Марки титана: соответствие ASTM, GB и AMS

Титан — не один материал. Одно и то же слово обозначает технически чистый металл с четырьмя разными пределами по кислороду, полдюжины коррозионностойких сплавов с палладием или молибденом и конструкционные сплавы вроде Ti-6Al-4V, которые ведут себя совсем не так, как чистые марки. Ошибка в выборе редко бывает мелкой: она проявляется трещиной в сварном шве, теплообменником, который пробивает на второй год, или партией, забракованной при входном контроле из-за несоответствия указанному стандарту.

В обзоре — марки, которые реально обращаются в промышленной поставке (лист, полоса, пруток, труба, поковки, крепёж), и три системы спецификаций, которые покупатели чаще всего смешивают: ASTM, китайская GB и AMS.

Что на самом деле задаёт номер марки

Технически чистые марки различаются только двумя вещами: содержанием примесей внедрения (кислород, азот, углерод, железо) и, как следствие, прочностью. Титан чистотой 99,5 % мягок; растворённый в решётке кислород блокирует плоскости скольжения, повышая прочность и снижая пластичность. У Grade 1 самый низкий предел по кислороду и лучшая формуемость; у Grade 4 — самый высокий, и это самая прочная из чистых марок: примерно втрое выше предела текучести Grade 1.

В сплавах механизм другой: алюминий стабилизирует α-фазу и повышает прочность и жаропрочность, ванадий стабилизирует β и улучшает горячую деформируемость, палладий и молибден-никель меняют электрохимию поверхностной плёнки. Последнее важнее всего для коррозии — и именно это чаще всего упускают, заменяя материал на «той же прочности» в химической среде.

Семейство технически чистого титана: Gr.1–Gr.4

Gr.2 — марка по умолчанию, покрывающая большинство химических, морских, опреснительных и медицинских применений. Gr.1 выбирают при тяжёлой холодной формовке (глубокой вытяжке, развальцовке труб, сложной гибке листа): пониженный кислород даёт пластичность ценой прочности. Gr.3 — между ними. Gr.4 применяют, когда чистый титан нужен по коррозионным причинам, но напряжения таковы, что Gr.2 потребовал бы большей толщины стенки; она заметно менее «покладиста» при формовке и сварке.

Сплавы: Gr.5, Gr.9, Gr.23 и марки с Pd и Ni-Mo

Gr.5 (Ti-6Al-4V, китайский TC4) — основной конструкционный сплав: минимальный предел текучести около 828 МПа против 275 МПа у Gr.2, удельная прочность примерно вдвое выше, чем у нержавеющей стали. Применяется в узлах планера, высоконагруженном крепеже, деталях компрессоров, медицинских инструментах и везде, где ограничивающим фактором является масса. Он хуже формуется, требует более аккуратной сварки — и не становится правильным выбором для химического аппарата только потому, что прочнее.

Gr.9 (Ti-3Al-2.5V) занимает промежуточное положение: предел текучести около 483 МПа при хорошей холодной формуемости; типично для гидравлических труб и труб велосипедных рам.

Gr.23 (Ti-6Al-4V ELI) — вариант Gr.5 с особо низким содержанием примесей внедрения: тот же уровень прочности, лучшая вязкость и пластичность; обычная марка для имплантатов и криогенной техники.

Спецификацию чаще всего определяют коррозионностойкие марки. Gr.7 — это Gr.2 с 0,12–0,25 % палладия: палладий смещает потенциал и стабилизирует пассивную плёнку в слабокислых восстановительных средах, где чистый Gr.2 питтингует. Gr.11 — тот же принцип на основе с меньшим содержанием кислорода. Gr.12 (Ti-0,3Mo-0,8Ni) даёт похожий эффект дешевле за счёт молибдена и никеля и широко применяется в горячих хлоридах и разбавленных кислотах.

Минимальные свойства: сводка

Ниже — минимальные требования к отожжённой продукции по ASTM B265 (лист, полоса, лента) и B348 (пруток, стержень, заготовка). Трубы по B338 и поковки по B381 имеют собственные таблицы; логика марок та же, но всегда проверяйте статью, применимую к вашей форме продукта.

Марка	UNS	Состав	Rp0,2 / Rm (МПа, мин.)	Типичное применение
Gr.1	R50250	Ti технический, O ≤ 0,18 %	170 / 240	Глубокая вытяжка, развальцованные трубы, облицовка
Gr.2	R50400	Ti технический, O ≤ 0,25 %	275 / 345	Химпроизводство, море, опреснение, общее
Gr.3	R50550	Ti технический, O ≤ 0,35 %	380 / 450	Средняя прочность, детали под давлением
Gr.4	R50700	Ti технический, O ≤ 0,40 %	483 / 550	Высокопрочный чистый титан, толстые стенки
Gr.5	R56400	Ti-6Al-4V	828 / 895	Авиационные конструкции, крепёж, медицина
Gr.7	R52400	Gr.2 + 0,12–0,25 % Pd	275 / 345	Восстановительные кислоты, горячие хлориды
Gr.9	R56320	Ti-3Al-2.5V	483 / 620	Гидравлические трубы, холодноформованные детали
Gr.11	R52250	Gr.1 + 0,12–0,25 % Pd	170 / 240	Марка с Pd там, где нужна и формуемость
Gr.12	R53400	Ti-0,3Mo-0,8Ni	483 / 550	Горячие рассолы, разбавленные кислоты, трубы ТО
Gr.23	R56407	Ti-6Al-4V ELI	828 / 860	Имплантаты, криогеника, ответственные детали

Соответствие марок ASTM и обозначений GB

Китайский материал обозначается по GB/T 3620.1, и обозначения выглядят как прямой перевод системы ASTM. В большинстве закупочных документов так и поступают. Строго говоря, это эквивалентные семейства, а не идентичные спецификации.

Обозначение GB	Ближайшая марка ASTM	Что проверить перед приёмкой как замены
TA1	Gr.1	Предел по кислороду и содержание железа
TA2	Gr.2	Предел по кислороду; минимумы по прочности и текучести
TA3	Gr.3	Предел по кислороду; наличие нужной формы продукта
TA9	Gr.7	Диапазон палладия 0,12–0,25 %
TA10	Gr.12	Диапазоны Mo и Ni, состояние отжига
TC4	Gr.5	Диапазоны Al и V, предел по кислороду, термообработка
TC4 ELI	Gr.23	Пределы по O, Fe, N
TA15 (Ti-6,5Al-2Zr-1Mo-1V)	Прямой марки ASTM нет	Псевдо-α сплав; замена — инженерное решение, а не переоформление бумаг
TC11 (Ti-6,5Al-3,5Mo-1,5Zr-0,3Si)	Прямой марки ASTM нет	Жаропрочный сплав; прямой замены не существует

AMS стоит над обеими системами как более строгая: AMS 4911 охватывает лист, ленту и плиту из Ti-6Al-4V; AMS 4928 — пруток, проволоку, поковки и кольца; серия AMS 4900 — технически чистые марки. Требования AMS обычно добавляют к базе ASTM контроль структуры, более узкие окна по химии и дополнительные испытания — поэтому авиационные заказчики ссылаются на AMS, а не на ASTM.

Где эквивалентность перестаёт быть точной

На практике мешают три вещи.

Окна по химии различаются. Предел по кислороду, отделяющий одну чистую марку от другой, не одинаков во всех системах, а кислород как раз задаёт прочность и пластичность. Сертификат, удовлетворяющий обозначению GB, может не пройти по пределу ASTM для конкретного элемента — или пройти с таким малым запасом, что повторное испытание второй пробы даст несоответствие.

Допуски и состояние — отдельные статьи. Марка ничего не говорит о том, горячекатаный лист или холоднокатаный, отожжён или отпущен, травлен или шлифован, какая коробоватость и серповидность допустимы. Два поставщика могут продавать «лист Gr.2 по B265» и поставлять материал, который обрабатывается совершенно по-разному.

Требования к испытаниям различаются. Какие испытания обязательны, как часто отбираются пробы и является ли сертификат 3.1 или 3.2 — всё это вне марки. Сертификат может быть полностью корректным по марке и всё равно не принят при входном контроле, если в нём указана не та статья стандарта для данной формы продукта.

Выбор на практике: четыре вопроса

1. Какова среда и температура? Это решает, остаётесь ли вы в семействе чистого титана и нужен ли палладий или молибден-никель. Марка, выбранная по прочности и поставленная в соляную кислоту, откажет независимо от механических свойств.

2. Прочность — действительно ограничение, или жёсткость и припуск на коррозию? Химическая аппаратура чаще отказывает из-за коррозии или потери толщины стенки, а не по пределу текучести. Gr.2 обычно правильный выбор; Gr.5 — дорогой ответ не на тот вопрос.

3. Как изготавливается деталь? Сварка, глубокая вытяжка, механообработка или резьба? Gr.1 и Gr.9 формуются лучше, чем Gr.4 и Gr.5; Gr.5 обрабатывается лучше чистых марок, но требует острого инструмента и обильной СОЖ; крепёж из Gr.5 без сухой смазки склонен к схватыванию.

4. Что принимает надзорный орган? Если конечный пользователь — авиация или медицина, ответ обычно AMS или стандарт на имплантаты ASTM (F67, F136) плюс прослеживаемость до плавки. Никакой аргумент об эквивалентности аудита не выдерживает.

Ошибки, которые видны в запросах

• Заказ Gr.5, потому что она «лучше». Вдвое прочнее, вдвое хуже сваривается и ничего не даёт стенке, ограниченной коррозией.
• Чистый Gr.2 в горячем хлоридном рассоле. Выше примерно 70 °C щелевая коррозия под прокладками и в соединении труб с трубной решёткой становится расчётным случаем; обычный ответ — Gr.7 или Gr.12.
• Отношение к TA2 как к Gr.2 «на бумаге». Требуйте таблицу химического состава, а не только обозначение, и сравнивайте поэлементно со статьёй ASTM, по которой закупаете.
• Стандарт без состояния. «ASTM B265 Gr.2» не задаёт отожжённое или холоднокатаное состояние, кромку и отделку поверхности — а всё это меняет цену и срок.
• Убеждение, что марка с Pd всегда лучше. Палладий помогает в восстановительных условиях; в сильнокислородных средах он ничего не даёт и дорого стоит.

Материал этих семейств поставляется как лист и полоса, пруток и стержень, труба и трубопровод, крепёж, а также поковки и механически обработанные детали. Если у вас вопрос по марке, привязанный к конкретной среде или чертежу, пришлите условия эксплуатации — ответим по стандарту, с которым вы работаете.