титановых сплавов. Однако малые количества Р-стабилизато-ров повышают теплопроводность при средних температурах.

Из изложенных данных вытекает ряд соображений, полезных при выборе и применении титановых сплавов в машиностроительных конструкциях. В частности, максимальной теплопроводностью обладают титан и сплавы системы Ti-Zr-А1-3-стабилизатор при минимальном содержании алюминия и содержании 3-стаби-лизаторов в пределах их растворимости в а-фазе титана. При этом содержание кислорода и азота по аналогии с алюминием должно быть минимально. Целесообразно учитывать, что коэффициент теплопроводности сплавов титана увеличивается с повышением температуры. В тех случаях, когда требуется высокое тепловое сопротивление, предпочтительными являются сплавы с повышенным содержанием алюминия, олова и р-стабилиза-торов.

Коэффициенты теплопроводности промышленных сплавов титана в основном определяются содержанием алюминия. При его содержании около 4% значения коэффициента теплопроводности для большинства сплавов находятся в пределах 0,02- 0,023 кал/(см-с-°С).

Электрическое сопротивление. Электрическое сопротивление титана по сравнению с другими конструкционными металлическими материалами, применяемыми в машиностроении, весьма велико. У йодидного титана удельное электрическое сопротивление (р) составляет 42,5 мкОм-см, что более чем в 4 раза превосходит электросопротивление железа и в 25 раз выше, чем у меди. .Измерения на монокристаллах титана, очищенного зонной плав-кой, показали небольшую анизотропию электрического сопротивления: в направлении перпендикулярном оси с при 0° С величина электросопротивления оказалась равной 45,35±5мкОм-см, а вдоль оси с -48,0±0,7мкОм-см. Отсюда следует, что в сильно текстурованных полуфабрикатах (тонкие листы, трубы и т. п.) возможна анизотропия электрических характеристик.

Существенное влияние на электросопротивление титана оказывают примеси и легирующие элементы. По данным Джаффи, один атомный процент кислорода или азота повышает электросопротивление титана р на 8-10 мкОм-см. Общая тенденция к снижению содержания примесей приводит к тому, что р у титана современного производства приближается к значениям р у йодидного титана и у титана марки ВТ 1-00 составляет 45,0 мкОм-см, а у ВТ1-0-47,0 мкОм-см. Значительный-рост электросопротивления наблюдается при легировании алюминием (рис. 9, а). При введении 4% (по массе) алюминия р увеличивается от 42,5 до 140 мкОм-см. При дальнейшем увеличении содержания алюминия прирост электросопротивления уменьшается, и у сплава Ti-9А1 его величина составляет 160 мкОм-см. Олово в количестве 2% приводит к росту электрического сопротивления до 92 мкОм-см, однако последующее увеличение содержания олова приводит к незначи-

тельному увеличению электросопротивления. Очень слабое влияние оказывает цирконий. При содержании циркония около 10% величина р составляет 55 мкОм-см. Ванадий и хром повышают электросопротивление при введении их в количествах, не превышающих пределов растворимости в а-фазе титана. Переход от а-сплавов к а + 3-сплавам сопровождается уменьшением электросопротивления. Последующее увеличение содержания легирующих элементов приводит; к некоторому увеличению электросопротивления а + 3-сплавов.

При многокомпонентном легировании общий характер влияния отдельных легирующих элементов на электрическое сопро-

о) р, т Ом см

120 100 80 60

6) р, МП Ом см

Массовая доля мгируюицм злементов, %

2 t 6 8 Ю Моссойая доля кгирующш алемеитоб, 3

Рис. 9. Влияние легирующих элементов на удельное электросопротивление титана (а) и сплава с основой Ti - 6А1 (б)

тивление сплавов сохраняется примерно таким же, как и в бинарных сплавах, меняются лишь количественные показатели (рис. 9, б).

Таким образом, в общем случае электрическое сопротивление титановых сплавов значительно повышается при легировании алюминием и оловом, а также р-стабилизаторами в пределах растворимости в а-фазе титана. При этом оказывается возможным создание конструкционных сплавов с исключительно высоким электрическим сопротивлением. В частности, электрическое сопротивление сплава Ti-6,5А1-6Sn-(0,4-0,6) Сг составляет 184-189 мкОм-см.

Как и у других переходных металлов, температурная зависимость электрического сопротивления титана прямолинейна только в области низких температур. Наиболее существенные отклонения от прямолинейности наступают при высоких температурах и с точностью, достаточной для инженерной практики, можно считать зависимость р = / (Т) прямолинейной до 300° С, а в ряде случаев и до 400° С.

В качестве примера на рис. 10 приведена температурная зависимость электрического сопротивления сплава марки ВТ1-00.

Как следует из рисунка, у титана электрическое сопротивление при нагреве от 20 до 500° С повышается почти прямолинейно, далее температурный коэффициент существенно уменьшается. При 880° С (т. е. близко к температуре а -> р-перехода) электросопротивление резко снижается и затем прямолинейно, но мало повышается.

Легирование алюминием приводит к повышению электрического сопротивления при низких температурах. Однако температурный коэффициент зависимости Ар/А Г у сплавов меньше, чему нелегированного титана. При этом с увеличением содержания алюминия температурный коэффициент (Ар/АГ) уменьшается. У всех сплавов титана с алюминием переходу в Р-область соответствует четкий перегиб на температурных кривых электросопротивления, причем начало прямолинейных участков, соответствующих Р-области, на рис. 10 совпадает с грани-

200 400 600 800 Ю

Рис. 10. Температурная зависимость электросопротивления титана и сплавов:

О-О -

- - Ti

Ti -4Sn, А-

X-X-Ti -6V,

A -Ti -2A1, О-О- Ti -8AI

диаграммах состояния системы Ti-А! с точностью 5-10°.

При легировании р-стабилизаторами в пределах их растворимости в а-фазе титана (в частности, 1,02V; 0,6Сг) кривые р = /(Т) идут параллельно кривой для титана или даже с большим, чем у титана, температурным коэффициентом. Однако при переходе к двухфазным а + Р-сплавам (Ti-4Сг или Ti-8,06V) их температурный коэффициент значительно уменьшается, а абсолютная величина электросопротивления при температурах выше 400-500° С становится меньше, чем у нелегированного титана. Перегиб, соответствующий а + р -> р-переходу, при этом размывается на широкую область температур. У сплавов с цирконием электрическое сопротивление при нагреве до 300° С повышается примерно параллельно с ростом р у титана, но при более высоких температурах температурный коэффициент уменьшается в большей мере, чем у титана. Вблизи температуры полиморфного превращения электрическое сопротивление сплавов с цирконием становится меньше, чем у титана. Олово в количествах 4-6% повышает электрическое сопротивление титана во всем интервале температур. Так же как и при легировании алюминием, температурный коэффициент зависимости Ар/AT по мере увеличения концентрации твердого раствора уменьшается. Особенно значительно уменьшается температурный коэффициент у сплава с 8% олова.

Из рассмотренных Данных следует, что легирование любым элементом уменьшает температурный коэффициент титановых сплавов по сравнению с нелегированным титаном. При легировании а-стаЬилизаторами это происходит вследствие интенсивного роста электросопротивления при низких температурах и меньшего его роста при высоких температурах; легирование Р-стабилизаторами оказывает обратное действие. Подобная закономерность наблюдается и при многокомпонентном легировании. Важным следствием этого является возможность создания сплавов с постоянным электросопротивлением в широком интервале температур за счет рационального сочетания элементов, повышающих его при низких и понижающих - при высоких температурах. Таким способом в Японии создан сплав Ti-8А1-4Мп с температурным коэффиЦиентом электрического сопротивления, близким к нулю.

Тепловое расширение. Линейное расширение титана при нагреве от 20° С происходит практически прямолинейно с некоторым перегибом в районе температуры полиморфного превращения. Реакция а - р-превращения происходит с поглощением теплоты, поэтому величина перегиба определяется не только уменьшением удельного объема при переходе из а в р-модификацию, но и некоторым снижением температуры образца из-за эндотермического характера превращения. Коэффициент теплового расширения а сплава ВТ1-00 в интервале 20-100° С составляет 8,8-Ю °C-i и постоянно увеличивается с повышением температуры: 8,9-10 при 100-200° С; 9,3-10- при 200-300° С; 9,8-10-в при 300- 400° С и т. д.

Статистические исследования, приведенные в работе [66], показали, что величина коэффициента теплового расширения даже при использовании одного и того же вида полуфабриката может значительно изменяться в зависимости от места вырезки образца - край, середина, поверхность или центр прутка.

Рентгенографические исследования дилатометрических образцов позволили авторам [66] установить связь между величиной а и текстурой. При текстуре с осью [1010] значения а находились в пределах (9,3-;-10,3) 10 *, при слабой текстуре с осью [0001 ] - (8,5--9,2) 10 *, а при сильной текстуре с осью [0001] - (7,3ч--8,4) 10~* °С 1. В соответствии с изменением оси и степени текстуры при увеличении степени деформации изменяется и величина a. Так, с увеличением степени обжатия при волочении от О до 40% увеличилось от 8,4-10- до 9,9-10 * °С- Дальнейшее повышение степени обжатия до 80% не меняет величину а.

Отжиг в интервале от 400 до 900° С практически не меняет текстуры и соответственно величину коэффициента теплового расширения. Разрушение текстуры происходит только в результате полиморфного превращения, поэтому отжиг при 1000° С (Р-об-ласть) приводит к снижению а до 8,9-10 *, а при 1100 и 1200° С - до 8,7-10 * °С , т. е. до величины, близкой к величине а нетек-стурованного титана. Отжиг в Р-области, очевидно, может рас-

сматриваться как один из способов стабилизации а. Однако при этом происходит значительный рост зерна, что может отрицательно сказаться на других характеристиках металла. Поэтому более предпочтительным является всесторонняя деформация в а-области по схемам, уменьшающим возможность образования текстуры. В этом случае величина составляет 8,5 ± 0,5-10 * °C . Разброс данных при этом оказывается близким к разбросу, наблюдаемому у стали 35, а величина близка к средней из большого количества данных (8,15 ± 0,15) 10 , рекомендуемых авторами для инженерных расчетов.

Коэффициент теплового расширения титана может заметным образом изменяться в зависимости от содержания примесных и легирующих элементов: а-стабилизаторы, в частности кислород, уменьшают а; цирконий уменьшает его незначительно, несколько увеличивается при легировании оловом, а также Р-стабилиза-торами [18]. У промышленных сплавов коэффициент теплового расширения находится в пределах от 7,3 до 11,2-10 * °C (в основном от 8,0 до 9,2-10 * °C ), что соизмеримо с пределами его изменения, обусловленного текстурованностью прутков нелегированного титана (от 6,7 до 10,4-10 * °С . При этом у любого из титановых сплавов коэффициент теплового расширения меньше, чем у железа и углеродистых сталей и существенно меньше, чем у нержавеющих сталей, меди и алюминия.

В заключение следует остановиться на особенностях теплового расширения титановых а -\- )3-сплавов, находящихся в метаста-бильном (а не отожженном, как рассматривалось до сих пор) состоянии. Тепловое расширение образцов а -f- 5-сплавов, в которых в результате закалки зафиксировано большое количество метастабильных твердых растворов ф, Р -Н а), отличается от расширения образцов со стабильной а -f р-структурой. При нагреве до 200-250° С тепловое расширение отожженных и закаленных образцов одинаково, но в интервале от 250 до 400-450° С происходит сокращение объема из-за структурных изменений. При более высоких температурах наблюдается обратное явление. Указанные эффекты, фиксируемые при непрерывном нагреве, отражают лишь те процессы, которые успевают проходить за время нагрева. В полном объеме эти процессы протекают при изотермических выдержках. При этом на завершение процесса сокращения требуется, как правило, десятки минут или несколько часов; в частности у сплава ВТЗ-1, закаленного от 800-1000° С, по данным [51 ], сокращение при 500° С завершается за 20-40 мин, а при 250° С продолжается более 6 ч. Величина эффекта сокращения, скорость его протекания, интервал температур, в пределах которого он наиболее ярко выражен, зависит от количества и устойчивости метастабильных растворов (в основном р-фазы) в сплавах. Увеличение количества р-фазы, фиксируемой закалкой, в результате повышения температуры закалки или увеличения р-стабилизирующих элементов интенсифицирует во всех отноше-

ниях явление структурного сокращения, конкурирующего с тепловым расширением.

Так же как и у стареющих алюминиевых сплавов, структурное сокращение объема титановых сплавов обусловлено ранними стадиями распада р-твердых растворов и неизбежно сопровождается возникновением напряжений 2-го рода в микрообъемах. В случае неоднородности твердых растворов по сечению изделий (например, из-за несквозной прокаливаемости) сокращение и тепловое расширение в разных объемах массивных изделий различно, что приводит к возникновению напряжений 1-го рода.

На практике выполнение таких тепловых технологических операций, как химико-термическая обработка, сварка, упрочняющая термическая обработка и т. п., может приводить к ряду нежелательных последствий. В частности, отпуск при средних температурах закаленных сплавов критического состава, типа ВТ22, может приводить к самопроизвольному растрескиванию [69]. Всем а -\- р-сплавам свойственно резкое охрупчива-ние при отпуске в области средних температур. В тех случаях, когда растрескивания не происходит, возможны значительные поводки (например, при оксидировании двухфазных сплавов). Наконец, при сварке неизбежно образование метастабильных фаз, объемные изменения в которых усиливают охрупчивание зоны термического влияния.

Демпфирующие свойства. Демпфирующие свойства титана существенно ниже, чем у большинства металлических материалов, применяемых в машиностроении и, в частности, турбостроении. Наиболее обстоятельные исследования демпфирующих свойств титановых сплавов приведены в работе [56], где показано, что величина декремента колебаний титановых сплавов марок ВТЗ-1, ВТ8, ВТ9 и ВТ 18 при нормальной температуре не превышает 0,05% и, таким образом, почти на порядок меньше, чем у других турболопаточных материалов.

Так же как у алюминиевых и никелевых сплавов, декремент колебаний титановых сплавов мало зависит от амплитуды напряжений. Прирост декремента с увеличением напряжений на 1 кгс/мм составляет около 0,003%, в то время как у сталей типа ДИ-1, ЭИ 257 и т. п. его величина может достигать 0,03 и даже 0,08%.

При повышении температуры до 350-400° С декремент несколько увеличивается. Существенное возрастание декремента наблюдается при температурах выше 400° С: в частности, при 450° С у сплавов ВТЗ-1, ВТ8 декремент колебаний составляет 0,1- 0,18%, а при 600° С у сплава ВТ 18 - 0,3-0,4% (рис. 11). Таким образом, при переходе из области средних температур в высокотемпературную область декремент увеличивается в 3-6 раз.

Изменение структуры за счет термообработки, а также качества поверхности (полировка, окисление при 530°С ит. п. - см. обозначения в скобках на рис. 11) не оказывает заметного