Сварщику цветник металлов

ТИТАН И ЕГО СПЛАВЫ

Титан по сравнению со сталью обладает более низким коэф­фициентом теплопроводности, повышенным электрическим со­противлением и пониженной теплоемкостью, поэтому для его сварки затрачивается меньше энергии.

Небольшая линейная усадка, малый интервал кристалли­зации, высокая прочность и пластичность в области высоких температур снижают склонность титана к образованию в свар­ных швах Кристаллизационных трещиц. Наиболее часто при сварке титана встречаются такие дефекты, как поры и холод­ные трещины.

Холодные трещины возникают сразу после сварки и вы­леживания изделий. Причиной образования пор является перенасыщенность металла шва водородом. Для предотвра­щения образования пор тщательно подготавливают под сварку металл и присадочную проволоку, применяют защитные газы вы­сокой степени чистоты и строго соблюдают технологию сварки.

Низкая теплопроводность титана способствует увеличе­нию времени пребывания сварных швов и околошовной зоны в области высоких температур. Между тем титан при нагреве более 882 °С в области a-фазы склонен к значительному росту зерна, поэтому в зоне термического влияния в металле шва при нагреве выше этой температуры при сварке на больших погонных энергиях образуется крупнокристаллическая струк­тура. Снижение нагрева околошовных участков при сварке достигается ограничением силы сварочного тока, уменьшением погонной энергии сварки и применением многослойного за­полнения разделки кромок для металлов больших толщин.

Для получения сварных соединений высокого качества сварку титана и его сплавов рекомендуется выполнять при минимально возможной погонной энергии и применять мето­ды обработки, уменьшающие или полностью устраняющие остаточные напряжения. Снятие остаточных напряжений и стабилизация структуры сварных соединений производит­ся полным отжигом изделий.

Титан ВТ 1-0 и ВТ 1-00 отжигается при температуре 550— 680 °С. Для остальных сплавов температура отжига из-'

меняется от 620 до 820 °С. Отжиг производится в печах с за­щитной атмосферой аргона или гелия. Время полного отжига для металла толщиной 6—50 мм составляет 60 мин. Если изделие эксплуатируется при высоких температурах, для повышения стабильности свойств сварных соединений рекомен­дуется выполнять отжиг с последующим медленным охлажде - ; нием изделий со скоростью 2—4 °С /мин.

Титановые сплавы с пределом прочности 735 — 882 МПа относятся к группе малопрочных. Сплавы средней прочности имеют предел прочности 1078—1176 МПа, высокотемператур­ные титановые сплавы обладают пределом прочности 1372 МПа и выше (габи. 1.3).

Сплавы малой и большинство сплавов средней прочности не подвергаются упрочняющей термической обработке. Высоко­прочные титановые сплавы подвергаются термической обра­ботке. После закалки и старения значительно повышаются их прочностные характеристики. По фазовому составу сплавы титана при комнатной температуре разделяются на три груп - ны: однофазные а-сплавы, однофазные (3-сплавы и двухфаз­ные (a - f (З)-структуры. а-модификация существует при тем­пературе 882 °С, а (3-структура сохраняется вплоть до темпера­туры плавления [8J.

К элементам, образующим a-структуру, относятся алю­миний, галлий, индий, а также примеси кислорода, азота и углерода. (3-структуру образуют такие элементы, как мо­либден, хром, марганец, ниобий, железо, медь и водород К нейтральным упрочняющим элементам относятся цирконий и олово.

Первый класс сплавов объединяет технический титан и сплавы титана с a-стабилизирующими элементами. Такие сплавы содержат нейтральные упрочняющие элементы, струк­тура которых в преобладающем большинстве случаев имеет a-твердый раствор титана, и термической обработкой не упрочняются. Некоторое повышение их твердости достига­ется благодаря образованию твердых растворов.

а-сплавы для снятия нагарговки или для уменьшения внутренних напряжений в сварных конструкциях подверга­ются только низкотемпературному отжигу. До температуры 400-—500 °С такие сплавы сохраняют высокие пластические свойства даже после длительного действия повышенных тем­ператур.

(3-сплавы содержат при комнатной температуре (3-фазу, по­лученную легированием титана (3-стабилизирующими элемен­тами. Сплавы с (3-фазой упрочняются термической обработкой, состоящей из закалки и старения. Однако даже после такой обработки (3-сплавы обладают невысокой термической стаби­льностью и большой склонностью к росту зерна, а поэтому применяются в незначительных объемах.

Двухфазные (a - f -(З)-сплавы получают определенным со­отношением легирующих элементов, образующих а - и (3-фа­зы. Закалка и старение двухфазных сплавав приводит к за­метному повышению "их прочности и снижению пластичности.

Эффект термического упрочнения сплавов повышается с уве­личением содержания (3-фазы. В качестве конструкционного материала наибольшее распространение при изготовлении сварных конструкций получили а-сплавы.

Повышение прочности достигается легированием титана различными элементами. По увеличению предела прочности титана легирующие элементы могут быть распределены в ряд: ниобий, цирконий, олово, ванадий, алюминий, хром, мар­ганец, железо и кремний. Кроме таких легирующих элементов на свойства титана значительное влияние оказывают кислород, водород, азот и углерод.

Кислород при высоких температурах легко растворя­ется как в а-, так и в (3-титане, образуя твердые растворы внед­рения. Максимально растворимая молярная доля кислорода в титане составляет 30 %. До температуры 450—500 °С титан от окисления защищаетокиснонитридная пленка, прочно удер­живаемая на его поверхности. При более высокой температуре происходит интенсивное окисление титана на воздухе. Скорость взаимодействия титана с кислородом по сравнению с другими газами является наибольшей. При растворении кислорода в титане с образованием твердого раствора значительно иска­жается кристаллическая решетка. Это приводит к резкому повышению прочности, твердости и снижению пластичности титана.

Водород растворяется в титане в значительных мас­совых долях, достигающих 1 % с образованием твердого раст­вора внедрения и гидридов, повышающих склонность титана к охрупчиванию. С повышением температуры растворимость водорода в титане уменьшается и составляет при темпера­туре 20 °С — 40300 см3/Ю0 г, а при 1000 °С — уже всего 6500 см3/100г.

Чем больше в двухфазном сплаве ^-стабилизирующего эле­мента, тем меньше водород оказывает влияние на температуру перехода от хрупкого разрушения к вязкому. По уменьшению водородного охрупчивания (3-стабилизаторы могут быть распо­ложены в ряд: железо, марганец, ванадий, хром, ниобий и молибден. При горячей обработке Давлением и сварке чрез­мерное содержание водорода приводит к трещинам и разры­вам.

Азот является элементом, расширяющим область а - фазы. В связи с большим сродством титана с азотом при высо­кой температуре образуются нитриды титана, которые легко растворяются в металле. Максимально растворимая массовая доля азота в а-титане составляет около 0,75 %. Азот снижает пластичность и повышает прочность и твердость титана.

Углеродв а-титане при температуре, близкой к точке а~у Р, растворяется до 0,28 % (массовые доли). При пони­жении температуры растворимость углерода в а-титане зна­чительно снижается. В Р-титане растворяется массовых до­лей углерода около 0,06 %. Даже незначительная раствори­мость углерода в титане^ри его массовых долях, достигающих десятые доли процента, приводит к образованию карбидов титана и хрупкости сварных швов.

Для хорошей свариваемости в титане ограничивают со­держание кислорода, водорода, азота и углерода. Так, в тех­ническом титане ВТ1-00 их массовая доля (%) должна быть не более: 02—0,1; N2—0,04; Н2—0,008; С—0,05. Механичес­кие свойства титана ВТ1-0 толщиной 60 мм и его сварного соединения составляют: основной металл — ов= 470,9 МПа, 6 = 27,5 %, ф = 56 %, ан— 1697,1 кДж/мг; сварное соеди­нение — (тв— 451,3 мПа, б— 31 %, ф = 65 %, а„= 1722,6 кДж/м1.

При расчетах рекомендуется принимать прочность свар­ных соединений с коэффициентом 0,90...0,95 прочности основ­ного металла.

Технический титан используют для изготовления сварных аппаратов, работающих при температуре от — 269 до +250 °С. Однако сварные соединения некоторых сплавов сохраняют ра­ботоспособность и при более высокой температуре. Так, ти­тановый сплав АТЗ применяется для изделий, работающих при температуре до 300—350 °С, сплав ВТ5-1 сохраняет ра­ботоспособность до 500 °С.