удельная прочность и стойкость к коррозии в физиологической среде.

Коротко

Свойства титановых сплавов определяются фазовым составом, который задают легирующие элементы: альфа-стабилизаторы (алюминий) и бета-стабилизаторы (ванадий, молибден). По структуре сплавы делят на альфа, псевдо-альфа, двухфазные альфа плюс бета и бета; самый массовый класс - двухфазные ВТ6. Марки читают по префиксу (ВТ, ОТ, ПТ) и номеру, а не по проценту элемента. Главное преимущество - высокая удельная прочность при отличной коррозионной стойкости и биосовместимости.