Титан - описание элемента с фото, характеристика его влияния на организм человека, а также потребность в этом химическом элементе. Смотреть что такое "Титан" в других словарях

Многих интересует немного загадочный и не до конца изученный титан - металл, свойства которого отличаются некоторой двоякостью. Металл и самый прочный, и самый хрупкий.

Самый прочный и самый хрупкий металл

Его открыли двое ученых с разницей в 6 лет - англичанин У. Грегор и немец М. Клапрот. Название титана связывают, с одной стороны, с мифическими титанами, сверхъестественными и бесстрашными, с другой стороны, с Титанией - королевой фей.
Это один из самых распространенных в природе материалов, но процесс получения чистого металла отличается особой сложностью.

22 химический элемент таблицы Д. Менделеева Titanium (Ti) относится к 4 группе 4 периода.

Цвет титана серебристо-белый с выраженным блеском. Его блики переливаются всеми цветами радуги.

Это один из тугоплавких металлов. Он плавится при температуре +1660 °С (±20°). Титан отличается парамагнитностью: он не намагничивается в магнитном поле и не выталкивается из него.
Металл характеризуется низкой плотностью и высокой прочностью. Но особенность этого материала заключается в том, что даже минимальные примеси других химических элементов кардинально изменяют его свойства. При наличии ничтожной доли других металлов титан теряет свою жаропрочность, а минимум неметаллических веществ в его составе делают сплав хрупким.
Эта особенность обуславливает наличие 2 видов материала: чистого и технического.

1. Титан чистого вида используют там, где требуется очень легкое вещество, выдерживающее большие нагрузки и сверхвысокие температурные диапазоны.
2. Технический материал применяется там, где ценятся такие параметры, как легкость, прочность и устойчивость к коррозии.

Вещество обладает свойством анизотропности. Это означает, что металл может изменять свои физические характеристики, исходя из приложенных усилий. На эту особенность следует обращать внимание, планируя применение материала.

Титан теряет прочность при малейшем присутствии в нем примесей других металлов

Проведенные исследования свойств титана в нормальных условиях подтверждают его инертность. Вещество не реагирует на элементы, находящиеся в окружающей атмосфере.
Изменение параметров начинается при повышении температуры до +400°С и выше. Титан вступает в реакцию с кислородом, может воспламеняться в азоте, впитывает газы.
Эти свойства затрудняют получение чистого вещества и его сплавов. Производство титана основано на применении дорогостоящей вакуумной аппаратуры.

Титан и конкуренция с другими металлами

Этот металл постоянно сравнивают с алюминием и сплавами железа. Многие химические свойства титаназначительно лучше, чем у конкурентов:

1. По механической прочности титан превосходит железо в 2 раза, а алюминий в 6 раз. Прочность его увеличивается при снижении температуры, чего не отмечается у конкурентов.
   Антикоррозионные характеристики титана значительно превышают показатели других металлов.
2. При температурах окружающей среды металл абсолютно инертен. Но при повышении температуры свыше +200°С вещество начинает поглощать водород, изменяя свои характеристики.
3. При более высоких температурах титан вступает в реакции с другими химическими элементами. Он обладает высокой удельной прочностью, что в 2 раза превосходит свойства лучших сплавов железа.
4. Антикоррозионные свойства титана значительно превышают показатели алюминия и нержавеющей стали.
5. Вещество плохо проводит электричество. Титан имеет удельное электросопротивление в 5 раз выше, чем у железа, в 20 раз, чем у алюминия, и в 10 раз выше, чем у магния.
6. Титан характеризуется низкой теплопроводностью, это обусловлено низким коэффициентом температурного расширения. Она меньше в 3 раза, чем у железа, и в 12, чем у алюминия.
   

Какими способами получают титан?

Материал занимает 10 место по распространению в природе. Существует около 70 минералов, содержащих титан в виде титановой кислоты или его двуокиси. Наиболее распространенные из них и содержащие высокий процент производных металла:

• ильменит;
• рутил;
• анатаз;
• перовскит;
• брукит.

Основные залежи титановых руд находятся в США, Великобритании, Японии, большие месторождения их открыты в России, Украине, Канаде, Франции, Испании, Бельгии.

Добыча титана — дорогой и трудозатратный процесс

Получение металла из них стоит очень дорого. Ученые разработали 4 способа производства титана, каждый из которых рабочий и эффективно используется в промышленности:

1. Магниетермический способ. Добытое сырье, содержащее титановые примеси, перерабатывают и получают диоксид титана. Это вещество подвергается хлорированию в шахтных или солевых хлораторах при повышенном температурном режиме. Процесс очень медленный, ведется в присутствии углеродного катализатора. При этом твердый диоксид переводится в газообразное вещество — тетрахлорид титана. Полученный материал восстанавливается магнием или натрием. Сплав, образовавшийся при реакции, подвергают нагреванию в вакуумной установке до сверхвысоких температур. В результате реакции происходит испарение магния и его соединений с хлором. В конце процесса получают губкоподобный материал. Его плавят и получают титан высокого качества.
2. Гидридно-кальциевый способ. Руду подвергают химической реакции и получают гидрид титана. Следующий этап — разделение вещества на составляющие. Титан и водород выделяют в процессе нагревания в вакуумных установках. По окончании процесса получают оксид кальция, который отмывают слабыми кислотами. Первые два способа относятся к промышленному производству. Они позволяют получать в кратчайшие сроки чистый титан с относительно небольшими издержками.
3. Электролизный метод. Титановые соединения подвергают воздействию током большой силы. В зависимости от исходного сырья, соединения разделяются на составляющие: хлор, кислород и титан.
4. Йодидный способ или рафинирование. Полученный из минералов диоксид титана обдают парами йода. В результате реакции образуется йодид титана, который нагревают до высокой температуры — +1300…+1400°С и воздействуют на него электрическим током. При этом из исходного материала выделяются составляющие: йод и титан. Металл, полученный данным способом, не имеет примесей и добавок.

Области применения

Применение титана зависит от степени его очистки от примесей. Наличие даже небольшого количества других химических элементов в составе сплава титана кардинально меняет его физико-механические характеристики.

Титан с некоторым количеством примесей называется техническим. Он имеет высокие показатели коррозийной стойкости, это легкий и очень прочный материал. От этих и других показателей зависит его применение.

• В химической промышленности из титана и его сплавов изготавливают теплообменники, различного диаметра трубы, арматуру, корпуса и детали для насосов различного назначения. Вещество незаменимо в местах, где требуются высокая прочность и стойкость к кислотам.
• На транспорте титан используют для изготовления деталей и агрегатов велосипедов, автомобилей, железнодорожных вагонов и составов. Применение материала уменьшает вес подвижных составов и автомобилей, придает легкость и прочность велосипедным деталям.
• Большое значение титан имеет в военно-морском ведомстве . Из него изготавливают детали и элементы корпусов для подводных лодок, пропеллеры для лодок и вертолетов.
• В строительной промышленности применяется сплав цинк-титан. Он используется как отделочный материал для фасадов и кровель. Этот очень прочный сплав имеет важное свойство: из него можно изготавливать архитектурные детали самой фантастической конфигурации. Он может принимать любую форму.
• В последнее десятилетие титан широко применяют в нефтедобывающей отрасли . Сплавы его применяют при изготовлении оборудования для сверхглубокого бурения. Материал используется для изготовления оборудования для добычи нефти и газа на морских шельфах.

У титана очень широкая область применения

Чистый титан имеет свои области применения. Он нужен там, где необходима стойкость к высоким температурам и при этом должна сохраняться прочность металла.

Его применяют в:

• авиастроении и космической отрасли для изготовления деталей обшивки, корпусов, элементов крепления, шасси;
• медицине для протезирования и изготовления сердечных клапанов и других аппаратов;
• технике для работы в криогенной области (здесь используют свойство титана — при снижении температуры усиливается прочность металла и не утрачивается его пластичность).

В процентном соотношении использование титана для производства различных материалов выглядит так:

• на изготовление краски используется 60 %;
• пластик потребляет 20 %;
• в производстве бумаги используют 13 %;
• машиностроение потребляет 7 % получаемого титана и его сплавов.

Сырье и процесс получения титана дорогостоящие, затраты на его производство компенсируются и окупаются сроком службы изделий из этого вещества, его способностью не менять свой внешний вид за весь период эксплуатации.

Одним из самых распространенных элементов, который находится в земле, можно назвать титан. Согласно результатам проведенных исследований, он занимает 4-е место по степени распространенности, уступая лидирующие позиции алюминию, железу и магнию. Несмотря на столь большое распространение, титан стал использоваться в промышленности лишь в 20 веке. Титановые сплавы во многом повлияли на развитие ракетостроения и авиации, что связано с сочетанием малой плотности с высокой удельной прочностью, а также коррозионной стойкостью. Рассмотрим все особенности данного материала подробнее.

Общая характеристика титана и его сплавов

Именно основные механические свойства титановых сплавов определяют их большое распространение. Если не уделять внимание химическому составу, то все титановые сплавы можно охарактеризовать следующим образом:

1. Высокая коррозионная стойкость. Недостатком большинства металлов можно назвать то, что при воздействии высокой влажности на поверхности образуется коррозия, которая не только ухудшает внешний вид материала, но и снижает его основные эксплуатационные качества. Титан менее восприимчив к воздействию влажности, чем железо.
2. Хладостойкость. Слишком низкая температура становится причиной того, что механические свойства титановых сплавов существенно снижаются. Часто можно встретить ситуацию, когда эксплуатация при отрицательных температурах становится причиной существенного повышения хрупкости. Титан довольно часто применяется при изготовлении космических кораблей.
3. Титан и титановые сплавы имеют относительно низкую плотность, что существенно снижает вес. Легкие металлы получили широкое применение в самых различных отраслях промышленности, к примеру, в авиастроении, строительстве небоскребов и так далее.
4. Высокая удельная прочность и низкая плотность – характеристики, которые довольно редко сочетаются. Однако именно за счет подобного сочетания титановые сплавы сегодня получили самое широкое распространение.
5. Технологичность при обработке давлением определяет то, что сплав применяется часто в качестве заготовки при прессовании или другом виде обработки.
6. Отсутствие реакции на воздействие магнитного поля также назовем причиной, по которой рассматриваемые сплавы получили широкое применение. Часто можно встретить ситуацию, когда проводится производство конструкций, при работе которых образуется магнитное поле. Применение титана позволяет исключить вероятность возникновения связи.

Эти основные преимущества титановых сплавов определили их достаточно большое распространение. Однако, как ранее было отмечено, многое зависит от конкретного химического состава. Примером можно назвать то, что твердость изменяется в зависимости от того, какие именно вещества применяются при легировании.

Важно, что температура плавления может достигать 1700 градусов Цельсия. За счет этого существенно повышается устойчивость состава к нагреву, но также усложняется процесс обработки.

Виды титановых сплавов

Классификация титановых сплавов ведется по достаточно большому количеству признаков. Все сплавы можно разделить на несколько основных групп:

1. Высокопрочные и конструкционные – прочные титановые сплавы, которые обладают также достаточно высокой пластичностью. За счет этого они могут применяться при изготовлении деталей, на которые оказывается переменная нагрузка.
2. Жаропрочные с низкой плотностью применяются как более дешевая альтернатива жаропрочным никелевым сплавам с учетом определенного температурного интервала. Прочность подобного титанового сплава может варьироваться в достаточно большом диапазоне, что зависит от конкретного химического состава.
3. Титановые сплавы на основе химического соединения представляют жаропрочную структуру с низкой плотностью. За счет существенного снижения плотности вес также снижается, а жаропрочность позволяет использовать материал при изготовлении летательных аппаратов. Кроме этого с подобной маркой связывают также высокую пластичность.

Маркировка титановых сплавов проводится по определенным правилам, которые позволяют определить концентрацию всех элементов. Рассмотрим некоторые из наиболее распространенных разновидностей титановых сплавов подробнее.

Рассматривая наиболее распространенные марки титановых сплавов, следует обратить внимание ВТ1-00 и ВТ1-0. Они относятся к классу технических титанов. В состав данного титанового сплава входит достаточно большое количество различных примесей, которые определяют снижение прочности. Однако за счет снижения прочности существенно повышается пластичность. Высокая технологическая пластичность определяет то, что технический титан можно получить даже при производстве фольги.

Очень часто рассматриваемый состав сплава подвергается нагартовке. За счет этого повышается прочность, но существенно снижается пластичность. Многие специалисты считают, что рассматриваемый метод обработки нельзя назвать лучшим, так как он не оказывает комплексного благоприятного воздействия на основные свойства материала.

Сплав ВТ5 довольно распространен, характеризуется применением в качестве легирующего элемента исключительно алюминия. Важно отметить, что именно алюминий считается самым распространенным легирующим элементом в титановых сплавах. Это связано с нижеприведенными моментами:

1. Применение алюминия позволяет существенно повысить модули упругости.
2. Алюминий также позволяет повысить значение жаропрочности.
3. Подобный металл один из самых распространенных в своем роде, за счет чего существенно снижается стоимость получаемого материала.
4. Снижается показатель водородной хрупкости.
5. Плотность алюминия ниже плотности титана, за счет чего введение рассматриваемого легирующего вещества позволяет существенно повысить удельную прочность.

В горячем состоянии ВТ5 хорошо куется, прокатывается и штампуется. Именно поэтому его довольно часто применяют для получения поковки, проката или штамповки. Подобная структура может выдержать воздействие не более 400 градусов Цельсия.

Титановый сплав ВТ22 может иметь самую различную структуру, что зависит от химического состава. К эксплуатационным особенностям материала можно отнести следующие моменты:

1. Высокая технологическая пластичность при обработке давлением в горячем состоянии.
2. Применяется для изготовления прутков, труб, плиты, штамповок, профиля.
3. Для сваривания могут использоваться все наиболее распространенные методы.
4. Важным моментом является то, что после завершения процесса сварки рекомендуется проводить отжиг, за счет чего существенно повышаются механические свойства получаемого шва.

Существенно повысить эксплуатационные качества титанового сплава ВТ22 можно путем применения сложной технологии отжига. Она предусматривает нагрев до высокой температуры и выдержки в течение нескольких часов, после чего проводится поэтапное охлаждение в печи также с выдержкой в течение длительного периода. После качественного проведения отжига сплав подойдет для изготовления высоконагруженных деталей и конструкций, которые могут нагреваться до температуры более 350 градусов Цельсия. Примером можно назвать элементы фюзеляжа, крыла, детали системы управления или крепления.

Титановый сплав ВТ6 сегодня получил самое широкое распространение за рубежом. Назначение подобного титанового сплава заключается в изготовлении баллонов, которые могут работать под большим давлением. Кроме этого, согласно результатам проведенных исследований, в 50% случаев в авиакосмической промышленности применяется титановый сплав, который по своим эксплуатационным качествам и составу соответствует ВТ6. Стандарт ГОСТ сегодня практически не применяется за рубежом для обозначения титановых и многих других сплавов, что следует учитывать. Для обозначения применяется своя уникальная маркировка.

ВТ6 обладает исключительными эксплуатационными качествами по причине того, что в состав добавляется также ванадий. Этот легирующий элемент характеризуется тем, что повышает не только прочность, но и пластичность.

Данный сплав хорошо деформируется в горячем состоянии, что также можно назвать положительным качеством. При его применении получают трубы, различные профили, плиты, листы, штамповки и многие другие заготовки. Для сваривания можно применять все современные методы, что также существенно расширяет область применения рассматриваемого титанового сплава. Для повышения эксплуатационных качеств также проводится термическая обработка, к примеру, отжиг или закалка. На протяжении длительного времени отжиг проводился при температуре не выше 800 градусов Цельсия, однако результаты проведенных исследований указывают на то, что есть смысл в повышении показателя до 950 градусов Цельсия. Двойной отжиг зачастую проводится для повышения сопротивления коррозионному воздействию.

Также большое распространение получил сплав ВТ8. В сравнении с предыдущим он обладает более высокими прочностными и жаропрочными качествами. Достигнуть уникальных эксплуатационных качеств смогли за счет добавления в состав большого количества алюминия и кремния. Стоит учитывать, что максимальная температура, при которой может эксплуатироваться данный титановый сплав около 480 градусов Цельсия. Разновидностью этого состава можно назвать ВТ8-1. Его основными эксплуатационными качествами назовем нижеприведенные моменты:

1. Высокая термическая стабильность.
2. Низкая вероятность образования трещин в структуре за счет обеспечения прочных связей.
3. Технологичность при проведении различных процедур обработки, к примеру, холодной штамповки.
4. Высокая пластичность вместе с повышенной прочностью.

Для существенно повышения эксплуатационных качеств довольно часто проводится двойной изотермический отжиг. В большинстве случаев данный титановый сплав применяется при производстве поковок, прудков, различных плит, штамповок и других заготовок. Однако стоит учитывать, что особенности состава не позволяют проводить сварочные работы.

Применение титановых сплавов

Рассматривая области применения титановых сплавов отметим, что большая часть разновидностей применяется в авиационной и ракетостроительной сферах, а также в сфере изготовления морских судов. Для изготовления деталей авиадвигателей другие металлы не подходят по причине того, что при нагреве до относительно невысоких температур начинают плавиться, за счет чего происходит деформация конструкции. Также увеличения веса элементов становится причиной потери КПД.

Применение титановых сплавов в медицине

Применим материал при производстве:

1. Трубопроводов, используемых для подачи различных веществ.
2. Запорной арматуры.
3. Клапанов и других подобных изделий, которые применяются в агрессивных химических средах.
4. В авиастроении сплав применяется для получения обшивки, различных креплений, деталей шасси, силовых наборов и других агрегатов. Как показывают результаты проводимых исследований, внедрение подобного материала снижает вес примерно на 10-25%.
5. Еще одной сферой применения является ракетостроение. Кратковременная работа двигателя, движение на большой скорости и вхождение в плотные слои становится причиной, по которой конструкция переживает серьезные нагрузки, способные выдержать не все материалы.
6. В химической промышленности титановый сплав применяется по причине того, что он не реагирует на воздействие различных веществ.
7. В судостроении титан хорош тем, что не реагирует на воздействие соленой воды.

В целом можно сказать, что область применения титановых сплавов весьма обширна. При этом проводится легирование, за счет чего существенно повышаются основные эксплуатационные качества материала.

Термообработка титановых сплавов

Для повышения эксплуатационных качеств проводится термическая термообработка титановых сплавов. Данный процесс существенно усложняется по причине того, что перестроение кристаллической решетки поверхностного слоя проходит при температуре выше 500 градусов Цельсия. Для плавов марки ВТ5 и ВТ6-С довольно часто проводят отжиг. Время выдержки может существенно отличаться, что зависит от толщины заготовки и других линейных размеров.

Детали, изготавливаемые из ВТ14, на момент применения должны выдерживать температуру до 400 градусов Цельсия. Именно поэтому термическая обработка предусматривает закалку с последующим старением. При этом закалка требует нагрева среды до температуры около 900 градусов Цельсия, в то время как старение предусматривает воздействие среды с температурой 500 градусов Цельсия на протяжении более 12-и часов.

Индукционные методы нагрева позволяют проводить самые различные процессы термической обработки. Примером можно назвать отжиг, старение, нормализацию и так далее. Конкретные режимы термической обработки выбираются в зависимости от того, какие нужно достигнуть эксплуатационные характеристики.

Титан — лёгкий прочный 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.Титан и титановые сплавы сочетают легкость, прочность, высокую коррозийную стойкость, низкий коэффициент теплового расширения, возможность работы в широком диапазоне температур.

Смотрите так же:

СТРУКТУРА

Титан имеет две аллотропические модификации. Низкотемпературная модификация, существующая до 882 °C, имеет гексагональную плотноупакованную решетку с периодами а = 0,296 нм и с = 0,472 нм. Высокотемпературная модификация имеет решетку объемноцентрированного куба с периодом а = 0,332 нм.
Полиморфное превращение (882 °C) при медленном охлаждении происходит по нормальному механизму с образованием равноосных зерен, а при быстром охлаждении — по мартенситному механизму с образованием игольчатой структуры.
Титан обладает высокой коррозионной и химической стойкостью благодаря защитной окисной пленке на его поверхности. Он не корродирует в пресной и морской воде, минеральных кислотах, царской водке и др.

СВОЙСТВА

Точка плавления 1671 °C, точка кипения 3260 °C, плотность α-Ti и β-Ti соответственно равна 4,505 (20 °C) и 4,32 (900 °C) г/см³, атомная плотность 5,71×1022 ат/см³. Пластичен, сваривается в инертной атмосфере.
Применяемый в промышленности технический титан содержит примеси кислорода, азота, железа, кремния и углерода, повышающие его прочность, снижающие пластичность и влияющие на температуру полиморфного превращения, которое происходит в интервале 865-920 °С. Для технического Титана марок ВТ1-00 и ВТ1-0 плотность около 4,32 г/см 3 , предел прочности 300-550 Мн/м 2 (30-55кгс/мм 2), относительное удлинение не ниже 25%, твердость по Бринеллю 1150-1650 Мн/м 2 (115-165 кгс/мм 2). Является парамагнетиком. Конфигурация внешней электронной оболочки атома Ti 3d24s2.

Имеет высокую вязкость, при механической обработке склонен к налипанию на режущий инструмент, и поэтому требуется нанесение специальных покрытий на инструмент, различных смазок.

При обычной температуре покрывается защитной пассивирующей пленкой оксида TiO 2 , благодаря этому коррозионностоек в большинстве сред (кроме щелочной). Титановая пыль имеет свойство взрываться. Температура вспышки 400 °C.

ЗАПАСЫ И ДОБЫЧА

Основные руды: ильменит (FeTiO 3), рутил (TiO 2), титанит (CaTiSiO 5).

На 2002 год, 90 % добываемого титана использовалось на производство диоксида титана TiO 2 . Мировое производство диоксида титана составляло 4,5 млн т. в год. Подтвержденные 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 находится в 25 км от города Ухта (Республика Коми). Запасы месторождения оцениваются в 2 миллиарда тонн.

Концентрат титановых руд подвергают сернокислотной или пирометаллургической переработке. Продукт сернокислотной обработки - порошок диоксида титана TiO 2 . Пирометаллургическим методом руду спекают с коксом и обрабатывают хлором, получая пары тетрахлорида титана их при 850 °C восстанавливают магнием.

Полученную титановую «губку» переплавляют и очищают. Ильменитовые концентраты восстанавливают в электродуговых печах с последующим хлорированием возникающих титановых шлаков.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ

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 Al 2 O 3 . 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 % TiO 2 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 TiO 2 , ильменит FeTiO 3 , титаномагнетит FeTiO 3 + Fe3O 4 , перовскит CaTiO 3 , титанит CaTiSiO 5 . Различают коренные руды титана - ильменит-титаномагнетитовые и россыпные - рутил-ильменит-цирконовые.
Месторождения титана находятся на территории ЮАР, России, Украины, Китая, Японии, Австралии, Индии, Цейлона, Бразилии, Южной Кореи, Казахстана. В странах СНГ ведущее место по разведанным запасам титановых руд занимает РФ (58.5%) и Украина (40.2%).

ПРИМЕНЕНИЕ

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 применения 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 теплообменники, работающие в коррозионно активных средах, например в азотной кислоте (не дымящей). В судостроении 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.

Титан (англ. Titanium) — Ti

КЛАССИФИКАЦИЯ

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:

• · алюминий (AL);
• · галлий (Ga);
• · индий (In);
• · углерод;
• · азот;
• · кислород.

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:

• 1. Низкопрочные сплавы с низкими содержанием в составе алюминия и невысоким процентом в-стабилизаторов, что делает их высокотехнологичными. Они хорошо поддаются любым видам сварки.
• 2. Высокопрочные супер б-сплавы.

В процентном соотношении их состав следующий:

• · алюминий (Аl) составляет 0,8%;
• · марганец (Mn) составляет 0,8%;
• · эквивалент алюминия составляет 1,8%;
• · эквивалент марганца составляет 1,3%.

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:

• · алюминий (Al) в объеме 6,3%;
• · молибден (Mo) в объеме 2,5%;
• · медь (Cu) в объеме 1,5%;
• · железо (Fe) в объеме 0,5%;
• · кремний (Si) в объеме 0,3%.

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:

• · повышенная удельная прочность;
• · низкая восприимчивость к воздействию водорода в сравнении со сталью марки ОТ4;
• · низкая предрасположенность к коррозии под воздействием соли;
• · высокая технологичность: при нагреве он легко подвергается деформации.

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.