Сплавы титана можно разделить на три группы по соотношению количкствава б-фазы (с гексагональной кристаллической решеткой) и в-фазы (с объемно-центрической кубической решеткой) различают б-, (б + в)- и в-сплавы.
По влиянию на температуру полиморфных превращений легирующие элементы (Легимрование (нем. legieren -- «сплавлять», от лат. ligare --«связывать») --добавление в состав материалов, примесей для изменения (улучшения) физических и/или химических свойств основного материала ) подразделяют на б-стабилизаторы, повышающие температуру полиморфного превращения, в-стабилизаторы, понижающие ее, и нейтральные упрочнители, мало влияющие на эту температуру. К б-стабилизаторам относят Al, In и Ga; к в-стабилизаторам - эвтектоидо-образующие (Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Si) и изоморфные (V, Nb, Та, Mo, W) элементы, к нейтральным упрочнителям - Zr, Hf, Sn, Ge.
Элементы внедрения-вредные примеси (С, N, О), снижающие пластичность и технологичность металлов, и Н(гидроген), вызывающий водородную хрупкость сплавов.
На формирование структуры и, следовательно, свойств титановых сплавов решающее влияние оказывают фазовые превращения, связанные с полиморфизмом титана. На рис. 17.1 представлены схемы диаграмм состояния «титан-легирующий элемент», отражающие подразделение легирующих элементов по характеру влияния на полиморфные превращения титана на четыре группы.
Полиморфное b ® a -превращение может происходить двумя путями. При медленном охлаждении и высокой подвижности атомов оно происходит по обычному диффузионному механизму с образованием полиэдрической структуры твердого a -раствора. При быстром охлаждении -- по бездиффузионному мартенситному механизму с образованием игольчатой мартенситной структуры, обозначаемой a ў или при большей степени легированности -- a ў ў. Кристаллическая структура a, a ў, a ў ў практически однотипная (ГПУ), однако решетка a ў и a ў ў более искажена, причем степень искаженности возрастает с увеличением концентрации легирующих элементов. Есть сведения [ 1], что решетка a ў ў -фазы скорее ромбическая, чем гексагональная. При старении из фаз a ўи a ў ў выделяется b -фаза или интерметаллидная фаза.
Рисунок 1
Отжиг проводится для всех титановых сплавов с целью завершения формирования структуры, выравнивания структурной и концентрационной неоднородности, а также механических свойств. Температура отжига должна быть выше температуры рекрисаллизации, но ниже температуры перехода в b -состояние (Т пп) во избежание роста зерна. Применяют обычный отжиг, двойной или изотермический (для стабилизации структуры и свойств), неполный (для снятия внутренних напряжений).
Закалка и старение (упрочняющая термообработка) применима к титановым сплавам с (a + b)-структурой. Принцип упрочняющей термообработки заключается в получении при закалке метастабильных фаз b, a ў, a ў ў и последующем их распаде с выделением дисперсных частиц a - и b -фаз при искусственном старении. При этом эффект упрочнения зависит от типа, количества и состава метастабильных фаз, а также дисперсности образовавшихся после старения частиц a - и b -фаз.
Химико-термическая обработка проводится для повышения твердости и износостойкости, стойкости к «схватыванию» при работе в условиях трения, усталостной прочности, а также улучшения коррозионной стойкости, жаростойкости и жаропрочности. Практическое применение имеют азотирование, силицирование и некоторые виды диффузионной металлизации.
б-сплавы
Сплавы с б-структурой: ВТ1-0, ВТ1-00, ВТ5, ВТ5-1, ОТ4, ОТ4-0, ОТ4-1.Их легируют Al, Sn и Zr. Они отличаются повышенной жаропрочностью, высокой термической стабильностью, малой склонностью к хладноломкости, хорошей свариваемостью. Основной вид термической обработки-отжиг при 590-740 °С. Применяется для изготовления деталей, работающих при температурах до 400-450 °С; сплав Ti высокой чистоты (5% А1 и 2,5% Sn)-один из лучших материалов для работы при криогенных температурах (до 20 К).
ВТ1-0:
ВТ1-0 - это б-сплав, который насыщается с целью повышения температуры полиморфного преобразования титана стабилизаторами:
При температуре 882,5 градуса Цельсия структура сплава - ГПУ(гексагональная плотноупакованная), то есть с макисмально плотной упаковкой шаров атомов. В диапазоне температур от 882,5 градуса Цельсия до точки плавления имеет место ОЦК структура, то есть объемноцентрированная решетка.
Титан ВТ1-0 высокочистый, легкий, жаропрочный. Плавление наступает при температуре 1668°С. Сплав характеризуется невысоким тепловым коэффициентом расширения. Он малоплотный (плотность составляет всего 4,505 г/см 3) и высокопластичный (пластичность может составлять от 20 до 80%). Эти качества делают возможным получение из описываемого сплава деталей любой нужной формы. Сплав стоек к коррозии за счет наличия на его поверхности оксидной защитной пленки.
Среди недостатков можно выделить необходимость в высоких трудозатратах на его производстве. Плавление титана наступает лишь в вакуумной или инертной газовой среде. Это связано с активным взаимодействием жидкого титана практически со всеми газами атмосферы. Кроме того сплав марки ВТ1-0 плохо режется, хоть и его прочность не так высока в сравнении с другими. Чем меньше в составе сплава алюминия, тем ниже показатели его прочности и жаропрочности, а водородная хрупкость выше.
Благодаря своим высоким техническим характеристикам сплав ВТ1-0 идеален для изготовления трубы, различной штамповки и литых элементов в ракето-, авиа- и судостроительной, химической и энергетической промышленности.Благодаря низкому тепловому коэффициенту расширения материал превосходно сочетается с другими (стекло, камень и прочие), что делает его эффективным в строительной сфере. Металл немагнитен и имеет высокое электрическое сопротивление, чем отличается от многих других металлов. За счет этих качеств он просто незаменим в таких сферах, как радиоэлектроник, электротехника. Биологически инертен, то есть безвреден для человеческого организма, благодаря чему находит применение во многих сферах медицины.
ОТ-4-0:
Сплав марки ОТ4-0 входит в категорию псевдо б-сплавов. Данные сплавы не подлежат термическому упрочнению и классифицируются следующим образом:
В процентном соотношении их состав следующий:
Для него характерна средняя степень прочности, увеличивающаяся посредством добавления алюминия. Недостаток заключается в том, что это снижает технологичность материала. Легирование марганцем помогает улучшить технологичность материала в условиях горячей обработки давлением. Как в горячем, так и в холодном состоянии, сплав легко подвергается деформации. Штамповка возможна даже в условиях комнатной температуры, сталь легко подвергается свариванию. К существенным недостаткам этого сплава относится его низкая прочность, а также предрасположенность к хрупкости в условиях агрессивного воздействия водорода.
Сплав идет на изготовление высокотехнологичных деталей, предназначенных для процедуры холодной штамповки. Из него изготавливают многие разновидности металлопроката: трубу, проволоку, лист и прочие. Высокие эксплуатационные свойства сплава, среди которых стойкость к коррозии и эрозии, сопротивление баллистическому воздействию, делают его эффективным в конструировании атомных энергетических установок, теплообменников и трубопроводов, дымоходов на кораблях, насосов и прочих подобных элементов конструкций. Труба ОТ4-0 активно применяется в ядерно-энергетической и химической промышленности.
(б+в)-сплавы
Сплавы с (б+в) структурой: сплавы ВТ14, ВТ9, ВТ8, ВТ6, ВТ6С, ВТ3-1, ВТ22, ВТ23. Благодаря более пластичной бета фазе эти сплавы более технологичны и лучше обрабатываются давлением, чем альфа сплавы.
(a + b)-структуры легируют А1, V, Zr, Cr, Fe, Mo, Si, W; в отожженном состоянии они содержат 5-50% b-фазы. Отличаются наиболее благоприятным сочетанием механических и технологических свойств, высокой прочностью, способностью к термическому. упрочнению в результате закалки и старения, удовлетворительной свариваемостью, меньшей склонностью к водородной хрупкости по сравнению с б-сплавами. Прочностные свойства промышленных (б + в)-сплавов в отожженном состоянии возрастают с увеличением содержания в них в-стабилизаторов. Увеличение содержания Al в сплавах повышает их жаропрочность, снижает пластичность и технологичность при обработке давлением.
ВТ3-1:
Сплав на основе титана марки ВТ3-1 принадлежит к категории б + в-сплавов. Он легируется такими элементами:
Металлопрокат ВТ3-1 стойкий к коррозии и химическому воздействию. Для него характерны такие качества, как повышенная жаропрочность, небольшой тепловой коэффициент расширения, а также легкость и пластичность. На способность материала к сопротивлению усталости оказывают влияние внешние факторы. Так, в вакуумной среде сплав выносливее, чем под воздействием воздуха. Также заметно влияет на выносливость его поверхность, то есть состояние, в котором она находится, и качество. Шероховатая ли она, имеет ли неровности, какими свойствами обладают поверхностные слои? От этих факторов и зависит выносливость титановых полуфабрикатов.
Увеличению предела выносливости способствует мягкая финальная механическая обработка. Имеется ввиду обязательное снятие слоя тонкой стружки толщиной до 0,1 мм, а затем полировка вручную с использованием медной шкурки, шероховатость которой лежит в пределах 8-9 класса. Если же была произведена шлифовка абразивами и форсированная резка, то такой сплав будет плохо сопротивляться усталости.
К металлопрокату из титана этой марки предъявляют некоторые требования. Так, он должен быть светлого чистого цвета, а на его поверхности не иметь потемнений, потеков. Волнистость, которая появляется после отжига, не относится к браку. Среди недостатков сплава ВТ3-1 выделяют необходимость в больших трудозатратах при его производстве и высокую себестоимость. Такие металлы лучше реагируют на сжатие, чем на растяжение.
Металлопрокат ВТ3-1, в числе которого проволока, прут, круг и другие, благодаря их пригодности к экстремальным условиям использования используются в судо-, авиа- и ракетостроении. Благодаря стойкости к коррозии и негативному воздействию кислотных сред сплав находит широкое применение в химическом и нефтегазовом производстве. Биологическая инертность, то есть безопасность для организма обеспечивает ему активное использование в пищевой, сельскохозяйственной и медицинской сфере.
ВТ-6 обладает следующими характеристиками:
Из сплава описываемой марки изготавливают большой ассортимент металлопроката: пруток, труба, штамповка, плита, лист и многие другие разновидности.
Сварка их осуществляется рядом традиционных способов, среди которых и диффузионный. В результате использования электронно-лучевой сварки сварной шов по прочности сравним с основным материалом.
Титан марки ВТ6 одинаково широко используется и отожженным, и термически обработанным, а значит более высококачественным.
Отжиг листа, трубы тонкостенной, профиля выполняется в температурном диапазоне от 750 до 800 градусов Цельсия. Охлаждение его выполняется либо на открытом воздухе, либо в печи.
Крупный металлопрокат, такой как пруток, штамповки, поковки отжигаются в температурном диапазоне от 760 до 800 градусов Цельсия. Охлаждается в печи, что защищает крупные изделия от деформации, а мелкие - от частичной закалки.
Существует теория, что более рационально производить отжиг в диапазоне температур от 900 до 950°С. Это повысит вязкость разрушения, ударную вязкость и, благодаря смешанному составу с большим процентом пластичной составляющей, сохранит пластичность изделия. Также подобный способ отжига повысит сопротивляемость сплава коррозии.
Его используют в производстве (при сварке) крупных конструкций, к примеру таких, как конструктивные элементы летательных устройств. Также это создание баллонов, способных выдерживать внутри себя повышенное давление в температурном диапазоне -196 - 450 С. По данным западных СМИ, примерно половина всего титана, который используется в авиационной промышленности, составляет именно титан марки ВТ-6.
в-сплавы
Сплавы с в-структурой. Некоторые опытные ВТ15, ТС6 с высоким содержанием хрома и молибдена. Эти сплавы сочетают хорошую технологическую пластичность с очень высокой прочностью и хорошей свариваемостью.
Полуфабрикаты из титана и титановых сплавов производятся во всевозможных формах и видах: титановые слитки, титановые слябы, заготовки, титановые листы и титановые плиты, титановые ленты и полосы, титановые прутки (или титановые круги), титановая проволока, титановые трубы.
К данной группе относятся сплавы, в структуре которых преобладает твердый раствор на основе в-модификации титана. Основными легирующими элементами являются в-стабилизаторы (элементы, понижающие температуру полиморфного превращения титана).В состав в-сплавов почти всегда входит алюминий, который их упрочняет.
Благодаря кубической решетке в-сплавы легче, чем б- и (б+в)-сплавы, подвергаются холодной деформации, хорошо упрочняются при термообработке, заключающейся в закалке и старении, и удовлетворительно свариваются; они имеют достаточно высокую жаропрочность, однако при легировании их только в-стабилизаторами жаропрочность с ростом температуры выше 400°С заметно снижается. Сопротивление ползучести и термическая стабильность сплавов этого типа ниже, чем у сплавов на основе а- твердого раствора.
После старения прочность в-сплавов может достигать 1700 МПа (в зависимости от марки сплава и типа полуфабриката). Несмотря на благоприятное сочетание прочностных и пластических характеристик, в-сплавы имеют ограниченную область применения вследствие высокой стоимости и сложности производственного процесса, а также необходимости строгого соблюдения технологических параметров.
Спектр применения в-сплавов все же довольно широкий -- от дисков авиационных двигателей до различных протезов медицинского назначения. В условиях промышленного производства возможно прогнозировать свойства по микроструктуре крупногабаритных штамповок. Однако вследствие сложности ее могут возникать затруднения в ходе УЗ-контроля.
Титан и сплавы на его основе широко используются в самых разных сферах. Прежде всего, титановые сплавы нашли широкое применение в строительстве различной техники благодаря своей высокой коррозийной стойкости, механической прочности, небольшой плотности, жаропрочности и множеству других характеристик. Рассматривая свойства и применение титана, нельзя не отметить его довольно высокую стоимость. Однако она в полной мере компенсируется характеристиками и долговечностью материала.
Титан имеет высокую прочность и температуру плавления, отличается от других металлов долговечностью.
Титан находится в IV группе четвертого периода периодической системы химических элементов. В самых устойчивых и наиболее важных соединениях элемент является четырехвалентным. Внешне титан напоминает сталь. Является переходным элементом. Температура плавления достигает почти 1700°, а кипения — 3300°. Что касается такого свойства, как скрытая теплота плавления и испарения, то у титана она практически в 2 раза превышает аналогичный показатель для железа.
Имеет 2 аллотропические модификации:
Такие свойства, как удельная теплоемкость и плотность, располагают титан между двумя материалами с наиболее широким конструкционным использованием: железом и алюминием. Механическая прочность титана почти в 2 раза превышает эту характеристику у чистого железа и практически в 6 раз у алюминия. Однако свойства титана таковы, что он способен поглощать в больших количествах водород, кислород и азот, что негативно отражается на пластических характеристиках материала.
Материал характеризуется очень низкой теплопроводностью. Для сравнения, у железа она выше в 4 раза, а у алюминия в 12. Что касается такого свойства, как коэффициент термического расширения, то при комнатной температуре он имеет относительно низкое значение и возрастает с увеличением температуры.
Титан имеет малые модули упругости. При повышении температуры до 350° они начинают уменьшаться практически по линейному закону. Именно этот момент является существенным недостатком материала.
Титан характеризуется довольно большим значением удельного электросопротивления. Оно может колебаться в достаточно широких пределах и зависит от содержания примесей.
Титан является парамагнитным материалом. Для таких веществ характерно снижение магнитной восприимчивости в процессе нагревания. Однако титан является исключением — при повышении температуры его магнитная восприимчивость значительно возрастает.
Медицинские инструменты из титанового сплава отличаются высокой коррозионной прочностью, биологической стойкостью и пластичностью.
Свойства материала обеспечивают довольно широкий спектр сфер его применения. Так, в больших объемах сплавы титана используются в строении судов и различной техники. Налажено применение материала в качестве легирующей добавки к сталям высокого качества и в качестве раскислителя. Сплавы с никелем нашли применение в технике и медицине. Такие соединения имеют уникальные свойства, в частности, они обладают памятью формы.
Налажено применение компактного титана в производстве деталей электровакуумных приборов, использующихся в условиях высоких температур. Свойства технического титана позволяют использовать его в производстве клапанов, трубопроводов, насосов, арматуры и других изделий, создаваемых для эксплуатации в агрессивных условиях.
Сплавы характеризуются недостаточной теплопрочностью, однако имеют высокую коррозийную стойкость. Это позволяет использовать различные сплавы на основе титана в химической сфере. К примеру, материал применяется в изготовлении насосов для прокачки серной и соляной кислоты. На сегодняшний день только сплавы на основе этого материала можно использовать в производстве разного рода оборудования для хлорной промышленности.
Сплавы на основе этого материала используются при изготовлении бронетанковой части. А замена разнообразных конструкционных элементов, которые используются в транспортной промышленности, позволяет снижать расход топлива, увеличивать полезную грузоподъемность, повышать предел усталости изделий и улучшать множество других характеристик.
При производстве оборудования для химической промышленности из титана самое важное свойство — коррозионная стойкость металла.
Материал хорошо подходит для использования в строительстве железнодорожного транспорта. Одна из главных задач, которую нужно решить на железных дорогах, связана со снижением мертвого груза. Использование прутков и листов из титана позволяет существенно снизить общую массу состава, уменьшить размеры букс и шеек, сэкономить в тяге.
Вес имеет довольно существенное значение и для прицепного транспорта. Использование титана вместо стали при производстве колес и осей тоже позволяет существенно повысить полезную грузоподъемность.
Свойства материала делают возможным его использование в автомобилестроении. Материал характеризуется оптимальным сочетанием прочностных и весовых свойств для систем отведения отработанных газов и витых пружин. Применение титана и его сплавов позволяет существенно снизить объем отработанных газов, уменьшить затраты топлива и расширить применение лома и производственных отходов путем их переплава. Материал и содержащие его сплавы имеет множество преимуществ по сравнению с прочими используемыми решениями.
Главной задачей разработки новых деталей и конструкций является уменьшение их массы, от которой в той или иной степени зависит движение самого транспортного средства. Снижение веса движущихся узлов и частей делает потенциально возможным сокращение затрат топлива. Детали из титана неоднократно доказывали свою надежность. Они довольно широко применяются в авиакосмической промышленности и конструкциях гоночных автомобилей.
Использование этого материала позволяет не только уменьшить вес деталей, но и решить вопрос снижения объема отработанных газов.
В строительстве широко используется сплав титана с цинком. Этот сплав характеризуется высокими механическими показателями и устойчивостью к коррозии, отличается высокой жесткостью и пластичностью. В составе сплава содержится до 0,2% легирующих добавок, выполняющих функции модификаторов структуры. Благодаря алюминию и меди обеспечивается требуемая пластичность. Кроме того, использование меди позволяет повысить предельную прочность материала на растяжение, а сочетание химических элементов способствует снижению коэффициента расширения. Сплав применяется и для производства длинных лент и листов с хорошими эстетическими характеристиками.
Титан часто используется в космических технологиях благодаря его легкости, прочности и тугоплавкости.
Среди главных качеств сплава титана с цинком, важных конкретно для строительства, можно отметить такие химические и физические свойства, как высокая устойчивость к коррозии, хороший внешний вид и безопасность для человеческого здоровья и окружающей среды.
Материал отличается хорошей пластичностью, без проблем поддается глубокой вытяжке, что позволяет использовать его в кровельных работах. У сплава нет никаких проблем с пайкой. Именно поэтому различные объемные конструкции и нестандартные архитектурные элементы вроде куполов и шпилей изготавливаются из цинк-титана, а не меди или оцинкованной стали. В решении подобных задач данный сплав является незаменимым.
Сфера использования сплава очень широка. Его применяют в фасадных и кровельных работах, из него изготавливаются изделия различной конфигурации и практически любой сложности, он широко применяется в производстве разнообразных декоративных изделий типа водостоков, отливов, кровельных коньков и т.д.
Этот сплав отличается очень продолжительным сроком службы. Более столетия он не будет требовать покраски и частых текущих ремонтных работ. Также среди существенных преимуществ материала следует выделить его способность восстанавливаться. Несущественные повреждения в виде царапин от веток, птиц и т.п. через какое-то время устраняются сами по себе.
Требования к строительным материалам становятся все более серьезными и строгими. Исследовательские компании ряда стран изучали почву вокруг зданий, построенных с использованием сплава цинка и титана. Результаты исследований подтвердили, что материал является полностью безопасным. Он не имеет канцерогенных свойств и не вредит человеческому здоровью. Цинк-титан является негорючим стройматериалом, что дополнительно повышает безопасность.
С учетом всех перечисленных положительных характеристик такой строительный материал в эксплуатации приблизительно в 2 раза дешевле, чем кровельная медь.
У сплава две степени окисления. С течением времени он меняет цвет и теряет металлический блеск. Сначала цинк-титан становится светло-серым, а еще через некоторое время приобретает благородный темно-серый оттенок. В настоящее время материал намеренно подвергается химическому старению.
Титан отлично совместим с человеческой тканью, поэтому активно применяется в области эндопротезирования.
Титан нашел широкое применение и в медицинской сфере. Среди преимуществ, которые позволили ему стать таким популярным, нужно отметить высокую прочность и устойчивость к коррозии. Кроме того, ни у одного из пациентов не было выявлено аллергии на титан.
В медицине применяются коммерчески чистый титан и сплав Ti6-4Eli. С его использованием изготавливаются хирургические инструменты, разнообразные внешние и внутренние протезы, вплоть до сердечных клапанов. Из титана производятся инвалидные коляски, костыли и прочие приспособления.
Ряд исследований и экспериментов подтверждает отличную биологическую совместимость материала и его сплавов с живой человеческой тканью. Мягкие и костные ткани срастаются с этими материалами без проблем. А низкий модуль упругости и высокий показатель удельной прочности делают титан очень хорошим материалом для эндопротезирования. Он заметно легче, чем жесть, сталь и сплавы на основе кобальта.
Таким образом, свойства титана позволяют активно использовать его в самых разнообразных сферах — от изготовления труб и кровли до медицинского протезирования и построения космических аппаратов.
Титановые сплавы. Основные характеристики
Важнейшими преимуществами титановых сплавов перед другими конструкционными материалами являются их высокие удельная прочность и жаропрочность в сочетании с высокой коррозионной стойкостью. Кроме того, титан и его сплавы хорошо свариваются, парамагнитны и обладают некоторыми другими свойствами, имеющими важное значение в ряде отраслей техники. Перечисленные качества титановых сплавов открывают большие перспективы их применения в тех областях машиностроения, где требуются высокая удельная прочность и жаропрочность в сочетании с высокой коррозионной стойкостью. Это относится, в первую очередь, к таким отраслям техники как авиастроение, ракетостроение, судостроение, химическое, пищевое и транспортное машиностроение.
Касаясь некоторых специфических свойств титана, можно отметить, что он представляет большой интерес как конструкционный материал для космических кораблей.
Классификация
Титановые сплавы целесообразно разделить на три большие группы:
Конструкционные и высокопрочные титановые сплавы представляют собой - твердые растворы, что позволяет им обеспечивать оптимальное соотношение характеристик прочности и пластичности.
Жаропрочные титановые сплавы представляют собой - твердые растворы с большим или меньшим количеством химического соединения (или начальной стадии его образования), что обеспечивает им повышенную жаропрочность при минимальном снижении пластичности.
Титановые сплавы на основе химического соединения - представляют интерес как жаропрочный материал с низкой плотностью, способный конкурировать с жаропрочными никелиевыми сплавами в определенном температурном интервале.
В настоящее время титан - один из важнейших конструкционных металлических
материалов. Для этого титану в течение 200 лет пришлось пройти путь от признания
его непригодным в конструкционных целях до всеобщего поклонения как перед одним
из самых перспективных и вечных металлов.
ВТ1-00 и ВТ1-0
Технический титан. Металлургическая промышленность поставляет полуфабрикаты технического титана двух марок ВТ1 - 00 и ВТ1 - 0 отличающихся содержанием примесей (кислорода, азота, углерода, железа, кремния и др.). Это материалы малой прочности, причем титан ВТ1 - 00, содержащий меньше примесей, отличается меньшей прочностью и большей пластичностью. Основное достоинство технического титана - высокая технологическая пластичность, что позволяет получать из него даже фольгу.
Прочностные свойства титана могут быть повышены нагартовкой но при этом сильно снижаются пластические свойства. Снижение характеристик пластичности выражено сильнее, чем повышение характеристик прочности, так что нагартовка не самый лучший способ улучшения комплекса свойств титана. К недостаткам титана следует отнести высокую склонность к водородной хрупкости, в связи с чем содержание водорода не должно превышать 0,008 % в титане ВТ1 - 00 и 0,01 % в ВТ1 - 0.
Сплав ВТ5 (ВТ5Л)
Сплав ВТ5 (ВТ5Л) легирован только алюминием. Алюминий относится к числу наиболее распространенных легирующих элементов в титановых сплавах. Это обусловлено следующими преимуществами алюминия перед остальными легирующими компонентами:
а) алюминий широко распространен в природе, доступен и сравнительно дешев;
б) плотность алюминия значительно меньше плотности титана, и поэтому введение алюминия повышает их удельную прочность;
в) с увеличением содержания алюминия повышается жаропрочность и сопротивление ползучести сплавов титана;
г) алюминий повышает модули упругости;
д) с увеличением содержания алюминия в сплавах уменьшается их склонность к водородной хрупкости. Сплав ВТ5 отличается от технического титана большей прочностью и жаропрочностью. Вместе с тем алюминий значительно уменьшает технологическую пластичность титана. Сплав ВТ5 деформируется в горячем состоянии: куется, прокатывается, штампуется. Из него изготовляют прутки, профили, поковки, штамповки. Тем не менее, его предпочитают применять не в деформированном состоянии, а в виде фасонного литья (в этом случае ему присваивают марку ВТ5Л). Сплав предназначен для изготовления деталей систем управления, внутреннего набора фюзеляжа, сварных деталей и узлов, длительно работающих (10 000 ч) при температурах до 400 °С.
Сплав ВТ5-1
Сплав ВТ5-1 относится к системе Ti-Al-Sn. Олово улучшает технологические свойства сплавов титана с алюминием, замедляет их окисление, повышает сопротивление ползучести. Этот сплав, по прочностным характеристикам относится к материалам средней прочности, мало чувствителен к надрезу, имеет удовлетворительный предел выносливости, сохраняет значительную жаропрочность до 450 °С. Сплав ВТ5-1 более технологичен, чем ВТ5, и из него изготавливают все виды полуфабрикатов, получаемых обработкой давлением, в том числе: листы, плиты, поковки, штамповки, профили, трубы и проволоку. Сплав сваривается всеми видами сварки, причем сварные соединения и основной металл почти равнопрочны. Сплав термически не упрочняется. При применении этого сплава для работы при криогенных температурах содержание примесей должно быть сведено к минимуму, так как они вызывают хладноломкость, состав сплава с пониженным содержанием примесей обозначают ВТ5-1кт. За рубежом сплав Ti-5A1-2,5Sn аналогично применяют в двух вариантах: для обычного назначения и для работы при криогенных температурах. Во втором случае также ограничивают содержание примесей и обозначают сплав как Ti-5AI-2,5Sn ELI.
Сплав ПТ-7М
Сплав ПТ-7М относится к малолегированным, малопрочным и высокопластичным сплавам системы Ti-Al-Zr. Он довольно легко деформируется не только при повышенных, но и комнатной температуре, что обусловлено небольшим содержанием в нем алюминия. Сплав производится в основном в форме горячепрессованных, горячекатаных и холоднодеформированных труб. Высокая пластичность сплава позволяет получать из него особо тонкостенные трубы. Сплав ПТ-7М применяют в основном для изготовления различного рода трубопроводов, работающих при комнатной и повышенных температурах в агрессивных средах.
Сплав ОТ4-0
Сплав ОТ4-0 малой прочности и высокой технологичности. Марганец повышает технологичность при горячей обработке давлением. Сплав псевдо- α -класса с небольшим количеством β-фазы. Термически не упрочняется. Основными полуфабрикатами являются: листы, ленты, полосы, прутки, поковки, штамповки. Хорошо деформируется в горячем и холодном состояниях, допускает штамповку при комнатной температуре; хорошо сваривается всеми видами сварки. Используется в деталях для изготовления которых требуется высокая технологичность при холодной штамповке.
Сплав ОТ4-1
Сплав ОТ4-1 относится к числу наиболее технологичных титановых сплавов; является малопрочным, малолегированным псевдо а-сплавом системы Ti-Al-Mn. Он хорошо деформируется в горячем и холодном состояниях и предназначен в основном для изготовления листов, лент и полос. Из них получают также плиты, поковки, прутки, трубы и профили. Листовая штамповка деталей простой формы может производиться в холодном состоянии; при штамповке деталей сложной формы необходим подогрев до 500°С. Сплав хорошо сваривается всеми видами сварки, причем прочность и пластичность сварного соединения практически одинаковы с основным металлом. Сплав ОТ4-1 предназначен для изготовления деталей, работающих до температуры 350 °С в течение не более 2000 ч и до 300 °С - не более 30 000 ч и изготавливаемых с применением сварки, штамповки и гибки. В отожженном состоянии сплав ОТ4-1 применяется для изготовления деталей типа обшивок крыла, закрылков, внутреннего набора крыла. Полный отжиг проводится при 640-690°С (листовые полуфабрикаты и детали из них) и при 740-790°С (прутки, поковки, штамповки и т.п. и детали из них); неполный отжиг - при 520-560°С. Недостатки этого сплава: сравнительно невысокая прочность; очень большая склонность к водородной хрупкости (содержание водорода не должно превышать 0,005%).
Псевдо α -сплав ОТ4
Псевдо α -сплав ОТ4 относится к той же системе Ti-A1-Мп, что и ОТ4-1, но отличается от него большим содержанием алюминия. В связи с этим он прочнее сплава ОТ4-1. Этот сплав средней прочности. Вместе с тем сплав ОТ4 менее пластичен и технологичен, чем сплав ОТ4-1. Сплав хорошо деформируется в горячем и ограниченно холодном состояниях. Его поставляют в виде листов, плит, профилей, труб, прутков. Основные операции листовой штамповки (вытяжка, гибка, отбортовка) осуществляются в холодном состоянии. При штамповке сложных по конфигурации деталей требуется подогрев. Сплав ОТ4 хорошо сваривается аргонодуговой, контактной (точечной, роликовой, стыковой) и электронно-лучевой сваркой. Сплав обладает хорошей термической стабильностью и предназначен для изготовления деталей, работающих при температурах до 350°С в течение 2000 ч и до 300°С - 30 000 ч. Сплав термически не упрочняется, единственный вид термической обработки, которому он подвергается, это полный или неполный (для снятия остаточных напряжений) отжиг. Полный отжиг проводят при 660-710°С (листовые полуфабрикаты и детали из них) и при 740-790°С (прутки, поковки, штамповки и т.п. и детали из них); неполный отжиг - при 545-585 °С.
Сплав ВТ18 (ВТ18У)
Сплав ВТ18 (ВТ18У) системы Ti-Al-Zr-Mo-Nb-Si относится к высокопрочным псевдо
α
-сплавам. Большое содержание алюминия и циркония обеспечивает высокое
сопротивление ползучести и высокую длительную прочность до температур 550 -
600°С. Это один из наиболее жаропрочных титановых сплавов. Пластические свойства
и технологичность при обработке давлением у сплава ВТ18 ниже, чем у сплавов
типа ОТ4. Поэтому он предназначен в основном для производства прутков, поковок и
штамповок.
Оптимальное сочетание свойств сплава обеспечивает отжиг при температурах 900 -
950 °С, выдержка 1 - 4 ч, охлаждение на воздухе. Помимо этого применяют двойной
отжиг: при 900 - 980 °С 1 - 4 ч + при 550 - 680 °С 2 - 8 ч, что позволяет
получить более высокое сопротивление разрыву сплава при 600 °С (770 МПа вместо
670 МПа). Сплав ВТ 18 рекомендуется для деталей, работающих длительно (до 500 ч)
при 550 - 600 °С и кратковременно (детали разового действия) - до 800 °С.
Псевдо α -сплав ВТ18У
Псевдо a-сплав ВТ18У отличается от ВТ18 более низким содержанием алюминия и циркония, а также дополнительным легированием оловом. В связи с этим он несколько технологичнее ВТ18. Поэтому из него получают не только прутки, поковки и штамповки, но и листы, хотя и с большим трудом. Термическая обработка полуфабрикатов из сплава ВТ18У производится по режимам, принятым для сплава ВТ18. По жаропрочным свойствам сплав ВТ18У не уступает сплаву ВТ 18 и рекомендуется для тех же условий эксплуатации, что и сплав ВТ 18.
Псевдо α -сплав ВТ20
Псевдо α -сплав ВТ20 принадлежит к системе Ti-Al-Zr-Mo-V. Довольно высокое содержание алюминия обеспечивает значительную прочность и жаропрочность этого сплава. Его пластичность и технологичность при обработке давлением ниже, чем у сплавов типа ОТ4. Тем не менее он хорошо деформируется в горячем состоянии и поставляется в виде поковок и штамповок толщиной до 250 мм, профилей, прутков, плит и листа. В листовом варианте этот сплав по жаропрочным характеристикам уступает только сплаву ВТ18У. Из этого сплава изготовляют сварные кольца из горячекатаных и прессованных профилей, а также цельнокатаные кольца. Сплав хорошо сваривается всеми видами сварки, применяемыми для титановых сплавов. Механические свойства сварного соединения не уступают свойствам основного металла. Сплав ВТ20 может свариваться с титановыми сплавами ВТЗ-1, ОТ4, ОТ4-1, ВТ5-1, ВТ6, ВТ14, ВТ5Л, ВТ21Л. Этот сплав поставляется также в виде фасонного литья под маркой ВТ20Л.
Единственным видом термической обработки сплава ВТ20 является отжиг. Полный отжиг проводят при температурах 700-800 °С для снятия наклепа от предшествующих операций обработки давлением. Неполный отжиг листов и прутков для снятия остаточных напряжений проводят при 600-650 °С. Сварные соединения отжигают при
650-750 °С. Сплав ВТ20 применяют для изготовления обшивок крыла, деталей и сварных узлов, длительно работающих при температурах от -70 до 450 °С (6000 ч) - 500 °С (3000 ч).
Сплавы типа ВТ6
Сплавы типа ВТ6 (Ti-6A1-4V) (a + b)-класса относятся к числу наиболее распространенных за рубежом титановых сплавов. Сплав Ti-6А1-4V используется для изготовления крупногабаритных сварных и сборных конструкций летательных аппаратов, для изготовления баллонов, работающих под внутренним давлением в широком интервале температур от 196 до 450 °С, и целого ряда других конструктивных элементов. По данным зарубежной печати, около 50 % используемого в авиакосмической промышленности титана приходится на сплав Ti-6A1-4V, аналогом которого являются отечественные сплавы типа ВТ6.
Такое широкое распространение этого сплава объясняется удачным его легированием. Алюминий в сплавах системы Ti-Al-V повышает прочностные и жаропрочные свойства, а ванадий относится к числу тех немногих легирующих элементов в титане, которые повышают не только прочностные свойства, но и пластичность.
Наряду с высокой удельной прочностью сплавы этого типа обладают меньшей чувствительностью к водороду по сравнению со сплавами ОТ4 и ОТ4-1, низкой склонностью к солевой коррозии и хорошей технологичностью.
Сплавы хорошо деформируются в горячем состоянии. Из сплавов типа ВТ6 получают прутки, трубы, профили, поковки, штамповки, плиты, листы. Они свариваются всеми традиционными видами сварки, в том числе и диффузионной. При сварке ЭЛС прочность сварного шва практически равна прочности основного материала, что выгодно отличает этот сплав от ВТ22. Сплавы типа ВТ6 применяют в отожженном и термически упрочненном состояниях. Отжиг листов, тонкостенных труб, профилей и деталей из них обычно проводят при 750-800 °С с последующим охлаждением на воздухе или вместе с печью. Отжиг прутков, поковок, штамповок и других крупногабаритных полуфабрикатов и деталей из них проводят при 750-800 "С. Охлаждение вместе с печью крупных полуфабрикатов предотвращает их коробление, а для мелких деталей позволяет избежать.частичной закалки. Однако в последнее время было доказано, что целесообразно повысить температуру отжига до 900-950 °С, что приведет к повышению вязкости разрушения и ударной вязкости при сохранении высоких пластических свойств из-за формирования смешанной структуры с большой долей пластинчатой составляющей. Двойной отжиг также позволяет повысить вязкость разрушения и сопротивление коррозионному
Сплав ВТ14
Сплав ВТ14 относится к высокопрочным термически упрочняемым титановым (α + β )-сплавам мартенситного типа системы Ti-A1-Мо-V. Этот сплав хорошо деформируется в горячем состоянии и из него получают прутки, трубы, профили, листы, плиты, поковки, штамповки. Листовую штамповку сплава в отожженном или закаленном состоянии с небольшими деформациями можно проводить в холодном состоянии, но основные операции штамповки удается успешно провести лишь при повышенных температурах.
Сплав удовлетворительно сваривается всеми видами сварки, применяемыми для титана. Для восстановления пластичности сварного соединения после сварки необходимо проводить отжиг. Сплав применяют в отожженном и термически упрочненном состояниях. Отжиг листов, прутков, поковок, штамповок и деталей из них осуществляют при температурах 740-810 °С. Термическое упрочнение состоит из закалки с температуры 870-910 °С и старения при 480- 560 °С в течение 8 - 16 ч. Сплав рекомендован для изготовления штампосварных конструкций, длительно работающих при температурах до 400 °С.
Сплав ВТ16
Сплав ВТ16 относится к высокопрочным (α + β )-сплавам той же системы Ti-A1-Мо-V, что и ВТ 14, но отличается от последнего меньшим содержанием алюминия и большим содержанием Р-стабилизаторов. В связи с этим сплав ВТ 16 по сравнению со сплавом ВТ 14 содержит больше β -фазы в отожженном состоянии (10 % - в ВТ14, 25-30 % - в ВТ16). Благодаря высокому содержанию β -фазы сплав ВТ 16 отличается высокой технологичностью. Он хорошо деформируется не только в горячем, но и в холодном состоянии, что обусловлено не только (α + β )-структурой, но и невысоким содержанием алюминия. Хотя,из сплава ВТ 16 можно изготавливать почти все виды полуфабрикатов, основная часть продукций из него - проволока и прутки диаметром от 4 до 20 мм, полученные прокаткой или волочением. Это связано с тем, что сплав ВТ 16 предназначен в основном для изготовления деталей крепления: болтов, винтов, заклепок и т.д. Состав этого сплава подбирался специально к условиям работы этих деталей.
К структуре прутков, предназначенных для изготовления деталей крепления, предъявляются довольно строгие требования: она должна быть мелкозернистая и однородная. Помимо этого, предъявляются повышенные требования к геометрическим размерам прутков и качеству их поверхности. Состав сплава ВТ 16 определяет также хорошую его свариваемость и высокую пластичность сварного соединения непосредственно после сварки. Сплав ВТ16 применяют в отожженном и термически упрочненном состояниях. Листы, тонкостенные трубы, профили и детали из них отжигают при температурах 680-790 °С, а прутки, толстостенные трубы и профили при 770-790 °С. Для термического упрочнения сплав закаливают с 780-830 °С и затем подвергают старению при 560-580 °С в течение 4-10 ч. Сплав в закаленном и состаренном состоянии с временным сопротивлением разрыву, 1200 МПа мало чувствителен к концентраторам напряжений: надрезу, перекосу и т.п. Сплав ВТ 16 может применяться для изготовления деталей крепления и других элементов самолетных конструкций длительной работы при температурах до 350 °С.
Сплав ВТЗ-1
Сплав ВТЗ-1 системы Ti-Al-Mo-Cr-Fe-Si относится к высокопрочным (α + β ) - сплавам мартенситного класса. Алюминий в сплаве ВТЗ-1 упрочняет а- и b-фазы и уменьшает плотность сплава. Эвтектоидообразующие β -стабилизаторы хром, железо и кремний упрочняют α - и β -фазы и повышают прочностные и жаропрочные свойства при умеренных температурах. Молибден не только увеличивает прочностные и жаропрочные свойства сплава, но и затрудняет эвтектоидный распад b-фазы, повышая термическую стабильность.
Сплав хорошо деформируется в горячем состоянии; из него получают катаные, прессованные и кованые прутки, катаные и прессованные профили, различные поковки и штамповки, полосы, плиты, раскатные кольца, в опытном порядке - трубы. Сплав удовлетворительно сваривается всеми видами сварки, применяемыми для титана. После сварки необходимо проводить отжиг для восстановления пластичности сварного соединения.
Изделия из сплава ВТЗ-1 обычно применяют после изотермического отжига, который состоит из нагрева при температурах 870- 920 °С и изотермической выдержки при 630-680 °С в течение 2-5 ч с последующим охлаждением на воздухе. После такого отжига сплав приобретает стабильную (а + b)-структуру, которая обеспечивает наиболее высокую термическую стабильность и максимальную пластичность. После одинарного отжига при температурах 800-850 °С сплав имеет большую прочность, чем после изотермического, но меньшие пластичность и термическую стабильность. Прочностные свойства сплава можно несколько повысить закалкой при 840-900 °С с последующим старением при 500-620 °С в течение 1-4 ч. Однако упрочняющая термическая обработка применяется редко, так как приводит к снижению термической стабильности сплава.
Сплав ВТЗ-1 используется при изготовлении деталей двигателей, работающих длительное время (до 6000 ч и более) при температурах до 400 °С; деталей типа арматуры, ушковых болтов; деталей системы управления. В последнее время наметилась тенденция к замене сплава ВТЗ-1 сплавом ВТ6, по-видимому, в основном в связи с тем, что сплав Ti-6A1-4V успешно используется многие годы в зарубежной практике для изготовления самых ответственных конструкций. Дополнительным легированием удается повысить прочностные свойства сплава Ti-6A1-4V при сохранении удовлетворительной пластичности, мо механические свойства сварных соединений при этом значительно ухудшаются, так что при свариваемости, в частности, электронно-лучевой сваркой, сплавы типа ВТ6 не имеют себе равных, кроме, может быть, сплава ВТ20.
Сплав ВТ22
Сплав ВТ22 (α + β )-класса относится к сильнолегированным высокопрочным сплавам системы Ti-Al-Mo-V-Fe-Cr. По содержанию b-стабилизирующих элементов сплав 1ГГ22 близок ко второй критической концентрации (К* ~ 1,0). Структура и свойства сплава ВТ22 сильно зависят от колебания химического состава в пределах, установленных техническими условиями. В зависимости от содержания легирующих элементов его структура после закалки из β -области может быть представлена или одной β -фазой, или β -фазой и мартенситом. Таким образом, по структуре в закаленном состоянии - это сплав переходного класса.
Сплав обладает хорошей технологической пластичностью при горячей обработке давлением. Из него получают прутки, профили, трубы, поковки, штамповки, плиты. Сплав удовлетворительно сваривается сваркой плавлением, аргонодуговой сваркой, сваркой под флюсом, роликовой и точечной сваркой. После сварки необходимо проводить отжиг для повышения комплекса механических свойств сварного соединения.
Сплав ВТ22 применяют в отожженном и термически упрочненном состояниях. Структура отожженного сплава ВТ22 представлена примерно равными количествами а- и b-фаз, и поэтому он относится к самым прочным титановым сплавам в отожженном состоянии. Его прочностные свойства в отожженном состоянии такие же, как у сплавов ВТ6, ВТЗ-1, ВТ 14 после закалки и старения. Это открывает новые возможности использования титановых сплавов в крупногабаритных изделиях, когда упрочняющая термическая обработка затруднена. Из сплава ВТ22 могут быть изготовлены поковки и штамповки массой в несколько тонн.
Для обеспечения наилучшего сочетания прочностных и пластических характеристик сплав ВТ22 подвергают отжигу по довольно сложному режиму: нагрев при 820-850 °С в течение 1-3 ч, охлаждение с печью до 740-760 °С, выдержка 1-3 ч, далее охлаждение на воздухе и последующий нагрев до 500-650 °С в течение 2-4 ч. .Дополнительное упрочнение сплава ВТ22 может быть достигнуто закалкой с температур 720-780 °С и старением при 480-600 °С в течение 4-10 ч. Временные сопротивление разрыву закаленного сплава составляет 1000-1100 МПа при удлинении 10-15 %, а состаренного - 1300-1600 МПа при удлинении 5-10 %. Сплав предназначен для получения высоконагруженных деталей и конструкций, длительно работающих до температур 350-400 °С. Из него изготавливают силовые детали фюзеляжа, крыла, штамповки, детали системы управления, крепежные детали типа ушковых болтов.
Сплав ВТ9
Сплав ВТ9 обеспечивает более высокие прочностные и жаропрочные свойства по сравнению со сплавом ВТ6 за счет высокого содержания алюминия и легированием кремния. Предназначен для работы при 400 - 500 °С. Двойной отжиг обеспечивает оптимальное сочетание механических свойств; содержание β - фазы после отжига примерно 10%. Сплав термически упрочняется путем закалки и старения. Основными вида полуфабриката являются прутки, поковки, штамповки и плиты. Удовлетворительно деформируется в горячем состоянии. Технологические свойства при обработке давлением хуже, чем у сплава ВТ6. Сварка не рекомендуется. В основном применяется в деталях ГТД (дисках, лопатках) и других деталях компрессора.
Сплав ВТ8
Сплав ВТ8 обеспечивает более высокие прочностные и жаропрочные свойства по сравнению со сплавом ВТ6 за счет высокого содержания алюминия и легированием кремния. Максимальная рабочая температура 480 0С. Сплавы ВТ8-1 и ВТ8-1М превосходят сплавы ВТ3-1 и ВТ9 по термической стабильности, пластичности, технологичности и характеристикам трещиностойкости. Двойной и изотермический отжиги обеспечивают оптимальное сочетание свойств; содержание β - фазы в отожженном сплаве примерно 10%. Сплав термически упрочняется. Основными вида полуфабриката являются прутки, поковки, штамповки и плиты. Удовлетворительно деформируется в горячем состоянии. Технологические свойства при обработке давлением хуже, чем у сплава ВТ6. Сварка не рекомендуется. В основном применяется в деталях ГТД (дисках, лопатках компрессора низкого давления, деталях крепления вентилятора).
Сплав ВТ35
Сплав ВТ35 высоколегированный псевдо - β - сплав с β - фазой, легко сохраняющейся при охлаждении; сплав ВТ35Л сохраняет b фазу в процессе естественного охлаждения. Обладает большой прокаливаемостыо. В закаленном состоянии сплав обладает высокой пластичностью и способен к холодной деформации. Старение приводит к существенному упрочнению (σ b > 1200МПа; δ = 6%) при высокой вязкости разрушения. Применяется для изготовления листов, фольги, фасонных отливок. Удовлетворительно обрабатывается давлением в горячем состоянии; после закалки способен к холодной деформации. В основном используется в сотовых
|
ТИТАН И ЕГО СПЛАВЫ |
|
Титан относится к группе тугоплавких металлов, его температура плавления равна 1668°С. Титан имеет две аллотропические модификации α и ß. Модификация α низкотемпературная и существует при нагреве 882,5°С, имеет гексагональную решетку. При темпертуре 882,5°С α-модификация переходит в ß - модификацию, имеющую объемноцентрированную кубическую рещетку. При переходе α-титана в ß - титан объем металла несколько уменьшается, а электропроводность скачкообразн возрастает. Основными достоинствами титана являются плотность (4,5 г/см 3), большая коррозионная стойкость и высокая механическая прочность. Несмотря на то, что титан химически весьма активен и легко реагирует с большим количеством элементов, он обладает высокой коррозионной стойкостью благодаря защитному действию образующейся на его поверхности прочной и плотной окисной пленки. В большинстве коррозионных сред титан и его сплавы имеют более высокую стойкость, чем кислотостойкие стали и алюминий. При введении легирующих элементов можно получать сплавы, обладающие высокой механической прочностью. Основными легирующими элементами являются Al, Sn, Мn, Cr, Мо, V. Легирующие элементы влияют на устойчивость аллотропических модификаций титана. В соответствии с влиянием легирующих элементов на аллотропические превращения титановые сплавы классифицируются по структуре следующим образом: 1) а-титановые сплавы, структура которых состоит из α-фазы (например, сплав ВТ5-1); 2) α+ß - сплавы, в структуре которых присутствуют обе фазы (ВТЗ-1, ВТ6); 3) ß - сплавы, структура которых состоит из механически стабильной ß - фазы (ВТ15); двухфазные (α+ß)-сплавы и ß - сплавы в отличие от α-сплавов упрочняются термической обработкой. Сплавы титана обладают не только более высокой механической прочностью, но и большей коррозионной стойкостью, чем чистый титан. Титан и его сплавы хорошо поддаются горячей и холодной обработке давлением, хорошо свариваются в инертной среде, но обладают низкими антифрикционными свойствами и, сравнительно со сталью, хуже обрабатываются резанием. Сплавы титана широко применяют в авиационной и ракетной технике, в химической промышленности, цветной металлургии и других отраслях, где использование титановых сплавов определяется их ценными антикоррозионными свойствами. Так, титановые теплообменники, работающие в азотной кислоте, имеют скорость коррозии в 60 раз меньшую, чем аналогичные теплообменники из нержавеющей стали. Из титана изготавливают оборудование для хлорной промышленности, гребные винты и т.п. |
Титан (Ti) (Titanium) - химический элемент с порядковым номером 22 в периодической системе элементов Д.И. Менделеева, атомный вес 47, 88, легкий серебристо-белый металл. Плотность 4, 51 г/с м³, tпл.=1668+ (-)5°С, tкип.=3260°С.
По плотности и удельной теплоемкости титан занимает промежуточное место между двумя основными конструкционными металлами: алюминием и железом. Стоит также отметить, что его механическая прочность примерно вдвое больше, чем чистого железа, и почти в шесть раз выше, чем алюминия. Но титан может активно поглощать кислород, азот и водород, которые резко снижают пластические свойства металла. С углеродом титан образует тугоплавкие карбиды, обладающие высокой твердостью.
Титан обладает низкой теплопроводностью, которая в 13 раз меньше теплопроводности алюминия и в 4 раза - железа. Коэффициент термического расширения при комнатной температуре сравнительно мал, с повышением температуры он возрастает.
Модули упругости титана невелики и обнаруживают существенную анизотропию. С повышением температуры до 350°С модули упругости уменьшаются почти по линейному закону. Небольшое значение модулей упругости титана - существенный его недостаток, т.к. в некоторых случаях для получения достаточно жестких конструкций приходится применять большие сечения изделий по сравнению с теми, которые следуют из условий прочности.
Титан имеет довольно высокое удельное электросопротивлеиие, которое в зависимости от содержания примесей колеблется в пределах от 42·10-8 до 80·10-6 Ом·см. При температурах ниже 0, 45 К он становится сверхпроводником.
Титан - парамагнитный металл. У парамагнитных веществ магнитная восприимчивость при нагревании обычно уменьшается. Титан составляет исключение из этого правила - его восприимчивость существенно увеличивается с температурой.
Для технического титана марок ВТ-00 и ВТ1-0 плотность приблизительно 4, 32 г/с м³. Титан и титановые сплавы сочетают легкость, прочность, высокую коррозийную стойкость, низкий коэффициент теплового расширения, возможность работы в широком диапозоне температур (от -290°С до 600°С).
Металл обладает рядом полезных свойств, делающих его одним из основных материалов в отдельных отраслях промышленности. Титановый прокат используется в ракетостроение и авиастроение, химической промышленности, судостроение, машиностроение
Так например, титановый
лист и титановый
пруток применяется
при создании корпусов атомных подводных
лодок;
титановые
трубы используются
в химической промышленности вследствие
их высоких антикоррозионных характеристик
и химической инертности к реактивам;
титановая
проволока используется
как присадочная проволока для создания
каркасов, форм, корпусов изтитановых
сплавов стратегического
назначения.
Титановая проволока часто используется в медицинской промышленности, в частности стоматологии. К полезным свойствам продукции из титанового проката можно отнести высокую механическую прочность, коррозионную стойкость (стоек во многих химически активных средах), жаропрочность (t пл = 1668 °С), а также малую плотность (4, 505 г/см 3). Основные физические и химические свойства титана можно посмотреть в данной таблице. Но титан имеет и свои недостатки. Одним из основных недостатков является высокая стоимость производства. Плавка титана может осуществляться только в вакууме или среде инертных газов, т.к. данный металл активно взаимодействует (особенно в жидком состоянии) со всеми газами, составляющими атмосферу. Также титановая продукция имеет плохие антифрикционные свойства, высокую склонность к водородной хрупкости и солевой коррозии, плохую обрабатываемость резанием и свариваемость.
Основой производства технического титана и его сплавов служит титановая губка, получаемая магниетермическим методом. Титановая губка - пористое серое вещество с насыпной массой 1, 5-2, 0 г/см 3 и очень высокой вязкостью.
В зависимости от содержания примесей технический титан разделяют на несколько сортов:GR1 (самый чистый титан),GR2 (более загрязненный).
По использованию в качестве конструкционного материала титан находится на 4-ом месте, уступая лишь Al, Fe и Mg. Алюминиды титана являются очень стойкими к окислению и жаропрочными, что в свою очередь определило их использование в авиации и автомобилестроении в качестве конструкционных материалов. Биологическая безвредность титана делает его превосходным материалом для пищевой промышленности и восстановительной хирургии.
Титан и его сплавы нашли широкое применеие в технике ввиду своей высокой мехнической прочности, которая сохраняется при высоких температурах, коррозионной стойкости, жаропрочности, удельной прочности, малой плотности и прочих полезных свойств. Высокая стоимость титана и его сплавов во многих случаях компенсируется их большей работоспособностью, а в некоторых случаях они являются единственным материалом, из которого можно изготовить оборудование или конструкции, способные работать в данных конкретных условиях.
Титановые сплавы играют большую роль в авиационной технике, где стремятся получить наиболее легкую конструкцию в сочетании с необходимой прочностью. Титан легок по сравнению с другими металлами, но в то же время может работать при высоких температурах (см. рис.2). Из титановых сплавов изготовляют обшивку, детали крепления, силовой набор, детали шасси, различные агрегаты. Также данные материалы применяются в конструкциях авиационных реактивных двигателей. Это позволяет уменьшить их массу на 10-25%. Из титановых сплавов производят диски и лопатки компрессора, детали воздухозаборника и направляющего аппарата, крепеж.
Также титан и его сплавы используют в ракетостроении. Ввиду кратковременной работы двигателей и быстрого прохождения плотных слоев атмосферы в ракетостроении в значительной мере снимаются проблемы усталостной прочности, статической выносливости и отчасти ползучести.
Технический титан из-за недостаточно высокой теплопрочности не пригоден для применення в авиации, но благодаря исключительно высокому сопротивлению коррозии в ряде случаев незаменим в химической промышленности и судостроении. Так его применяют при изготовлении компрессоров и насосов для перекачки таких агрессивных сред, как серная и соляная кислота и их соли, трубопроводов, запорной арматуры, автоклав, различного рода емкостей, фильтров и т. п. Только титан обладает коррозионной стойкостью в таких средах, как влажный хлор, водные и кислые растворы хлора, поэтому из данного металла изготовляют оборудование для хлорной промышленности. Из титана делают теплообменникн, работающие в коррозионно активных средах, например в азотной кислоте (не дымящей). В судостоении титан используется для изготовления гребных винтов, обшивки морских судов, подводных лодок, торпед и т.д. На титан и его сплавы не налипают ракушки, которые резко повышают сопротивление судна при его движении.
Титановые сплавы перспективны для использования во многих других применениях, но их распространение в технике сдерживается высокой стоимостью и дефицитностью титана.
Соединения титана также получили широкое применение в различных отраслях промышленности. Карбид титана обладает высокой твердостью и применяется в производстве режущих инструментов и абразивных материалов. Белый диоксид титана (TiO2) используется в красках (например, титановые белила), а также при производстве бумаги и пластика. Титанорганические соединения (напр. тетрабутоксититан) применяются в качестве катализатора и отвердителя в химической и лакокрасочной промышленности. Неорганические соединения титана применяются в химической электронной, стекловолоконной промышленности в качестве добавки. Диборид титана - важный компонент сверхтвердых материалов для обработки металлов. Нитрид титана применяется для покрытия инструментов
В настоящее время известно довольно большое разнообразие титановых сплавов, отличающихся по химическому составу, механическим и технологическим свойствам. Наиболее употребляемые легирующие элементы в титановых сплавах: алюминий, ванадий, молибден, марганец, хром, кремний, олово, цирконий, железо.
Титановый сплав ВТ5 содержит помимо титана 5% алюминия. Он отличается более высокими прочностными свойствами по сравнению с титаном, но его технологичность невелика. Сплав куется, прокатывается, штампуется и хорошо сваривается.
Из титана (сплава) ВТ5 получают титановые прутки, титановая проволока и титановые трубы. Его применяют при изготовлении деталей, работающих при температуре до 400 °С.
Сплав титана ВТ5-1 помимо 5% алюминия содержит 2-3% олова. Олово улучшает его технологические свойства. Изтитанового сплава ВТ5-1 изготовляют все виды полуфабрикатов, получаемых обработкой давлением: титановые листы, плиты, поковки, штамповки, профили, титановые трубы и титановая проволока. Он предназначен для изготовления изделий, работающих в широком интервале температур: от криогенных до 450 °С.
Титановые сплавы ОТ4 и ОТ4-1 помимо титана содержат алюминий и марганец. Они обладают высокой технологической пластичностью (хорошо деформируются в горячем и холодном состоянии) и хорошо свариваются всеми видами сварки. Титан данных марок идеет в основном на изготовление титановых листов, лент и полос, а также изготовляются титановые прутки, поковки, профили и титановые трубы. Из титановых сплавов ОТ4 иОТ4-1 изготовляют с применением сварки, штамповки и гибки детали, работающие до температуры 350 °С. Данные сплавы имеют недостатки: 1) сравнительно невысокая прочность и жаропрочность; 2) большая склонность к водородной хрупкости. В сплаве ПТ3В марганец заменяется на ванадий.
Титановый сплав ВТ20 разрабатывали как более прочный листовой сплав по сравнению с ВТ5-1. Упрочнение сплаваВТ20 обусловлено его легированием, помимо алюминия, цирконием и небольшими количествами молибдена и ванадия. Технологическая пластичность сплава ВТ20 невысока из-за большого содержания алюминия. Титан ВТ20 отличается высокой жаропрочностью. Он хорошо сваривается, прочность сварного соединения равна прочности основного металла. Сплав предназначен для изготовления изделий, работающих длительное время при температурах до 500 °С.
Титановый сплав ВТ3-1 относится к системе Ti - Al - Cr - Mo - Fe - Si. Он обычно подвергается изотермическому отжигу. Такой отжиг обеспечивает наиболее высокую термическую стабильность и максимальную пластичность. СплавВТ3-1 относится к числу наиболее освоенных в производстве сплавов. Он предназначен для длительной работы при 400 - 450 °С; это жаропрочный сплав с довольно высокой длительной прочностью. Из него поставляют титановые прутки, профили, плиты, поковки, штамповки.
Плавится титан при температуре 1660°С, аллотропичен, вредные примеси N, C, O, H. Пленка TiO2 защищает титан от окисления, коррозии в любой воде, некоторых кислотах. Он плавится, льется, сваривается в среде аргона, подвергается ОМД. Из титана изготавливают лист, трубы, профиль, проволоку. Сплавы его с Fe, Al, Mn, Cr, Sn, V, Si, Ga, Ge, La, Nb, Ta, Zr, W, Mo, Co, Si, имеют повышенную прочность, жаропрочность, коррозионную стойкость.Титановые сплавы термообрабатываются.
Титановые сплавы деформируются, льются, изготавливаются из порошков, закаливаются, отпускаются, хорошо мехобрабатываются.
Деформируемые сплавы титана:
− ά – сплавы: ВТ5, ВТ-5-1, ОТ-4;
− ά – β сплавы: ВТ-6, ВТ14, ВТ8; ВТ15
Литейные сплавы: ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ14Л, ВТ3-1Л
Порошковые сплавы титана получают из порошков прессованием, они прочны, пластичны.
Из титановых сплавов изготавливают обшивку самолетов, морских судов, подводных лодок, корпуса ракет, двигателей, деталей турбин, компрессоров, гребные винты, баллоны для сжиженных газов, емкости для химических средств и много других изделий. Титановые сплавы можно подвергать, отжигу, закалке, старению и ХТО. Отжиг α – сплавов проводят при 800 – 850 0С, а α + β – сплавов – при 750 -800 0С. Вакуумный отжиг позволяет уменьшить содержание водорода, что приводит к повышению ударной вязкости, уменьшению разрушений и растрес- кивания.
При высокой концентрации легирующего элемента и закалке возникает мартенситная α׀׀ – фаза с ромбической решеткой и ω – фаза с гексагональной структурой. В процессе старения закаленных сплавов происходит их упрочнение, обусловленное распадом α׀׀ и β – фаз. Деформируемые сплавы титана хорошо обрабатываются давлением в горячем состоянии, свариваются, обладают высокой сопротивляемости коррозии.
Характерные особенности титана – малая плотность 4,51 кг/дм3 , высокая прочность, которая сохраняется до 6000С, коррозионная стойкость. Они определяют область его применения. Титановые сплавы сочетают высокую прочность (σВ= 800-1500 МПа) с хорошей пластичностью (δ= 12- 25%), относительно хорошую жаропрочность до 600- 7000С, высокую коррозионную стойкость во многих агрессивных средах кроме HCL, HF. α- титановые сплавы не стареют и используются в криогенных установках до гелиевых температур (-2720С). Одним из недостатков титановых сплавов является их плохая обрабатываемость режущим инструментом.
Титан. Изобретение титана. Титан и его сплавы.
Первооткрывателем титана считается 28-летний английский монах Уильям Грегор. В 1790 г., проводя минералогические изыскания в своем приходе, он обратил внимание на распространенность и необычные свойства черного песка в долине Менакэна на юго-западе Англии и принялся его исследовать. В песке священник обнаружил крупицы черного блестящего минерала, притягивающегося обыкновенным магнитом. Полученный в 1925 г. Ван Аркелем и де Буром иодидным методом чистейший титан оказался пластичным и технологичным металлом со многими ценными свойствами, которые привлекли к нему внимание широкого круга конструкторов и инженеров. В 1940 г. Кролль предложил магниетермический способ извлечения титана из руд, который является основным и в настоящее время. В 1947 г. были выпущены первые 45 кг технически чистого титана.
В периодической системе элементов Менделеева титан имеет порядковый номер 22. Атомная масса природного титана, вычисленная по результатам исследований его изотопов, составляет 47,926. Итак, ядро нейтрального атома титана содержит 22 протона. Количество же нейтронов, т. е. нейтральных незаряженных частиц, различно: чаще 26, но может колебаться от 24 до 28. Поэтому и число изотопов титана различно. Всего сейчас известно 13 изотопов элемента № 22. Природный титан состоит из смеси пяти стабильных изотопов, наиболее широко представлен титан-48, его доля в природных рудах 73,99%. Титан и другие элементы подгруппы IVВ очень близки по свойствам к элементам подгруппы IIIВ (группы скандия), хотя и отличаются от последних способностью проявлять большую валентность. Сходство титана со скандием, иттрием, а также с элементами подгруппы VВ – ванадием и ниобием выражается и в том, что в природных минералах титан часто встречается вместе с этими элементами. С одновалентными галогенами (фтором, бромом, хлором и йодом) он может образовывать ди- три- и, тетрасоединения, с серой и элементами ее группы (селеном, теллуром) – моно- и дисульфиды, с кислородом – оксиды, диоксиды и триоксиды.
Титан образует также соединения с водородом (гидриды), азотом (нитриды), углеродом (карбиды), фосфором (фосфиды), мышьяком (арсиды), а также соединения со многими металлами – интерметаллиды. Образует титан не только простые, но и многочисленные комплексные соединения, известно немало его соединений с органическими веществами. Как видно из перечня соединений, в которых может участвовать титан, он химически весьма активен. И в то же время титан является одним из немногих металлов с исключительно высокой коррозионной стойкостью: он практически вечен в атмосфере воздуха, в холодной и кипящей воде, весьма стоек в морской воде, в растворах многих солей, неорганических и органических кислотах. По своей коррозионной стойкости в морской воде он превосходит все металлы, за исключением благородных – золота, платины и т. п., большинство видов нержавеющей стали, никелевые, медные и другие сплавы. В воде, во многих агрессивных средах чистый титан не подвержен коррозии. Противостоит титан и эрозионной коррозии, происходящей в результате сочетания химического и механического воздействия на металл. В этом отношении он не уступает лучшим маркам нержавеющих сталей, сплавам на основе меди и другим конструкционным материалам. Хорошо противостоит титан и усталостной коррозии, проявляющейся часто в виде нарушений целостности и прочности металла (растрескивание, локальные очаги коррозии и т. п.). Поведение титана во многих агрессивных средах, в таких, как азотная, соляная, серная, «царская водка» и другие кислоты и щелочи, вызывает удивление и восхищение этим металлом.
Титан весьма тугоплавкий металл. Долгое время считалось, что он плавится при 1800° С, однако в середине 50-х гг. английские ученые Диардорф и Хейс установили температуру плавления для чистого элементарного титана. Она составила 1668±3° С. По своей тугоплавкости титан уступает лишь таким металлам, как вольфрам, тантал, ниобий, рений, молибден, платиноиды, цирконий, а среди основных конструкционных металлов он стоит на первом месте. Важнейшей особенностью титана как металла являются его уникальные физико-химические свойства: низкая плотность, высокая прочность, твердость и др. Главное же, что эти свойства не меняются существенно при высоких температурах.
Титан – легкий металл, его плотность при 0° С составляет всего 4,517 г/см8, а при 100° С – 4,506 г/см3. Титан относится к группе металлов с удельной массой менее 5 г/см3. Сюда входят все щелочные металлы (натрий, кадий, литий, рубидий, цезий) с удельной массой 0,9–1,5 г/см3, магний (1,7 г/см3), алюминий (2,7 г/см3) и др. Титан более чем в 1,5 раза тяжелее алюминия, и в этом он, конечно, ему проигрывает, но зато в 1,5 раза легче железа (7,8 г/см3). Однако, занимая по удельной плотности промежуточное положение между алюминием и железом, титан по своим механическим свойствам во много раз их превосходит.). Титан обладает значительной твердостью: он в 12 раз тверже алюминия, в 4 раза–железа и меди. Еще одна важная характеристика металла – предел текучести. Чем он выше тем лучше детали из этого металла сопротивляются эксплуатационным нагрузкам. Предел текучести у титана почти в 18 раз выше, чем у алюминия. Удельная прочность сплавов титана может быть повышена в 1,5–2 раза. Его высокие механические свойства хорошо сохраняются при температурах вплоть до нескольких сот градусов. Чистый титан пригоден для любых видов обработки в горячем и холодном состоянии: его можно ковать, как железо, вытягивать и даже делать из него проволоку, прокатывать в листы, ленты, в фольгу толщиной до 0,01 мм.
В отличие от большинства металлов титан обладает значительным электрическим сопротивлением: если электропроводность серебра принять за 100, то электропроводность меди равна 94, алюминия – 60, железа и платины –15, а титана–всего 3,8. Титан – парамагнитный металл, он не намагничивается, как железо, в магнитном поле, но и не выталкивается из него, как медь. Его магнитная восприимчивость очень слаба, это свойство можно использовать при строительстве. Титан обладает сравнительно низкой теплопроводностью, всего 22,07 Вт/(мК), что приблизительно в 3 раза ниже теплопроводности железа, в 7 раз–магния, в 17–20 раз–алюминия и меди. Соответственно и коэффициент линейного термического расширения у титана ниже, чем у других конструкционных материалов: при 20 С он в 1,5 раза ниже чем у железа, в 2 - у меди и почти в 3 - у алюминия. Таким образом, титан – плохой проводник электричества и тепла.
Сегодня
титановые сплавы широко применяют в
авиационной технике. Титановые сплавы
в промышленном масштабе впервые были
использованы в конструкциях авиационных
реактивных двигателей. Применение
титана в конструкции реактивных
двигателей позволяет уменьшить их массу
на 10...25%. В частности, из титановых сплавов
изготавливают диски и лопатки компрессора,
детали воздухозаборника, направляющего
аппарата и крепежные изделия. Титановые
сплавы незаменимы для сверхзвуковых
самолетов. Рост скоростей полета
летательных аппаратов привел к повышению
температуры обшивки, в результате чего
алюминиевые сплавы перестали удовлетворять
требованиям, которые предъявляются
авиационной техникой сверхзвуковых
скоростей. Температура обшивки в этом
случае достигает 246...316 °С. В этих условиях
наиболее приемлемым материалом оказались
титановые сплавы. В 70-х годах существенно
возросло применение титановых сплавов
для планера гражданских самолетов. В
среднемагистральном самолете ТУ-204
общая масса деталей из титановых сплавов
составляет 2570 кг. Постепенно расширяется
применение титана в вертолетах, главным
образом, для деталей системы несущего
винта, привода, а также системы управления.
Важное место занимают титановые сплавы
в ракетостроении.
Благодаря
высокой коррозионной стойкости в морской
воде титан и его сплавы находят применение
в судостроении для изготовления гребных
винтов, обшивки морских судов, подводных
лодок, торпед и т.д. На титан и его сплавы
не налипают ракушки, которые резко
повышают сопротивление судна при его
движении. Постепенно области применения
титана расширяются. Титан и его сплавы
применяют в химической, нефтехимической,
целлюлозно-бумажной и пищевой
промышленности, цветной металлургии,
энергомашиностроении, электронике,
ядерной технике, гальванотехнике, при
производстве вооружения, для изготовления
броневых плит, хирургического инструмента,
хирургических имплантатов, опреснительных
установок, деталей гоночных автомобилей,
спортинвентаря (клюшки для гольфа,
снаряжение альпинистов), деталей ручных
часов и даже украшений. Азотирование
титана приводит к образованию на его
поверхности золотистой пленки, по
красоте не уступающей настоящему золоту.
Титан и его сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью в атм. условиях, пресной и морской воде, растворах большинства хлоридов, гипохлоритов, двуокиси хлора и мн. солей минеральных к-т как при обычной, так и при повышенных темп-рах. Высокой коррозионной стойкостью титан и его сплавы обладают также в кислых окислит. средах (азотная и хромовая к-ты и др.) и в растворе щелочей. В неокислит, кислотах (серной, соляной) титан имеет удовлетворит. коррозионную стойкость при обычных темп-pax и концентрации к-т до 8- 10%. С повышением темп-ры, концентрации к-т и щелочей скорость коррозии титана резко возрастает. Для серной к-ты наблюдаются два максимума скорости коррозии, соответствующие 40- и 75%-ной концентрации. В 40%-ной серной к-те процесс коррозии идет с выделением водорода, такая к-та характеризуется наибольшей электропроводностью и максим, концентрацией водородных ионов. В 75%-ном растворе процесс коррозии сопровождается восстановлением серной к-ты до H3S и свободной серы, а при высоких концентрациях (80- 90 %) выделяются S02 и свободная сера. В фосфорной к-те титан относительно более стоек и сохраняет высокую коррозионную стойкость до 30%-ного раствора, с повышением концентрации скорость коррозии усиливается. Добавки окислителей (K2Cr207; HNOs; Fe+ + + ; Си + +) резко снижают скорость коррозии титана и его сплавов в соляной и серной к-тах.
Титана: α-титан - гексагональная, β-титан - кубическая...
Раздел 1. История и нахождение в природе титана.
Титан - это элемент побочной подгруппы четвёртой группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 22. Простое вещество титан (CAS-номер: 7440-32-6) - лёгкий металл серебристо-белого цвета. Существует в двух кристаллических модификациях: α-Ti с гексагональной плотноупакованной решёткой, β-Ti с кубической объёмно-центрированной упаковкой, температура полиморфного превращения α↔β 883 °C. Температура плавления 1660±20 °C.
История и нахождение в природе титана
Титан был назван так в честь древнегреческих персонажей Титанов. Назвал его так немецкий химик Мартин Клапрот по своим личным соображениями в отличии от французов которые старались давать названия в соответствии с химическими особенностями элемента, но так как тогда свойства элемента были неизвестны, было выбрано такое название.
Титан является 10 элементов по кол-ву его на нашей планете. Кол-во титана в земной коре равно 0.57 % по массе и 0.001 миллиграмм на 1 литр морской воды. Месторождения титана находятся на территории: Южно Африканской Республики, Украины, России, Казахстана, Японии, Австралии, Индии, Цейлона, Бразилии и Южной Кореи.
По физическим свойствам титан легкий серебристый металл, кроме того характерна высокая вязкость при механической обработке и склонен к прилипанию к режущему инструменту, поэтому используют специальные смазки или напыление для устранения этого эффекта. При комнатной температуре покрывается лассивирующей пленкой оксида TiO2, благодаря этому имеет стойкость к коррозии в большинстве агрессивных сред, кроме щелочей. Титановая пыль имеет свойство взрываться, при этом температура вспышки равна 400 °C. Титановая стружка пожароопасна.
Чтобы произвести титан в чистом виде или его сплавы в большинстве случаев используют диоксид титана с небольшим кол-вом соединений входящих в него. Например, рутиловый концентрат, получаемый при обогащении титановых руд. Но запасы рутила крайне малы и в связи с этим используют так называемый синтетический рутил или титановый шлак, получаемый при обработке ильменитовых концентратов.
Первооткрывателем титана считается 28-летний английский монах Уильям Грегор. В 1790 г., проводя минералогические изыскания в своем приходе, он обратил внимание на распространенность и необычные свойства черного песка в долине Менакэна на юго-западе Англии и принялся его исследовать. В песке священник обнаружил крупицы черного блестящего минерала, притягивающегося обыкновенным магнитом. Полученный в 1925 г. Ван Аркелем и де Буром иодидным методом чистейший титан оказался пластичным и технологичным металлом со многими ценными свойствами, которые привлекли к нему внимание широкого круга конструкторов и инженеров. В 1940 г. Кролль предложил магниетермический способ извлечения титана из руд, который является основным и в настоящее время. В 1947 г. были выпущены первые 45 кг технически чистого титана.
В периодической системе элементов Менделеева титан имеет порядковый номер 22. Атомная масса природного титана, вычисленная по результатам исследований его изотопов, составляет 47,926. Итак, ядро нейтрального атома титана содержит 22 протона. Количество же нейтронов, т. е. нейтральных незаряженных частиц, различно: чаще 26, но может колебаться от 24 до 28. Поэтому и число изотопов титана различно. Всего сейчас известно 13 изотопов элемента № 22. Природный титан состоит из смеси пяти стабильных изотопов, наиболее широко представлен титан-48, его доля в природных рудах 73,99%. Титан и другие элементы подгруппы IVВ очень близки по свойствам к элементам подгруппы IIIВ (группы скандия), хотя и отличаются от последних способностью проявлять большую валентность. Сходство титана со скандием, иттрием, а также с элементами подгруппы VВ – ванадием и ниобием выражается и в том, что в природных минералах титан часто встречается вместе с этими элементами. С одновалентными галогенами (фтором, бромом, хлором и йодом) он может образовывать ди- три- и, тетрасоединения, с серой и элементами ее группы (селеном, теллуром) – моно- и дисульфиды, с кислородом – оксиды, диоксиды и триоксиды.
Титан образует также соединения с водородом (гидриды), азотом (нитриды), углеродом (карбиды), фосфором (фосфиды), мышьяком (арсиды), а также соединения со многими металлами – интерметаллиды. Образует титан не только простые, но и многочисленные комплексные соединения, известно немало его соединений с органическими веществами. Как видно из перечня соединений, в которых может участвовать титан, он химически весьма активен. И в то же время титан является одним из немногих металлов с исключительно высокой коррозионной стойкостью: он практически вечен в атмосфере воздуха, в холодной и кипящей воде, весьма стоек в морской воде, в растворах многих солей, неорганических и органических кислотах. По своей коррозионной стойкости в морской воде он превосходит все металлы, за исключением благородных – золота, платины и т. п., большинство видов нержавеющей стали, никелевые, медные и другие сплавы. В воде, во многих агрессивных средах чистый титан не подвержен коррозии. Противостоит титан и эрозионной коррозии, происходящей в результате сочетания химического и механического воздействия на металл. В этом отношении он не уступает лучшим маркам нержавеющих сталей, сплавам на основе меди и другим конструкционным материалам. Хорошо противостоит титан и усталостной коррозии, проявляющейся часто в виде нарушений целостности и прочности металла (растрескивание, локальные очаги коррозии и т. п.). Поведение титана во многих агрессивных средах, в таких, как азотная, соляная, серная, «царская водка» и другие кислоты и щелочи, вызывает удивление и восхищение этим металлом.
Титан весьма тугоплавкий металл. Долгое время считалось, что он плавится при 1800° С, однако в середине 50-х гг. английские ученые Диардорф и Хейс установили температуру плавления для чистого элементарного титана. Она составила 1668±3° С. По своей тугоплавкости титан уступает лишь таким металлам, как вольфрам, тантал, ниобий, рений, молибден, платиноиды, цирконий, а среди основных конструкционных металлов он стоит на первом месте. Важнейшей особенностью титана как металла являются его уникальные физико-химические свойства: низкая плотность, высокая прочность, твердость и др. Главное же, что эти свойства не меняются существенно при высоких температурах.
Титан – легкий металл, его плотность при 0° С составляет всего 4,517 г/см8, а при 100° С – 4,506 г/см3. Титан относится к группе металлов с удельной массой менее 5 г/см3. Сюда входят все щелочные металлы (натрий, кадий, литий, рубидий, цезий) с удельной массой 0,9–1,5 г/см3, магний (1,7 г/см3), алюминий (2,7 г/см3) и др. Титан более чем в 1,5 раза тяжелее алюминия, и в этом он, конечно, ему проигрывает, но зато в 1,5 раза легче железа (7,8 г/см3). Однако, занимая по удельной плотности промежуточное положение между алюминием и железом, титан по своим механическим свойствам во много раз их превосходит.). Титан обладает значительной твердостью: он в 12 раз тверже алюминия, в 4 раза–железа и меди. Еще одна важная характеристика металла – предел текучести. Чем он выше тем лучше детали из этого металла сопротивляются эксплуатационным нагрузкам. Предел текучести у титана почти в 18 раз выше, чем у алюминия. Удельная прочность сплавов титана может быть повышена в 1,5–2 раза. Его высокие механические свойства хорошо сохраняются при температурах вплоть до нескольких сот градусов. Чистый титан пригоден для любых видов обработки в горячем и холодном состоянии: его можно ковать, как железо, вытягивать и даже делать из него проволоку, прокатывать в листы, ленты, в фольгу толщиной до 0,01 мм.
В отличие от большинства металлов титан обладает значительным электрическим сопротивлением: если электропроводность серебра принять за 100, то электропроводность меди равна 94, алюминия – 60, железа и платины –15, а титана–всего 3,8. Титан – парамагнитный металл, он не намагничивается, как железо, в магнитном поле, но и не выталкивается из него, как медь. Его магнитная восприимчивость очень слаба, это свойство можно использовать при строительстве. Титан обладает сравнительно низкой теплопроводностью, всего 22,07 Вт/(мК), что приблизительно в 3 раза ниже теплопроводности железа, в 7 раз–магния, в 17–20 раз–алюминия и меди. Соответственно и коэффициент линейного термического расширения у титана ниже, чем у других конструкционных материалов: при 20 С он в 1,5 раза ниже чем у железа, в 2 - у меди и почти в 3 - у алюминия. Таким образом, титан – плохой проводник электричества и тепла.
Сегодня титановые сплавы широко применяют в авиационной технике. Титановые сплавы в промышленном масштабе впервые были использованы в конструкциях авиационных реактивных двигателей. Применение титана в конструкции реактивных двигателей позволяет уменьшить их массу на 10...25%. В частности, из титановых сплавов изготавливают диски и лопатки компрессора, детали воздухозаборника, направляющего аппарата и крепежные изделия. Титановые сплавы незаменимы для сверхзвуковых самолетов. Рост скоростей полета летательных аппаратов привел к повышению температуры обшивки, в результате чего алюминиевые сплавы перестали удовлетворять требованиям, которые предъявляются авиационной техникой сверхзвуковых скоростей. Температура обшивки в этом случае достигает 246...316 °С. В этих условиях наиболее приемлемым материалом оказались титановые сплавы. В 70-х годах существенно возросло применение титановых сплавов для планера гражданских самолетов. В среднемагистральном самолете ТУ-204 общая масса деталей из титановых сплавов составляет 2570 кг. Постепенно расширяется применение титана в вертолетах, главным образом, для деталей системы несущего винта, привода, а также системы управления. Важное место занимают титановые сплавы в ракетостроении.
Благодаря высокой коррозионной стойкости в морской воде титан и его сплавы находят применение в судостроении для изготовления гребных винтов, обшивки морских судов, подводных лодок, торпед и т.д. На титан и его сплавы не налипают ракушки, которые резко повышают сопротивление судна при его движении. Постепенно области применения титана расширяются. Титан и его сплавы применяют в химической, нефтехимической, целлюлозно-бумажной и пищевой промышленности, цветной металлургии, энергомашиностроении, электронике, ядерной технике, гальванотехнике, при производстве вооружения, для изготовления броневых плит, хирургического инструмента, хирургических имплантатов, опреснительных установок, деталей гоночных автомобилей, спортинвентаря (клюшки для гольфа, снаряжение альпинистов), деталей ручных часов и даже украшений. Азотирование титана приводит к образованию на его поверхности золотистой пленки, по красоте не уступающей настоящему золоту.
Открытие TiO2 сделали практически одновременно и независимо друг от друга англичанин У. Грегор и немецкий химик М. Г. Клапрот. У. Грегор, исследуя состав магнитного железистого песка (Крид, Корнуолл, Англия, 1791), выделил новую «землю» (оксид) неизвестного металла, которую назвал менакеновой. В 1795 г. немецкий химик Клапрот открыл в минерале рутиле новый элемент и назвал его титаном. Спустя два года Клапрот установил, что рутил и менакеновая земля - оксиды одного и того же элемента, за которым и осталось название «титан», предложенное Клапротом. Через 10 лет открытие титана состоялось в третий раз. Французский учёный Л. Воклен обнаружил титан в анатазе и доказал, что рутил и анатаз - идентичные оксиды титана.
Первый образец металлического титана получил в 1825 году Й. Я. Берцелиус. Из-за высокой химической активности титана и сложности его очистки чистый образец Ti получили голландцы А. ван Аркел и И. де Бур в 1925 году термическим разложением паров иодида титана TiI4.
Титан находится на 10-м месте по распространённости в природе. Содержание в земной коре 0,57 % по массе, в морской воде 0,001 мг/л. В ультраосновных породах 300 г/т, в основных - 9 кг/т, в кислых 2,3 кг/т, в глинах и сланцах 4,5 кг/т. В земной коре титан почти всегда четырёхвалентен и присутствует только в кислородных соединениях. В свободном виде не встречается. Титан в условиях выветривания и осаждения имеет геохимическое сродство с Al2O3. Он концентрируется в бокситах коры выветривания и в морских глинистых осадках. Перенос титана осуществляется в виде механических обломков минералов и в виде коллоидов. До 30 % TiO2 по весу накапливается в некоторых глинах. Минералы титана устойчивы к выветриванию и образуют крупные концентрации в россыпях. Известно более 100 минералов, содержащих титан. Важнейшие из них: рутил TiO2, ильменит FeTiO3, титаномагнетит FeTiO3 + Fe3O4, перовскит CaTiO3, титанит CaTiSiO5. Различают коренные руды титана - ильменит-титаномагнетитовые и россыпные - рутил-ильменит-цирконовые.
Основные руды: ильменит (FeTiO3), рутил (TiO2), титанит (CaTiSiO5).
На 2002 год, 90 % добываемого титана использовалось на производство диоксида титана TiO2. Мировое производство диоксида титана составляло 4,5 млн т. в год. Подтверждённые запасы диоксида титана (без России) составляют около 800 млн т. На 2006 год, по оценке Геологической службы США, в пересчёте на диоксид титана и без учёта России, запасы ильменитовых руд составляют 603-673 млн т., а рутиловых - 49.7-52.7 млн т. Таким образом, при нынешних темпах добычи мировых разведанных запасов титана (без учёта России) хватит более, чем на 150 лет.
Россия обладает вторыми в мире, после Китая, запасами титана. Минерально-сырьевую базу титана России составляют 20 месторождений (из них 11 коренных и 9 россыпных), достаточно равномерно рассредоточенных по территории страны. Самое крупное из разведанных месторождений (Ярегское) находится в 25 км от города Ухта (Республика Коми). Запасы месторождения оцениваются в 2 миллиарда тонн руды со средним содержанием диоксида титана около 10 %.
Крупнейший в мире производитель титана - российская компания «ВСМПО-АВИСМА».
Как правило, исходным материалом для производства титана и его соединений служит диоксид титана со сравнительно небольшим количеством примесей. В частности, это может быть рутиловый концентрат, получаемый при обогащении титановых руд. Однако запасы рутила в мире весьма ограничены, и чаще применяют так называемый синтетический рутил или титановый шлак, получаемые при переработке ильменитовых концентратов. Для получения титанового шлака ильменитовый концентрат восстанавливают в электродуговой печи, при этом железо отделяется в металлическую фазу (чугун), а не восстановленные оксиды титана и примесей образуют шлаковую фазу. Богатый шлак перерабатывают хлоридным или сернокислотным способом.
В чистом виде и в виде сплавов
Титановый памятник Гагарину на Ленинском проспекте в Москве
Металл применяется в: химической промышленности (реакторы, трубопроводы, насосы, трубопроводная арматура), военной промышленности (бронежилеты, броня и противопожарные перегородки в авиации, корпуса подводных лодок), промышленных процессах (опреснительных установках, процессах целлюлозы и бумаги), автомобильной промышленности, сельскохозяйственной промышленности, пищевой промышленности, украшениях для пирсинга, медицинской промышленности (протезы, остеопротезы), стоматологических и эндодонтических инструментах, зубных имплантатах, спортивных товарах, ювелирных изделиях (Александр Хомов), мобильных телефонах, лёгких сплавах и т. д. Является важнейшим конструкционным материалом в авиа-, ракето-, кораблестроении.
Титановое литье выполняют в вакуумных печах в графитовые формы. Также используется вакуумное литье по выплавляемым моделям. Из-за технологических трудностей, в художественном литье используется ограниченно. Первой в мировой практике монументальной литой скульптурой из титана является памятник Юрию Гагарину на площади его имени в Москве.
Титан является легирующей добавкой во многих легированных сталях и большинстве спецсплавов.
Нитинол (никель-титан) - сплав, обладающий памятью формы, применяемый в медицине и технике.
Алюминиды титана являются очень стойкими к окислению и жаропрочными, что в свою очередь определило их использование в авиации и автомобилестроении в качестве конструкционных материалов.
Титан является одним из наиболее распространённых геттерных материалов, используемых в высоковакуумных насосах.
Белый диоксид титана (TiO2) используется в красках (например, титановые белила), а также при производстве бумаги и пластика. Пищевая добавка E171.
Титанорганические соединения (напр. тетрабутоксититан) применяются в качестве катализатора и отвердителя в химической и лакокрасочной промышленности.
Неорганические соединения титана применяются в химической электронной, стекловолоконной промышленности в качестве добавки или покрытий.
Карбид титана, диборид титана, карбонитрид титана - важные компоненты сверхтвёрдых материалов для обработки металлов.
Нитрид титана применяется для покрытия инструментов, куполов церквей и при производстве бижутерии, т.к. имеет цвет, похожий на золото.
Титанат бария BaTiO3, титанат свинца PbTiO3 и ряд других титанатов -- сегнетоэлектрики.
Существует множество титановых сплавов с различными металлами. Легирующие элементы разделяют на три группы, в зависимости от их влияния на температуру полиморфного превращения: на бета-стабилизаторы, альфа-стабилизаторы и нейтральные упрочнители. Первые понижают температуру превращения, вторые повышают, третьи не влияют на неё, но приводят к растворному упрочнению матрицы. Примеры альфа-стабилизаторов: алюминий, кислород, углерод, азот. Бета-стабилизаторы: молибден, ванадий, железо, хром, никель. Нейтральные упрочнители: цирконий, олово, кремний. Бета-стабилизаторы, в свою очередь, делятся на бета-изоморфные и бета-эвтектоидообразующие. Самым распространённым титановым сплавом является сплав Ti-6Al-4V (в российской классификации - ВТ6).
60 % - краска;
20 % - пластик;
13 % - бумага;
7 % - машиностроение.
15-25 $ за килограмм, в зависимости от чистоты.
Чистота и марка чернового титана (титановой губки) обычно определяется по её твёрдости, которая зависит от содержания примесей. Наиболее распространены марки ТГ100 и ТГ110.
Цена ферротитана (минимум 70 % титана) на 22.12.2010 $6,82 за килограмм. На 01.01.2010 цена была на уровне $5,00 за килограмм.
В России цены на титан на начало 2012 года составляли 1200-1500 руб/кг.
Достоинства:
малая плотность (4500 кг/м3) способствует уменьшению массы используемого материала;
высокая механическая прочность. Стоит отметить, что при повышенных температурах (250-500 °С) титановые сплавы по прочности превосходят высокопрочные сплавы алюминия и магния;
необычайнао высокая коррозионная стойкость, обусловленная способностью титана образовывать на поверхности тонкие (5-15 мкм) сплошные пленки оксида ТiO2, прочно связанные с массой металла;
удельная прочность (отношение прочности и плотности) лучших титановых сплавов достигает 30-35 и более, что почти вдвое превышает удельную прочность легированных сталей.
Недостатки:
высокая стоимость производства, титан значительно дороже железа, алюминия, меди, магния;
активное взаимодействие при высоких температурах, особенно в жидком состоянии, со всеми газами, составляющими атмосферу, в результате чего титан и его сплавы можно плавить лишь в вакууме или в среде инертных газов;
трудности вовлечения в производство титановых отходов;
плохие антифрикционные свойства, обусловленные налипанием титана на многие материалы, титан в паре с титаном не может работать на трение;
высокая склонность титана и многих его сплавов к водородной хрупкости и солевой коррозии;
плохая обрабатываемость резанием, аналогичная обрабатываемости нержавеющих сталей аустенитного класса;
большая химическая активность, склонность к росту зерна при высокой температуре и фазовые превращения при сварочном цикле вызывают трудности при сварке титана.
Основная часть титана расходуется на нужды авиационной и ракетной техникии и морского судостроения. Титан (ферротитан) используют в качестве лигирующей добавки к качественным сталям и как раскислитель. Технический титан идет на изготовление емкостей, химических реакторов, трубопроводов, арматуры, насосов, клапанов и других изделий, работающих в агрессивных средах. Из компактного титана изготавливают сетки и другие детали элетктровакуумных приборов, работающих при высоких температурах.
По использованию в качестве конструкционного материала титан находится на 4-ом месте, уступая лишь Al, Fe и Mg. Алюминиды титана являются очень стойкими к окислению и жаропрочными, что в свою очередь определило их использование в авиации и автомобилестроении в качестве конструкционных материалов. Биологическая безвредность титана делает его превосходным материалом для пищевой промышленности и восстановительной хирургии.
Титан и его сплавы нашли широкое применеие в технике ввиду своей высокой мехнической прочности, которая сохраняется при высоких температурах, коррозионной стойкости, жаропрочности, удельной прочности, малой плотности и прочих полезных свойств. Высокая стоимость титана и его сплавов во многих случаях компенсируется их большей работоспособностью, а в некоторых случаях они являются единственным материалом, из которого можно изготовить оборудование или конструкции, способные работать в данных конкретных условиях.
Титановые сплавы играют большую роль в авиационной технике, где стремятся получить наиболее легкую конструкцию в сочетании с необходимой прочностью. Титан легок по сравнению с другими металлами, но в то же время может работать при высоких температурах. Из титановых сплавов изготовляют обшивку, детали крепления, силовой набор, детали шасси, различные агрегаты. Также данные материалы применяются в конструкциях авиационных реактивных двигателей. Это позволяет уменьшить их массу на 10-25%. Из титановых сплавов производят диски и лопатки компрессора, детали воздухозаборника и направляющего аппарата, крепеж.
Также титан и его сплавы используют в ракетостроении. Ввиду кратковременной работы двигателей и быстрого прохождения плотных слоев атмосферы в ракетостроении в значительной мере снимаются проблемы усталостной прочности, статической выносливости и отчасти ползучести.
Технический титан из-за недостаточно высокой теплопрочности не пригоден для применення в авиации, но благодаря исключительно высокому сопротивлению коррозии в ряде случаев незаменим в химической промышленности и судостроении. Так его применяют при изготовлении компрессоров и насосов для перекачки таких агрессивных сред, как серная и соляная кислота и их соли, трубопроводов, запорной арматуры, автоклав, различного рода емкостей, фильтров и т. п. Только титан обладает коррозионной стойкостью в таких средах, как влажный хлор, водные и кислые растворы хлора, поэтому из данного металла изготовляют оборудование для хлорной промышленности. Из титана делают теплообменникн, работающие в коррозионно активных средах, например в азотной кислоте (не дымящей). В судостоении титан используется для изготовления гребных винтов, обшивки морских судов, подводных лодок, торпед и т.д. На титан и его сплавы не налипают ракушки, которые резко повышают сопротивление судна при его движении.
Титановые сплавы перспективны для использования во многих других применениях, но их распространение в технике сдерживается высокой стоимостью и дефицитностью титана.
Соединения титана также получили широкое применение в различных отраслях промышленности. Карбид титана обладает высокой твердостью и применяется в производстве режущих инструментов и абразивных материалов. Белый диоксид титана (TiO2) используется в красках (например, титановые белила), а также при производстве бумаги и пластика. Титанорганические соединения (напр. тетрабутоксититан) применяются в качестве катализатора и отвердителя в химической и лакокрасочной промышленности. Неорганические соединения титана применяются в химической электронной, стекловолоконной промышленности в качестве добавки. Диборид титана - важный компонент сверхтвердых материалов для обработки металлов. Нитрид титана применяется для покрытия инструментов.
При существующих высоких ценах на титан его применяют преимущественно для производства военного оборудования, где главная роль принадлежит не стоимости, а техническим характеристикам. Тем не менее известны случаи использования уникальных свойств титана для гражданских нужд. По мере снижения цен на титан и роста его производства применение этого металла в военных и гражданских целях будет все больше расширяться.
Авиация. Малый удельный вес и высокая прочность (особенно при повышенных температурах) титана и его сплавов делают их весьма ценными авиационными материалами. В области самолетостроения и производства авиационных двигателей титан все больше вытесняет алюминий и нержавеющую сталь. С повышением температуры алюминий быстро утрачивает свою прочность. С другой стороны, титан обладает явным преимуществом в отношении прочности при температуре до 430° С, а повышенные температуры такого порядка возникают при больших скоростях благодаря аэродинамическому нагреванию. Преимущество замены стали титаном в авиации заключается в снижении веса без потери прочности. Общее снижение веса с повышением показателей при повышенных температурах позволяет увеличить полезную нагрузку, дальность действия и маневренность самолетов. Этим объясняются усилия, направленные на расширение применения титана в самолетостроении при производстве двигателей, постройке фюзеляжей, изготовлении обшивки и даже крепежных деталей.
При постройке реактивных двигателей титан применяется преимущественно для изготовления лопаток компрессора, дисков турбины и многих других штампованных деталей. Здесь титан вытесняет нержавеющую и термически обрабатываемую легированную стали. Экономия в весе двигателя в один килограмм позволяет сберегать до 10 кг в общем весе самолета благодаря облегчению фюзеляжа. В дальнейшем намечено применять листовой титан для изготовления кожухов камер сгорания двигателя.
В конструкции самолета титан находит широкое применение для деталей фюзеляжа, работающих при повышенных температурах. Листовой титан применяется для изготовления всевозможных кожухов, защитных оболочек кабелей и направляющих для снарядов. Из листов легированного титана изготовляются различные элементы жесткости, шпангоуты фюзеляжа, нервюры и т. д.
Кожухи, закрылки, защитные оболочки для кабелей и направляющие для снарядов изготовляются из нелегированного титана. Легированный титан применяется для изготовления каркаса фюзеляжа, шпангоутов, трубопроводов и противопожарных перегородок.
Титан получает все большее применение при постройке самолетов F-86 и F-100. В будущем из титана будут делать створки шасси, трубопроводы гидросистем, выхлопные патрубки и сопла, лонжероны, закрылки, откидные стойки и т. д.
Титан можно применять для изготовления броневых плит, лопастей пропеллера и снарядных ящиков.
В настоящее время титан применяется в конструкции самолетов военной авиации Дуглас Х-3 для обшивки, Рипаблик F-84F, Кертисс-Райт J-65 и Боинг В-52.
Применяется титан и при постройке гражданских самолетов DC-7. Фирма «Дуглас» заменой алюминиевых сплавов и нержавеющей стали титаном при изготовлении мотогондолы и противопожарных перегородок уже добилась экономии в весе конструкции самолета около 90 кг. В настоящее время вес титановых деталей в этом самолете составляет 2%, причем эту цифру предусматривается довести до 20% общего веса самолета.
Применение титана позволяет уменьшить вес геликоптеров. Листовой титан используется для полов и дверей. Значительное снижение веса геликоптера (около 30 кг) было достигнуто в результате замены легированной стали титаном для обшивки лопастей его несущих винтов.
Военно-морской флот. Коррозионная стойкость титана и его сплавов делает их весьма ценным материалом на море. Военно-морское министерство США обстоятельно исследует коррозионную стойкость титана против воздействия дымовых газов, пара, масла и морской воды. Почти такое же значение в военно-морском деле имеет и высокое значение удельной прочности титана.
Малый удельный вес металла в сочетании с коррозионной стойкостью повышает маневренность и дальность действия кораблей, а также снижает расходы по уходу за материальной частью и ее ремонту.
Применение титана в военно-морском деле включает изготовление выхлопных глушителей для дизельных двигателей подводных лодок, дисков измерительных приборов, тонкостенных труб для конденсаторов и теплообменников. По мнению специалистов, титан, как никакой другой металл, способен увеличить срок службы выхлопных глушителей на подводных лодках. Применительно к дискам измерительных приборов, работающих в условиях соприкосновения с соленой водой, бензином или маслом, титан обеспечит лучшую стойкость. Исследуется возможность применения титана для изготовления труб теплообменников, которые должны обладать коррозионной стойкостью в морской воде, омывающей трубы снаружи, и одновременно противостоять воздействию выхлопного конденсата, протекающего внутри них. Рассматривается возможность изготовления из титана антенн и узлов радиолокационных установок, от которых требуется стойкость к воздействию дымовых газов и морской воды. Титан может найти применение и для производства таких деталей, как клапаны, пропеллеры, детали турбин и т. д.
Артиллерия. По-видимому, наиболее крупным потенциальным потребителем титана может явиться артиллерия, где в настоящее время ведутся интенсивные исследования различных опытных образцов. Тем не менее в этой области стандартизовано производство лишь отдельных деталей и частей из титана. Весьма ограниченное использование титана в артиллерии при большом размахе исследований объясняется его высокой стоимостью.
Были исследованы различные детали артиллерийского оборудования с точки зрения возможности замены титаном обычных материалов при условии снижения цен на титан. Главное внимание уделялось деталям, для которых существенно снижение веса (детали, переносимые вручную и перевозимые по воздуху).
Опорная плита миномета, изготовленная из титана вместо стали. Путем такой замены и после некоторой переделки вместо стальной плиты из двух половинок общим весом 22 кг удалось создать одну деталь весом 11 кг. Благодаря такой замене можно уменьшить число обслуживающего персонала с трех человек до двух. Рассматривается возможность применения титана для изготовления орудийных пламегасителей.
Проходят испытания изготовленные из титана орудийные станки, крестовины лафетов и цилиндры противооткатных приспособлений. Широкое применение титан может получить при производстве управляемых снарядов и ракет.
Проведенные первые исследования титана и его сплавов показали возможность изготовления из них броневых плит. Замена стальной брони (толщиной 12,7 мм) титановой броней одинаковой снарядостойкости (толщиной 16 мм) позволяет получить, по данным этих исследований, экономию в весе до 25%.
Сплавы титана повышенного качества позволяют надеяться на возможность замены стальных плит титановыми равной толщины, что дает экономию в весе до 44%. Промышленное применение титана позволит обеспечить большую маневренность, увеличит дальность перевозки и долговечность орудия. Современный уровень развития воздушного транспорта делает очевидными преимущества легких броневиков и других машин из титана. Артиллерийское ведомство намерено снарядить в будущем пехоту касками, штыками, гранатометами и ручными огнеметами, сделанными из титана. Первое применение в артиллерии титановый сплав получил для изготовления поршня некоторых автоматических орудий.
Транспорт. Многие из тех выгод, которые сулит использование титана при производстве бронетанковой материальной части, относятся и к транспортным средствам.
Замена конструкционных материалов, потребляемых в настоящее время предприятиями транспортного машиностроения, титаном должна привести к снижению расхода топлива, росту полезной грузоподъемности, повышению предела усталости деталей кривошипно-шатунных механизмов и т. п. На железных дорогах исключительно важно снизить мертвый груз. Существенное уменьшение общего веса подвижного состава за счет применения титана позволит сэкономить в тяге, уменьшить габариты шеек и букс.
Важное значение вес имеет и для прицепных автотранспортных средств. Здесь замена стали титаном при производстве осей и колес также позволила бы увеличить полезную грузоподъемность.
Все эти возможности можно было бы реализовать при снижении цены титана с 15 до 2-3 долларов за фунт титановых полуфабрикатов.
Химическая промышленность. При производстве оборудования для химической промышленности самое важное значение имеет коррозионная стойкость металла. Существенно также снизить вес и повысить прочность оборудования. Логически следует предположить, что титан мог бы дать ряд выгод при производстве из него оборудования для транспортировки кислот, щелочей и неорганических солей. Дополнительные возможности применения титана открываются в производстве такого оборудования, как баки, колонны, фильтры и всевозможные баллоны высокого давления.
Применение трубопроводов из титана способно повысить коэффициент полезного действия нагревательных змеевиков в лабораторных автоклавах и теплообменниках. О применимости титана для производства баллонов, в которых длительно хранятся газы и жидкости под давлением, свидетельствует применяемая при микроанализе продуктов сгорания вместо более тяжелой трубки из стекла (показана в верхней части снимка). Благодаря малой толщине стенок и незначительному удельному весу эта трубка может взвешиваться на более чувствительных аналитических весах меньших размеров. Здесь сочетание легкости и коррозионной стойкости позволяет повысить точность химического анализа.
Прочие области применения. Применение титана целесообразно в пищевой, нефтяной и электротехнической промышленности, а также для изготовления хирургических инструментов и в самой хирургии.
Столы для подготовки пищи, пропарочные столы, изготовленные из титана, по качествам превосходят стальные изделия.
В нефте- и газобурильной областях серьезное значение имеет борьба с коррозией, поэтому применение титана позволит реже заменять корродирующие штанги оборудования. В каталитическом производстве и для изготовления нефтепроводов желательно применять титан, сохраняющий механические свойства при высокой температуре и обладающий хорошей коррозионной устойчивостью.
В электропромышленности титан можно применить для бронирования кабелей благодаря хорошей удельной прочности, высокому электрическому сопротивлению и немагнитным свойствам.
В различных отраслях промышленности начинают применять крепежные детали той или иной формы, изготовленные из титана. Дальнейшее расширение применения титана возможно для изготовления хирургических инструментов главным образом благодаря его коррозионной стойкости. Инструменты из титана в этом отношении превосходят обычные хирургические инструменты при многократном кипячении или обработке в автоклаве.
В области хирургии титан оказался лучше виталлиума и нержавеющих сталей. Присутствие титана в организме вполне допустимо. Пластинка и винты из титана для крепления костей находились в организме животного несколько месяцев, причем имело место прорастание кости в нитки резьбы винтов и в отверстие пластинки.
Преимущество титана заключается также в том, что на пластине образуется мышечная ткань.
Примерно половина производимой в мире титановой продукции направляется обычно в гражданское авиастроение, но его спад после известных трагических событий вынуждает многих участников отрасли искать новые области применения титана. Данный материал представляет первую часть подборки публикаций в зарубежной металлургической прессе, посвященных перспективам титана в современных условиях. По оценкам одного из ведущих американских производителей титана RТ1, из общего объма производства титана в мировом масштабе на уровне 50-60 тыс. тонн в год на долю аэрокосмического сегмента приходится до 40 потребления, на долю промышленных применений и приложений приходится 34, на военную область 16, и около 10 приходится на применение титана в потребительских продуктов. Промышленное применение титана включает в себя химические процессы, энергетику, нефтегазовую отрасль, опреснительные установки. Военное не авиационное применение включает, прежде всего, использование в артиллерии и боевых машинах. Секторами со значительными объмами применения титана являются автомобилестроение, архитектура и строительство, спортивные товары, ювелирные изделия. Практически весь титан в слитках производится в США, Японии и СНГ - на долю Европы приходится всего 3,6 от общемирового объма. Региональные рынки конечного применения титана весьма различаются - наиболее ярким примером своеобразия является Япония, где на гражданский авиакосмический сектор приходится всего 2-3 при использовании 30 от общего потребления титана в оборудовании и конструкционных элементах химических заводов. Примерно 20 от общего спроса в Японии приходится на атомную энергетику и на электростанции на тврдом топливе, остальная доля приходится на архитектуру, медицину и спорт. Противоположная картина наблюдается в США и Европе, где исключительно большое значение имеет потреблениев аэрокосмическом секторе - 60-75 и 50-60 для каждого региона соответственно. В США традиционно сильными конечными рынками являются химическая промышленность, медицинское оборудование, промышленное оборудование, в то время как в Европе наибольшая доля приходится на нефтегазовую промышленность и строительную промышленность. Сильная зависимость от аэрокосмической отрасли была давним предметом беспокойства титановой промышленности, которая пытается расширить области применения титана, что особенно актуально в условиях текущего спада в гражданской авиации в мировом масштабе. По данным Геологической службы США в первом квартале 2003 года произошл значительный спад импорта титановой губки - всего лишь 1319 тонн, что на 62 меньше 3431 тонн за аналогичный период 2002 года. Как считает директор по развитию рынка гигантского американского производителя и поставщика титановой продукции Типе Джон Барбер, аэрокосмический сектор всегда будет одним из ведущих рынков для титана, но мы титановая промышленность должны принять вызов и сделать вс, чтобы быть уверенными, что наша промышленность не будет следовать за циклами развития и спадов в аэрокосмическом секторе. Некоторые из ведущих производителей титановой промышленности видят рост возможностей на уже существующих рынках, одним из которых является рынок оборудования и материалов для подводных работ. Как говорит Мартин Проко, менеджер по продажам и дистрибуции RТ1, титан достаточно давно, с начала 1980-х годов используется в энергетике и при подводных работах, но только в последние пять лет эти направления стали устойчиво развивающимися с соответствующим ростом ниши на рынке. Что касается подводных работ, то здесь рост, прежде всего, обусловлен бурильными работами на большей глубине, где титан является наиболее подходящим материалом. Его, так сказать, подводный жизненный цикл составляет пятьдесят лет, что соответствует обычной продолжительности подводных проектов. Выше уже перечислялись области, в которых вероятен рост применения титана. Как отмечает менеджер по продажам американской компании Howmet Ti-Cast Боб Фаннелл, текущее состояние рынка можно рассматривать, как рост возможностей в новых областях, таких как вращающиеся части устройств турбонадува у грузовиков, ракеты и насосы.
Одним из наших текущих проектов является развитие лгких артиллерийских систем ВАЕ Ноwitzer ХМ777 калибром 155 мм. Ноwmet поставит 17 из 28 узлов структурного титанового литья для каждой орудийной установки, поставки которых в части морской пехоты США должны начаться в августе 2004 года. При общем весе орудия 9800 фунтов приблизительно 4,44 тонн в его конструкции на долю титана приходится около 2600 фунтов приблизительно 1,18 тонн - используется сплав 6А14У с большим количеством отливок, говорит Фрэнк Хрстер, руководитель систем огневой поддержки ВАЕ 8у81ет8. Эта система ХМ777 должна заменить находящуюся на вооружение систему М198 Ноwitzег, которая весит около 17000 фунтов приблизительно 7,71 тонн. Массовое производство запланировано на период с 2006 по 2010 год - первоначально расписаны поставки в США, Великобританию и Италию, но возможно расширение программы для поставок в страны-члены НАТО. Джон Барбер из Timet указывает, что примерами военной техники, в конструкции которой используются значительные объмы титана, являются танк Абраме и боевая машина Брэдли. В течение уже двух лет выполняется совместная программа НАТО, США и Великобритании по интенсификации использования титана в системах вооружений и обороны. Как уже не раз отмечалось, титан очень подходит к использованию в автомобилестроении, правда, доля этого направления довольно скромна - примерно 1 от общего объма потребляемого титана, или 500 тонн в год, по данным итальянской компании Роggipolini, производителя титановых узлов и деталей для Формулы-1 и гоночных мотоциклов. Руководитель отдела исследований и развития этой фирмы Даниеле Стопполини считает, что текущий спрос на титан в этом сегменте рынка на уровне 500 тонн при массовом использовании этого материала в конструкциях клапанов, пружин, выхлопных систем, передаточных валов, болтов может в потенциале подняться на уровень чуть ли не 16000 тонн в год Он добавил, что его компания только начинает развитие автоматизированного производства титановых болтов с целью снижения производственных затрат. По его мнению, сдерживающими факторами, из-за которых использование титана не расширяется значительно в автомобилестроении, являются непредсказуемость спроса и неопределнность с поставками сырья. При этом в автомобилестроении сохраняется большая потенциальная ниша для титана, соединяющего оптимальные весовые и прочностные характеристики для витых пружин и систем вывода отработанных газов. К сожалению, на американском рынке широким использованием титана в этих системах отмечена только достаточно эксклюзивная полуспортивная модель Шевроле-Корветт Z06, которая никак не может претендовать на роль массового автомобиля. Однако вследствие постоянных задач экономии топлива и коррозийной стойкости перспективы для титана в этой области сохраняются. Для утверждения на рынках не авиакосмического и не военного применения недавно было создано совместное предприятие UNITI в его названии обыгрывается слово unity - единство и Тi - обозначение титана в периодической таблице в составе ведущих мировых производителей титана - американской Allegheny Technologies и российской ВСМПО-Ависма. Как сказал президент новой компании Карл Мултон, эти рынки были преднамеренно исключены - мы намерены сделать новую компанию ведущим поставщиком для отраслей промышленности, использующих детали и сборочные узлы из титана, в первую очередь нефтехимической и энергетической. Кроме того, мы намерены вести активный маркетинг в области опресняющих устройств, транспортных средств, потребительских товаров и электроники. Считаю, что наши производства хорошо дополняют друг друга - у ВСМПО выдающиеся возможности для производства конечной продукции, у Allegheny отличные традиции по производству холодного и горячего титанового проката. Как ожидается, доля продукции UNITI на глобальном рынке титановой продукции составит 45 млн. фунтов приблизительно 20411 тонн. Устойчиво развивающимся рынком можно считать рынок медицинского оборудования - по данным английской Titanium International Group ежегодно содержание титана по всему миру в различных имплантантах и протезах составляет около 1000 тонн, и эта цифра будет возрастать, так как растут возможности хирургии по замене человеческих суставов после несчастных случаев или травм. Кроме очевидных преимуществ гибкости, прочности, легкости, титан в высшей степени совместим с организмом в биологическом смысле благодаря отсутствию коррозии к тканям и жидкостям в человеческом теле. В стоматологии также резко увеличивается использование протезов и имплантантов - по данным Американской ассоциации стоматологов, за последние десять лет в три раза, во многом благодаря характеристикам титана. Хотя применение титана в архитектуре насчитывает более 25 лет, его широкое распространение в этой области началось только в последние годы. В работах по расширению аэропорта Абу-Даби в ОАЭ, завершение которых запланировано на 2006 год, будет использовано до 1.5 млн. фунтов приблизительно 680 тонн титана. Достаточно много различных архитектурно-строительных проектов с использованием титана планируется осуществить не только в развитых странах США, Канада, Великобритания, Германия, Швейцария, Бельгия, Сингапур, но и в Египте и Перу.
Сегмент рынка потребительских товаров в настоящее время является наиболее быстро растущим сегментом титанового рынка. В то время как 10 лет назад этот сегмент составлял только 1-2 титанового рынка, сегодня он вырос до 8-10 рынка. В целом потребление титана в производстве потребительских товаров росло примерно в два раза быстрее, чем весь титановый рынок. Использование титана в спорте является наиболее долговременным и занимает наибольшую долю в применении титана в потребительских товарах. Причина популярности использования титана в спортивном инвентаре проста - он позволяет получить превосходящее любой другой металл соотношение веса и прочности. Использование титана в велосипедах началось примерно 25-30 лет назад и было первым применением титана в спортивном инвентаре. В основном используются трубы из сплава Тi3Аl-2.5V АSТМ Grade 9. Другие части производимые из титановых сплавов включают в себя тормоза, звздочки и пружины сидений. Использование титана в производстве клюшек для гольфа впервые началось в конце 80-х - самом начале 90-х годов производителями клюшек в Японии. До 1994-1995 годов это применение титана было практически неизвестно в США и в Европе. Ситуация изменилась, когда компания Callaway представила на рынок свою титановую клюшку, производимую компанией Ruger Titanium и названную Great Big Bertha. В связи с очевидными преимуществами и с помощью хорошо продуманного компанией Callaway маркетинга, титановые клюшки моментально приобрели огромную популярность. В течение короткого периода времени титановые клюшки прошли путь от эксклюзивного и дорогого инвентаря небольшой группы игроков до широкого использования большинством гольфистов по прежнему оставаясь более дорогими по сравнению со стальными клюшками. Хотелось бы привести основные, по моему мнению, тенденции развития гольфого рынка он прошел путь от высокотехнологичного до массового производства в короткий период 4-5 лет следуя путем других производств с высокими трудозатратами таких как производство одежды, игрушек и потребительской электроники, производство гольфовых клюшек ушло в страны с наиболее дешевой рабочей силой сначала на Тайвань, затем в Китай, и сейчас заводы строятся в странах с еще более дешевым трудом, таких как Вьетнам и Таиланд титан определенно используется для драйверов drivers, где его превосходные качества дают очевидное преимущество и оправдывают более высокую цену. Однако, титан пока еще не нашел очень широкого потребления на последующих клюшках, так как значительное увеличение затрат не подкрепляется соответствующим улучшением игры в настоящее время драйверы в основном производятся с кованой ударной поверхностью, кованым или литым верхом и литым низом недавно Профессиональная Гольфовая Ассоциация РОА разрешила увеличить верхний предел так называемого коэффициента возврата, в связи с чем все производители клюшек будут стараться увеличить пружинящие свойства ударной поверхности. Для этого приходится уменьшить толщину ударной поверхности и использовать для нее более прочные сплавы, такие как SР700, 15-3-3-3 и ВТ-23. Теперь остановимся на применении титана и его сплавов на другом спортивном оборудовании. Трубы для гоночных велосипедов и другие детали изготавливают из сплава АSТМ Grade 9 Тi3Аl-2.5V. На удивление значительное количество титанового листа используется при производстве ножей для подводного плавания. Большинство производителей используют сплав Тi6Аl-4V, но этот сплав не обеспечивает долговечность кромки лезвия, как другие более прочные сплавы. Некоторые производители переключаются на использование сплава ВТ23.
Розничная цена титановых ножей для подводного плавания составляет примерно 70-80 долларов. Литые титановые подковы дают значительное уменьшение веса по сравнению со стальными, при этом обеспечивая необходимую прочность. К сожалению, это применение титана не вошло в жизнь, потому что титановые подковы искрили и пугали лошадей. Немногие согласятся использовать титановые подковы после первых неудачных опытов. Компания Titanium Beach, расположенная в Ньюпорт Бич, Калифорния Newport Beach, Саlifornia, разработала лезвия для коньков из сплава Тi6Аl-4V. К сожалению, здесь опять проблема долговечности кромки лезвий. Я думаю, что у этого продукта есть шанс на жизнь при условии использования производителями более прочных сплавов, таких как 15-3-3-3 или ВТ-23. Титан очень широко используется в альпинизме и туризме, практически для всех предметов, которые альпинисты и туристы несут в своих рюкзаках бутылки, чашки розничная цена 20-30 долларов, наборы для приготовления пищи розничная цена примерно 50 долларов, столовая посуда, в основном сделанные из коммерчески чистого титана Grade 1 и 2. Другими примерами альпинистского и туристского снаряжения являются компактные печки, стойки и крепления палаток, ледорубы и ледобуры. Производители вооружения недавно начали производить титановые пистолеты как для спортивной стрельбы, так и для правоохранительных органов.
Потребительская электроника является достаточно новым и быстро растущим рынком для титана. Во многих случаях применение титана в потребительской электронике вызвано не только его великолепными свойствами, но также и привлекательным внешним видом изделий. Коммерчески чистый титан Grade 1 используется для производства корпусов портативных компьютеров, мобильных телефонов, плазменных телевизоров с плоским экраном и другого электронного оборудования. Использование титана в производстве динамиков обеспечивает лучшие акустические свойства в связи с легкостью титана по сравнению со сталью, приводящей к увеличению акустической чувствительности. Титановые часы, впервые внедренные на рынок японскими производителями, сейчас являются одним из наиболее доступных и признанных потребительских титановых продуктов. Мировое потребление титана в производстве традиционных и, так называемых, нательных ювелирных изделий измеряется несколькими десятками тонн. Все чаще можно встретить титановые обручальные кольца, и уж конечно, люди носящие украшения на теле, просто обязаны использовать титан. Титан широко используется в производстве морского крепежа и фурнитуры, где очень важно сочетание высокой коррозионной стойкости и прочности. Компания Atlas Ti, базирующаяся в Лос-Анджелесе, производит широкий ассортимент этих продуктов из сплава ВТЗ-1. Использование титана в производстве инструмента впервые началось в Советском Союзе в начале 80-х годов, когда по заданию правительства были изготовлены легкие и удобные инструменты для облегчения труда рабочих. Советский гигант титанового производства Верхне-Салдинское Металлоперерабатывающее Производственное Объединение производило в то время титановые лопаты, гвоздодеры, монтировки, топорики и ключи.
Позднее японские и американские производители инструмента начали использовать титан в своей продукции. Не так давно ВСМПО заключило контракт с Боингом на поставку титановых плит. Этот контракт, несомненно, очень благотворно сказался на развитии титанового производства России. Титан широко используется в медицине уже в течение многих лет. Преимущества - прочность, сопротивление коррозии, и главное то, что у некоторых людей возникает аллергия на никель обязательный компонент нержавеющих сталей, в то время как ни у кого не обнаружена аллергия на титан. Используемые сплавы - коммерчески чистый титан и Тi6-4Eli. Титан используется в производстве хирургического инструмента, внутренних и внешних протезов, включая такие критические, как сердечный клапан. Из титана изготовляют костыли и инвалидные коляски. Применение титана в искусстве относится к 1967 году, когда в Москве был поставлен первый титановый монумент.
В настоящий момент значительное число титановых монументов и зданий возведено практически на всех континентах, включая такие знаменитые, как музей Гугенхайма, построенный архитектором Френком Гери в Бильбао. Материал очень нравится людям искусства за цвет, внешний вид, прочность и сопротивление коррозии. По этим причинам титан применяют в сувенирах и бижутериигалантерее, где он успешно соперничает с такими драгоценными металлами, как серебро и даже золото Как уже отмечалось в одной из публикаций по титану, одной из главных причин, сдерживающих титановый прорыв на широкие рынки, является его высокая стоимость. Как отмечает Мартин Проко из RTi, в США средняя цена титановой губки составляет 3.80 за фунт, в России 3,20 за фунт. Кроме того, цена на метал сильно зависит от цикличности аэрокосмической промышленности коммерческого назначения. Развитие очень многих проектов может резко ускориться, если удастся найти пути снижения затрат на процессы получения и обработки титана, переработки ломов и технологий выплавки, отмечает Маркус Хольц, управляющий директор немецкой Deutshe Titan. Представитель British Titanium согласен, что расширение производства титановой продукции сдерживается высокими производственными издержками, и до внедрения титана в массовое производство необходимо провести много усовершенствований современных технологий.
Одним из шагов в этом направлении является разработка так называемого FFС-процесса, представляющего новый электролитический процесс получения металлического титана и сплавов, стоимость которого существенно ниже. По мнению Даниеле Стопполини общая стратегия в титановой промышленности требует разработки наиболее подходящих сплавов, технологии производства для каждого нового рынка и области применения титана.
Источники
Википедия – Свободная энциклопедия, WikiPedia
metotech.ru - Метотехника
housetop.ru - House Top
atomsteel.com – Атом технологии
domremstroy.ru - ДомРемСтрой
