Характеристика и применение титана и сплавов на его основе. Титан - металл

Титан – уникальный по своим свойствам металл. Благодаря удивительным свойствам его называют металлом будущего. Титан применяют там, где человеку хочется мечту превратить в реальность.

Первоначально титан стали выпускать и применять для военной и оборонной промышленности. Но с каждым днем этот металл получает все большее распространение в других областях.

Авиастроение

Авиационная промышленность - основной потребитель титановой продукции. Именно развитие авиационной техники дало толчок титановому производству. По своим физико-механическим свойствам титановые сплавы являются универсальным конструкционным материалом.

Вплоть до конца 60-х годов ХХ века титан применялся главным образом для изготовления газовых турбин двигателей самолетов (титан очень прочный металл). В 70-х – 80-х годах титановые сплавы начали широко применяться для изготовления различных деталей планерной части самолетов (титан еще и легкий).

Все эти детали с очень умными названиями намного легче деталей, сделанных из стали.

Сейчас из титана делают обшивку для самолета, наиболее нагревающиеся детали, силовые элементы, детали шасси. В авиационных двигателях жаропрочные титановые сплавы применяются для изготовления лопаток, дисков и других элементов вентилятора и компрессора двигателя.

В конструкции современного самолета может быть более 20 тонн титана. Например, в самолете Боинг-787 устанавливают около 2,5 миллионов титановых заклепок, что облегчает вес самолета на несколько тонн (по сравнению со стальными деталями).

Вот основные направления использования титана в авиастроении:

1. Для изготовления изделий сложной пространственной формы:
- окантовка люков и дверей, где возможно скопление влаги (используется высокая коррозионная стойкость титана);
- обшивка, на которую действует струя продуктов сгорания двигателя, противопожарные перегородки (используется высокая температура плавления);
- тонкостенные трубопроводы воздушной системы (титан меньше всех других металлов расширяется под воздействием температуры);
- настил пола грузовой кабины (используется высокая прочность и твердость).

2. Для изготовления узлов и агрегатов, испытывающих сильные нагрузки:
- стойки шасси;
- силовые элементы (кронштейны) крыла;
- гидроцилиндры.

3. Изготовление частей двигателя:
- диски и лопатки для вентиляторов и компрессоров;
- корпуса двигателей.

В России и странах Содружества нет ни одного авиационного двигателя, самолета или вертолета, где бы не применялся титан ПАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА»: истребители МиГ-29, Су-35, Су-30, Су-27, Ту-204, Ту-214, АН-148, SSJ-100, МС-21, транспортные самолеты Ил-76 и Ил-76Т. Кроме этого, наше предприятие - основной поставщик титана для таких крупнейших концернов мировой авиаиндустрии, как AIRBUS INDUSTRIE и компании BOEING.

Для зарубежных и российских заказчиков Корпорация ВСМПО-АВИСМА поставляет следующие титановые полуфабрикаты для изготовления деталей самолетов:
- штамповки для шасси;
- плиты, листы, прутки и биллеты для изготовления поворотных узлов, направляющих рельсов, закрылков, панелей, лонжеронов, элементов крепления;
- цельные конструкции штампованных поковок для электрогидравлической системы.

Ракетостроение и космическая техника

Титан помог человеку преодолеть звуковой барьер в авиации и выйти в космическое пространство. В ракетостроении и космической технике титан практически незаменим.

Давайте посмотрим, почему. Что такое космос? Это глубокий вакуум, где царит ледяной холод. И любое искусственное тело, находящееся в космосе, охлаждается до очень низких температур. С другой стороны, аппарат сильно разогревается, если попадает под солнечные лучи. Кроме того, стенки космического корабля бомбардируются космическими частицами, летящими с огромной скоростью, и находятся под действием космической радиации. Такие сверхтяжелые условия могут выдержать только сталь, вольфрам, платина и титан. Предпочтение, конечно же, отдано титану. Титановые сплавы использовали в пилотируемых ракетных комплексах «Восток» и «Союз», беспилотных «Луна», «Марс», «Венера», а также «Энергия» и в орбитальном корабле «Буран».

Судостроение

Широко используют титан в судостроении. Он незаменим для обшивки судов, производства деталей насосов и трубопроводов.

Такое качество титана, как малая плотность позволяет снижать массу корабля, а значит, повышать его маневренность и дальность хода. Обшитые листами титана корпуса судов никогда не потребуют покраски, ведь они десятилетиями не ржавеют и не разрушаются в морской воде (высокая коррозионная стойкость титана). А эрозионная и кавитационная стойкость позволяет не бояться больших скоростей в морской воде: взвешенные в ней мириады песчинок не повредят титановым рулям, винтам и корпусу.

Слабые магнитные свойства титана и его сплавов используют при изготовлении навигационных приборов. В будущем планируется создание из титановых сплавов так называемых немагнитных кораблей, необходимых для геологогеофизических исследований в открытых океанах (устранится влияние металлических частей корабля на высокоточные навигационные приборы).

Наиболее перспективное направление использования титана в судостроении – производство конденсаторных труб, турбинных двигателей и паровых котлов.

Кроме этого, титан, обладающий высокой коррозионной стойкостью и способностью выдерживать огромные давления и нагрузки, - наилучший материал для создания глубоководных аппаратов.

Машиностроение

Корпорация ВСМПО-АВИСМА успешно выпускает теплообменное оборудование для энергетической промышленности, а также для предприятий химической и нефтехимической отраслей. Оборудование изготавливаются из сплавов на основе титана: трубы для теплообменной аппаратуры различного назначения, конденсаторы турбин и в качестве внутренней поверхности дымовых труб. Использование титана позволяет увеличить долговечность, надежность и, следовательно, снизить расходы на капитальный ремонт и обслуживание этого оборудования. Титановые сплавы по стойкости к коррозии превосходят самые стойкие из имеющихся медных, медно-никелевых сплавов и нержавеющую сталь в 10-20 раз. Благодаря этому свойству можно уменьшить толщину стенки трубы для более быстрой передачи тепла в теплообменных аппаратах. Титановые сплавы применяются на объектах мировой тепловой и атомной энергетики с 1959 года.

Нефтегазовая промышленность

Титану много работы и в небе, и в космосе, и под водой, и даже под землей.

Перспективной областью применения сплавов титана является глубокое и сверхглубокое бурение. Для добычи подземных богатств и для изучения глубоких слоев земной коры нужно проникнуть на очень большие глубины – до 15-20 тысяч метров. Обычные буровые трубы будут рваться под собственной тяжестью уже на глубине нескольких тысяч метров. И только благодаря трубам из высокопрочных сплавов на основе титана можно достичь прохождения действительно глубоких скважин.

В настоящее время титан успешно используется при разработке оборудования для освоения нефтегазовых месторождений на морских шельфах: глубоководные бурильные и добывающие установки; насосы; трубопроводы; теплообменное оборудование различного назначения; сосуды высокого давления и многое другое. По мнению специалистов, в глубоководной нефтедобыче титан и его сплавы должны стать одним из основных конструкционных материалов, поскольку имеют высокую коррозионную стойкость в морской воде. Из нашего титана производят трубы, отводы, фланцы, тройники, переходы для систем забортной, балластной и пластовой воды.

Автомобилестроение

Инженеры при разработке новых конструкций машин ставят перед собой задачу – снизить массу деталей автомобиля и тем самым улучшить движение самого авто. Например, выяснили, что за счет уменьшения массы деталей можно сократить расход топлива и количество выхлопных газов, а это, согласитесь, очень необходимо для современного мегаполиса.

В автомобилестроении титан применяют в конструкциях клапанов, пружин, выхлопных систем, передаточных валов, болтов. Надежность деталей из титана была проверена в течение нескольких лет на гоночных автомобилях и в ходе широкого использования в авиакосмической промышленности.

Строительство

Строители тоже любят титан за его свойства. Отличная устойчивость к коррозии, прочность, легкий вес и долговечность обеспечивают самый длительный срок службы архитектурным деталям при любых условиях и с минимальной необходимостью проведения ремонта. Уникальная и неповторимая отражательная способность титана не сравнима с любым другим металлом.

Он устойчив к загрязнениям городской атмосферы и морской среды, кислотным дождям, осадкам вулканической золы, промышленным выбросам и другим неблагоприятным атмосферным условиям. Титан не подвергается атмосферным влияниям и не обесцвечивается от ультрафиолетовых лучей. Также он обладает отличной устойчивостью к коррозии, которая может появиться в результате кислотных дождей и действия агрессивных газов (газ сернистой кислоты, газ сероводорода и т.д.). Все это является большим плюсом при использовании титана для строительства в крупных городах и промышленных областях.

Титан используется для наружной обшивки зданий, кровельных материалов, облицовки колонн, софитов, карнизов, навесов, внутренней обшивки, легких крепежных приспособлений. Кроме того, титан используется в скульптуре и для изготовления памятников.

Медицина

Титан необыкновенно популярен в медицине: любят титан ортопеды, кардиологи, стоматологи и даже нейрохирурги (врачи, которые лечат нервную систему). Из титановых сплавов делают превосходные хирургические инструменты, легкие и долговечные.

В современном мире люди живут долгой активной жизнью. Но очень часто получают повреждения, например, в результате занятий спортом или в автомобильных авариях и происшествиях. И тут на помощь людям приходит металл будущего. У титана есть очень ценное для медиков свойство – он достаточно легко «вживляется» в организм человека. Ученые называют это свойство - «настоящее родство». Титановые конструкции (имплантанты, внутрикостные фиксаторы, наружные и внутренние протезы) абсолютно безопасны для костей и мышц. Они не вызывают аллергию, не разрушаются при взаимодействии с жидкостями и тканями организма и, конечно, с медицинскими препаратами. Кроме этого, протезы, изготовленные из титановых сплавов, очень прочны и износостойки, хотя все время выдерживают большие нагрузки. Вспомните, титан в 2-4 раза прочнее железа и в 6-12 раз прочнее алюминия (смотри раздел «Титан»).

В стоматологии врачи широко используют самую передовую технологию для изготовления зубных протезов - титановые имплантанты. Титановый корень вживляется в челюсть, после чего на него наращивают верхнюю часть зуба.

Из титана изготавливают протезы маленьких косточек внутри уха – и к людям возвращается слух!

Кардиологи для лечения сердца используют такие приборы, как электронный стимулятор и дефибриллятор, корпуса которых тоже титановые.

У титана есть еще одно положительное качество, которое тоже ценится в медицине. Титан – немагнитный металл. Поэтому больных, у которых есть титановые протезы, можно лечить с помощью физиотерапии (не таблетками, а при помощи приборов, в основе работы которых заложены физические явления – электротоки и магнит).

Спорт

Причина популярности использования титана в спортивном инвентаре заключается в его основных свойствах: легкость и прочность.

Примерно 25-30 лет назад из титана впервые сделали велосипед. И это было первое применение этого металла для изготовления спортивного инвентаря. Сейчас в конструкции велосипеда из титана может быть выполнен не только корпус, но и тормоза, звездочки и пружины сидений.

В Японии нашли еще одно применение титана в спорте. Знаешь ли ты, что такое гольф? Это интересная игра, в которой пытаются забить мяч в лунки специальными клюшками. Легкие и прочные титановые клюшки (опять же благодаря свойствам титана) завоевали популярность среди гольфистов, несмотря на свою дороговизну (по сравнению с другими материалами).

Альпинизм и туризм. Вот где еще нашел свое применение титан. Из него делают практически все предметы, которые несут альпинисты и туристы в своих рюкзаках: бутылки, чашки, наборы для приготовления пищи, столовая посуда, стойки и крепления палаток, ледорубы, ледобуры и даже компактные печки.

Вот еще примеры использования титана в спорте: производство ножей для подводного плавания, изготовление лезвий для коньков. Для спортивной стрельбы (и для правоохранительных органов) недавно начали производить титановые пистолеты.

Товары народного потребления

Нашел применение титан и в изготовлении ювелирных украшений, шариковых и перьевых ручек, наручных часов, кухонной посуды и садового инвентаря.

Корпуса многих портативных компьютеров, мобильных телефонов изготавливают из титана. Вещи, конечно, недешевые, зато легкие и долговечные. Корпуса плазменных телевизоров, монтируемых на стены, также изготавливают из титана: это снижает их вес и позволяет не беспокоиться за крепость монтажа.

Еще одно необычное применение титана – колокольный звон. Колокола из титана обладают необычным, очень красивым звучанием. А еще вы можете услышать голос этого металла в колокольчиках для электрозвонков.

Очень популярным оказался нетоксичный и безвредный диоксид титана (TiO2).

Более половины всего производимого в мире диоксида титана расходуется в качестве белого пигмента в производстве лакокрасочной продукции. Этот белый порошок кроме высокого уровня белизны обладает таким качеством, как высокая укрывистость (способность краски перекрывать цвет поверхности, на которую она наносится). При нанесении на поверхность бумаги диоксида титана, она дополнительно приобретает гладкость и высокие печатные свойства.

И в других отраслях диоксид титана тоже используют. Если внимательно прочитать состав, который написан на фантиках конфет или жевательной резинки, то можно найти там загадочно зашифрованное вещество Е171. Именно так обозначается краситель из диоксида титана. Кроме конфет и жвачки, им окрашивают еще пирожные, крабовые палочки, изделия из фарша и даже лапшу, им осветляют глазурь для кондитерских изделий и муку. В фармакологии (изготовление лекарств) диоксидом титана окрашивают лекарства, а в косметологии – кремы, гели, шампуни и другие средства. Кроме этого, диоксид титана используют при отбеливании зубов (добавляют в зубную пасту).

И это еще не всё. Диоксид титана используют как наполнитель в производстве резины, в производстве пластмасс, он входит в состав тугоплавких стекол, глазурей, фарфоровых масс, из него изготавливают искусственные драгоценные камни.

Раздел 1. История и нахождение в природе титана.

Титан — это элемент побочной подгруппы четвёртой группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Дмитрия Ивановича Менделеева, с атомным номером 22. Простое вещество титан (CAS-номер: 7440-32-6) — лёгкий 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, Российской Федерации, 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 Британии 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 Дмитрия Ивановича 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 . В этом отношении он не уступает лучшим маркам нержавеющих сталей, сплавам на основе купрума 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), (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 купрума . 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 купрума равна 94, алюминия - 60, железа и платины -15, а титана-всего 3,8. Титан - парамагнитный металл, он не намагничивается, как , в магнитном поле, но и не выталкивается из него, как . 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 купрума. 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 купрума и почти в 3 - у алюминия. Таким образом, титан - плохой проводник электроэнергии 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 — 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.

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 Российской Федерации ) составляют около 800 млн т. На 2006 год, по оценке Геологической службы США, в пересчёте на диоксид титана и без учёта Российской Федерации , 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 Российской Федерации) хватит более, чем на 150 лет.

Россия обладает вторыми в мире, после Китая, запасами титана. Минерально-сырьевую базу титана Российской Федерации 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 организация «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 (), 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 индустрии, сельскохозяйственной промышленности, пищевой промышленности, украшениях для пирсинга, медицинской промышленности (протезы, остеопротезы), стоматологических и эндодонтических инструментах, зубных имплантатах, спортивных товарах, ювелирных предметах торговли (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 .

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: , кислород, углерод, азот. Бета-стабилизаторы: молибден, ванадий, железо, хром, Ni. Нейтральные упрочнители: цирконий, 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).

В 2005 фирма titanium corporation опубликовала следующую оценку потребления титана в мире:

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.

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 Callaway представила на рынок свою титановую клюшку, производимую организацией Ruger titanium и названную Great Big Bertha. В связи с очевидными преимуществами и с помощью хорошо продуманного фирмой Callaway маркетинга, титановые клюшки моментально приобрели огромную популярность. В течение короткого периода времени титановые клюшки прошли путь от эксклюзивного и дорогого инвентаря небольшой группы спекулянтов 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 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 , 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 расходов 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 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.

Основная часть титана расходуется на нужды авиационной и ракетной техники и морского судостроения. Его, а также ферротитан используют как легирующую добавку 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 электровакуумных приборов, работающих при высоких температурах.

По использованию в качестве конструкционного материала Ti 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 данного металла делает его превосходным материалом для пищевой промышленности и восстановительной хирургии.

Титан и его сплавы нашли широкое применение в технике ввиду своей высокой механической прочности, которая сохраняется при высоких температурах, коррозионной стойкости, жаропрочности, удельной прочности, малой плотности и прочих полезных свойств. Высокая стоимость данного металла и материалов на его основе во многих случаях компенсируется их большей работоспособностью, а в некоторых случаях они являются единственным сырьем, 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. Ti легок по сравнению с другими металлами, но в то же время может работать при высоких температурах. Из материалов на основе Ti изготавливают 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 компрессоров, детали воздухозаборников и направляющих в двигателях, различный крепеж.

Еще одной областью применения является ракетостроение. 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 тепловой прочности 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 Ti обладает коррозионной стойкостью в таких средах, как влажный хлор, водные и кислые растворы хлора, поэтому из данного металла изготовляют оборудование для хлорной промышленности. Также из него 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 данный материал 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 недостаточной распространенностью данного металла.

Соединения титана также получили широкое применение в различных отраслях промышленности. Карбид (TiC) обладает высокой твердостью и применяется в производстве режущих инструментов и абразивных материалов. Белый диоксид (TiO 2) используется в красках (например, титановые белила), а также при производстве бумаги и пластика. Титанорганические соединения (например, тетрабутоксититан) применяются в качестве катализатора и отвердителя в химической и лакокрасочной промышленности. Неорганические соединения Ti применяются в химической электронной, стекловолоконной промышленности в качестве добавки. Диборид (TiB 2)- важный компонент сверхтвердых материалов для обработки металлов. Нитрид (TiN) применяется для покрытия инструментов.

Титан был первоначально назван «грегоритом» британским химиком преподобным Уильямом Грегором, который открыл его в 1791 году. Затем титан был независимо открыт немецким химиком М. Х. Клапротом в 1793 году. Он назвал его титаном в честь титанов из греческой мифологии - «воплощение естественной силы». Только в 1797 году Клапрот обнаружил, что его титан был элементом, ранее открытым Грегором.

Характеристики и свойства

Титан - это химический элемент с символом Ti и атомным номером 22. Это блестящий металл с серебристым цветом, низкой плотностью и высокой прочностью. Он устойчив к коррозии в морской воде и хлоре.

Элемент встречается в ряде месторождений полезных ископаемых, главным образом рутила и ильменита, которые широко распространены в земной коре и литосфере.

Титан используется для производства прочных лёгких сплавов. Двумя наиболее полезными свойствами металла являются коррозионная стойкость и отношение твёрдости к плотности, самое высокое из любого металлического элемента. В своём нелегированном состоянии этот металл столь же прочен, как некоторые стали, но менее плотный.

Физические свойства металла

Это прочный металл с низкой плотностью, довольно пластичный (особенно в бескислородной среде), блестящий и металлоидно-белый. Относительно высокая температура плавления более 1650 °C (или 3000 °F) делает его полезным в качестве тугоплавкого металла. Он парамагнитный и имеет довольно низкую электрическую и теплопроводность.

По шкале Мооса твёрдость титана равняется 6. По этому показателю он немного уступает закалённой стали и вольфраму.

Коммерчески чистые (99,2%) титаны имеют предельную прочность на разрыв около 434 МПа, что соответствует обычным низкосортным стальным сплавам, но при этом титан гораздо легче.

Химические свойства титана

Как алюминий и магний, титан и его сплавы сразу же окисляются при воздействии воздуха. Он медленно реагирует с водой и воздухом при температуре окружающей среды, потому что образует пассивное оксидное покрытие , которое защищает объёмный металл от дальнейшего окисления.

Атмосферная пассивация даёт титану отличную стойкость к коррозии почти эквивалентную платине. Титан способен противостоять атаке разбавленных серных и соляных кислот, растворов хлорида и большинства органических кислот.

Титан является одним из немногих элементов, которые сгорают в чистом азоте, реагируя при 800° C (1470° F) с образованием нитрида титана. Из-за своей высокой реакционной способности с кислородом, азотом и некоторыми другими газами титановые нити применяются в титановых сублимационных насосах в качестве поглотителей для этих газов. Такие насосы недороги и надёжно производят чрезвычайно низкое давление в системах сверхвысокого вакуума.

Обычными титаносодержащими минералами являются анатаз, брукит, ильменит, перовскит, рутил и титанит (сфен). Из этих минералов только рутил и ильменит имеют экономическое значение, но даже их трудно найти в высоких концентрациях.

Титан содержится в метеоритах и он был обнаружен на Солнце и звёздах M-типа с температурой поверхности 3200° C (5790° F).

Известные в настоящее время способы извлечения титана из различных руд являются трудоёмкими и дорогостоящими.

Производство и изготовление

В настоящее время разработаны и используются около 50 сортов титана и титановых сплавов. На сегодняшний день признаётся 31 класс титанового металла и сплавов, из которых классы 1−4 являются коммерчески чистыми (нелегированными). Они отличаются прочностью на разрыв в зависимости от содержания кислорода, причём класс 1 является наиболее пластичным (самая низкая прочность на разрыв с содержанием кислорода 0,18%), а класс 4 - наименее пластичный (максимальная прочность на разрыв с содержанием кислорода 0,40%).

Оставшиеся классы представляют собой сплавы, каждый из которых обладает конкретными свойствами:

• пластичность;
• прочность;
• твёрдость;
• электросопротивление;
• удельная коррозионная стойкость и их комбинации.

В дополнение к данным спецификациям титановые сплавы также изготавливаются для соответствия требованиям аэрокосмической и военной техники (SAE-AMS, MIL-T), стандартам ISO и спецификациям по конкретным странам, а также требованиям конечных пользователей для аэрокосмических, военных, медицинских и промышленных применений.

Коммерчески чистый плоский продукт (лист, плита) может быть легко сформирован, но обработка должна учитывать тот факт, что металл имеет «память» и тенденцию к возврату назад. Особенно это касается некоторых высокопрочных сплавов.

Титан часто используется для изготовления сплавов:

• с алюминием;
• с ванадием;
• с медью (для затвердевания);
• с железом;
• с марганцем;
• с молибденом и другими металлами.

Области применения

Титановые сплавы в форме листа, плиты, стержней, проволоки, отливки находят применение на промышленных, аэрокосмических, рекреационных и развивающихся рынках. Порошковый титан используется в пиротехнике как источник ярких горящих частиц.

Поскольку сплавы титана имеют высокое отношение прочности на разрыв к плотности, высокую коррозионную стойкость, устойчивость к усталости, высокую стойкость против трещин и способность выдерживать умеренно высокие температуры, они используются в самолётах, при бронировании, в морских кораблях, космических кораблях и ракетах.

Для этих применений титан легирован алюминием, цирконием, никелем, ванадием и другими элементами для производства различных компонентов, включая критические конструктивные элементы, огневые стены, шасси, выхлопные трубы (вертолёты) и гидравлические системы. Фактически около двух третей произведённого титанового металла используется в авиационных двигателях и рамах.

Поскольку сплавы титана устойчивы к коррозии морской водой, они используются для изготовления гребных валов, оснастки теплообменников и т. д. Эти сплавы используются в корпусах и компонентах устройств наблюдения и мониторинга океана для науки и военных.

Удельные сплавы применяются в скважинных и нефтяных скважинах и никелевой гидрометаллургии для их высокой прочности. Целлюлозно-бумажная промышленность использует титан в технологическом оборудовании, подверженном воздействию агрессивных сред, таких как гипохлорит натрия или влажный хлорный газ (в отбеливании). Другие применения включают ультразвуковую сварку, волновую пайку.

Кроме того, эти сплавы используются в автомобилях, особенно в автомобильных и мотоциклетных гонках, где крайне важны низкий вес, высокая прочность и жёсткость.

Титан используется во многих спортивных товарах: теннисные ракетки, клюшки для гольфа, валы из лакросса; крикет, хоккей, лакросс и футбольные шлемы, а также велосипедные рамы и компоненты.

Благодаря своей долговечности титан стал более популярным для дизайнерских ювелирных изделий (в частности, титановых колец). Его инертность делает его хорошим выбором для людей с аллергией или тех, кто будет носить украшения в таких средах, как плавательные бассейны. Титан также легирован золотом для производства сплава, который может быть продан как 24-каратное золото, потому что 1% легированного Ti недостаточно, чтобы потребовать меньшую отметку. Полученный сплав представляет собой примерно твёрдость 14-каратного золота и более прочен, чем чистое 24-каратное золото.

Меры предосторожности

Титан является нетоксичным даже в больших дозах . В виде порошка или в виде металлической стружки, он представляет собой серьёзную опасность пожара и, при нагревании на воздухе, опасность взрыва.

Свойства и применение титановых сплавов

Ниже представлен обзор наиболее часто встречающихся титановых сплавов, которые делятся на классы, их свойства, преимущества и промышленные применения.

7 класс

Класс 7 механически и физически эквивалентен классу 2 чистого титана, за исключением добавления промежуточного элемента палладия, что делает его сплавом. Он обладает превосходной свариваемостью и эластичностью, наиболее коррозионной стойкостью из всех сплавов этого типа.

Класс 7 используется в химических процессах и компонентах производственного оборудования.

11 класс

Класс 11 очень похож на класс 1, за исключением добавления палладия для повышения коррозионной стойкости, что делает его сплавом.

Другие полезные свойства включают оптимальную пластичность, прочность, ударную вязкость и отличную свариваемость. Этот сплав можно использовать особенно в тех случаях, когда коррозия вызывает проблемы:

• химическая обработка;
• производство хлоратов;
• опреснение;
• морские применения.

Ti 6Al-4V, класс 5

Сплав Ti 6Al-4V, или титан 5 класса, наиболее часто используется. На его долю приходится 50% общего потребления титана во всём мире.

Удобство использования заключается в его многочисленных преимуществах. Ti 6Al-4V может подвергаться термообработке для повышения его прочности. Этот сплав обладает высокой прочностью при малой массе.

Это лучший сплав для использования в нескольких отраслях промышленности , таких как аэрокосмическая, медицинская, морская и химическая перерабатывающая промышленность. Его можно использовать при создании:

• авиационных турбин;
• компонентов двигателя;
• конструктивных элементов самолёта;
• аэрокосмических крепёжных изделий;
• высокопроизводительных автоматических деталей;
• спортивного оборудования.

Ti 6AL-4V ELI, класс 23

Класс 23 - хирургический титан. Сплав Ti 6AL-4V ELI, или класс 23, является версией более высокой чистоты Ti 6Al-4V. Он может быть изготовлен из рулонов, нитей, проводов или плоских проводов. Это лучший выбор для любой ситуации, когда требуется сочетание высокой прочности, малой массы, хорошей коррозионной стойкости и высокой вязкости. Он обладает превосходной устойчивостью к повреждениям.

Он может использоваться в биомедицинских применениях, таких как имплантируемые компоненты из-за его биосовместимости, хорошей усталостной прочности. Его также можно использовать в хирургических процедурах для изготовления таких конструкций:

• ортопедические штифты и винты;
• зажимы для лигатуры;
• хирургические скобы;
• пружины;
• ортодонтические приборы;
• криогенные сосуды;
• устройства фиксации кости.

12 класс

Титан класса 12 обладает отличной высококачественной свариваемостью. Это высокопрочный сплав, который обеспечивает хорошую прочность при высоких температурах. Титан класса 12 обладает характеристиками, подобными нержавеющим сталям серии 300.

Его способность формироваться различными способами делает его полезным во многих приложениях. Высокая коррозионная стойкость этого сплава также делает его неоценимым для производственного оборудования. Класс 12 можно использовать в следующих отраслях:

• теплообменники;
• гидрометаллургические применения;
• химическое производство с повышенной температурой;
• морские и воздушные компоненты.

Ti 5Al-2,5Sn

Ti 5Al-2,5Sn - это сплав, который может обеспечить хорошую свариваемость с устойчивостью. Он также обладает высокой температурной стабильностью и высокой прочностью.

Ti 5Al-2,5Sn в основном используется в авиационной сфере, а также в криогенных установках.

Поскольку титан представляет собой металл, обладающий хорошей твердостью, но невысокой прочностью в промышленном производстве большее распространение получили сплавы на основе титана. Сплавы с различной структурой зерна, отличаются между собой строением и типом кристаллической решетки.

Их можно получить при обеспечении в процессе производства определенных температурных режимов. А путем добавления к титану различных легирующих элементов можно получать сплавы, характеризующиеся более высокими эксплуатационными и технологическими свойствами.

При добавлении легирующих элементов и различных типах кристаллических решеток в структурах на основе титана можно получить более высокую по сравнению с чистым металлом жаропрочность и прочность . При этом полученные структуры характеризуются небольшой плотностью, хорошими антикоррозионными свойствами и хорошей пластичностью, что расширяет сферу их использования.

Характеристика титана

Титан представляет собой легкий металл, сочетающий в себе высокую твердость и небольшую прочность , что усложняет его обработку. Температура плавления этого материала в среднем составляет 1665°С . Материал характеризуется невысокой плотностью (4,5г/см3) и хорошей антикоррозионной способностью.

На поверхности материала образуется окисная пленка толщиной в несколько нм, что исключает процессы коррозии титана в морской и пресной воде, атмосфере, окислению под действием органических кислот, процессов кавитации и в конструкциях, находящихся под напряжением.

В обычном состоянии материал не обладает жаропрочностью, для него характерно явление ползучести при комнатных температурах. Однако в условиях холода и глубокого холода материал характеризуется высокими прочностными характеристиками.

Титан отличается низким значением модуля упругости, это ограничивает его использование для изготовления конструкций, в которых необходима жесткость. В чистом состоянии металл обладает высокими противорадиационными характеристиками и не обладает магнитными свойствами.

Титан характеризуется хорошими пластическими свойствами и легко поддается обработке при комнатных температурах и выше. Сварные швы из титана и его соединений обладают пластичностью и прочностью. Однако, для материала свойственны интенсивные процессы поглощения газов при нахождении в неустойчивом химическом состоянии, возникающем при повышении температуры. Титан в зависимости от газа, с которым соединяется, образует гидридные, оксидные, карбидные соединения, плохо влияющие на его технологические свойства.

Материал характеризуется плохой приспособленностью к обработке резанием , в результате ее проведения он в течение короткого промежутка времени прилипает на инструмент , что снижает его ресурс. Проведение обработки титана резанием возможно с использованием охлаждения интенсивного типа на больших подачах, при низких скоростях обработки и значительной глубине резания. Кроме того в качестве инструмента для обработки выбирается быстрорежущая сталь.

Материал характеризуется высокой химической активностью, что обуславливает использование инертных газов при проведении работ по выплавке, литье титана или проведении дуговой сварки.

В процессе использования титановые изделия необходимо защищать от возможного поглощения газов при вероятности повышения эксплуатационных температур.

Титановые сплавы

Широкое распространение получили структуры на основе титана с добавлением таких легирующих элементов, как:

Структуры, получаемые деформированием сплавов титановой группы, используются для изготовления изделий, проходящих механическую обработку.

По прочности различают:

• Высокопрочные материалы, прочность которых составляет более 1000МПа;
• Структуры, обладающие средней прочностью, в диапазоне значений от 500 до 1000МПа;
• Низкопрочные материалы, с прочностью ниже 500МПа.

По области использования:

• Структуры, обладающие коррозионной стойкостью.
• Конструкционные материалы;
• Жаропрочные структуры;
• Структуры с высокой стойкостью к действию холода.

Виды сплавов

По входящим в состав легирующим элементам выделяют шесть основных видов сплавов.

Сплавы типа α-сплавы

Сплавы типа α-сплавы на основе титана с применением для легирования алюминия, олова, циркония, кислорода характеризуются хорошей свариваемостью, понижением границы застывании титана и увеличением его жидкотекучести . Указанные свойства позволяют использовать так называемые α-сплавы для получения заготовок фасонным способом или при отливке деталей . Получаемые изделия этого типа обладают высокой термической стойкостью, что позволяет использовать их для изготовления ответственных деталей, работающих в температурных условиях до 400°С .

При минимальных количествах легирующих элементов соединения называются техническим титаном. Он характеризуется хорошей термической устойчивостью, и обладают отличными сварными характеристиками при проведении сварочных работ на различных аппаратах. Материал обладает удовлетворительными характеристиками по возможности обработки резанием. Не рекомендуется повышение прочности для сплавов этого типа с применением термообработки, материалы этого типа используются после проведения отжига. Сплавы, содержащие цирконий обладают наибольшей стоимостью и отличаются высокой технологичностью.

Формы поставки сплава представлены в виде проволоки, труб, прутков сортового проката, поковок. Наиболее используемым материалом этого класса является сплав ВТ5-1 , характеризующийся средней прочностью, жаропрочностью до 450°С и отличными характеристиками при работе в условиях низких и сверхнизких температур. Этот сплав не практикуется упрочнять термическими способами, однако его использование в условиях низких температур предполагает минимальное количество легирующих материалов.

Сплавы типа β-сплавы

Сплавы β-типа получаются при легировании титана ванадием, молибденом, никелем, при этом получаемые структуры характеризуются повышением прочности в диапазоне от комнатных до отрицательных температур по сравнению с α-сплавами. При их использовании увеличивается жаропрочность материала, его температурная стабильность, однако при этом наблюдается снижение пластических характеристик сплавов этой группы.

Для получения устойчивых характеристик сплавы этой группы должны быть легированы значительным количеством указанных элементов. Исходя из высокой стоимости этих материалов, широкого промышленного распространения структуры этой группы не получили. Для сплавов этой группы характерно противодействие ползучести, возможность повышения прочности различными способами, возможность механической обработки. Однако, с увеличением рабочей температуры до 300°С сплавы этой группы приобретают хрупкость .

Псевдо α-сплавы

Псевдо α-сплавы , большую часть легирующих элементов которых составляют компоненты α-фазы с добавлениями до 5% элементов группы β . Наличие β-фазы в сплавах добавляет к преимуществам легирующих элементов α-группы свойство пластичности. Увеличение жаростойкости сплавов этой группы достигается использованием алюминия, кремния и циркония. Последний из перечисленных элементов оказывает положительное воздействие на растворение β-фазы в структуре сплава. Однако, для этих сплавов характерны и недостатки , среди которых хорошее поглощение титаном водорода и образование гидридов, с возможностью возникновения водородной хрупкости. Водород фиксируется в соединении в форме гидридной фазы, уменьшает вязкость и пластические характеристики сплава и способствует увеличению хрупкости соединения.Одним из наиболее распространенных материалов этой группы является титановый сплав марки ВТ18 , обладающий жаропрочностью до 600°С, обладает хорошими характеристиками пластичности. Перечисленные свойства позволяют применять материал для изготовления деталей компрессоров в авиастроении . Термическая обработка материала включает отжиг при температурах около 1000°С с дальнейшим воздушным охлаждением или двойной отжиг, позволяющий на 15% увеличить его сопротивление разрыву.

Псевдо β- сплавы

Псевдо β- сплавы характеризуются наличием после проведения закалки или нормализации наличием только β-фазы. В состоянии отжига структура этих сплавов представлена α-фазой со значительным количеством легирующих компонентов группы β . Эти сплавы характеризуются самым большим среди титановых соединений показателем удельной прочности , обладают низкой термической стойкостью. Кроме того, сплавы этой группы мало подвержены хрупкости при воздействии водорода, однако обладают высокой чувствительностью к содержанию углерода и кислорода, влияющим на снижение вязких и пластичных свойств сплава. Эти сплавы характеризуются плохой свариваемостью, широким диапазоном механических характеристик, обуславливаемых неоднородностью состава и низкой стабильностью при работе в условиях высоких температур .Форма выпуска сплава представлена листами, поковками, прутками и полосовым металлом, с рекомендуемым использованием в течение длительного времени при температурах не выше 350°С. Примером такого сплава является ВТ 35 , для которого свойственна обработка давлением при воздействии температуры. После выполнения закалки материал характеризуется высокими пластическими характеристиками и способностью к деформации в холодном состоянии. Проведение операции старения для этого сплава обуславливает многократное упрочнение при наличии высокой вязкости.

Сплавы типа α+β

Сплавы типа α+β с возможными включениями интерметаллидов характеризуются меньшей хрупкостью при воздействии гидритов по сравнению со сплавами 1 и 3 групп. Кроме того, для них свойственна большая технологичность и удобство обработки с использованием различных методов по сравнению со сплавами α-группы. При проведении сварки с использованием материала этого типа для повышения пластичности шва после окончания операции требуется проведение отжига. Материалы этой группы изготавливаются в форме лент, листового металла, поковок, штамповок и прутков. Самым распространенным материалом этой группы является сплав ВТ6 , характеризуется хорошей деформируемостью при температурной обработке, сниженной вероятностью водородной хрупкости. Из этого материала производят несущие детали самолетов и жаропрочные изделия для компрессоров двигателей в авиации. Практикуется использование отожженных или упрочненных температурной обработкой сплавов ВТ6. Например, детали тонкостенного профиля или листовые заготовки отжигают при температуре 800°С в дальнейшем охлаждая на воздухе или оставляя в печи.

Сплавы из титана на базе интерметаллидов.

Интерметаллиды — сплав 2ух металлов, один из которых титан.

Получение изделий

Структуры, получаемые литьем, осуществляемым в специальные формы из металла в условиях ограничения доступа активных газов, учитывая высокую активность титановых сплавов при повышении температуры. Сплавы, получаемые при помощи литья, обладают худшими свойствами, по сравнению со сплавами, получающимися методом деформации. Термическая обработка с целью повышения прочности для сплавов этого типа не проводится, поскольку оказывает существенное воздействие на показатели пластичности этих структур.