Сколько существует марок титановых сплавов? В литературе приводится число: более 100. Из них 40–50 действительно используются в промышленности, а в широком применении — лишь около десятка. При таком количестве сплавов запоминание только обозначений марок никогда не приведёт к успеху. Поэтому металлурги сделали самое основное, что было возможно, — классифицировали их по микроструктуре.

Под «микроструктурой» здесь понимается то, какая кристаллическая структура фактически преобладает в титановом сплаве при комнатной температуре: плотноупакованная гексагональная α-фаза, объёмно-центрированная кубическая β-фаза или их смесь. Не стоит недооценивать эту классификацию — то, какой является микроструктура при комнатной температуре, в основном определяет, хорошо ли сплав сваривается, поддаётся ли холодной формовке, сопротивляется ли высоким температурам и насколько высокой может быть его прочность. Можно сказать, что микроструктура — это врождённый характер титана.

Сегодня мы за один раз разберём четыре класса титановых сплавов — α, псевдо-α, α+β и β. В китайском национальном стандарте для них используются префиксы TA, TC и TB соответственно (технически чистый титан и α-тип используют TA; α+β-тип использует TC; β-тип использует TB), за которыми следует регистрационный номер, например TA7, TC4 и TB2.

Потратьте минуту на то, чтобы вспомнить основную логику, рассмотренную ранее. Титан претерпевает аллотропное превращение при 882 °C: при высокой температуре это объёмно-центрированная кубическая β-фаза, а при низкой температуре — плотноупакованная гексагональная α-фаза. Добавление легирующих элементов изменяет сферы влияния этих двух фаз:

• α-стабилизирующие элементы (алюминий, кислород, азот и т. д.) расширяют α

фазовая составляющая, благодаря чему микроструктура при комнатной температуре преимущественно α;

• β-стабилизирующие элементы (молибден, ванадий, ниобий, железо,

хром и т. д.)

расширяют область β-фазы; при добавлении их в достаточном количестве β-фаза может сохраняться

даже при комнатной температуре;

• Добавьте и то и другое, чтобы β-фаза составляла 10%–50%, и вы получите

α+β двухфазный сплав.

Таким образом, если расположить титановые сплавы по содержанию β-фазы при комнатной температуре от низкого к высокому, они естественным образом делятся на четыре школы: α (почти полностью α) → near-α (β не превышает 10%) → α+β (β от 10% до 50%) → β (полностью β при комнатной температуре). Эта линия по сути представляет собой линию возрастающего эквивалента молибдена от низкого к высокому.

И состояния α- и β-фаз совершенно различны: α-фаза имеет плотноупакованную гексагональную решётку с малым числом систем скольжения, что придаёт ей высокую прочность, жаростойкость, коррозионную стойкость и хорошую свариваемость — но она плохо поддаётся холодной деформации. β-фаза имеет объёмно-центрированную кубическую решётку с множеством систем скольжения, поэтому она мягкая, вязкая, легко деформируется в холодном состоянии и может быть существенно упрочнена термической обработкой. Какая бы фаза ни доминировала, сплав следует её свойствам.

α-титановые сплавы содержат в основном α-стабилизирующие элементы и в стабильном состоянии при комнатной температуре практически на 100% состоят из α-фазы. Типичными представителями являются технически чистый титан (TA0, TA1, TA2, TA3) и TA7 (Ti-5Al-2.5Sn).

Ключевые характеристики этого класса: коррозионная стойкость, хорошая свариваемость, хорошая горячая обрабатываемость — но невозможность упрочнения термической обработкой, относительно низкая прочность и лишь умеренная способность к холодной формовке.

Поскольку микроструктура представляет собой однофазный α с однородным составом и без осложнений, связанных с фазовыми превращениями, α-сплавы обладают наилучшей свариваемостью среди титановых сплавов — коэффициент прочности сварного соединения может приближаться к 100%. Именно потому, что он однофазный и не может быть упрочнён посредством фазового превращения, его прочность обеспечивается главным образом внедрёнными элементами (кислородом, азотом) и твёрдорастворным упрочнением алюминием и оловом, поэтому его потолок невысок.

В литературе особо отмечается, что α-сплавы применяются главным образом в химической, нефтехимической и перерабатывающей промышленности, где на первом месте стоит не прочность, а коррозионная стойкость и деформируемость. Поэтому первым выбором является технически чистый титан (TA0–TA3), а также его коррозионностойкие улучшенные версии, такие как содержащий палладий TA9 (Ti-0.2Pd) и TA10 (Ti-0.3Mo-0.8Ni) с небольшими добавками молибдена и никеля — это специфическое средство для горячей соляной кислоты, серной кислоты и других сильновосстанавливающих кислот, и они являются основным материалом для реакторов, теплообменников, трубопроводов и хлорно-щелочного оборудования.

Одним предложением: школа α не гонится за грубой прочностью; она стремится к тому, чтобы «никогда не ржавело, отлично сваривалось и стабильно работало всю жизнь».

Около-α титановые сплавы добавляют небольшие количества β-стабилизирующих элементов на α-основе; в отожжённой микроструктуре β-фаза или интерметаллические соединения, как правило, не превышают 10%. Не пренебрегайте этими менее чем 10% β: они позволяют сплаву, сохраняя высокотемпературную стойкость и свариваемость школы α, поднять на ступень выше высокотемпературную прочность и сопротивление ползучести.

Эта школа существует почти исключительно для горячих секций авиационных двигателей. В литературе названы три представителя:

– TA11 (Ti-8Al-1Mo-1V): разработан в Соединённых

Штатах, предназначен для высокотемпературной эксплуатации. Но содержание алюминия в нём достигает

8%, что вызывает проблемы горячесолевой коррозии под напряжением — он склонен к

растрескиванию в высокотемпературных солесодержащих средах.

– TA15 (Ti-6.5Al-1Mo-1V-2Zr): это российский сплав BT20.

Он является «аналогичным сплавом» для TA11, но удачно снижает содержание алюминия и добавляет

цирконий, сохраняя жаропрочность и улучшая поведение при горячесолевой коррозии

под напряжением. Это классический высокотемпературный титановый сплав для длительной эксплуатации

при температуре около 500 °C, широко применяется в авиационных каркасах и двигателях

несущие детали.

– TA13 (Ti-2.5Cu): британский сплав IMI230, типа

«α + соединение», упрочняемый выделением Ti₂Cu — один из немногих

near-α сплавов, которые могут быть упрочнены термической обработкой.

Близкий к α-классу также имеет современную основу — TA19 (Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, международное обозначение Ti-6242S). С α-матрицей плюс олово, цирконий, молибден и следы кремния его долговременная рабочая температура может достигать 550 °C; деформация ползучести при 550 °C за 100 часов может удерживаться в пределах 0,1%, при этом он сохраняет хорошую свариваемость α-класса (коэффициент прочности сварного соединения аргонодуговой сварки может достигать 100%). Сегодня он используется в корпусах компрессоров высокого давления авиационных двигателей, лопатках и блисках, где он заменяет никелевые суперсплавы в отечественных двигателях и в конструкциях, связанных с C919/C929, обеспечивая снижение массы на 25%–30% (согласно техническим данным Litai Metal и Kehui Titanium).

Философия дизайна near-α школы очень ясна: сохранить β-фазу лишь в незначительном количестве (менее 10%), почти полностью сохранить жаропрочную α-матрицу и использовать такие элементы, как олово, цирконий, молибден и кремний, для высокотемпературного твердорастворного и creep-упрочнения. Это оптимальное решение для «нужна жаропрочность, плюс свариваемость, плюс немного больше прочности».

α+β титановые сплавы содержат относительно большое количество β-стабилизирующих элементов; при комнатной температуре α- и β-фазы сосуществуют, содержание β обычно составляет 10%–50%. Это наиболее важная и наиболее широко используемая школа среди титановых сплавов.

Её характерные ключевые слова: средняя прочность, упрочняемая термической обработкой, превосходные комплексные характеристики — но относительно плохая свариваемость.

Поскольку существуют две фазы, α+β-сплавы можно «настраивать» в широком диапазоне по прочности, пластичности и вязкости путём регулирования термической обработки (закалка + старение / двойной отжиг) и соотношения двух фаз — то, чего не могут сделать однофазные α-сплавы. В таблице 6-1 эта школа имеет роскошный состав:

– TC1 (Ti-2Al-1.5Mn): в отожжённом состоянии, низкая стоимость,

хорошая формуемость;

– TC4 (Ti-6Al-4V): в отожжённом состоянии,

абсолютная звезда;

– TC6 (Ti-6Al-1.5Cr-2.5Mo-0.5Fe-0.35Si): двойной отжиг;

– TC10 (Ti-6Al-6V-2Sn-0.5Cu-0.5Fe): отожжённый

состояние, более высокая прочность;

– TC11 (Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si): двойной отжиг,

жаропрочный тип.

Несколько слов необходимо сказать о TC4: Ti-6Al-4V был успешно разработан арсеналом Уотертауна в Соединённых Штатах в 1954 году и широко применяется в аэрокосмической промышленности; его продукция составляет 55–65% от общего объёма производства титановых сплавов, и из него можно изготавливать крупногабаритные авиационные поковки любого типа. Он обладает превосходными комплексными характеристиками, является наиболее глубоко изученным, имеет самый длительный срок службы и самый широкий диапазон применения — «спустя полвека после своего появления он всё ещё сохраняет жизненную силу».

Это также «международный гражданин, путешествующий по миру», имеющий соответствующий класс в каждой стране:

• Китай: TC4

• Timet Division, США: Ti-6Al-4V; Reactive Metals Inc., США:

RMI 6Al-4V; соответствует ASTM Grade 5

• Великобритания, IMI: IMI 318

• Россия: BT6

• Япония, Sumitomo: ST-A140

• Франция: TA6V

• Германия, Krupp: LT31

Почему весь мир использует его? 6% алюминия стабилизирует α, а 4% ванадия стабилизирует β, обеспечивая двухфазное соотношение, которое как раз подходит — достаточно высокая прочность (предел прочности при растяжении после отжига ≥ 895 МПа), достаточно хорошая пластичность, коррозионная стойкость, свариваемость (хотя и не такая хорошая, как у α-сплавов), способность к термической обработке и биосовместимость: у него практически нет недостатков. Это «всесторонний отличник» среди титановых сплавов.

Тем не менее, учебник также указывает на слабое место семейства α+β: относительно плохая свариваемость. Поскольку при быстром нагреве и охлаждении во время сварки β-фаза в двухфазной микроструктуре претерпевает мартенситное превращение, что делает соединение склонным к охрупчиванию и потере пластичности. По этой причине для ответственных сварных деталей часто предпочитают α / near-α сплавы или требуют специальную послесварочную термическую обработку.

β-титановые сплавы содержат достаточно β-стабилизирующих элементов, что при подходящей скорости охлаждения микроструктура при комнатной температуре может быть полностью β-фазой. В учебниках их дополнительно делят на две категории: термически упрочняемые β-титановые сплавы (метастабильные β) и термически стабильные β-титановые сплавы.

Эта школа обладает наиболее «раздвоенным» и наиболее примечательным характером:

После закалки метастабильные β-сплавы представляют собой мягкую однофазную β-структуру при комнатной температуре с превосходной технологической пластичностью; листы можно холодно штамповать, холодно гнуть и холодно высаживать почти так же, как алюминиевые сплавы, а радиус гибки может приближаться к 0,5 толщины листа (для α+β TC4 обычно требуется 3–4 толщины листа, и всё равно сохраняется склонность к растрескиванию). Для листовых деталей сложной формы, пружин и крепежа это чрезвычайно хорошая новость.

После формообразования старение позволяет наноразмерной α-фазе дисперсно выделиться из β-матрицы, и прочность может достигать предела прочности при растяжении при комнатной температуре до 1300–1400 МПа — наивысшего среди четырёх классов.

Представителем в таблице 6-1 учебника является TB2 (Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al), состояние которого обозначено как «закалённый / закалённый и состаренный» — это самый типичный пример принципа «сначала придай мягкую форму, затем упрочни старением».

Классические применения β-сплавов — это пружины и крепёжные изделия. Возьмём знаменитый Beta C alloy (Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr, американский класс 19): разработанный в 1960-х годах для замены труднообрабатываемого Ti-13V-11Cr-3Al, он чрезвычайно мягок в состоянии после закалки и может подвергаться холодной навивке; после старения его предел прочности на растяжение может достигать 1 100–1 200 МПа. Будучи на 40–50 % легче стальных пружин и обладая более высокой плотностью запасаемой энергии, он широко применяется в пружинах шасси самолётов, высокоэффективных клапанных пружинах и высокопрочных коррозионностойких компонентах для нефтяных и газовых скважин (соответствующих требованиям NACE MR0175 для сред с сероводородом H₂S). NASA даже подтвердила в рамках миссии по возврату образцов с Марса, что пружины из Beta C оставались надёжными после 3 000 циклов при низкой температуре дальнего космоса −135 °C (согласно техническим отчётам NASA и данным Titanium Industries).

Цена, которую платит β-класс: множество легирующих элементов (молибден, ванадий и хром все дорогие), относительно высокая плотность, высокая стоимость и чувствительность к режиму термической обработки. Поэтому он используется там, где «производительность стоит того, чтобы за неё платить».

Как только вы поймёте эту таблицу, вы освоите «первые принципы» выбора титановых сплавов: для коррозионной стойкости и свариваемости выбирайте α; для жаростойкости выбирайте near-α; для универсальных характеристик выбирайте α+β (с TC4 в качестве безопасного варианта по умолчанию); для холодной формуемости в сочетании со сверхвысокой прочностью выбирайте β.

От той жары Ti-6Al-4V на Уотертаунском арсенале в 1954 году до сегодняшних β-титановых сплавов класса 1400 МПа, разработанных с помощью ИИ, — меняются лишь значения прочности и производственные процессы, но неизменной остаётся эта основополагающая логика классификации по микроструктуре. Среди четырёх школ нет высших или низших, нет благородных или низких; есть только «применение в подходящем месте».