Титановый сплав

**Титановый сплав** (англ. *titanium alloy*, *разг.* «титан») — сплав титана с другими химическими элементами: Аl, V, Mo, Mn, Si и др. Сочетает в себе прочность и пластичность стали, легкость алюминия, стоимость и коррозийную стойкость углепластика. Очень сложен в обработке.

## Серии сплавов

В велосипедной промышленности используются следующие сплавы:

* **Grade 5** (6 % Al, 4 % V) — считается самым прочным и жестким титановым сплавом, отличается особо высокой сложностью обработки. Имеет плотность 4500 кг/м³ и прочность на разрыв более 900 МПа. Обычно используется для высоконагруженных деталей (дропауты и т. п.). Стоимость целой рамы из такого сплава - не менее нескольких тысяч долларов. Говорят, что малая распространенность этого сплава связана с тем, что жесткость рамы оказывается чрезмерной, да и технология получается заметно сложнее.
* **Grade 9** (3 % Al, 2,5 % V) — компромисс между легкостью обработки, ценой и прочностью сплава Grade 5. Имеет прочность на разрыв от 600 МПа. Широко используется для изготовления импортных рам.
* **ОТ-4** (3,5…5 % Al, 0,8…2 % Mn) — применяется для производства рам Рапид. Прочность на разрыв до 900 МПа.
* **ПТ-7М** (1.8…2.5 % Al, 2…3 % Zr) — относится к малолегированным, малопрочным и высокопластичным сплавам. Легко поддается обработке, используется для малонагруженных деталей. Прочность на разрыв около 600 МПа.

## Сварка титана

Основные трудности при сварке титана обусловлены его высокой химической активностью по отношению к газам (кислороду, азоту, водороду) при нагреве и расплавлении.

При комнатной температуре титан взаимодействует с кислородом с образованием поверхностного слоя с большой твердостью – альфинированного слоя, – который предохраняет титан от дальнейшего окисления. При нагреве до температуры 350°С и выше титан активно поглощает кислород, образуя различные окислы с высокими твердостью, прочностью и низкой пластичностью. По мере окисления оксидная пленка меняет окраску от желто-золотистой до темно-фиолетовой, переходящей в белую. Эти цвета в околошовной зоне характеризуют качество защиты металла при сварке.

При температуре выше 500°С титан активно взаимодействует с азотом с образованием нитридов, повышающих твердость и прочность металла, но снижающих его пластичность. Перед сваркой следует полностью удалять поверхностный слой титана, насыщенный повышенным количеством кислорода (альфинированный слой) и азота, поскольку при попадании частиц данного слоя в сварной шов металл становится хрупким, появляются холодные трещины.

Водород даже в небольшом количестве значительно ухудшает свойства титана. Он активно поглощается титаном при температуре 200–400°С. С повышением температуры водород начинает выделяться из титана и сгорает. При более низких температурах содержание водорода также снижается, однако гидриды титана способствуют образованию пор и замедленному разрушению титана – возникновению холодных трещин спустя длительное время после сварки.

Тщательная защита от насыщения металла газами требуется не только для расплавленного металла, но также для участков твердого металла с температурой 400°С и выше. Как правило, это обеспечивается за счет использования флюсов, металлических и флюсовых подкладок, специальных защитных газовых подушек. О надежной защите свидетельствует блестящая поверхность металла после сварки, о плохой защите – желто-голубая окраска, серые налеты.

Сварка титана и его сплавов выполняется присадочным металлом, близким по составу к основному металлу, например, проволокой ВТ1-00. Обычно перед сваркой проволока подвергается вакуумному (диффузионному) отжигу для удаления водорода. Кромки подготавливают механическим путем, плазменной или газокислородной резкой с последующим удалением насыщенного газами металла кромок механической обработкой. Поверхности кромок и прилегающего основного металла, а также сварочной проволоки тщательно очищают травлением или механическим путем.

## Особенности

Титановые компоненты обычно ставятся на велосипеды профессионального уровня. Конструкции из титана отличаются высокой удельной прочностью, малой подверженностью усталости, пластичностью, коррозионной стойкостью. Кроме того, они не нуждаются в покраске, так как не окисляются и имеют хороший внешний вид. Титановые компоненты имеют вес на уровне высококачественных алюминиевых, при этом их прочность приближается к стали.

Цена титановых компонентов очень высока. Это обусловлено, в первую очередь, высокой энергоемкостью переработки и очистки, а также обусловленной свойствами материала сложностью процессов формования деталей, отжига в вакуумных печах, механической обработки и сварки. Кроме того, мелкосерийность производства титановых компонентов и их ориентированность на самых обеспеченных велосипедистов приводят к дальнейшему повышению цены.

## Применение

### Титановые рамы

По весовым показателям примерно соответствует лучшим алюминиевым. Хорошо сделанная титановая рама эффективно гасит вибрацию и обладает достаточно высокими ходовыми характеристиками. По многим свойствам она аналогична лучшим хромомолибденовым рамам.
Кроме того, такая рама не боится никаких погодных условий, ударов и царапин. Титан не подвержен ржавчине , и рама из него, как и из хромомолибденовой стали, может служить многие годы без потери свойств. Однако известен как минимум один случай усталостной поломки титановой рамы [1].

Основные недостатки титановых рам те же, что и у хромомолибденовых рам: потери энергии при педалировании «танцовщицей» и работе в гору. По этим причинам титановые рамы практически не используются в кросс-кантри. Некоторые райдеры используют простые отечественные титановые рамы как базу для создания неприхотливого «зимнего» или туристского велосипеда: титан не боится городской соли и более надежен, чем алюминий.

#### Производители

* **Элитные титановые рамы** делают такие фирмы, как Merlin, Litespeed, Seven, Cube  Цены на такие рамы значительно превышают $2000. В зависимости от производителя, могут предлагаться как готовые варианты, так и осуществляться изготовление рамы под конкретного заказчика.
* **Отечественные рамы** изготавливаются такими компаниями, как Рапид, МТИ, "Титан", в прошлом — Титерра. Стоимость подобных рам начинается от $600. Большое преимущество отечественного титана — при сравнительно невысокой стоимости имеется возможность буквально спроектировать раму под себя, начиная от геометрии и заканчивая надписями. Основной недостаток — совершенно непредсказуемое качество. Справедливости ради стоит отметить, что гуляющая по просторам интернета залитая кровью единичная титановая вилка, с изломом в месте стыковки со стаканом рамы - была изготовлена с нарушением конструкции, т.е. в месте наибольших нагрузок не стояло уплотнительное кольцо, что может быть объяснено лишь раздолбайством мастера и контролера качества, да, и, скорее всего, еще и владельцем была установлена безграмотно (т.е. в месте стыковки был люфт, что приводило к постоянной точечной ударной нагрузке в месте излома); случаев же развалившихся в процессе езды рам замечено практически не было (рапид декларирует единичный случай, проявившийся лишь спустя много лет (!) по причине изначального производственного дефекта в месте сварки, не выявленного рентгеноскопией в виду ее отсутствия в 90-х). Потому рекомендуется лишний раз оговорить с производителем процесс производства и контроля качества, и произвести собственные контрольные испытания и рентгеноскопию сварных швов - если не развалится в первые месяцы от предельных нагрузок, то, скорее всего, прослужит еще много лет.
* **Китайские рамы** изготавливаются, понятно, в Китае. Могут продаваться под европейскими брендами (например, Van Nicholas) задорого или же прямо с завода — задешево. Имеют стоимость и качество примерно на уровне российских, но не поддерживают изготовление рамы под конкретного заказчика.

### Компоненты

Титан широко применяется в изготовлении рамок для дорогих седел и отдельных деталей, несущих «имиджевую» функцию (например, пружинок и осей). Также из титана изготавливаются отдельные педали, багажники, жесткие вилки, рули, выносы, подседельные штыри.

Ограниченное использование титана в компонентах обусловлено его свойствами — для гонок карбон лучше почти по всем статьям (легче и жестче), а для туризма и покатушек стоимость титановых деталей слишком высока (что усугубляется их редкостью). Тем не менее, титановые компоненты часто прочнее алюминиевых при меньшем весе, поэтому некоторые обеспеченные велосипедисты широко используют их в своих велосипедах, зачастую также в имиджевых целях.

Производство титановых компонентов требует наличия специфического оборудования, отлаженной технологии и точных расчетов при проектировании. Промахи в расчетах, огрехи в технологии или чрезмерное стремление к облегчению приводят к катастрофическому снижению надежности нагруженных деталей — известны случаи поломки титановых подседельных штырей, багажников и др. Титановые рамки седел очень подвержены усталостным поломкам — известен даже случай поломки такой рамки у седла Brooks стоимостью около 200 евро.

Тем не менее, ряд компонентов (вилки, багажники) ценится велотуристами за прочность и надежность, более высокую, чем у алюминиевого сплава.

## Примечания

1. ↑ Для сравнения, алюминиевый сплав 6061 имеет соответствующие показатели 2700 кг/м³ и 310 МПа.
2. ↑ The 6/4 Ti alloy is much more harder and will give a much harsher ride compared to 3/2.5. And you indicated in your post that you would like some compliance - 3/2.5 would be a better choice. The 6/4 alloy is very strong and hard and is usually used for dropouts and stuff. But from what I have read, it is not a good candidate for tubing.

The reason Seven and some other manufacturers don't recommend 6/4 for tubing is it can only be machined as flat stock which is then formed into tubing and seem welded. This creates a stress riser along the seem which can adversly affect the life and feel of the tube.

6/4 is however used for dropouts etc...
3. ↑ Однако алюминиевый подседельник прикипеть все же может.
4. ↑ В прошлом — Marin, Wheeler, Kona и ряд других.
5. ↑ Данных о качестве откровенно мало.