TC4, TA2, TB9: в кодах марок титановых сплавов скрывается половина истории китайской титановой промышленности 

Всем привет, я — «Титановый Исследователь».
В базах данных материалов, заказах на закупку и на заводских цехах вы видите цепочку кодов, коротких, словно шифр: TA2, TC4, TB2, ZTC4, TA7 ELI, TA18…
Что же означают эти буквы и цифры? Почему о TC4 знают все, а о TC5 никто и не слыхал? Почему в некоторых марках есть буква «G», а в других — «Z»?
За этим скрывается целая «система идентификационных кодов» титановых сплавов, а также половина истории развития китайской титановой промышленности.
Сегодня «Титановый Исследователь» попробует себя в роли сотрудника паспортного стола и научит вас понимать идентификационные номера титановых сплавов.
I. Первая буква: фамилия «Титан»
Все марки китайского титана и титановых сплавов начинаются с буквы T. T — это первая буква пиньинь слова «титан», а также международный символ элемента титана (Titanium).
В этом нет ничего загадочного: это как фамилия в удостоверении личности — все представители «титанового рода» носят фамилию T.
2. Вторая буква: принадлежность к «школе» видна с первого взгляда
Вторая буква — вот что действительно важно. Она напрямую указывает на «происхождение» данного титана и соответствует четырём основным «школам», о которых мы говорили в разделе 6.1:
TA — титановые сплавы α-типа (включая промышленно чистый титан и почти α-сплавы), где A взято из произношения «α»;
TB — титановые сплавы β-типа (включая квази-β и метастабильные β-сплавы), буква B происходит от произношения «β»;
TC — титановые сплавы α+β-типа, букву C можно понимать как «сосуществование двух фаз» (есть также мнение, что она означает «комплексный», поскольку сплавы α+β обладают наилучшими комплексными характеристиками).
Запомни это соответствие, и ты сможешь с одного взгляда на марку определить свойства материала: серия TA отличается коррозионной стойкостью, хорошей свариваемостью и термостойкостью; серия TB сначала мягкая, а затем твердая, поддается упрочнению термической обработкой; серия TC универсальна и сбалансирована, а TC4 является лучшим представителем этой серии.

В таблице 6-4 в общей сложности представлены следующие марки деформируемых сплавов:
Группа α: TAD (титан, полученный методом йодирования; лабораторный титан высокой чистоты), TA1/TA2/TA3 (промышленный чистый титан), TA4 (Ti-3Al), TA5 (Ti-4Al-0,005B), TA6 (Ti-5Al), TA7 (Ti-5Al-2,5Sn), TA7 ELI (версия со сверхнизким зазором), TA9 (Ti-0,2Pd, титано-палладиевый сплав), TA10 (Ti-0,3Mo-0,8Ni, титано-молибден-никелевый сплав).
Группа β: TB2 (Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al), TB3 (Ti-3,5Al-10Mo-8V-1Fe), TB4 (Ti-4Al-7Mo-10V-2Fe-1Zr).
Группа α+β: TC1 (Ti-2Al-1,5Mn), TC2 (Ti-4Al-1,5Mn), TC3 (Ti-5Al-4V), TC4 (Ti-6Al-4V), TC6, TC9, TC10, TC11 (Ti-6,5Al-3,5Mo-1,5Zr-0,3Si), TC12 (Ti-5Al-4Mo-4Cr-2Zr-2Sn-1Nb).
III. Цифровой порядковый номер: это не рейтинг, а порядок регистрации. Первая реакция многих: чем больше цифра, тем лучше? TC4 сильнее TC3, а TC11 сильнее TC4?
Неверно. Порядковый номер отражает лишь последовательность регистрации и утверждения данной марки в национальном стандарте и не имеет никакого отношения к прочности.
TC1 — это Ti-2Al-1,5Mn, прочность которого составляет около 600 МПа; TC3 — Ti-5Al-4V, а TC4 — Ti-6Al-4V. Увеличение номера действительно совпадает с повышением содержания алюминия, но это лишь совпадение, обусловленное хронологией разработки. TC11 — это термостойкий сплав, рассчитанный на работу при 500 °C; здесь сравниваются высокотемпературные характеристики, а не прочность при комнатной температуре; TC12 — сплав с комплексным упрочнением, и его технология разработки снова отличается.
В нумерации также встречаются «пропуски». Перелистав все национальные стандарты, вы не найдете марок TC5 и TC8 — эти позиции либо занимают марки, разработка которых была прекращена после утверждения проекта и которые были сняты с производства, либо были исключены при последующих пересмотрах стандартов. В группе β-сплавов это еще более очевидно: в учебниках указаны только TB2, TB3 и TB4, а позиции TB1, TB5 и т. д. остаются пустыми, поскольку большинство ранних проектов β-сплавов так и не было доработано до серийного производства.
Другими словами, таблица марок — это не аккуратный парадный строй, а памятник истории развития, исписанный следами проб и ошибок — за каждым пропущенным номером скрывается нереализованный технический проект.

IV. Графа «Состав»: полная информация, указанная в «удостоверении личности»
Буквенно-цифровые обозначения являются лишь сокращениями; настоящей «информацией из удостоверения личности» для каждой марки является химический состав. В таблице 6-4 для каждой марки указаны два вида данных: основные компоненты и предельные значения примесей.
Возьмём в качестве примера наиболее классическую марку TC4, в графе «Состав» которой указано:
Титан: остаток; алюминий: 5,5 %–6,8 %; ванадий: 3,5 %–4,5 %; примеси: железо ≤ 0,30 %, углерод ≤ 0,10 %, азот ≤ 0,05 %, водород ≤ 0,015 %, кислород ≤ 0,20 %; содержание каждого из остальных элементов по отдельности ≤ 0,10 %, их суммарное содержание ≤ 0,40 %.
Здесь стоит упомянуть несколько способов интерпретации этих данных.
Титан указан как «остаток». Таблица состава сплава никогда не указывает, что сумма всех компонентов равна 100%, как в рецепте блюда, а определяет содержание добавляемых элементов, при этом остальная часть полностью состоит из титана.
Для основных компонентов указывается диапазон, а для примесей — верхний предел. Алюминий (5,5–6,8) является легирующим элементом: при меньшем содержании упрочнение будет недостаточным, а при большем — микроструктура станет неконтролируемой; железо, углерод, азот, водород и кислород являются примесями, остающимися в процессе производства, и для них можно только установить предельное значение, которое «не должно превышаться».
Самый строгий предел установлен для водорода. Для всех марок титановых сплавов верхний предел содержания водорода практически повсеместно составляет 0,015% — это и есть тот самый предел «водородной хрупкости», о котором говорилось в главе 6.3. Реакция водорода с титаном обратима, и его проникновение приводит к хрупкости материала, поэтому независимо от школы разработки или класса прочности этот предел для водорода одинаков для всех.
Содержание кислорода — это целый набор кодовых обозначений. Особенно интересно посмотреть на строку, посвящённую промышленному чистому титану: TAD (высокочистый титан, полученный методом йодирования) — кислород ≤ 0,05 %, TA1 — кислород ≤ 0,15 %, TA2 — кислород ≤ 0,20 %, TA3 — кислород ≤ 0,25 %. Чем больше номер марки, тем выше допустимое содержание кислорода и тем выше прочность — это как раз и является стандартным описанием первого уровня «упрочнения за счёт интерстациального растворения» в иерархии прочности 6.2: от Grade 1 до Grade 4 прочность постепенно увеличивается, и секрет заключается не в большей чистоте, а в «большем количестве примесей».

ELI — это специальное обозначение. В TA7 ELI верхний предел содержания кислорода снижен до 0,12 % (в обычном TA7 он составляет 0,20 %), а содержание азота и водорода также соответственно уменьшено. ELI означает «Extra-Low-Interstitial» (сверхнизкий уровень интерстициальных элементов) — как упоминалось в разделе 6.3, этот сплав предназначен специально для военнослужащих, проходящих службу в условиях низких температур в полярных регионах: чем ниже содержание кислорода и азота, тем меньше вероятность хрупкости в среде жидкого водорода при температуре -255 °C.
V. Марки с префиксом «Z»: «удостоверение личности» литейных сплавов
Помимо деформируемых титановых сплавов, существует также обширная группа литейных титановых сплавов, марки которых начинаются с ZT — буква «Z» является первой буквой пиньиньского написания слова «лить» (liu), означающего «лить».

В таблице 6-6 (GB/T 15073-1994) приведены 8 марок литейного титана: ZTi1, ZTi2, ZTi3 (литейный чистый титан), ZTA1 (литейный Ti-5Al), ZTA7 (литейный Ti-5Al-2,5Sn), ZTB32 (литейный коррозионно-стойкий сплав Ti-32Mo), ZTC4 (литейный Ti-6Al-4V), ZTC21 (литейный Ti-5Al-4,5Mo-1,5Sn-2Nb).
Закономерность очевидна: ZTC4 — это «литейная версия TC4», состав которой практически идентичен, за исключением того, что предельные значения содержания примесей несколько ослаблены (например, верхний предел содержания кислорода составляет 0,25 %, тогда как для деформированного TC4 — 0,20 %), поскольку в процессе литья в результате реакции расплавленного титана с формой образуется «α-загрязнённый слой» толщиной 0,05–0,15 мм, который необходимо удалить в ходе последующей пескоструйной очистки и кислотной промывки.
ZTC4 является безусловным лидером среди литейных титановых сплавов. Согласно отраслевым техническим данным, в настоящее время более 90 % титановых литейных изделий, применяемых в аэрокосмической отрасли, изготовлены из ZTC4, а доля ZTC4 и ZTA15 (литейная версия TA15) в совокупности превышает 80 % (согласно обзору технологий прецизионного литья титановых сплавов компании «Баоцзи Литай»). Корпуса компрессоров двигателей, промежуточные корпуса, опоры, корпуса, хвостовые оперения ракет, рамы камер спутниковых камер — всё это его сфера применения.
В производстве литых титановых деталей есть ключевой этап, называемый горячей изостатической прессованием (HIP): выдержка при температуре свыше 900 °C и давлении аргона 100–140 МПа, позволяющая уплотнить усадочные пустоты и газовые поры внутри отливки. После обработки прочность детали снижается на 20–50 МПа, но пластичность и стабильность характеристик значительно повышаются — отливки классов I и II, используемые в аэрокосмической отрасли, обязательно должны пройти эту стадию.
VI. История маркировок — половина истории китайской титановой промышленности

Самая интересная история скрывается в названии таблицы 6-5: «Сравнение новых и старых марок титана и титановых сплавов, используемых в обрабатывающей промышленности Китая». Зачем нужна такая сравнительная таблица? Потому что стандарты менялись, причем не один раз.
Согласно статье с разъяснением стандарта, опубликованной в журнале «Сталь, ванадий и титан» («Разъяснение стандарта GB/T 3620.1-2016»), стандарт на марки титановых сплавов в Китае прошел четыре редакции:
в 1983 году — GB/T 3620-1983, всего 18 марок, в том числе 4 марки чистого титана, а также йодид титана TAD;
в 1994 году — GB/T 3620.1-1994, в котором было 24 марки — именно эта редакция используется в учебниках; в неё были добавлены чистый титан TA0, а также сплавы TA9, TA10, TA7 ELI, TB4, TB6, TC11, TC12 и др., что «в основном урегулировало соотношение между химическим составом и механическими свойствами»;
в 2007 году в стандарте GB/T 3620.1-2007 количество марок резко возросло до 76; в этой редакции, с целью приведения в соответствие с международными стандартами, на основе стандартов ISO 5832 и ASTM чистый титан был переименован в TA1–TA4, а химический состав приведён в соответствие с системой классов (Grade) американских стандартов;
В 2016 году в стандарте GB/T 3620.1-2016, то есть в действующей версии, общее количество марок достигло 100.
В 2007 году эта попытка «согласования» закончилась провалом. Хотя марки чистого титана в новой редакции также назывались TA1, TA2, TA3, их химический состав не соответствовал старым маркам, использовавшимся при утверждении старых моделей. В 2013 году организации оборонного сектора массово сообщили: материалы, заказанные по старым маркам, но произведенные в соответствии с новым стандартом, имели несоответствующий химический состав и эксплуатационные характеристики, что приводило к несоответствию партий требованиям и задержкам в поставках оборудования.
В результате в версии 2016 года было внесено исправление, вполне характерное для Китая: были восстановлены составы старых марок TA0–TA3 из версии 1994 года, при этом сохранены марки чистого титана из версии 2007 года, приведенные в соответствие со стандартом ASTM, но ко всем из них была добавлена буква «G» (от китайского иероглифа «工», означающего «промышленный»), в результате чего они стали TA1G, TA2G, TA3G, TA4G — проблема одинаковых названий при разных составах была полностью решена с помощью одной буквы.
В этой редакции также было сразу добавлено 20 новых марок сплавов: восемь α/почти α-сплавов от TA29 до TA36, шесть β/почти β-сплавов от TB12 до TB17 и шесть α+β-сплавов от TC27 до TC32. За каждой новой маркой стоит новое поле применения: TA19 (Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo) предназначен для несущих конструкций при высоких температурах до 550 °C, TB9 (Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr, то есть пружинный сплав Beta C, о котором говорилось в главе 6.1) — для высокопрочных пружин и крепежных деталей, а TA8 и TA18 — для сварных труб и бытовой электроники.
С 18 марок в 1983 году до 100 сегодня — список марок становится всё длиннее и длиннее, фиксируя весь путь развития китайской титановой промышленности от копирования до самостоятельного производства, от авиации до проникновения во все отрасли.

VII. Понимание международных обозначений: титан — это «мировой язык»
В заключение привожу карту мира. Помимо китайских обозначений, в инженерной практике часто встречается американская система классификации ASTM Grade, и соотношение между этими двумя системами весьма стабильно:
Промышленный чистый титан: Grade 1–4 соответствуют китайским TA1 (G)–TA4 (G); чем выше номер Grade, тем выше содержание кислорода и тем выше прочность;
TC4 (Ti-6Al-4V) = Grade 5 — это титановый сплав с наибольшим объемом производства в мире; как упоминалось в разделе 6.1, он также известен под другими названиями: британский IMI 318, российский BT6, японский ST-A140 и т. д.;
TA9 (Ti-0,2Pd) = Grade 7, TA8 (версия с низким содержанием палладия) = Grade 16;
TA10 (Ti-0,3Mo-0,8Ni) = класс 12;
TA18 (Ti-3Al-2,5V) = класс 9, часто используется в авиационных гидравлических трубках и велосипедных рамах;
TB9/Beta C (Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr) = класс 20, предназначен специально для пружин.
Впредь, увидев в заказе на поставку обозначения Grade 5, Grade 23 (TC4 ELI) или Grade 12, вы сможете сразу же в уме перевести их в китайские марки, и наоборот. Впредь, увидев такие обозначения, как TC4, TA7 ELI, ZTC4 или TB9, вы больше не будете воспринимать их как бессмысленный набор символов —
«T» означает, что это титан, вторая буква указывает на его «направление» и «характер», цифра — год появления, а суффиксы ELI, G, Z обозначают его особый статус; диапазоны и верхние пределы в таблице состава — это все его «козыри» в плане характеристик.
Теперь вы можете прочитать «резюме» титанового заготовки от начала до конца.