Титан Grade 2 или Grade 5: возможно, Вы платите за прочность, которая не нужна
Для большинства людей Grade 5 и есть титан по умолчанию. На него приходится примерно половина всего используемого титана, в авиации «титан» означает именно его, и он появляется на чертежах там, где Grade 2 справился бы с задачей дешевле и с меньшими проблемами.
Иногда такая замена неверна. Часто нет. Вот как это определить.
Два сплава
Grade 2: технически чистый титан, около 99 % титана с контролируемым содержанием кислорода и железа. Однофазная альфа-структура. Мягкий, пластичный, исключительно коррозионностойкий, легко сваривается и формуется.
Grade 5: это Ti-6Al-4V, 6 % алюминия и 4 % ванадия. Двухфазная альфа-бета-структура, упрочняется термообработкой, прочность примерно в три раза выше, чем у Grade 2.
| Grade 2 | Grade 5 (Ti-6Al-4V) | |
|---|---|---|
| Предел текучести | ~275 МПа | ~830 МПа |
| Предел прочности | ~345 МПа | ~900 МПа |
| Твёрдость | ~145 HV | ~340 HV (~36 HRC) |
| Относительное удлинение | ~20 % | ~14 % |
| Макс. рабочая температура | ~300 °C | ~400 °C |
| Свариваемость | Отличная | Хорошая, требует аккуратности и защиты инертным газом |
| Формуемость | Хорошая в холодном состоянии | Плохая в холодном состоянии, нужна горячая формовка |
| Коррозионная стойкость | Лучшая из двух | Очень хорошая, чуть ниже Gr 2 |
| Относительная стоимость материала | Базовая | ~1,3–1,6× |
| Относительная стоимость обработки | ~0,5–0,7× от Grade 5 | Базовая |
На двух строках стоит остановиться. У Grade 2 коррозионная стойкость выше, а не ниже: легирующие добавки её немного снижают. И Grade 2 обрабатывается примерно вдвое легче, что на сложной детали может значить больше, чем цена материала.
Когда лучше выбрать Grade 2
Важна коррозионная стойкость, а не нагрузка. Трубопроводы химических производств, детали теплообменников, аноды, фитинги для морской воды, оборудование опреснительных установок, морская фурнитура. Если задача детали в том, чтобы не корродировать, более дешёвый и более коррозионностойкий сплав оказывается и лучшим сплавом.
Деталь сваривается. Grade 2 сваривается легко. Grade 5 тоже сваривается, но шов и зона термического влияния теряют пластичность, а технология требует надёжной защиты инертным газом с лицевой и обратной стороны. Для сварной конструкции Grade 2 снимает целую категорию рисков.
Деталь формуется. Grade 2 можно формовать в холодном состоянии. Grade 5 в основном нельзя.
Напряжения действительно низкие. Кронштейны, крышки, корпуса и проставки, которые почти ничего не несут, но должны противостоять химической среде или быть немагнитными и лёгкими.
Медицинские имплантаты, если это допускает стандарт. Grade 2 и Grade 4 применяются для компонентов имплантатов там, где позволяет прочность; для высокопрочных случаев используют Grade 23 ELI.
Когда Grade 5 оправдывает свою цену
Конструкционная нагрузка. Всё, что несёт значительные напряжения. Втрое больший предел текучести даёт немалый запас.
Усталость. Циклическая нагрузка явно говорит в пользу Grade 5.
Резьбы и небольшие нагруженные элементы. Резьба в Grade 2 задирается и срывается при нагрузках, которые Grade 5 даже не замечает.
Повышенная температура под нагрузкой.
Конструкции, критичные по массе, где соотношение прочности и массы и было единственной причиной выбора титана.
Промежуточные марки
Выбор не сводится к двум вариантам.
Grade 9 (Ti-3Al-2.5V) находится посередине: предел текучести около 620 МПа, при этом сплав остаётся свариваемым и формуемым, обычно применяется для труб и гидравлических линий. Покупатели, которые знают только 2 и 5, используют его реже, чем стоило бы.
Grade 23 (Ti-6Al-4V ELI) это Grade 5 с пониженным содержанием кислорода и железа для большей вязкости разрушения и лучшей работы при криогенных температурах. Стандарт для имплантатов и части авиационных применений. Дороже и хуже по доступности материала.
Grade 7 и Grade 11 содержат палладий для стойкости в восстановительных кислотах, где технически чистый титан не справляется.
Grade 12 содержит молибден и никель для стойкости к щелевой коррозии при повышенной температуре.
Коротко об обработке
Оба сплава обладают базовыми свойствами титана: низкая теплопроводность, химическая активность, упругое последействие и жёсткое требование, чтобы инструмент не останавливался и сохранял реальную толщину среза. Обработка Ti-6Al-4V описывает режимы, и они применимы к Grade 2 со скоростями резания примерно на 50–80 % выше.
Специфическая проблема Grade 2 в его вязкости. Он налипает на кромку и рвётся, а не срезается, поэтому при недостаточно острой кромке шероховатость может быть плохой. У Grade 5 проблема другая: нагрев и износ инструмента. Жалобы разные, решение одно: острый инструмент, достаточная подача, СОЖ под давлением.
Для тонкостенных деталей более низкая жёсткость Grade 2 делает прогиб хуже, а не лучше, см. тонкостенные детали из титана.
Как решить одним вопросом
От чего защищается деталь: от нагрузки или от химической среды?
Если от химической среды, начните с Grade 2 и переходите выше, только если к этому вынудит прочностной расчёт. Если от нагрузки, начните с Grade 5.
Если и от того и от другого, укажите это в запросе вместе с условиями среды и нагрузками. С таким вопросом поставщик может помочь до утверждения чертежа, и задать его тогда намного дешевле, чем после первого образца.
Справочно: сплавы титана.
Пришлите чертёж и опишите, что делает деталь: в течение 24 рабочих часов Вы получите предложение с ценой, а если более дешёвая марка выдержит Ваши условия, инженер об этом скажет.