какие свойства титана снижают азот и кислород
Влияние примесей на титановые сплавы
23 мая 2017 г.
Кислород и азот, образующие с титаном сплавы типа твердых растворов внедрения и металлидные фазы, существенно снижают пластичность титана и являются вредными примесями. Кроме азота и кислорода, к числу вредных для пластичности титана примесей следует отнести также углерод, железо и кремний.
Из перечисленных примесей азот, кислород и углерод повышают температуру аллотропического превращения титана, а железо и кремний понижают ее. Результирующее влияние примесей выражается в том, что технический титан претерпевает аллотропическое превращение не при постоянной температуре (882° С), а на протяжении некоторого температурного интервала, например 865 — 920° С (при содержании кислорода и азота в сумме не более 0,15%).
Подразделение исходного губчатого титана на сорта, различающиеся по твердости, основано на разном содержании указанных примесей. Влияние этих примесей на свойства изготовляемых из титана сплавов столь значительно, что должно специально учитываться при расчете шихты, чтобы получить механические свойства в нужных пределах.
С точки зрения обеспечения максимальной жаропрочности и термической стабильности титановых сплавов все эти примеси, за исключением, вероятно, кремния, должны считаться вредными и содержание их желательно свести к минимуму. Дополнительное упрочнение, даваемое примесями, совершенно не оправдывается из-за резкого снижения термической стабильности, сопротивления ползучести и ударной вязкости. Чем более легированным и жаропрочным должен быть сплав, тем ниже должно быть в нем содержание примесей, образующих с титаном твердые растворы типа внедрения (кислород, азот).
При рассмотрении титана как основы для создания жаропрочных сплавов необходимо учитывать возрастание химической активности этого металла по отношению к атмосферным газам и водороду. В случае активированной поверхности титан способен поглощать водород при комнатной температуре, а при 300° С скорость поглощения водорода титаном очень высока. Окисная пленка, всегда имеющаяся на поверхности титана, надежно защищает металл от проникновения водорода. В случае наводороживания титановых изделий при неправильном травлении водород можно удалить из металла вакуумным отжигом. При температуре выше 600° С титан заметно взаимодействует с кислородом, а выше 700° С — с азотом.
📚Всё, что необходимо знать о металле ТИТАН (Ti)…
-Титан обладает высокой прочностью, хорошей коррозионной стойкостью и при этом имеет сравнительно небольшую массу, что делает его применение незаменимым в областях, где важны хорошие механические свойства изделий одновременно с их массой. На странице представлено описание данного металла: физические, химические свойства, области применения, марки и его сплавов, виды продукции.
Основные сведения:
-Титан — химический элемент с порядковым номером 22, атомный вес 47,88, легкий серебристо-белый металл. Плотность 4,51 г/см3, Tпл=1668+(-)5 °С, Tкип=3260 °С. Данный материал сочетает легкость, прочность, высокую коррозионную стойкость, низкий коэффициент теплового расширения, возможность работы в широком диапазоне температур.
История открытия:
-Оксид титана TiO2 впервые был обнаружен в 1789 году английским ученым, специалистом в области минералогии У. Грегором, который при исследовании магнитного железистого песка выделил окись неизвестного металла, назвав ее менакеновой. Первый образец металлического титана получил в 1825 году шведский химик и минераловед Й. Я. Берцелиус.
Свойства титана:
-В периодической системе элементов Д. И. Менделеева Ti расположен в IV группе 4-го периода под номером 22. В важнейших и наиболее устойчивых соединениях металл четырехвалентен. По внешнему виду похож на сталь. Титан относится к переходным элементам. Данный металл плавится при довольно высокой температуре (1668±4 °С) и кипит при 3300 °С, скрытая теплота плавления и испарения почти в два раза больше, чем у железа. Известны две аллотропические модификации титана (две разновидности данного металла, имеющие одинаковый химический состав, но различное строение и свойства). Низкотемпературная альфа-модификация, существующая до 882,5 °С и высокотемпературная бетта-модификация, устойчивая от 882,5 °С и до температуры плавления. По плотности и удельной теплоемкости титан занимает промежуточное место между двумя основными конструкционными металлами: алюминием и железом. Стоит также отметить, что его механическая прочность примерно вдвое больше, чем чистого железа, и почти в шесть раз выше, чем алюминия. Но указанный материал может активно поглощать кислород, азот и водород, которые резко снижают пластические свойства металла. С углеродом титан образует тугоплавкие карбиды, обладающие высокой твердостью. Титан обладает низкой теплопроводностью, которая в 13 раз меньше теплопроводности алюминия и в 4 раза — железа. Коэффициент термического расширения при комнатной температуре сравнительно мал, с повышением температуры он возрастает. Модули упругости титана невелики и обнаруживают существенную анизотропию. Модули упругости характеризуют способность материала упруго деформироваться при приложении к нему силы. Анизотропия заключается в различии свойств упругости в зависимости от направления действия силы. С повышением температуры до 350 °С модули упругости уменьшаются почти по линейному закону. Небольшое значение модулей упругости Ti — существенный его недостаток, т.к. в некоторых случаях для получения достаточно жестких конструкций приходится применять большие сечения изделий по сравнению с теми, которые следуют из условий прочности. Титан имеет довольно высокое удельное электросопротивление, которое в зависимости от содержания примесей колеблется в пределах от 42·10-8 до 80·10-6 Ом·см. При температурах ниже 0,45 К он становится сверхпроводником. Титан — парамагнитный металл. Обычно у парамагнитных веществ магнитная восприимчивость при нагревании уменьшается. Магнитная восприимчивость характеризует связь между намагниченностью вещества и магнитным полем в этом веществе. Данный материал составляет исключение из этого правила — его восприимчивость существенно увеличивается с температурой.
Физические и механические свойства:
Марки титана и сплавов:
-Наиболее распространенными марками титана являются ВТ1-0, ВТ1-00, ВТ1-00св. Титан указанных марок называется техническим. Данные марки не содержат в своем составе легирующие элементы, только незначительное количество примесей. Содержание Ti в марке ВТ1-0 составляет приблизительно 99,24-99,7%, в ВТ1-00 — 99,58-99,9%, ВТ1-00св — 99,39-99,9%. ВТ1-0, ВТ1-00 поставляется в виде листов, плит, прутков и труб. Проволока чаще всего используется для различных сварочных целей и производится из марки ВТ1-00св. В настоящее время известно довольно большое число серийных титановых сплавов, отличающихся по химическому составу, механическим и технологическим свойствам. Наиболее распространенные легирующие элементы в таких материалах: алюминий, ванадий, молибден, марганец, хром, кремний, олово, цирконий, железо. Титановый сплав ВТ5 содержит 5% алюминия. Он отличается более высокими прочностными свойствами по сравнению с титаном, но его технологичность невелика. Сплав куется, прокатывается, штампуется и хорошо сваривается. Из марки ВТ5 получают титановые прутки (круги), проволоку и трубы, а также листы. Его применяют при изготовлении деталей, работающих при температуре до 400 °С. Сплав титана ВТ5-1 помимо 5% алюминия содержит 2-3% олова. Олово улучшает его технологические свойства. Из марки ВТ5-1 изготавливают все виды полуфабрикатов, получаемых обработкой давлением: титановые плиты, а также листы, поковки, штамповки, профили, трубы и проволоку. Он предназначен для изготовления изделий, работающих в широком интервале температур: от криогенных (отрицательных) до + 450 °С. Титановые сплавы ОТ4 и ОТ4-1 в качестве легирующих элементов содержат алюминий и марганец. Они обладают высокой технологической пластичностью (хорошо деформируются в горячем и холодном состоянии) и хорошо свариваются всеми видами сварки. Указанный материал идет, в основном, на изготовление титановых плит и листов, лент и полос, а также прутков и кругов, поковок, профилей и труб. Из титановых сплавов ОТ4 и ОТ4-1 изготовляют с применением сварки, штамповки и гибки детали, работающие до температуры 350 °С. Данные материалы имеют недостатки: 1) сравнительно невысокая прочность и жаропрочность; 2) большая склонность к водородной хрупкости. В сплаве ПТ3В марганец заменяется на ванадий. Титановый сплав ВТ20 разрабатывали как более прочный листовой материал по сравнению с ВТ5-1. Упрочнение марки ВТ20 обусловлено ее легированием, помимо алюминия, цирконием и небольшими количествами молибдена и ванадия. Технологическая пластичность сплава ВТ20 невысока из-за большого содержания алюминия, однако, он отличается высокой жаропрочностью. Данный материал хорошо сваривается, прочность сварного соединения равна прочности основного металла. Сплав предназначен для изготовления изделий, работающих длительное время при температурах до 500 °С. Титановый сплав ВТ3-1 относится к системе Ti — Al — Cr — Mo — Fe — Si. Он обычно подвергается изотермическому отжигу. Такой отжиг обеспечивает наиболее высокую термическую стабильность и максимальную пластичность. Марка ВТ3-1 относится к числу наиболее освоенных в производстве сплавов. Он предназначен для длительной работы при 400 — 450 °С; это жаропрочный материал с довольно высокой длительной прочностью. Из него поставляют прутки (титановые круги), профили, плиты, поковки, штамповки.
Области применения:
-Основная часть титана расходуется на нужды авиационной и ракетной техники и морского судостроения. Его, а также ферротитан используют как легирующую добавку к качественным сталям и как раскислитель. Технический титан идет на изготовление емкостей, химических реакторов, трубопроводов, арматуры, насосов, клапанов и других изделий, работающих в агрессивных средах. Из компактного титана изготавливают сетки и другие детали электровакуумных приборов, работающих при высоких температурах. По использованию в качестве конструкционного материала Ti находится на 4-ом месте, уступая лишь Al, Fe и Mg. Алюминиды титана являются очень стойкими к окислению и жаропрочными, что в свою очередь определило их использование в авиации и автомобилестроении в качестве конструкционных материалов. Биологическая безвредность данного металла делает его превосходным материалом для пищевой промышленности и восстановительной хирургии. Титан и его сплавы нашли широкое применение в технике ввиду своей высокой механической прочности, которая сохраняется при высоких температурах, коррозионной стойкости, жаропрочности, удельной прочности, малой плотности и прочих полезных свойств. Высокая стоимость данного металла и материалов на его основе во многих случаях компенсируется их большей работоспособностью, а в некоторых случаях они являются единственным сырьем, из которого можно изготовить оборудование или конструкции, способные работать в данных конкретных условиях. Титановые сплавы играют большую роль в авиационной технике, где стремятся получить наиболее легкую конструкцию в сочетании с необходимой прочностью. Ti легок по сравнению с другими металлами, но в то же время может работать при высоких температурах. Из материалов на основе Ti изготавливают обшивку, детали крепления, силовой набор, детали шасси, различные агрегаты. Также данные материалы применяются в конструкциях авиационных реактивных двигателей. Это позволяет уменьшить их массу на 10-25%. Из титановых сплавов производят диски и лопатки компрессоров, детали воздухозаборников и направляющих в двигателях, различный крепеж. Еще одной областью применения является ракетостроение. Ввиду кратковременной работы двигателей и быстрого прохождения плотных слоев атмосферы в ракетостроении в значительной мере снимаются проблемы усталостной прочности, статической выносливости и отчасти ползучести. Технический титан из-за недостаточно высокой тепловой прочности не пригоден для применения в авиации, но благодаря исключительно высокому сопротивлению коррозии в ряде случаев незаменим в химической промышленности и судостроении. Так его применяют при изготовлении компрессоров и насосов для перекачки таких агрессивных сред, как серная и соляная кислота и их соли, трубопроводов, запорной арматуры, автоклав, различного рода емкостей, фильтров и т. п. Только Ti обладает коррозионной стойкостью в таких средах, как влажный хлор, водные и кислые растворы хлора, поэтому из данного металла изготовляют оборудование для хлорной промышленности. Также из него делают теплообменники, работающие в коррозионно активных средах, например в азотной кислоте (не дымящей). В судостроении титан используется для изготовления гребных винтов, обшивки морских судов, подводных лодок, торпед и т.д. На данный материал не налипают ракушки, которые резко повышают сопротивление судна при его движении. Титановые сплавы перспективны для использования во многих других применениях, но их распространение в технике сдерживается высокой стоимостью и недостаточной распространенностью данного металла. Соединения титана также получили широкое применение в различных отраслях промышленности. Карбид (TiC) обладает высокой твердостью и применяется в производстве режущих инструментов и абразивных материалов. Белый диоксид (TiO2) используется в красках (например, титановые белила), а также при производстве бумаги и пластика. Титанорганические соединения (например, тетрабутоксититан) применяются в качестве катализатора и отвердителя в химической и лакокрасочной промышленности. Неорганические соединения Ti применяются в химической электронной, стекловолоконной промышленности в качестве добавки. Диборид (TiB2)- важный компонент сверхтвердых материалов для обработки металлов. Нитрид (TiN) применяется для покрытия инструментов.
-Удачной Вам эксплуатации и спасибо за внимание! Надеюсь, что помог Вам!
-С уважением DrPavlov.
Взаимодействие титана с кислородом
Кислород — основная примесь в титане и его сплавах. Она может: а) разрушить титан, образуя толстые и рыхлые слои окалины; б) создавать тонкие и плотные пленки оксидов, тем самым улучшать коррозионную стойкость титана; в) растворяться в титане, приводя к его упрочнению.
В общем случае реакцию взаимодействия твердого титана с кислородом можно описать в виде
где т — число атомов титана в молекуле оксида; п — валентность титана.
Диаграмма состояния системы титан—кислород приведена на рис. 1.5. Установлено, что в сплавах этой системы кроме твердого раствора кислорода в титане содержатся химические соединения ТЮ, Ti203 и ТЮ2 и возможно образование оксидов Ti302, Ti305, Ti60, Ti30.
Кислород резко увеличивает стабильность a-фазы. Растворимость кислорода в a-фазе при температуре 800— 1700 °С составляет около 15,5 %. Максимальная растворимость кислорода в р-титане 1,8 % наблюдается при перитектической температуре 1740 °С.
При температуре 925 °С в результате перитектической реакции a-твердого раствора кислорода в титане с концентрацией кислорода 15,5 % 02 и химического соединения ТЮ (у-фаза) с содержанием кислорода 23,5 % образуется 5-фаза, которой соответствует формула Ti302 или Ti403.
Рис. 1.5. Диаграмма состояния титан—кислород
Сплавы от 29,5 % до 32 % 02 двухфазны и состоят из смеси y(TiO) и Ti203. От 32,5 % до 34,5 % 02 располагается область гомогенной фазы Ti205. При более высоком содержании кислорода наблюдается двухфазная область Ti203 + Ti305. При содержании кислорода свыше 37 % имеет место гомогенная область соединения ТЮ2 (/пл = 1840 °С).
Кинетика окисления титана при температурах до 350 °С описывается логарифмическим законом.
Когда титан находится в атмосфере кислорода, скорость окисления при температурах 350—850 °С подчиняется параболическому закону:
где Ат — увеличение массы образца; т — продолжительность взаимодействия; Кп — константа параболического окисления.
В интервале температур 850—1200 °С окисление титана вначале описывается параболическим законом, а затем линейным:
где Кя — константа линейного окисления.
Таблица 1.2. Константы параболической скорости окисления титана
Константа параболического окисления А^ Ю 10
При высоких температурах оксидная пленка растворяется в металле. Обогащенный кислородом поверхностный слой металла, в котором кислород растворяется в а- и (или) p-фазах титана, называют диффузионным или газонасыщенным. В диффузионном слое выделяют альфированный и переходный слои. Альфирован- ный слой отличается по структуре от основного металла повышенным содержанием a-фазы. Диффузионный поверхностный слой имеет более высокую микротвердость, чем основной металл.
При температурах выше 800—900 °С наблюдается увеличение скорости разрушения оксидной пленки. Причиной разрушения являются сжимающие напряжения, возникающие в результате значительной разницы объемов оксида и металла. Молекулярный объем окалины на титане, состоящий из диоксида титана ТЮ2, в 1,6 раза больше, чем атомный объем титана.
Механизм взаимодействия титана с кислородом при наличии оксидной пленки не изучен полностью. Видимо, при окислении протекают параллельно два процесса — диффузия через пленку ионов титана и ионов кислорода, а также растворение кислорода в титане.
Изменение концентрации кислорода в металле от поверхности в глубину определяется коэффициентом диффузии и оказывается более резким при низком его значении.
Параметры диффузии кислорода в титане представлены в табл. 1.3.
Таблица 1.3. Параметры диффузии кислорода в титане
Рентгенографическое исследование выявило сильное влияние кислорода на параметры кристаллической решетки а-титана. С увеличением содержания кислорода отношение с/а приближается к 1,633, что соответствует идеальной плотноупакованной решетке.
На рис. 1.6 показано влияние кислорода на механические свойства титана.
Рис. 1.6. Влияние кислорода на механические свойства титана
Воздействуя на кристаллическую решетку, кислород изменяет физико-механические и технологические свойства титана. При внедрении в октаэдрические пустоты а-титана кислород сильно искажает решетку и при этом существенно возрастают твердость и прочность титана, а его пластичность резко снижается. В области концентраций кислорода до 0,2 % каждая 0,01 % кислорода повышает предел прочности и текучести примерно на 12,5 МПа.
Снижение пластичности титана при повышении содержания кислорода до 0,25 % относительно невелико, поэтому содержание кислорода ограничивают в титане и его сплавах до предела 0,10—0,2 %.
Pereosnastka.ru
Обработка дерева и металла
Титан способен вступать во взаимодействие почти со всеми элементами периодической системы. Однако наиболее важное практическое значение в качестве примесей или легирующих элементов в настоящее время имеют кислород, азот, водород, углерод, алюминий, олово, кремний, марганец, железо, хром, молибден, ванадий.
По влиянию на полиморфное превращение все элементы могут быть подразделены на три группы.
К первой группе относятся кислород, азот и алюминий. Они повышают устойчивость титана а и поэтому считается а-стабилизаторами.
Диаграммы состояний сплавов титана с элементами первой группы аналогичны приведенной на рис. 1,а.
Ко второй группе относятся молибден, ванадий, ниобий и тан-п так называемые изоморфные стабилизаторы. Они имеют кристаллическую решетку объемноцентрированного куба, неограниченно растворимы в р-титане, сильно расширяют область твердого раствора (3. Диаграммы состояний сплавов титана с этими элементами аналогичны приведенной на рис. 1,б.
К третьей группе относятся хром, марганец, железо, кремний и Другие, являющиеся также (З-стабилизаторами, но образующие помимо твердых растворов еще и эвтектоид. Диаграммы состояний сплавов титана с этими элементами аналогичны приведенной на рис. 1,в.
Основные примеси образуют с титаном твердые растворы внедрения и поэтому их называют элементами внедрения. К ним относятся кислород, азот, водород и углерод. Эти примеси, растворяясь в титане, искажают кристаллическую решетку и уменьшают способность кристаллов к пластической деформации. Поэтому под влиянием указанных примесей твердость и прочность титана увеличивается, а пластичность падает.
На рис. 1,г приведена диаграмма состояний сплавов титана с кислородом. Кислород является весьма активным «-стабилизатором и очень сильно повышает температуру аллотропического превращения титана. Влияние кислорода на предел прочности, относительное удлинение и сужение титана иллюстрируется графиками, приведенными на рис. 158. Азот и углерод оказывают аналогичное влияние на механические свойства титана.
Основными легирующими элементами в титановых сплавах в настоящее время являются алюминий, олово, марганец, хром, молибден, ванадий и некоторые другие. Все они образуют с титаном твердые растворы замещения, усложняют кристаллическую решетку и, следовательно, вызывают упрочнение сплава. Кроме того они в той или иной степени затрудняют диффузию и способствуют получению метастабильных структур при термической обработке, а также обеспечивают сохранение этих структур в условиях длительной выдержки при высоких температурах.
Алюминий, являющийся а-стабилизатором, входит в состав почти всех основных титановых сплавов. Как видно из диаграммы состояний (рис. 1,а), он образует с титаном твердый раствор а. Это особенно важно для получения хорошо сваривающихся сплавов. Алюминий обеспечивает высокую длительную прочность титановых сплавов. Сплавы титана с алюминием упрочняющей термической обработке не поддаются.
Молибден и ванадий неограниченно растворимы в р-титане (рис. 1,б) и являются стабилизаторами твердого раствора р. Они улучшают комплекс механических свойств титановых сплавов, особенно жаропрочных, повышая их термическую стабиль-ость. Титановые сплавы, содержащие хром, марганец и железо, подвержены эвтектоидному охрупчиванию, состоящему в выделении интерметаллидов при повышенной температуре эксплуатации, особенно под действием напряжений. Молибден и ванадий, будучи введенными в такие сплавы, подавляют развитие подобных процессов и обеспечивают стабильность свойств во времени.
Хром является представителем большой группы элементов, образующих с титаном сплавы, содержащие эвтектоид. Диаграмма состояний сплавов титана с хромом представлена на рис. 1,е. Хром образует с (3-титаном непрерывный ряд твердых растворов. Фаза р, содержащая 15% хрома, при 670°С распадается с образованием эвтектоида, представляющего собой смесь твердого раствора а и интерметаллида TiCr2. Растворимость хрома в а-титане очень низка и составляет при температуре эвтектоида 0,5%.
Особенности взаимодействия титана с воздухом.
Взаимодействие титана с кислородом.
При взаимодействии титана с кислородом происходит образование различных фаз химических соединений и твердых растворов.
В соответствии с термодинамическими расчетами оксидная пленка на титане должна состоять из слоев оксидов в последовательности:
В действительности при окислении титана при температурах ниже 300 O С оксидные слои состоят в основном из Ti3O5, при окислении в интервале температур 400-800 O С образуется преимущественно рутил TiO2, а при температурах выше 800 O С обнаружены оксиды TiO и Ti2O3. Согласно работе, окисление титана на воздухе и в кислороде до температур 600-650С сопровождается образованием на образцах тонких оксидных пленок толщиной 0,1 мкм. Долей кислорода, растворенного в металлической основе при температурах ниже 450-500С, по-видимому, можно пренебречь.
В работе [5] взаимодействие титана с кислородом описано следующим образом. Через возникающую на первых стадиях процесса пленку двуокиси титана TiO2 осуществляется диффузия кислорода к границе раздела пленка-металл, где происходит химическая реакция и дальнейший рост толщины пленки. Слой низших окислов титана, который должен присутствовать между слоем двуокиси и металлом, оказывается очень тонким и обычно не влияет на характер окисления. Скорость диффузии ионов титана через пленку по сравнению со скоростью диффузии титана очень мала. Однако при повышении температуры диффузия титана несколько увеличивается.
При небольшой продолжительности процесса, когда толщина пленки еще невелика, количество поступающего через пленку кислорода оказывается достаточным для окисления всего титана до двуокиси его. Вместе с тем по мере увеличения толщины пленки количество поступающего в зону кислорода уменьшается, а поступление титана остается постоянным, так как реакция происходит на границе раздела пленка-металл. В результате этого при достижении определенной толщины слоя окалины соотношение количеств титана и кислорода в зоне реакции становится таким, что между TiO2 и металлом образуется слой TiO. Появление его ослабляет сцепление окалины с металлом, которая под действием сжимающих напряжений деформируется и отслаивается, обнажая поверхность металла и обеспечивая скачкообразное увеличение скорости окисления. Однако возросшее поступление кислорода при отслаивании окалины приводит к окислению TiO до TiO2 и описанный выше процесс повторяется.
Газонасыщение титановых сплавов при окислении
Взаимодействие титана с кислородом сопровождается двумя параллельно идущими процессами: образованием оксидов и растворением кислорода в металлической основе.
Рисунок 2-Зависимость коэффициентов диффузии кислорода от температуры: