Литье титановых сплавов

Е.
Л.
 
Бибиков
А.
А.
 
И льин
Литье
титановых 
сплавов
Допущ ено 
Учебным 
объединением 
высш их 
учебных 
заведений 
РФ  
по 
образованию  
в 
област
и 
мат
ериаловедения,
 
т
ехнолог
ии 
мат
ериалов 
и 
покрыт
ий 
в 
качест
ве 
учебног
о 
пособия 
для 
ст
удент
ов 
высш их 
учебных 
заведений,
 
обучаю щ ихся 
по 
направлению  
подг
от
овки 
маг
ист
ров 
2
2
.
0
3
.
0
1
 
(
1
5
0
1
0
0
)
 
«
М ат
ериаловедение 
и 
т
ехнолог
ии 
мат
ериалов»
2
0
1
7

УДК 669.018(075.8)
ББК 34.24
Б59
Р е ц е н з е н т ы:
доктора технических наук А.М. Мамонов, Н.А. Ночовная
Бибиков, Е.Л.
Литье титановых сплавов : учебное пособие / Е.Л. Биби
Б59
ков, А.А. Ильин. – М. : АльфаМ : ИНФРАМ, 2017. – 304 с. :
ил. – (Магистратура).
ISBN 9785982813640 («АльфаМ»)
ISBN 9785160091501 («ИНФРАМ»)
Изложены теоретические и технологические основы процессов,
имеющих место при производстве слитков и отливок из титановых сплавов.
Приведены сведения о свойствах, химическом и фазовом составах литей
ных и деформируемых титановых сплавов, а также о конструкциях пла
вильных печей и плавильнозаливочных установок, методах изготовления
литейных форм и способах повышения их химической инертности.
Для студентов вузов, обучающихся по направлению «Материаловеде
ние и технологии материалов». Может быть полезно студентам вузов дру
гих специальностей при изучении материаловедческих и технологических
процессов.
УДК 669.018(075.8)
ББК 34.24
© Бибиков Е.Л., Ильин А.А., 2014
© «АльфаМ» : «ИНФРАМ», 2014
ISBN 9785982813640 («АльфаМ»)
ISBN 9785160091501 («ИНФРАМ»)

В
ВЕДЕНИЕ.
СВОЙСТВА И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ
ТИТАНА И ЕГО СПЛАВОВ
Титан является одним из наиболее распростра
ненных элементов. По содержанию в земной коре он стоит на де
сятом месте, а среди металлов, используемых в качестве конструк
ционных материалов, занимает четвертое место, уступая только
алюминию (8,8 %), железу (5,1 %) и магнию (2,35 %); (титан –
0,61 %, а все остальные используемые в промышленности метал
лы – 0,2 %).
Титан расположен в IVA подгруппе первого большого периода
Периодической системы Д.И. Менделеева, атомный номер тита
на 22, атомная масса 47,90. Температура плавления 1665 С. Титан
имеет две аллотропические модификации. Низкотемпературная
модификация существует до 882,5 С, обладает гексагональной
плотноупакованной решеткой. При температуре 25 С периоды
решетки титана составляют: а = 0,295111 нм; с = 0,468433 нм;
с/а = 1,587. Высокотемпературная модификация (титан) ус
тойчива от 882,5 С до температуры плавления, имеет объемно
центрированную кубическую решетку с периодом 0,3282 нм.
По плотности титан занимает промежуточное положение меж
ду двумя основными конструкционными металлами – алюмини
ем и железом. Плотность титана при комнатной температуре рав
на 4,505 кг/м3. Плотность титана при 900 С равна 4319 кг/м3, а
жидкого титана при температуре, близкой к температуре кристал
лизации, – 4110 кг/м3.
Отличительная особенность титана – низкий коэффициент
теплопроводности: при температуре 20 С он равен 13,4 Вт/(мК),
что в 13 раз меньше, чем у алюминия, и в 5 раз меньше, чем у железа.
Удельная теплоемкость титана при 20 С равна 0,525 кДж/(кгК).
С ростом температуры удельная теплоемкость возрастает и при
температуре 1500 С достигает 0,698 кДж/(кгК).
При температуре 1700–1750 С удельная теплоемкость жидко
го титана равна 1,18 кДж/(кгК), а коэффициент теплопровод

Введение. Свойства и область применения титана и его сплавов
ности – 24 Вт/(мК). Удельная теплота кристаллизации титана со
ставляет 419 кДж/кг, что в 1,6 раза больше, чем у железа. Поверх
ностное натяжение жидкого титана при 1700–1750 С составляет
1390  40 МДж/м2.
При относительно невысоком содержании примесей титан об
ладает хорошей пластичностью и низкой прочностью (табл. В1).
Таблица В1. Сравнительная характеристика свойств титана и других конструкци
онных металлов
Показатель
Титан
Алю
миний
Магний
Железо
Никель
Медь
Температура плавле
ния, С
1665
659
650
1539
1455
1083
Температура кипе
ния,С
5100
2100
1090
2735
3337
2360
Плотность , кг/м3
4500
2700
1740
7860
8800
8900
Предел прочности при
растяжении в, МПа
340
98
98
196
320
245
Удельная прочность,
(
/
)


в
102
7,5
3,6
5,6
2,5
3,6
2,7
Удлинение, %
50
40
20
40
40
50
Коэффициент тепло
проводности, Вт/(мK)
13,4
217,9
145,7
84
59,5
385,5
Содержание в земной
коре, %
0,61
8,8
2,35
5,1
0,018
0,01
Механические свойства титана очень сильно зависят от при
месей кислорода, азота и углерода, которые образуют с титаном
твердые растворы и различные химические соединения. Наиболее
сильное упрочняющее действие с одновременным снижением
пластичности на титан оказывают азот, затем кислород и углерод.
Модуль нормальной упругости Е титана в зависимости от ори
ентировки кристаллических зерен и содержания примесей изме
няется в широких пределах – от 106 до 146 ГПа. Среднее значение
модуля упругости Е = 112 ГПа. С повышением температуры мо
дуль упругости снижается почти по линейному закону и при
600 С равен 70–80 ГПа.

Введение. Свойства и область применения титана и его сплавов
7
Небольшой модуль упругости – недостаток титана как конст
рукционного материала, так как в отдельных случаях для получе
ния жестких конструкций приходится увеличивать сечения изде
лия по сравнению с теми, которые следуют из условий прочности.
В табл. В1 приведены сведения о некоторых свойствах титана и
других металлов, являющихся основой большинства конструкци
онных сплавов.
Титан – химически активный металл, тем не менее во многих
агрессивных средах он обладает исключительно высоким сопро
тивлением коррозии, в большинстве случаев выше, чем у лучших
марок нержавеющих сталей. Такое поведение титана связано с об
разованием на его поверхности плотной оксидной пленки TiO2,
которая надежно защищает металл до температур 300–500 С. По
этому титан химически инертен в тех средах, которые либо не раз
рушают TiO2, либо способствуют ее образованию. Так, титан ус
тойчив в разбавленной серной кислоте, уксусной и молочной ки
слотах, сероводороде, во влажной хлорной атмосфере, в царской
водке и во многих других агрессивных средах. Введение в титан та
ких легирующих элементов, как молибден, цирконий, ниобий,
тантал, значительно повышает коррозионную стойкость титана.
Титан интенсивно реагирует с плавиковой, соляной и серной
кислотами, с горячими растворами щавелевой, трихлоруксусной
кислот, а также с галогенами, фтористыми соединениями, смеся
ми фтористых и хлористых солей щелочных металлов. При темпе
ратуре выше 500–700 С оксидная пленка TiO2 растрескивается и
ее защитные функции резко снижаются. Поэтому при высоких
температурах и особенно в жидком состоянии титан активно взаи
модействует практически со всеми известными простыми и слож
ными по химическому составу веществами, особенно с газами –
кислородом, азотом, водородом, оксидом и диоксидом углерода,
водяным паром и др.
Титановые сплавы обладают замечательной совокупностью
свойств, которые выгодно выделяют их из остальных сплавов.
Вопервых, это высокая прочность при малом удельном ве
се. В табл. В2 приведены данные по удельной прочности (в/) ря
да конструкционных сплавов, откуда следует, что детали из тита
новых сплавов при той же массе, что и детали из других конструк

Введение. Свойства и область применения титана и его сплавов
ционных сплавов, оказываются примерно в 2–3 раза прочнее.
С увеличением температуры эта разница существенно возрастает.
Таблица В2. Сравнительная характеристика механических свойств литейных
сплавов (удельная прочность)
Основа
сплава
Марка сплава
Плотность ,
кг/м3
Предел проч
ности в, МПа
Удельная проч
ность (в/)102
6,0
160
2660
Алюминий
АК12
8,7
230
2650
АК9
12,0
335
2780
АМ5
Магний
Мл5
1830
230
12,6
Мл12
1810
230
12,7
Железо
Сталь 25Л
7850
450
5,7
Х18Н9ТЛ
7900
490
6,2
Титан
ВТ5Л
4410
690
15,4
ВТ20Л
4500
940
20,9
Вовторых, титан отличается исключительной химической
стойкостью при низких температурах (до 300–500 С). Во влаж
ном воздухе, морской воде, азотной кислоте он противостоит кор
розии не хуже лучших марок нержавеющих сталей, а в соляной ки
слоте – во много раз лучше ее.
К недостаткам титана и его сплавов можно отнести:
	 высокую химическую активность титана при высоких температу
рах, особенно в жидком состоянии. Это обстоятельство серьезно
осложняет проведение технологических операций, при которых
требуется нагрев металла до высоких температур (плавка и литье,
сварка, обработка давлением и др.);
	 относительно плохую обрабатываемость резанием;
	 более высокую стоимость производства титана по сравнению с
железом, алюминием, магнием, медью.
Уникальные свойства титана и его сплавов определяют их ши
рокое использование.
Титановые сплавы находят широкое применение как конст
рукционный материал в ряде ведущих отраслей техники, в первую
очередь в авиакосмической, ракетной, судостроительной и хими
ческой промышленности.

Введение. Свойства и область применения титана и его сплавов
9
Применение титановых сплавов позволяет значительно повы
сить техникоэкономические показатели машиностроительной
продукции, поэтому объем производства титана и титановых
сплавов непрерывно возрастает. По темпам роста производство
титана не имеет равных себе среди прочих конструкционных ме
таллов. Первые две тонны титана были получены в 1947 г., в 1954 г.
производство составило 5000 т, а в 1976 г. мировое производство
превысило 200 000 т.
Интенсивное развитие производства титана связано с рядом
его уникальных свойств, таких, как низкая объемная плотность,
высокие механические свойства, отличная коррозионная стой
кость в морской воде и ряде агрессивных химических сред, отно
сительно хорошие технологические параметры.
На начальном этапе промышленного использования титано
вых сплавов была освоена технология литья слитков и получения
из них листов, поковок, штамповок, прутков, труб, профилей путем
деформирования. На этом этапе основное внимание было сосре
доточено на разработке технологического процесса плавки и литья
слитков и создании высокопрочных и технологичных деформи
руемых титановых сплавов. Были опробованы и исследованы раз
личные технологические варианты плавки и литья. В конечном
итоге появились промышленные установки для производства
слитков, в которых плавка и литье слитков осуществляются в ва
кууме, расплавление металла производится электрической дугой,
а в качестве шихты для первого переплава используют специально
изготовленный расходуемый электрод из титановой губки и леги
рующих компонентов. Получаемые при этом способе плавки
слитки неоднородны по химическому составу, поэтому их вторич
но переплавляют, используя в качестве расходуемого электрода
для получения слитка второго переплава, металл которого при со
блюдении технологического процесса становится однороден по
химическому составу.
Подобный технологический процесс изготовления слитков
имеет ряд недостатков, которые не позволяют повысить его эко
номическую эффективность. Поэтому изыскиваются новые ва
рианты плавки и литья слитков. Весьма перспективен при произ
водстве слитков гарнисажный метод плавления шихты, который
позволяет вводить в плавку необходимое количество производст

Введение. Свойства и область применения титана и его сплавов
венных титановых отходов и обеспечивает получение однородно
го по химическому составу расплава.
Данный метод плавки металла и литья слитков отличается вы
сокой экономической эффективностью. Однако для его широко
го практического использования необходимо решить сложные
металлургические и технические проблемы. Поэтому в ближай
шей перспективе основной принципиальной схемой плавки и литья
слитков из титановых сплавов останется технологический про
цесс, разработанный на начальном этапе промышленного ис
пользования титановых сплавов.
В середине 1950х гг. был разработан технологический про
цесс изготовления фасонных отливок из титановых сплавов. Были
спроектированы и изготовлены специальные виды оборудования,
созданы композиции формовочных материалов для производства
литейных форм. В последующие годы технологический процесс
совершенствовался и в настоящее время для изготовления отли
вок используются:
	 вакуумные электродуговые печи с плавкой расходуемого электро
да в гарнисажных графитовых или медных тиглях;
	 литейные формы, изготовленные из наиболее огнеупорных и хи
мически инертных по отношению к титану материалов, с после
дующей их обработкой, направленной на повышение их химиче
ской инертности;
	 центробежное литье в вакууме фасонных отливок, обеспечиваю
щее улучшение заполняемости литейных форм и повышение ка
чества литого металла.
Применяемый в настоящее время технологический процесс
позволяет получать отливки сложной конфигурации с высоким
качеством металла. Вместе с тем отдельные этапы технологиче
ского процесса производства фасонных отливок из титановых
сплавов требуют дальнейшего совершенствования. В первую оче
редь это относится к разработке:
	 новых способов заполнения рабочей полости литейных форм рас
плавом вместо центробежного литья;
	 методов, повышающих химическую инертность литейных форм;
	 мероприятий, направленных на снижение расхода металла на
литниковопитающую систему;
	 более эффективных методов плавления титановых сплавов.