Титановые сплавы и их применение в машиностроении :: Книги по металлургии

ПРИМЕНЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ  ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Титан и его сплавы имеют сравнительно короткую историю применения в качестве конструкционных материалов. Несколько лет назад титан был известен лишь как легирующий элемент, с успехом применяемый в сталях и в других сплавах. Титан при­менялся также в виде карбида при производстве твердых сплавов и в виде окисла — в лакокрасочной промышленности для изго­товления титановых белил и эмалей.

Применение титана в качестве основы новых материалов — титановых сплавов — относится к периоду последних 10—15 лет. Тем не менее в этом новом качестве титан получил уже известное распространение. Можно сказать, что по темпам роста приме­нения титан и его сплавы не имеют равных. Конструкционные материалы на основе титана с успехом применяются в различных отраслях машиностроения, в судостроении, а также в производ­стве самолетов и двигателей для них.

Вместе с тем, несмотря на хорошие свойства при различных условиях эксплуатации, титан еще не получил широкого распро­странения в качестве конструкционного материала в общем маши­ностроении. Это объясняется его высокой стоимостью. Исполь­зование титановых сплавов ограничивается пока главным обра­зом различными областями специального машиностроения, например химическим машино- и аппаратостроением, авиацион­ным машиностроением, судостроением и т. д. В этих областях при оценке целесообразности применения нового материала на первый план выступают свойства титана и лишь затем ·— его стоимость. Безусловно, что в дальнейшем, с развитием и совершен­ствованием способов получения и обработки титана-и его сплавов, а также вследствие повышения требований к материалу деталей машин, сплавы на основе титана будут находить все более широкое применение не только в специальном, но и в общем машино­строении.

23. Преимущества титановых сплавов по сравнению с другими конструкционными материалами

Широкое и быстрое распространение титановых сплавов в качестве конструкционных материалов различного назначения объясняется теми преимуществами, которыми обладают титан и его сплавы по сравнению с другими материалами. Как уже отмечалось, к этим преимуществам относятся:

1. высокая температура плавления, являющаяся необходимым условием повышенной жаропрочности;
2. высокая прочность, низкий удельный вес и, как следствие этих двух качеств, высокая удельная прочность;
3. низкий коэффициент теплового расширения, обусловли­вающий хорошую сопротивляемость материала термической уста­лости;
4. высокая химическая стойкость, обеспечивающая применение титана и его сплавов в различных агрессивных средах;
5. высокая стойкость против эрозии и кавитации.

По величине предела прочности и модуля упругости, отнесен­ным к удельному весу, титановые сплавы намного превосходят другие конструкционные материалы. На фиг. 104 приведены гра­фики изменения удельной прочности различных материалов в зависимости от температуры. Как видно из этих графиков, титановый сплав ВТ8 имеет самое высокое отношение — во всем  рассматриваемом интервале температур. То же относится и к удельному модулю упругости — (фиг. 105).

По величине этой характеристики сплав ВТ8 в сравнении с дру­гими конструкционными материалами также является наилучшим. Таким образом, невысокое абсолютное значение модуля упругости   Титана, отмечаемой как недостаток, нивелируется пониженным удельным весом этого металла.

Если вспомнить то, что уже говорилось о других преимуще­ствах титана по механическим и физическим свойствам, а также по коррозионной стойкости, то станет ясно, что титановые сплавы имеют значительное превосходство перед другими конструкцион­ными материалами.

В обзоре А. А. Гольденберга [91] приводится интересный пример, иллюстрирующий преимущества титана перед нержавею­щей сталью. В этом примере сравнивается стоимость титана и не­ржавеющей стали на разных этапах производства и эксплуатации изделий.

Титан в 18 раз дороже нержавеющей – стали. Однако по­скольку вес титана, необходимого для изготовления конкрет­ного изделия (название изделия не приводится), меньше веса стали, то титан, идущий на изготовление детали, будет стоить дороже, чем сталь, уже не в 18, а в 10 раз. Далее, поскольку раз­ница в стоимости готовых изделий из титана и исходного мате­риала (титана) ниже, чем для стали, то готовые титановые изде­лия будут стоить больше, чем изделия из стали, уже только в три раза. Наконец, если учесть, что в ряде случаев срок службы изделий из титана во много раз выше срока службы стальных деталей, то применение титана в этих случаях оказывается более выгодным, чем применение стали.

24. Применение титана в специальном  и общем машиностроении

Применение титана и его сплавов в качестве конструкционных материалов для изготовления деталей оборудования, приборов и аппаратов в специальном и общем машиностроении является значительным завоеванием научно-технической мысли и сущест­венным шагом по пути прогресса машиностроения. Поэтому рас­ширение использования титана в машиностроении как непосред­ственно — путем изыскания новых конкретных применений его для деталей машин, так и косвенно — путем совершенствования методов производства и обработки этого металла, имеет очень большое практическое и научное значение.

В настоящее время материалы на основе титана применяются или в форме листов, или в виде поковок. В качестве отливок титан и его сплавы применяются еще весьма ограниченно, чтб объяс­няется трудностью подбора материала для литейных форм. Листы изготовляются из технического титана или из однофазных а-спла- вов, легированных алюминием и оловом.

Техническим называется титан, в котором содержится неко­торое количество примесей (около одного процента), причем эти примеси введены не специально, с целью легирования, а практи­чески неизбежно присутствуют в металле в результате особенностей металлургического процесса. Как уже отмечалось, количество примесей в техническом титане зависит от способа его получения, причем нередко содержание кислорода преднамеренно допускается несколько завышенное с целью некоторого увеличения прочности металла.

Технический титан часто называют малолегированным много­компонентным титановым сплавом. Однако этот сплав в ряде слу­чаев является недостаточно прочным, а повышение прочности за счет увеличения количества примесей вызывает значительное понижение пластичности. Вследствие этого приходится переходить к сплавам, легированным алюминием и оловом. Эти элементы, каждый в отдельности и оба вместе, растворяясь в α-титане, повы­шают его прочность без существенного снижения пластичности, благодаря чему получаемые сплавы могут быть прокатаны в лист, как и технический титан, но имеют значительно более высокую прочность.

Для поковок применяют главным образом двухфазные сплавы, имеющие структуру α + β. Эти сплавы сравнительно легко обра­батываются и могут упрочняться путем термической обработки. Они имеют значительно более высокие свойства прочности при меньшей пластичности по сравнению с однофазными а-сплавами.

Применяемые в настоящее время титановые сплавы по своим технологическим свойствам являются деформируемыми. Вместе с тем в случае необходимости они могут применяться и в качестве литейных.

Деформируемые титановые сплавы подразделяются на две группы:

1. ковочно-штамповочные и прокатываемые, имеющие доста­точную технологическую пластичность в горячем состоянии; к этой группе относятся сплавы ВТЗ, ВТЗ-1, ВТ6, ВТ8 и др.;
2. прокатываемые в листы и ленты, имеющие превосходную пластичность в горячем состоянии и способные деформироваться при обычной температуре; к этой группе относятся сплавы ВТ4, ОТ4, ВТ5, ВТ5-1, ВТ6 и др.

Все листовые сплавы(ВТ4, ОТ4, ВТ5, ВТ5-1, ВТ6 и др.) хорошо свариваются аргоно-дуговой сваркой, а сплавы ВТБ и ВТ6 — еще и контактной (точечной, роликовой, стыковой). Ковочно­штамповочные титановые сплавы сварке не подвергаются.

Титан и его сплавы применяют после тщательного учета всех положительных и отрицательных качеств этих материалов. При этом обращают внимание как на эксплуатационные свойства, так и на технологические особенности. Учитывается также и экономи­ческий фактор.

Принимая во внимание пока еще высокую стоимость титана, его применяют главным образом в тех случаях, когда первосте­пенную роль играет не экономический фактор, а комплекс техни­ческих и эксплуатационных характеристик материалов на основе титана. Тем не менее перечень областей, где применение титана в той или иной мере уже развернулось или, по крайней мере, достаточно четко обозначилось, является весьма обширным.

В первую очередь титан и его сплавы были применены и в настоящее время получили довольно широкое распространение в конструкциях самолетов и двигателей для них. Они интенсивно внедряются в конструкции кораблей и оборудования морского флота, применяются для различных деталей в химическом машино­строении и аппаратострсении, для изготовления транспортного оборудования, медицинских инструментов и фармацевтического оборудования. Намечается использование титана и его сплавов в общем машиностроении, в автомобилестроении, при производстве спортивного инвентаря, в пищевой, нефтяной и электротехнической промышленности, а также во многих других специальных обла­стях. Ниже по литературным источникам [2; 45; 108; 109; 81—90; 60] приводятся краткие сведения о применении титана и его спла­вов в некоторых из указанных областей, причем рассматривается использование этих материалов в таких отраслях промышленности, которые на первый взгляд не имеют непосредственного отноше­ния к машиностроению. Это сделано с целью более наглядного показа преимуществ титана перед другими конструкционными материалами, а также для облегчения правильной оценки возмож­ностей титановых сплавов как машиностроительных материалов.

Самолеты и двигатели. Основными качествами титановых сплавов, привлекающими внимание конструкторов самолетов и двигателей для них, являются малый удельный вес и высокая прочность, особенно при повышенных температурах. Конечно, титан и его сплавы не решают всех проблем, возникающих при конструировании самолетов и двигателей. Каждая группа мате­риалов, будь то стали или алюминиевые сплавы, находит свое специфическое применение, соответствующее свойствам этих мате­риалов. Тем не менее по величине удельной прочности в интервале температур 300—500° титановые сплавы превосходят многие стали и алюминиевые сплавы, а по удельному напряжению потери устойчивости панелей конструкций они уступают лишь высоко­прочному алюминиевому сплаву типа В95, причем только до тем­пературы 15Э°, а при более высоких температурах превосходят его [60].

Поэтому в конструкциях самолетов, предназначенных для полетов со сверхзвуковыми скоростями и испытывающих аэро­динамический нагрев, а также в конструкциях реактивных дви­гателей титановые сплавы находят все более широкое применение. При этом достигается снижение веса без потери прочности, что позволяет увеличить полезную нагрузку и дальность полета самолета.

Многочисленные исследования и эксперименты, проведенные в последние годы, говорят о целесообразности использования титановых сплавов для обшивки самолетов, скорости которых соответствуют числу Ма = 3 — 3,5 [88]. Кроме того, титановые сплавы используются Для швеллеров, рам, угольников, поясов шпангоутов, противопожарных перегородок и других деталей внутреннего набора самолета, работающих при температуре до 420°.

На фиг. 106 по данным фирмы Рем-Крю Тайтениум [21 представлена схема реактивного самолета F-2 с отмеченными на ней деталями, изготовленными из титана. Этими деталями являются шпангоуты, кожухи, ленты, балки, коробки, каркас и выходное сопло. Из листовых титановых сплавов изготовляют шпангоуты фюзеляжа, нервюры, элементы жесткости и другие детали каркаса фюзеляжа.

Масштабы использования титана в конструкциях тяжелых самолетов иллюстрируются данными о количестве и общем весе деталей из титана на самолетах Дуглас и на других [83]. Коли­чество деталей из титана на самолетах Комета, Дуглас DC-7 и Дуглас DC 7-С составляет 554 шт., а общий вес их — 363 кГ. У самолета Дуглас ДС-8 вес титановых деталей 428 кГ, а у само­лета Бристоль Британия 100 — до 1225 кГ. Для реактивных двигателей титан применяется как в виде листов, так и, глав­ным образом, в виде поковок. На фиг. 107 по данным фирмы Вестингауз [2] представлена схема реактивного двигателя с осе­вым компрессором, на которой отмечены детали, изготовляемые из титановых сплавов, а именно: диски и лопатки компрессора, листовые детали наружного кожуха двигателя, болты, валы и др.

Для производства поковок, листов и проволоки используется сплав B120VCA, содержащий 13% V, 11 % Сг и 3% А1 и имеющий структуру β. Он обладает хорошей деформируемостью, легко сва­ривается, подвергается упрочнению закалкой и старением и может быть использован для изготовления сотовых панелей. В течение 2—3 мин. этот сплав может быть использован при температурах до 815° [85].

Для авиационных деталей, изготовляемых штамповкой, и в частности для сотовых панелей, может применяться сплав C105VA, содержащий 16% V и 2,5% А1. Он выпускается в виде листов, полос и проволоки и обладает настолько хорошей пластичностью, что может быть прокатан в фольгу [84]. Для изго­товления сотовых панелей может применяться также сплав MST-185, содержащий 1 % А1, 8% V и 5% Fe и являющийся достаточно прочным в отожженном состоянии [86].

Для деталей реактивных двигателей и самолетов при ско­ростях, соответствующих 3 Ма, рекомендуется сплав MST-881, содержащий 8% А1, 8% Zr и 1 % Та и Nb [87]. Этот сплав имеет высокую длительную прочность до 590° и высокую кратковремен­ную прочность до 815°. По своим механическим свойствам он пре­восходит многие стали.

Сплав марки 821, содержащий 8% А1, 2% Nb и 1 % Та, обла­дает повышенной жаропрочностью, хорошо сваривается и может применяться для обшивки самолетов, а также для дисков и лопаток компрессоров газовых турбин. Изготовление из титана деталей ротора компрессора способствует уменьшению напряжений от цен­тробежных сил. Поэтому титановые сплавы в большом количестве идут для изготовления лопаток компрессора.

Титан, примененный в авиационном производстве Англии в 1956 г., был использован для следующих целей: 40% — прутки для лопаток компрессора, 20%—листы для противопожарных перегородок, 20% — листы для капотов двигателей, 5% — поковки для дисков компрессора и распорных колец, 5% — поковки для самолетных деталей и 10%—для других назначений. По сооб­щению представителя фирмы Imperial Chemical Industries [45], около 90% всего производства титана в Англии потребляется авиационной промышленностью. Это говорит о том, что в настоящее время главным потребителем титана и его сплавов является авиация.

Титан и его сплавы: характеристики, свойства

На сегодняшний день титан занимает 4-е место по использованию в промышленности. Однако его активная добыча и производство начинается только с 40-х годов 20 века. Титан и его сплавы обладают уникальными характеристиками и требуют более внимательного рассмотрения при металлообработке.

Титан — металл серебристого цвета, который входит в 4 группу 4 периода в периодической таблице. По официальным сведениям он занимает 10 место по распространению в природе.

Изначально металл применялся в народном хозяйстве, но после выявления его сверхпрочности при малом удельном весе, титан и его сплавы начали использовать при строении самолётов, кораблей, ракет и машин.

Впервые оксид титана был обнаружен в 1791 году. Сделал это открытие У. Грегор (англичанин). Он взял пробу железистого песка на пляже Корнуолла и проводил над ним исследования. В результате экспериментов учёный выделил оксид неизвестного металла, которому так и не дал название. Назвал этот элемент титаном другой учёный — Мартин Генрих Клапрот (немец). В 1825 году другой исследователь Йёнс Якоб Берцелиус смог выделить образец этого металла из оксида.

Благодаря распространённости в природе добывать руду, содержащую титан, не сложно. Самые распространённые виды руды, в которых содержится этот металл — брукит, ильменит, анатаз и рутил. Однако дальнейшие способы обработки титана (плавка, закалка и старение) считаются дорогостоящими. Существует несколько этапов получения чистого металла из руды:

1. В первую очередь добывается титановый шлак, с помощью разогревания ильменита до 1650 градусов.
2. Далее шлак проходит процесс хлорирования.
3. После этого с помощью печей сопротивления производится титановая губка.
4. Для получения чистого металла заключительным этапом обработки является процесс рафинирования.

Если нужно получить слитки титана, губку на его основе переплавляют в вакуумной печи.

Магниетермический процесс

Магниетермическое восстановление — популярный метод получения металла. Проведение технологического процесса:

1. Расплавляется оборотный магниевый конденсат.
2. Сливается конденсат хлористого магния.
3. При температуре 800 градусов, жидкий тетрахлорид титана с жидким магнием подаются в форму для застывания. Скорость подачи — 2,1–2,3 г/ч см2.

Постепенно температура снижается до 600 градусов.

Гидридно-кальциевый метод

Это промышленный метод восстановления металла. Процесс проведения работ:

1. При температуре 500 градусов Цельсия металлический кальций насыщается водородом.
2. Далее его смешивают с двуокисью титана. Компоненты нагревают в реторте, постепенно повышая температуру до 1100 градусов.
3. Спекшиеся компоненты вымывают из реторты.
4. Далее проводится обработка соляной кислотой.
5. Титановый порошок сушат, запекают в индукционных печах при температуре около 1400 градусов.

На спекшуюся массу должно воздействовать давление 10в-3 мм.

Электролизный метод

Способ получения сплава, основанный на применении электрического тока. Напряжение воздействует на ТiO2, ТiСl4. До этого их растворяют с помощью расплавленных солей фторидов.

Йодидный метод

Способ получения металла после термической диссоциации TiJ4. Изначально его получают при реакции паров йода с металлическим титаном.

Чтобы получить сплав высокой чистоты, необходимо применять последний способ получения соединения. Три первых метода позволяют быстро получать технический титан.

Как и у любого другого металла, у титана есть сильные и слабые стороны. К преимуществам относятся:

• малый вес;
• коррозийная стойкость;
• устойчивость к воздействию высоких температур;
• высокая прочность — больше, чем у лучших образцов стали.

Недостатки:

1. Пыль и стружка, остающаяся после обработки титановых заготовок, может воспламенится при температуре в 400 градусов.
2. Этот металл плохо сваривается и практически не поддаётся резке.
3. Затратный способ получения металла из руды обуславливает его высокую стоимость.

Однако, несмотря на имеющиеся минусы, материал и его сплавы широко распространены в различных отраслях производства.

В строительных магазинах можно найти разнообразные товары, изготовленные из этого металла. Из него производят проволоку, ленту и фольгу, прутья, трубы. Также можно приобрести титан в цельных листах.

Благодаря преимуществам, которым обладает титан, его используют в различных отраслях промышленности:

• военно-морское дело;
• строительство;
• медицина;
• машиностроение;
• судостроение и самолётостроение;
• химической промышленности.

Особенности применения этого металла делают его популярнее с каждым годом. Его активно используют в народном хозяйстве.

Характеристики титана напрямую зависят от количества примесей, содержащихся в его составе. Физические параметры:

1. Удельная прочность — 450 МПа.
2. Температура плавления титана — 1668 градусов.
3. Температура кипения — 3227 градусов.
4. Предел прочности у сплавов — 2000 Мпа.
5. Упругость титана — 110,25 Гпа.
6. Твердость металла — 103 НВ.
7. Предел текучести — 380 Мпа.

Структура и свойства этого металла обуславливают его низкую электропроводность. В нормальных условиях титан обладает высоким показателем устойчивости к коррозийным процессам.

Титан представляет собой серебристо-белый металл. Он тугоплавкий, немного тяжелее алюминия. Однако при чуть большем весе прочность титана в три раза больше. Поддаётся различным способам обработки. Устойчив к воздействию влаги и кислот. Основные свойства титана были описаны выше.

В нормальных условиях на поверхности этого металла образуется оксидная плёнка, которая защищает его от разрушительного воздействия влаги и кислот. К химическим свойствам титана можно отнести его устойчивость к воздействию щелочей, растворам хлора. Имеет степень окисления +4. С кислородом начинает взаимодействовать при температуре в 600 градусов. Титановая стружка может самовоспламеняться при нагревании.

Титановые сплавы можно разделить на три большие группы:

1. Соединения на основе химических соединений. Представители этой группы имеют жаропрочную структуру и низкую плотность. Снижение плотности напрямую влияет на снижение веса материала. Такие сплавы используют при изготовлении деталей для автомобилей, каркасов для летательных аппаратов и корпусов для кораблей.
2. Жаропрочные сплавы с низкой плотностью. Это аналог соединений с никелем, но с меньшей ценой. В зависимости от химического состава меняется устойчивость сплава титана к высоким температурам.
3. Конструкционные — высокопрочные соединения, которые легко поддаются обработке благодаря высокому показателю пластичности. Из этих сплавов изготавливаются детали, которые устанавливаются в оборудовании, работающим с большими нагрузками.

При производстве титановых сплавов используется официальная маркировка, которая указывает на то, с какими металлами он соединён.

Титановые сплавы лишены основных недостатков чистого металла. При добавлении сторонних материалов изменяются его характеристики. Ключевые свойства титановых сплавов:

• устойчивость к коррозийным процессам;
• малая плотность;
• большая удельная прочность.

Также сплавы более устойчивы к воздействию высоких температур. Благодаря повышенной защите от воздействия кислот и щелочей сплавы на основе этого материала получили популярность в химической промышленности и медицине. Их используют в строительстве, изготовлении оборудования, машин, самолётов, ракет и кораблей.

Титан и соединения на его основе распространены в различных направлениях промышленности. Этот металл обладает уникальными характеристиками, которые выделяют его на фоне других материалов. Из-за сложностей получения чистого металла цена на него достаточно высока.

ООО НПО “ТИТАН” – титан и его сплавы. Прутки, листы, плиты, проволока, трубы — Справка — Области применения титана — Титан в машиностроении

В машиностроительных отраслях народного хозяйства титан пока еще не нашел широкого применения. Главной причиной, объясняющей такое положение, является ограниченность до недавнего времени сведений о свойствах титановых сплавов, их конкурентоспособности и эффективности использования в различных конструкциях машин и механизмов. Второй, не менее важной, причиной явилась дефицитность и высокая стоимость сплавов, что практически сводило к пулю их технико-экономические преимущества. В ряде случаев сдерживающим фактором явились низкие антифрикционные свойства сплавов титана, несвариваемость его с другими металлами и др.

В отечественной промышленности титановые сплавы применяются, главным образом, в химическом, тяжелом, энергетическом и транспортном машиностроении, машиностроении для легкой, пищевой промышленности и бытовых приборов.

Промышленностью выпускается оборудование, которое можно условно разделить на две группы: стандартное — серийно изготавливаемое специализированными машиностроительными заводами, и   нестандартное — изготавливаемое заводами  для   своих   нужд.

Стандартное оборудование в основном изготавливается заводами химического машиностроения. Номенклатура оборудования этих заводов достаточно широка и включает в себя запорную, перекачивающую, емкостную, колонную, фильтрующую, автоклавную, разделительную и специальную аппаратуру.

Запорная арматура. К ней относятся различные вентили, шаровые и обратные краны.
Перекачивающая арматура. Ряд производств связан с применением большого количества насосов, перекачивающих агрессивные среды при повышенных температурах. Проточная часть арматуры должна обладать высокой стойкостью против коррозии. В настоящее время изготавливаются в большом количестве насосы из титановых сплавов. Наряду со штампосварными широко применяются насосы, собираемые из фасонных отливок. Стоимость последних ниже, эффективность применения выше.

Емкостная аппаратура широко применяется во многих отраслях промышленности для хранения, процессов смешения, кристаллизации, термообработки и т. д. Требования к ней аналогичны требованиям, предъявляемым ко всему оборудованию, работающему с агрессивными средами. Пока еще основное количество емкостей изготавливается из дорогостоящих никельсодержащих сталей с большим припуском массы на коррозию, что неэкономично. Кроме того, продукты коррозии влияют на качество готовой продукции. В настоящее время освоено изготовление титановой   емкостной аппаратуры. Производство ее осуществляется на заводах «Прогресс» (г. Бердичев), машиностроительном им. Фрунзе (г. Сумы), в небольших количествах— на заводах «Уралхиммаш» (г. Свердловск) и «Узбекхиммаш» (г. Чирчик).

Колонная аппаратура. Наиболее широко применяются титановые сплавы для конструкций башен, адсорберов, в виде насадочных, барботажных, тарельчатых, ректификационных, распылительных колонн и т. д.
Теплообменная аппаратура широко применяется в промышленности для подогрева, кипячения, испарения, конденсации и охлаждения различных агрессивных сред. Рабочие агрессивные среды могут быть жидкие, пастообразные, твердые, газо- и парообразные, В промышленности эксплуатируются конструкции теплообменников: аппараты с рубашками; змеевиковые, спиральные; двухтрубные; кожухотрубные с двойными трубами;   с ребристой поверхностью и др.

Для всех их стремятся повысить коррозионную стойкость, сохранив стенки достаточно тонкими с целью эффективности теплообмена. Титановые сплавы являются наиболее приемлемым материалом, отвечающим этим условиям. Кроме того, титановые сплавы подвержены меньшему смачиванию и образованию осадков на их поверхности, что позволяет получать высокий коэффициент теплопередачи за все время эксплуатации теплообменной аппаратуры.

Фильтры. Фильтрация широко применяется во всех отраслях промышленности для отделения взвешенных твердых частиц от жидкости. Для этого используют фильтры различных конструкций. Так, например, заводом «Прогресс» (г. Бердичев) освоен выпуск автоматических титановых фильтр-прессов типа ФПАКМ. Они предназначены для фильтрации агрессивных суспензий с температурой 278 до 353°С, с содержанием от 5 до 600 г/м3 взвешенных частиц, образующих осадок с большим гидравлическим сопротивлением. Детали фильтрпрессов, соприкасающиеся с агрессивной средой, изготовлены из титановых сплавов. По сравнению с рамными фильтрпрессами производительность единицы фильтрующей поверхности фильтрпрессов ФПАКМ выше в 4—15 раз.

Нестандартное оборудование. Предприятия химического машиностроения начали выпуск описанного серийного титанового оборудования сравнительно недавно. Поэтому до сих пор количество его все еще не удовлетворяет спроса. Многие предприятия химической промышленности, цветной металлургии и других отраслей освоили выпуск титанового оборудования для собственных нужд. К таким предприятиям в первую очередь следует отнести комбинат «Североникель», Норильский горно-металлургический комбинат, Славгородский химический завод и др.

Так, комбинат «Североникель» разработал конструкции титановых насосов 7КТС-9.7 КТС-13. Этим же комбинатом совместно с другими организациями разработана конструкция автоматического фильтрпресса ФПАКМ. Кроме того, разработаны конструкции электрофильтров, реакторов, запорной арматуры и другого оборудования. На комбинате имеется специализированный участок, где освоены современные прогрессивные методы сварки и обработки титана.

Норильский горно-металлургический комбинат широко применяет титан для производства технологического оборудования, используемого в основном на гидрометаллургических переделах получения цветных металлов. Комбинат начал осваивать изготовление титанового оборудования давно. Возросший объем применения титана на комбинате потребовал организации специализированного, технически оснащенного централизованного производства. В 1967 г. было создано отделение, применяющее при изготовлении титанового оборудования сварку, холодную обработку, ковку, штамповку. Осуществление централизованного выпуска оборудования позволило повысить его качество. Комбинатом разработан и освоен выпуск запорной арматуры, трубопроводов, фильтров-сгустителей, промывных башен, мокрых электрофильтров, циклонов, теплообменников и др. Норильский горно-металлургический комбинат широко применяет титан для производства технологического оборудования, используемого в основном на гидрометаллургических переделах получения цветных металлов. Комбинат начал осваивать изготовление титанового оборудования давно. Возросший объем применения титана на комбинате потребовал организации специализированного, технически оснащенного централизованного производства. В 1967 г. было создано отделение, применяющее при изготовлении титанового оборудования сварку, холодную обработку, ковку, штамповку. Осуществление централизованного выпуска оборудования позволило повысить его качество. Комбинатом разработан и освоен выпуск запорной арматуры, трубопроводов, фильтров-сгустителей, промывных башен, мокрых электрофильтров, циклонов, теплообменников и др.

Славгородский химический завод. Балхашский горно-металлургический комбинат и другие освоили способы отработки титана для изготовления нестандартного оборудования для собственных нужд. Изготовленное оборудование длительное время находится в эксплуатации и зарекомендовало себя с самой лучшей стороны. Себестоимость его не превышает той, которая существует на специализированных предприятиях, а в некоторых случаях значительно ниже, что объясняется отсутствием больших накладных расходов.

Перечень нестандартного оборудования, изготавливаемого из титановых сплавов силами предприятий, весьма велики многообразен.

Он в общем виде не поддается никакой классификации. Правильнее сказать, что все изделия, которые должны быть по тем или иным причинам изготовлены из титана и заказать которые по каталогам машиностроительных предприятий невозможно, и входят в этот перечень. В качестве примера укажем на виды крупного нестандартного оборудования в цветной металлургии — дроссели, газоходы, рабочие колеса вентиляторов, течки печей, брызгала, венттрубы, бани, емкости, кюбели, электроды электрофильтров, автоклавы, реакторы, контейнеры, эжекторы, вакуум-фильтры, выпарные аппараты, адсорберы и многое другое.

Широкое распространение получил титан в изделиях, где применяются вращающиеся детали. В качестве примера укажем на детали, центробежных машин (центрифуги, сепараторы, сушилки, компрессоры и т. д.). При создании их конструкторы и разработчики разработали ряд мер по повышению антифрикционных свойств сплавов.

Применение титановых сплавов в энергомашиностроении весьма незначительно, хотя ряд технических задач наиболее эффективно решается   при   их   использовании.   Целесообразность применения титановых сплавов в энергетике определяется экономическими и техническими соображениями. В некоторых случаях применение титановых сплавов с высокой удельной прочностью необходимо, так как нет пока других металлов, например, для изготовления длинных рабочих лопаток паровых турбин (—1000—1200 мм). В некоторых случаях применение титановых сплавов целесообразно: использование титановых сплавов для рабочих лопаток длиной менее Ш0О мм, изготовляемых обычно из стали, приводит к разгрузке напряженного ротора цилиндра низкого давления турбин и повышает надежность конструкции в целом. Первый опыт использования лопаток на турбинах дал положительные результаты.

Лопатки длиной 665 мм из титанового сплава типа ВТ5 цилиндра низкого давления турбины мощностью 50МВт были изготовлены Ленинградским металлическим заводом им. XXII съезда КПСС еще в 1959 г. Позже из этого же титанового сплава Пыли изготовлены лопатки длиной 766 и 960 мм и поставлены па турбины 200 и 300 МВт соответственно. Продолжительность работы лопаток к настоящему времени достигла   40 000—70 000 ч.

Длительный опыт использования титановых лопаток в турбинах Ленинградского металлического завода показал хорошую работоспособность этого материала. По коррозионно-эрозионной стойкости титановые лопатки превосходят стальные в условиях воздействия влажного пара. Одновременно с титановыми лопатками в паровых турбинах успешно применяется и титановая проволока из сплава ВТ5 для демпфирующих связей. Сейчас серийный выпуск турбин с лопатками последних ступеней из титановых сплавов организован и на других турбостроительных заводах страны.

В течение последних нескольких лет рядом организаций под руководством ЦКТИ проведен большой комплекс работ по выбору, исследованию и обработке высокопрочных титановых сплавов для лопаток последних ступеней цилиндра низкого давления создаваемой турбины мощностью 1200 МВт. В, результате работы изготовлены штампованные лопатки с длиной рабочей части 1350 мм.

Для повышения мощности автомобильных двигателей необходимо уменьшить вес деталей возвратно-поступательных систем без потери прочности. Применение высокопрочных и жаропрочных титановых сплавов с успехом решает эту задачу.

Перспективность применения титана в дизельных и автомобильных двигателях обусловливается весьма ценными его свойствами: высокими значениями предела прочности и низким удельным весом, а, следовательно, высокой удельной прочностью, высоким пределом пропорциональности и текучести. Кроме того, титан обладает тугоплавкостью (температура плавления 1600°С), являющейся необходимым условием повышенной жаропрочности, а также низким коэффициентом теплового расширения.

Титановые сплавы в первую очередь должны применяться для изготовления таких деталей, как шатуны, впускные и выпускные клапаны, коромысла клапанов и глушителей, являющихся наиболее ответственными деталями дизельных и автомобильных двигателей.

Так как титановые сплавы обладают лучшей удельной прочностью в сравнении со сталью, то применение их для шатунов позволяет на 30% снизить нагрузки на шатунные подшипники, что значительно повышает их надежность и долговечность и на 20% уменьшает усилие ни болты (шпильки) крепления прицепного шатуна, несущие большую нагрузку. Применение титановых сплавов для деталей клапанного механизма (клапанов и траверс) позволяет снизить напряжение в деталях до 25%, силу удара клапана о седло при посадке на 30% и увеличить запас усилия пружин по отношению к силам инерции о 1,6 до 2,1.

Шатуны дизельных и автомобильных двигателей предпочтительно изготавливать из серийных сплавов ВТ5, ВТ8, равных по прочности применяющимся для этих же целей сталям марок 40Х, 50ХФА и другим высоколегированным сталям, или из сплава ВТЗ-1, обладающего повышенной прочностью и лучшей обрабатываемостью. Были проведены исследования* по отработке технологии штамповки шатуна дизеля. Интерес к исследованию штамповки титанового шатуна был вызван также возможностью снижения магнитности. Титановые сплавы, как известно, относятся к числу немагнитных. Для выбора марок сплавов для шатунов было проведено сопоставление физико-механических свойств некоторых титановых сплавов с обычно применяемыми сталями и тщательно изучено поведение последних при штамповке, а также в условиях их длительной эксплуатации.

Сопоставление всех результатов исследований показало, что качество материала заготовки дизельного шатуна из сплава ВТЗ-1 вполне удовлетворительное, макроструктура по сечению заготовки мелкозернистая, рекристаллизованная; волокнистости, пережогов, перегрева и других дефектов режима штамповки и термообработки в микроструктуре сплава не наблюдается. Твердость, механические свойства при растяжении и ударная вязкость заготовки обычны и соответствуют данным сертификата для серийного сплава ВТЗ-1. В настоящее время на одном из дизелестроительных заводов шатуны внедрены в серийное производство.

Опыт применения титановых сплавов в России и за рубежом показывает, что наиболее целесообразно использовать титановые сплавы для деталей высоко нагруженных двигателей, несущей конструкции и ходовой части автомобилей.

В результате исследований, проведенных в институтах автомоторном (НАМИ), автотракторных материалов (НИИЛТМ), авиационных материалов (ВИАМ) и Институте титана, для деталей автомобилей и двигателей рекомендованы следующие титановые сплавы:

для несущих конструкций автомобилей — сплавы средней прочности марок ОТ4-1; ВТ5-1, ОТ4, ВТ5, ВТ6;

для ходовой части автомобилей — сплавы средней прочности и высокопрочные марок ВТ6, ВТЗ-1, ВТ8, АТ6, BT5-1, ВТ14, ВТ15,   BT16;

для деталей двигателей — сплавы высокопрочные и жаропрочные марок ВТЗ-1, ВТ8, BT14, ВТ15. ВТ16, СТ-1, СТ-4, BT18.

Институтом титана совместно с отраслевыми институтами и многими заводами сейчас интенсивно проводятся работы по исследованию и испытанию деталей автомобилей и двигателей. Окончание этих работ позволит начать широкое внедрение титановых сплавов в автомобилестроение. В результате увеличения срока службы автомобилей и двигателей, повышения мощности, уменьшения срока ремонтов, осмотров, проверок, сокращения числа заводов по изготовлению запасных частей будет достигнут значительный народнохозяйственный экономический эффект, а также будут созданы принципиально новые легкие конструкции автомобилей и двигателей, обладающих высокой мощностью и маневренностью.

Из других отраслей машиностроения укажем на отдельные примеры. На Вентспилском   вентиляторном  заводе освоено массовое производство  крышного  вентилятора,   изготовленного полностью из титановых сплавов, по конструкции и  разработке Государственного проектного института «Сантехпроект» и Института.

Для максимального облегчения веса ручных перфораторов и определения возможности широкого применении титановых сплавов в горной технике Институтом титана совместно с криворожским заводом горного оборудования «Коммунист» были проведены необходимые исследования и конструктивные изменения. Объектом исследований был выбран перфоратор ПР-25. Тщательное изучение условий его работы, особенностей изготовления и требований к металлу и конструкции показало, что наиболее подходящим являются сплавы марок ВТ-5, OT4, ВТ60. Эксплуатация перфоратора показала, что применение титана в ручных бурильных машинах технически и экономически выгодно. Замена отдельных деталей титановыми позволили уменьшить вес  перфоратора с 32 до 20 кг., что намного облегчает условия работы и повышает производительность труда. Такой перфоратор легок, удобен в работе, имеет повышенную прочность и высокую коррозионную стойкость. Последнее обстоятельство довольно существенно, поскольку на рудниках цветной металлургии их эксплуатации связана с наличием влажной и агрессивной атмосферы.

Известно, что титановые сплавы обладают высокой хладостойкостью: их механические свойства при низких температурах существенно не меняются, что особенно важно для условий работы на рудниках Крайнего Севера и Заполярья. Полученный опыт применения титановых сплавов в бурильных перфораторах позволил рекомендовать заводам горного оборудования массовое изготовление их с максимальным применением титановых сплавов.

В последние годы заводы Минлегпищемаша интенсивно осваивают изготовление из титана различных машин и аппаратов (от красильного-отделочного оборудования, упаковочно-расфасовочным автоматических линий, центрифуг с титановыми сепараторами до кухонных приборов и сувенирных изделий). Все эти машины в ближайшее время перейдут в разряд массовых и серийно изготовляемых изделий.

Свойства и применение титана и его сплавов, технические характеристики

Титан занимает 4-е место по распространению в производстве, но эффективная технология его извлечения была разработана только в 40-х гг прошлого века. Это металл серебристого цвета, характеризующийся небольшой удельной массой и уникальными характеристиками. Для анализа степени распространения в промышленности и других сферах необходимо озвучить свойства титана и области применения его сплавов.

Основные характеристики

Металл обладает малой удельной массой – всего 4.5 г/см³. Антикоррозийные качества обусловлены устойчивой оксидной пленкой, образующейся на поверхности. Благодаря этому качеству титан не изменяет своих свойств при длительном нахождении в воде, соляной кислоте. Не возникают поврежденные участки из-за воздействия напряжения, что является основной проблемой стали.

В чистом виде титан обладает следующими качествами и характеристиками:

• номинальная температура плавления — 1 660°С;
• при термическом воздействии +3 227°С закипает;
• предел прочности при растяжении – до 450 МПа;
• характеризуется небольшим показателем упругости – до 110,25 ГПа;
• по шкале НВ твердость составляет 103;
• предел текучести один из самых оптимальных среди металлов – до 380 Мпа;
• теплопроводность чистого титана без добавок – 16,791 Вт/м*С;
• минимальный коэффициент термического расширения;
• этот элемент является парамагнитом.

Для сравнения, прочность этого материала в 2 раза больше, чем у чистого железа и в 4 раза такого же показателя алюминия. Также титан имеет две полиморфные фазы – низкотемпературную и высокотемпературную.

Для производственных нужд чистый титан не применяется из-за его дороговизны и требуемых эксплуатационных качеств. Для повышения жесткости в состав добавляют оксиды, гибриды и нитриды. Реже изменяют характеристики материала для улучшения стойкости к коррозии. Основные виды добавок для получения сплавов: сталь, никель, алюминий. В некоторых случаях он выполняет функции дополнительного компонента.

О технологии сварки титана читайте здесь.

Области применения

Благодаря небольшой удельной массе и прочностным параметрам титан широко используется в авиационной и космической промышленности. Его применяют в качестве основного конструкционного материала в чистом виде. В особых случаях за счет уменьшения жаропрочности делают более дешевые сплавы. При этом его сопротивление коррозии и механическая прочность остаются неизменными.

Кроме этого, материал с добавками титана нашел применение в следующих областях:

• Химическая промышленность. Его стойкость практически ко всем агрессивным средам, кроме органических кислот, позволяет изготавливать сложное оборудование с хорошими показателями безремонтного срока службы.
• Производство транспортных средств. Причина – небольшая удельная масса и механическая прочность. Из него делают каркасы или несущие элементы конструкций.
• Медицина. Для особых целей применяется специальный сплав нитинол (титан и никель). Его отличительное свойство – память формы. Для уменьшения нагрузки пациентов и минимизации вероятности негативного воздействия на организм многие медицинские шины и подобные им устройства делают из титана.
• В промышленности металл применяется для изготовления корпусов и отдельных элементов оборудования.
• Ювелирные украшения из титана обладают уникальным внешним видом и качествами.

В большинстве случаев материал обрабатывается в заводских условиях. Но есть ряд исключений – зная свойства этого материала, часть работ по изменению внешнего вида изделия и его характеристик можно выполнять в домашней мастерской.

Особенности обработки

Для придания изделию нужной формы необходимо использовать специальное оборудование – токарный и фрезерный станок. Ручное резание или фрезеровка титана невозможна из-за его твердости. Помимо выбора мощности и других характеристик оборудования необходимо правильно подобрать режущие инструменты: фрезы, резцы, развертки, сверла и т.д.

При этом учитываются такие нюансы:

• Титановая стружка легко воспламеняется. Необходимо принудительное охлаждение поверхности детали и работа на минимальных скоростях.
• Гибка изделия выполняется только после предварительного разогрева поверхности. В противном случае велика вероятность появления трещин.
• Сварка. Обязательно соблюдение особых условий.

Титан – уникальный материал с хорошими эксплуатационными и техническими качествами. Но для его обработки следует знать специфику технологии, а главное – технику безопасности.

Металлургия титана- Реферат | Металлургический портал MetalSpace.ru

В последние годы, в связи с разработкой способов получения технически чистого ковкого титана, положение резко изменилось. Началось усиленное развитие исследования титана и сплавов на его основе. В настоящее время проводиться большая экспериментальная работа по разработке и испытанию сплавов титана, о чем свидетельствует большое количество публикаций по этому вопросу за последние годы в мировой литературе. Большие природные ресурсы и замечательные свойства титана дают основания утверждать, что он станет одним из важнейших конструкционных материалов.

В данной работе рассматриваются вопросы истории открытия и изучения титана, его распространенности в космосе и на Земле, рассказывается о технологии получения титана и его соединений, о свойствах и об использовании человеком, о перспективах его применения в будущем.
В книге Зубкова Л.Б. «Космический металл. Все о титане» освещаются история открытия и изучения титана, его месторождения и добыча.
В работе Еременко В.Н. Титан и его сплавы приведены исчерпывающие данные о строении т свойствах двойных сплавов титана всех систем, исследованных до настоящего времени, а также сообщаются сведения о распространении титана в природе, объеме его производства, о способах получения, уплотнения и обработки металлического титана и его сплавов.

Истории открытия и изучения титана

В учебнике Б.А.Колачева, В.И.Елагина, В.А.Ливанова «Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов» изложены основные положения металловедения и термической обработки цветных металлов: алюминия, магния, бериллия, титана, меди, никеля, тугоплавких металлов и сплавов на их основе. Описаны свойства чистых металлов, принципы легирования сплавов, промышленные сплавы и их термическая обработка, области применения цветных металлов и сплавов на их основе.

Первооткрывателем титана считается 28-летний английский монах Уильям Грегор. Для своего времени, а это был конец XVIII в., он был весьма образованным человеком. Окончив Оксфордский университет, он стал бакалавром искусств и магистром наук, увлекался научными исследованиями, в том числе и минералогией. В 1790 г., проводя минералогические изыскания в своем приходе, он обратил внимание на распространенность и необычные свойства черного песка в долине Менакэна на юго-западе Англии и принялся его исследовать. В песке священник обнаружил большое количество мелких зерен черного блестящего минерала, притягивающегося обыкновенным магнитом. Грегор произвел с этим магнитным минералом несколько опытов: растворил его сначала в соляной, затем в серной кислоте, упарил раствор и получил белый порошок, который при прокалке желтел, а при спекании с углем приобретал голубой цвет. Исследованное природное образование черного цвета Грегор принял за новый, неизвестный ранее минерал, а выделенный из него белый порошок за новый элемент. Минералу и элементу дали название по местности, где они были найдены: минерал «менакэнит» и элемент «менакин». Сведения о них были впервые опубликованы через год после открытия, в 1791 г., в «Физическом журнале». По сегодняшним представлениям открытый в 1790 г. «менакэпит» был титаномагнетитом – смесью твердых растворов ильменита и магнетита, а белый порошок «менакин» – диоксидом титана[1, С.6-7].

В том же 1791 г. немецкий исследователь-химик Мартин Генрих Клапрот (1743-1817), академик Берлинской академии наук, а впоследствии почетный академик Российской Академии наук, первооткрыватель многих редких и цветных металлов – урана, циркония, теллура, молибдена, вольфрама, бария, марганца, ознакомился со статьей Грегора, но не заинтересовался этим открытием. Однако через несколько лет, в 1795 г., изучая рутил, именовавшийся тогда красным венгерским шерлом, он выделил из него диоксид нового металла – белый порошок, похожий на описанный ранее Грегором. И хотя до получения чистого металла было еще очень далеко – почти полтора столетия, Клапрот, обладая могучей научной интуицией, опираясь на исследования Грегора и на результаты собственных опытов, известил мир об открытии нового металла, которому дал название «титан». Вопреки распространенному в те времена правилу французских химиков во главе с известным Лавуазье – присваивать новым элементам и соединениям имена, отражающие их свойства, у Клапрота был свой принцип. Он считал, что при открытии и первых исследованиях элемента его свойства трудно определить точно. Часто случалось, что элементы, названные по их первоначальным свойствам, впоследствии, при углубленном изучении, не отвечали своим названиям. Многие из них пришлось переименовать. Поэтому Клапрот, открывший многие элементы, предпочитал давать им имена планет, героев легенд и мифов.

В 1795 г. по поводу присвоения новому элементу названия «титан» Клапрот писал: «Для вновь открываемого элемента трудно подобрать название, указывающее на его свойства, и я нахожу, что лучше всего подбирать такие названия, которые ничего не говорили бы о свойствах и не давали бы таким образом повода для превратных толкований. В связи с этим мне захотелось для данной металлической субстанции подобрать, так же как и для урана, имя из мифологии: поэтому я называю новый металлический осадок титаном, в честь древних обитателей Земли». Это название стало поистине пророческим. Мифические жители – титаны, сыновья богини Земли Ген и бога неба Урана, были огромными, сильными, стойкими, добрыми, бессмертными существами, покорителями огня, земных просторов и недр, морей, рек и гор. И открытый ме¬талл оказался одним из самых твердых, крепких, стойких. Но чтобы познать нес замечательные свойства нового металла и использовать их для своего блага, человечеству потребовалось еще более 150 лет[1, C.7-9].

Титан был получен в чистом виде (всего лишь несколько килограммов) только в 40-х гг. XX в., а промышленное производство его началось в 1957 г. После Грегора и Клапрота, исследовавших минералы и двуокись титана в 1791 – 1795 гг., соединениями титана, выделяемыми, из титаномагнетитовых руд, занимался русский химик-металлург Товий Егорович Лониц. В 1821 г. немецкий химик Генрих Розе синтетическим путем в лабораторных условиях получил двуокись титана, а еще через год, в 1822 – 1823 гг., английский химик Волластон, исследуя черные кристаллики, выделенные им из металлургических шлаков сталеплавильного завода «Мертир-Гидвиль», открыл в них, как он уверял, «металлический титан». В этом его поддержал знаменитый шведский химик Йене Якоб Берцелиус, который в 1825 г. также выделил титан, по его мнению, в чистом виде, восстановив фтортитанат калия. Но образцы титана Волластона и Берцелиуса были еще очень далеки от чистого металла. Они содержали большое количество различных примесей (более 5%), были хрупкими, нековкими, непластичными; по существу, как было установлено позднее, представляли собой нитриды и карбиды титана. Поэтому после исследований Волластона и Берцелиуса почти полвека существовало мнение, что титан – элемент бесполезный, так как сделать из него «что-либо» практически невозможно.

Тем не менее, несмотря на такое ошибочное мнение, работы над получением чистого титана продолжались в течение всего XIX – начала XX вв. Во Франции этим занимались ученые Фридрих Веллер, Шарль Девиль, Леви, Мусман, в Швеции – Нильсон, Петерсои и др. Последние выделили титан натрие-термическим восстановлением четыреххлористого титана в автоклаве (стальном термососуде). Но и этот титан содержал более 5% примесей и не мог раскрыть все свои уникальные свойства.

Наиболее чистый, практически свободный от примесей металл сумел получить впервые русский ученый, профессор Московского университета Дмитрий Кириллович Кириллов. В 1875 г. он опубликовал работу «Исследования над титаном», в которой освещались результаты его опытов по выделению чистого титана. К сожалению, тяжелобольной Кириллов не смог продолжить свои работы и вынужден был прекратить опыты. Образцы наиболее чистого титана удалось получить французскому химику Анри Муассану в 1885 г., который, восстанавливая диоксид титана древесным углем при высокой температуре и последующей перечисткой, сумел довести титан до 98%-ной чистоты. Более поздние исследования этих образцов показали, что в них загрязненный титан (с примесью железа и углерода) образовывал внешнюю оболочку, а внутри металл был очень чистым.

В 1910 г. американскому инженеру Хантеру и его коллегам удалось получить титан, как они определили, чистотой 99,9%. Но и этот образец, выделенный по сложной технологии, с опасностями для жизни самих исследователей (взорвалась стальная бомба), был хрупким, не поддавался ковке и механической обработке. Вероятно, он был загрязнен карбидами и нитридами титана в большей степени, чем считали авторы. Изученные Хантером свойства металла, загрязненного различными примесями не в количестве 0,1%, как он предполагал, а гораздо больше, опять отнесли титан в разряд бесполезных металлов: ведь ни ковать, ни обрабатывать его было практически невозможно.

В 1925 г. голландские химики Ван Аркель и Де Бур получили действительно очень чистый металл, с незначительным (менее 0,1%) количеством примесей. Их образцы титана проявили все замечательные свойства этого металла – низкую плотность, высокую твердость и прочность, не теряемые при высоких температурах (до 500°С и выше), хорошую пластичность, позволяющую деформировать металл в холодном состоянии, прокатывать в листы и даже в тонкую фольгу, вытягивать в тонкую проволоку. Технология голландцев основывалась на разложении йодидного титана. Нагревание йодида до температуры примерно 1300-1500°С приводит к его разложению на титан и йод. Причем парообразный йод соединяется снова с черновым металлом, а титан осаждается на раскаленной поверхности затравки из титана же. Примеси, находящиеся в черновом металле, взаимодействуют с йодом и не попадают на раскаленный чистый титан.

Инженерная мысль пошла по другому пути – по пути восстановления четыреххлористого титана металлическим магнием. Данный способ был разработан в 30-х гг. XX в., Кроллем, и поныне как за рубежом, так и в СССР титан в промышленных условиях получают именно по этой принципиальной технологии.

Промышленной организации производства технически чистого титана предшествовало тщательное технологическое и экономическое исследование всех известных к тому времени способов и методов его получения. Этим занялась горно-геологическая организация США («Горное бюро»), которая, собственно, и определила широчайшие возможности использования титана в новой и новейшей технике, главным образом в авиационной, космической, морской. В городке Боддер-Сити на юге штата Невада в 1942 г. была построена небольшая промышленная установка но получению технического титана. На ней испытывались различные способы его производства. Остановились на способе Кролля – магниетермическом. Ученый был приглашен работать на этой установке и в течение нескольких лет отрабатывал во всех деталях технологию получения технически чистого титана. В 1946 г. эта технология была опробована в промышленных условиях.

В 1947 г. были выпущены первые 45 кг технически чистого титана. Стоимость его, конечно, была баснословно высокой – 10 тыс. долл. за 1 т, т.е. этот новый конструкционный материал был во много раз дороже железа, алюминия, магния. Тем не менее выпуск металлического титана осуществлялся такими гигантскими темпами, каких не знало никакое другое металлургическое производство, в том числе и главных конструкционных металлов – железа, алюминия, магния. В 1951 г., т е. всего через три года, выпуск титановой губки увеличился почти в 300 раз и составил уже 700 т/год.

Титановая губка представляет собой пористый бесформенный хрупкий металл с содержанием примесей до 0,2-0,3%, небольшой плотности – всего около 1 т/м3. Именно титановая губка является исходным сырьем для получения и чистого, титана, и его сплавов. Чтобы металл был плотным и компактным, губку плавят, реже используют методы порошковой металлургии. В основном же применяется метод вакуумной дуговой плавки в печах с расходуемым электродом. Чистый титан вместе с легирующими элементами спрессовывается с расходуемым электродом на гидравлических пpeccax, затем для очистки он дважды переплавляется. Tехнология была разработана английским химиком Л.Росси в 1908 – 1918 гг. и базировалась на методе разложения титановых концентратов серной кислотой. Усовершенствованная и модернизированная сернокислотная технология получения белой двуокиси титана из титановых концентратов существует и по сей день. Мировое производство (без СССР) несоизмеримо выше, чем металлического титана, и сегодня держится на уровне 2 – 2,5 млн т/год. В России впервые был получен наиболее чистый титан. В начале века много усилий было приложено для изыскания, разведок титановых руд и их переработки на диоксид, четыреххлористый титан, ферротитан. Проблемами титанового сырья много занимался русский химик Г.В.Вдовишенский, который, будучи знаком с трудами Кириллова и других ученых и понимая важную практическую роль титана в научно-техническом прогрессе, организовал в самом начале 90-х гг. XIX в. поиски и разведку титановых руд. В те годы в России появился интерес не столько к самому титану, сколько к его соединениям, а объяснялось это следующим. Как оказалось, диоксид титана является самым стойким белым пигментом для окраски военно-морских судов и других сооружений. Кроме того, стало известно, что четыреххлористый титан может применяться как дымовая завеса и для улучшения сортов стали.

В 1916 г. уже были предприняты первые попытки производства четыреххлористого титана. По инициативе и под руководством советского геохимика и минералога А.Е.Ферсмана (1883-1945) была создана специальная подкомиссия по титану при Комиссии военно-технической помощи. А.Е.Ферсман провел большую работу по выявлению сырьевых источников титана. Правда, большого размаха эти исследования не приобрели, по первый шаг был сделан: на Урале были открыты и обследованы пегматитовые месторождения Вишневых и Ильменских гор. По имени последних был, назван новый титановый минерал, основной минерально-сырьевой источник получения титана и его соединений – ильменит.

В конце 20-х гг. XX в. Институт прикладной минералогии, позднее переименованный во Всесоюзный институт минерального сырья (ВИМС), приступил к созданию сырьевой базы титана на Урале, а также к разработке технологии производства титановых белил и получения спецсталей с использованием ферротитана. Развернулись исследования и промышленные испытания различных методов получения ферротитана. Благодаря работам советских ученых С.С.Штейнберга, Н.С.Кусакина, В.П.Елютина, Н.П.Шипулина и др. промышленное производство ферротитана было освоено к концу 30-х гг. XX в. Первые опытные заводы по производству пигментного диоксида титана из ильменитовых концентратов сернокислотным способом были пущены в 1935 – 1939 гг. В конце 40-х гг. XX в., в СССР начались исследования по получению металлического титана, а к 1952 г. окончательно оформилась промышленная технология получения титана хлорированием титановых шлаков[1, C.34-41].

Титан – тугоплавкий металл

Долгое время считалось, что он плавится при 1800 °С, однако в середине 50-х гг. XX в. английские ученые Диардорф и Хеис установили температуру плавления для чистого эле¬ментарного 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.

Эти свойства не меняются существенно при высоких температурах.

Титан обладает незаменимыми свойства, которые позволяют широко использовать титан как конструкционный материал. Прежде этот всего прочность металла, т.е. его способность сопротивляться разрушению, а также необратимому изменению формы (пластические деформации). В зависимости от вида напряженного состояния – растяжения, сжатия, изгиба и других условий испытания (температура, время) для характеристики прочности металла используются различные показатели: предел текучести, временное сопротивление, предел усталости и др. По всем этим показателям титан значительно превосходит алюминий, железо и даже многие лучшие марки стали.

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. Другие же металлы либо просто не выдерживают таких температур, либо сильно разупрочняются.
Чистый титан – высокопластичный металл, что обусловлено благоприятным соотношением осей «с» и «а» в его гексагональной решетке и наличием в ней множества систем плоскостей скольжения и двойникования. Хотя и считается, что металлы с гексагональной кристаллической решеткой очень пластичны, титан в силу указанных особенностей его кристаллов стоит в одном ряду с высокопластичными металлами, имеющими иной, тип кристаллической решетки. В результате 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.

Титан имеет высокий предел текучести – примерно 250 мн/м2. Это выше в 2,5 раза, чем у железа, в 3 раза, чем у меди, и почти в 20 раз, чем у алюминия. Следовательно, титан лучше этих металлов сопротивляется сминающим ударам и другим нагрузкам, способным деформировать титановые детали.

Высока и вязкость титана. Он отлично противостоит воздействию сколовых и сдвиговых ударов и нагрузок. Этой выносливостью объясняется еще одно замечательное свойство титана – исключительная стойкость его в условиях кавитации, т.е. при усиленной «бомбардировке» металла в жидкой среде пузырьками воздуха, которые образуются при быстром движении или вращении металлической детали в жидкой среде. Эти пузырьки воздуха, лопаясь на поверхности металла, вызывают очень сильные микроудары жидкости о поверхность движущегося тела. Они быстро разрушают многие материалы, и металлы в том числе, а титан прекрасно противостоит кавитации.

Титан обладает еще одним удивительным свойством – «памятью». В сплаве с некоторыми металлами (например, с никелем) он «запоминает» форму изделия, которую из него сделали при определенной температуре. Если такое изделие потом деформировать, например свернуть в пружину, изогнуть, то оно останется в таком положении на долгое время. После нагревания до той температуры, при которой это изделие было сделано, оно принимает первоначальную форму.

Титан реагирует со многими металлами

При трении с деталями из более мягкого металла титан может срывать с них металлические частицы и прилеплять к себе металл, а из более твердого, наоборот, частицы титана будут срываться с титановой детали и покрывать другую деталь. Причем никакая жировая или масляная смазка не помогает исключить взаимоналипание частиц. В течение небольшого времени это явление можно ослабить, лишь применив в качестве смазки чешуйчатые молибденит или графит. А вот сваривается титан с другими металлами очень плохо. Практически полностью эта проблема пока не решена, хотя сварка титановых изделий проходит отлично.

Рассмотренные химические и физические свойства титана в целом благоприятствуют широкому использованию этого металла. Однако у титана есть немало и отрицательных качеств. Например, он может самовозгораться, а в некоторых случаях даже и взрываться.

Еще одним недостатком титана является его способность сохранять высокие физико-механические свойства лишь до температуры 400-450°С, а с добавками некоторых легирующих металлов до 600° С, и здесь у него есть серьезные конкуренты – жаропрочные спецстали. Однако в минусовом диапазоне температур титану равных нет. Железо становится хрупким уже при температуре 40°С, специальные низкотемпературные стали ниже -100°С. А вот титан и его сплавы не разрушаются при температурах до 253°С (в жидком водороде) и даже до 269°С (в жидком гелии). Это очень важное свойство титана открывает ему большие перспективы для использования в криогенной технике и для работы в космическом пространстве.
По своей же распространенности во Вселенной титан редким элементом назвать никак нельзя. Он обнаружен в спектре Солнца и в его атмосфере, в атмосфере звезд различных типов. Автоматические космические аппараты зафиксировали наличие титана на Марсе и на Венере, в очень больших количествах в лунных породах, а на нашей планете титан находят во всех типах пород земной коры, в морях и океанах, в атмосфере и даже в растениях и тканях живых организмов.

Цена – вот что сегодня ещё тормозит производство и потребление титана. Собственно, высокая стоимость – не врожденный порок титана. В земной коре его много – 0,63%. Дорогая цена – следствие чрезвычайной сложности извлечение титана из руд. Если принять стоимость титана в концентрате за единицу, то стоимость готовой продукции – титанового листа в сотни раз больше. Объясняется это высоким сродством титана многим элементам и прочностью химических связей в его природных соединениях. Отсюда – сложности технологии. Вот как выглядит магниетермический способ производства титана, разработанный в 1940 г. американским учёным У.Кролем.

Двуокись титана с помощью хлора (в присутствии углерода) переводят в четырёххлористый титан: TiO₂+C+2Cl₂=TiCl₄+CO₂
Кажется, ещё недавно титан называли редким металлом – сейчас он важнейший конструкционный материал. Объясняется это только одним: редким в шахтных электропечах при 800-1250°С. Другой вариант – хлорирование в расплаве солей щелочных металлов NaCl и KCl.
Следующая операция (в одинаковой мере важная и трудоёмкая) – очистка TiCl₄ от примесей – проводится разными способами и веществами. Четырёххлористый титан в обычных условиях представляет собой жидкость с температурой кипения 136°С. Разорвать связь титана с хлором легче, чем с кислородом. Это можно сделать с помощью магния по реакции: TiCl₄+2Mg = Ti+2MgCl₂. Эта реакция идёт в стальных реакторах при 900°С. В результате образуется так называемая титановая губка, магнием и хлоридом магния. Их испаряют в герметичном вакуумном аппарате при 950°С, а титановую губку затем спекают или переплавляют в компактный металл.

Натриетермический метод получения металлического титана в принципе мало чем отличается от магниетермического. Эти два метода наиболее широко применяются в промышленности.

Для получения более чистого титана и поныне используется иодидный метод, предложенный нидерландскими химиками ван Аркелем (1893-1976) и де Буром. Металлотермический губчатый титан превращают в иодид TiI₄, который затем возгоняют в вакууме. На своём пути пары иодида титана встречают раскалённую до 1400°С титановую проволоку. При этом иодид разлагается, и на проволоке нарастает слой чистого титана. Этот метод производства титана малопроизводителен и дорог, поэтому в промышленности он применяется крайне ограниченно[4].

Полученные в промышленных условиях слитки титана называют техническим титаном. Он имеет практически все те свойства, которыми обладает химически чистый титан. Технический титан в отличие от химически чистого содержит повышенное количество некоторых элементов-примесей. В разных странах в зависимости от технологических особенностей процесса технический титан содержит примеси (в %): железа 0,15-0,3; углерода 0,05-0,1; водорода 0,006-0,013; азота 0,04-0,07; кислорода 0,1-0,4.

Сплавы титана с алюминием

Они наиболее важны в техническом и промышленном отношении. Введение алюминия в технический титан даже в небольших количествах (до 13%) позволяет резко повышать жаропрочность сплава при снижении его плотности и стоимости. Этот сплав – отличный конструкционный материал. Добавка 3-8% алюминия повышает температуру превращения α-титана в β-титан. Алюминий является практически единственным легирующим стабилизатором α-титана, увеличивающим его прочность при постоянстве свойств пластичности и вязкости титанового сплава и повышении его жаропрочности, сопротивления ползучести и модуля упругости. Этим устраняется существенный недостаток титана.

Помимо улучшения механических свойств сплавов при различных температурах, увеличивается их коррозионная стойкость и взрывоопасность при работе деталей из титановых сплавов в азотной кислоте.

Алюминий-титановые сплавы выпускаются нескольких марок и содержат 3-8% алюминия, 0,4-0,9% хрома, 0,25-0,6% железа, 0,25-0,6% кремния, 0,01% бора. Все они коррозионно-стойкие, высокопрочные и жаропрочные сплавы на основе титана. С увеличением содержания алюминия в сплавах температура их плавления несколько снижается, однако механические свойства значительно улучшаются и температура разупрочнения повышается.

Эти сплавы сохраняют высокую прочность до 600°С.

Сплавы титана с железом

Своеобразным сплавом является соединение титана с железом, так называемый ферротитан, представляющий собой твердый раствор TiFe3 в α-железе.

Ферротитан облагораживающе действует на сталь, так как он, активно поглощая кислород, является одним из лучших раскислителей стали. Ферротитан так же активно поглощает из расплавленной стали азот, образуя нитрид титана, другие примеси, способствует равномерному распределению прочих примесей и образованию мелкозернистых структур стали.

Кроме ферротитана, на основе железа и титана производятся и другие сплавы, широко используемые в черной металлургии. Феррокарботитан – железотитановый сплав, содержащий 7-9% углерода, 74-75% железа, 16-17% титана. Ферросиликотитан – сплав, состоящий из железа (около 50%), титана (30%) и кремния (20%). Оба эти сплава также применяются для раскисления сталей.

Сплавы титана с медью

Даже небольшие присадки меди к титану и другим его сплавам повышают их стабильность в процессе эксплуатации, увеличивается и их жаропрочность. Кроме того, 5-12% титана добавляют в медь для получения так называемого купротитана; им пользуются, чтобы очистить расплавленную медь и бронзу от кислорода и азота. Легирование меди титаном производится только очень небольшими его добавками, уже при 5% титана медь становится нековкой.

Сплавы титана с марганцем

Марганец, введенный в технический титан или в его сплавы, делает их прочнее, они сохраняют пластичность и легко обрабатываются при прокатке. Марганец – недорогой и недефицитный металл, поэтому он широко применяется (до 1,5%) при легировании титановых сплавов, предназначенных для листовой прокатки. Богатый марганцем (70%) сплав называется мангантитаном. Оба металла являются энергетическими раскислителями. Этот сплав, как и купротитан, хорошо очищает от кислорода, азота и других примесей медь и бронзу при отливках.
Сплавы титана с молибденом, хромом и другими металлами. Основная цель добавки этих металлов — повысить прочность и жаропрочность титана и его сплавов при сохранении высокой пластичности. Оба металла легируют их в комбинации: молибден предотвращает нестабильность титан-хромовых сплавов, делающихся хрупкими при высоких температурах. Сплавы титана с молибденом по стойкости против коррозии в кипящих неорганических кислотах превосходят технический титан в 1000 раз. Для повышения коррозионной стойкости в титан добавляют некоторые тугоплавкие редкие и благородные металлы: тантал, ниобии, палладий[1, C.94-103].

Значительное количество весьма ценных в научно-техническом отношении композиционных материалов можно производить на основе карбида титана. Это главным образом жаростойкие изделия из металлокерамики, в основе которых лежит карбид титана. В них совмещается твердость, тугоплавкость и химическая стойкость карбида титана с пластичностью и сопротивлением тепловому удару цементирующих металлов – никеля и кобальта. В них можно вводить ниобий, тантал, молибден и тем самым еще больше повышать стойкость и жаропрочность этих композиций па основе карбида титана.

Сейчас известно более 30 различных сплавов титана с другими металлами, удовлетворяющих практически любым техническим требованиям. Это пластичные сплавы с низкой прочностью (300-600 МПа) и рабочей температурой 100-200°С, со средней прочностью (600-900 МПа) и рабочей температурой 200-300°С, конструкционные сплавы с повышенной прочностью (800-1100 МПа) и рабочей температурой 300-450°С, высокопрочные (100-1400 МПа) термомеханически обрабатываемые сплавы с нестабильной структурой и рабочей температурой 300-400°С, высокопрочные (1000-1300 МПа) коррозионно-стойкие и жаропрочные сплавы с рабочей температурой 600-700° С, особо коррозионно-стойкие сплавы со средней прочностью (400-900 МПа) и рабочей температурой 300-500°С.

Технический титан и его сплавы выпускаются в виде листов, плит, полос, лент, фольги, прутков, проволоки, труб, поковок и штамповок. Эти полуфабрикаты являются исходным материалом для изготовления из титана и его сплавов различных изделий. Для этого полуфабрикаты надо обработать ковкой, штамповкой, фасонным литьем, резанием, сваркой и т.п.[5, C.180-193].

Авиационная промышленность была первым потребителем титана. Создание летательных аппаратов со скоростями близкими к скорости звука и превосходящими ее, определило ряд технических и экономических требований к конструкционным материалам, идущим на изготовление корпуса самолета и его обшивки, а также двигателей, которые невозможно было удовлетворить без применения материалов на основе титана.
Малый удельный вес и высокая прочность (особенно при повышенных температурах) титана и его сплавов делают их весьма ценными авиационными материалами. В области самолетостроения и производства авиационных двигателей титан все больше вытесняет алюминий и нержавеющую сталь. С повышением температуры алюминий быстро утрачивает свою прочность. С другой стороны, титан обладает явным преимуществом в отношении прочности при температуре до 430°С, а повышенные температуры такого порядка возникают при больших скоростях благодаря аэродинамическому нагреванию. Преимущество замены стали титаном в авиации заключается в снижении веса без потери прочности. Общее снижение веса с повышением показателей при повышенных температурах позволяет увеличить полезную нагрузку, дальность действия и маневренность самолетов. Этим объясняются усилия, направленные на расширение применения титана в самолетостроении при производстве двигателей, постройке фюзеляжей, изготовлении обшивки и даже крепежных деталей.

При постройке реактивных двигателей титан применяется преимущественно для изготовления лопаток компрессора, дисков турбины и многих других штампованных деталей. Здесь титан вытесняет нержавеющую и термически обрабатываемую легированную стали. Экономия в весе двигателя в один килограмм позволяет сберегать до 10 кг в общем весе самолета благодаря облегчению фюзеляжа. В дальнейшем намечено применять листовой титан для изготовления кожухов камер сгорания двигателя.

В конструкции самолета титан находит широкое применение для деталей фюзеляжа, работающих при повышенных температурах. Листовой титан применяется для изготовления всевозможных кожухов, защитных оболочек кабелей и направляющих для снарядов. Из листов легированного титана изготовляются различные элементы жесткости, шпангоуты фюзеляжа, нервюры и т.д.

Кожухи, закрылки, защитные оболочки для кабелей и направляющие для снарядов изготовляются из нелегированного титана. Легированный титан применяется для изготовления каркаса фюзеляжа, шпангоутов, трубопроводов и противопожарных перегородок.
Вращающиеся детали роторов авиадвигателей испытывают в полете колоссальную нагрузку. Им приходится работать в условиях высоких температур и динамических воздействий. От их надежности зависят безопасность самолета и жизни людей, что находятся на борту воздушного судна. Следовательно, титан, используемый в этих ответственных узлах, должен быть не просто прочным, а суперпрочным.
В будущем из титана будут делать створки шасси, трубопроводы гидросистем, выхлопные патрубки и сопла, лонжероны, закрылки, откидные стойки и т. д.

Титан можно применять для изготовления броневых плит, лопастей пропеллера и снарядных ящиков.

Растет потребление титана в гражданском самолетостроении. И понятно почему: титан сочетает в себе основные параметры эффективности самолета – веса, надежности, стоимости обслуживания и прибыли от эксплуатации. Это главные критерии для авиаперевозчиков.
В настоящее время разработчики авиатехники перестраивают всю материаловедческую концепцию строительства самолетов, активно привлекая и используя композиционные материалы на основе углеволокна и титановые сплавы. Первые заменяют алюминий и сталь, вторые коррозийноустойчивы и исключительно прочны.

Переход на композиционные материалы

Причин перехода на композиционные материалы несколько. Во-первых, наметился быстрый рост пассажирских и грузовых перевозок, объем которых, по прогнозам специализированной аналитической группы Airline Monitor, в период с 2008 по 2026 гг. увеличится втрое, что потребует в два раза увеличить парк магистральных авиалайнеров. Во-вторых, в условиях высоких цен на топливо cамолетостроительным компаниям приходится разрабатывать и готовить серийный выпуск экономичных моделей авиалайнеров. Поскольку с композитами «уживается» только титан, спрос гражданского самолетостроения на титановые полуфабрикаты возрастет к 2015 г. примерно в два раза.

Коррозионная стойкость титана и его сплавов делает их весьма ценным материалом на море. Малый удельный вес металла в сочетании с коррозионной стойкостью повышает маневренность и дальность действия кораблей, а также снижает расходы по уходу за материальной частью и ее ремонту.

Применение титана

Применение титана в военно-морском деле включает изготовление выхлопных глушителей для дизельных двигателей подводных лодок, дисков измерительных приборов, тонкостенных труб для конденсаторов и теплообменников. По мнению специалистов, титан, как никакой другой металл, способен увеличить срок службы выхлопных глушителей на подводных лодках. Применительно к дискам измерительных приборов, работающих в условиях соприкосновения с соленой водой, бензином или маслом, титан обеспечит лучшую стойкость. Исследуется возможность применения титана для изготовления труб теплообменников, которые должны обладать коррозионной стойкостью в морской воде, омывающей трубы снаружи, и одновременно противостоять воздействию выхлопного конденсата, протекающего внутри них. Рассматривается возможность изготовления из титана антенн и узлов радиолокационных установок, от которых требуется стойкость к воздействию дымовых газов и морской воды. Титан может найти применение и для производства таких деталей, как клапаны, пропеллеры, детали турбин и т. д.

Специалисты научно-исследовательского института конструкционных материалов «Прометей» при государственной поддержке Федерального агентства по науке и инновациям (Роснаука) начали в 2009 г. разработку усовершенствованных технологий производства из титановых сплавов так называемых крупногабаритных полуфабрикатов (заготовок крупных узлов и деталей) для морских судов и «оффшорной техники», предназначенной для работ на шельфах. Такие заготовки из титановых сплавов могут применяться для изготовления сверхлёгких, прочных и стойких к коррозии деталей самых разных типов судов, например, исследующих морские глубины, или связанные с добычей углеводородного сырья.

Существенный недостаток титановых сплавов только один – высокий коэффициент трения «металл по металлу», титан попросту «задирается» при трении из-за повышенной вязкости. Поэтому для деталей из титановых сплавов (в первую очередь, для различных т. н. «узлов трения») необходимо напыление специальных покрытий, придающих необходимые антифрикционные свойства. В качестве «кандидатов» на создание таких покрытий ученые намерены всесторонне исследовать различные высокопрочные материалы на основе оксидов алюминия, циркония и хрома.

Металл потребляет артиллерия, где в настоящее время ведутся интенсивные исследования различных опытных образцов. Были исследованы различные детали артиллерийского оборудования с точки зрения возможности замены титаном обычных материалов при условии снижения цен на титан. Главное внимание уделялось деталям, для которых существенно снижение веса (детали, переносимые вручную и перевозимые по воздуху).
Опорная плита миномета, изготовленная из титана вместо стали. Путем такой замены и после некоторой переделки вместо стальной плиты из двух половинок общим весом 22 кг удалось создать одну деталь весом 11 кг. Благодаря такой замене можно уменьшить число обслуживающего персонала с трех человек до двух. Рассматривается возможность применения титана для изготовления орудийных пламегасителей.
Проходят испытания изготовленные из титана орудийные станки, крестовины лафетов и цилиндры противооткатных приспособлений. Широкое применение титан может получить при производстве управляемых снарядов и ракет.

Сплавы титана повышенного качества позволяют надеяться на возможность замены стальных плит титановыми равной толщины, что дает экономию в весе до 44%. Промышленное применение титана позволит обеспечить большую маневренность, увеличит дальность перевозки и долговечность орудия. Современный уровень развития воздушного транспорта делает очевидными преимущества легких броневиков и других машин из титана. Артиллерийское ведомство намерено снарядить в будущем пехоту касками, штыками, гранатометами и ручными огнеметами, сделанными из титана. Первое применение в артиллерии титановый сплав получил для изготовления поршня некоторых автоматических орудий.

Титан и его сплавы используются медицинской промышленностью для изготовления не только хирургических инструментов, но и наркозно-дыхательных аппаратов, «искусственных» сердца, легких, почек, защитных устройств радиологической аппаратуры.

Биологическая инертность титана превосходит все известные марки нержавеющей стали и даже специальный кобальтовый сплав «виталлиум». Технически чистый титан и его сплавы содержат гораздо меньше примесей, чем другие, применяющиеся в медицине сплавы, он хорошо переносится человеческим организмом, обрастает костной и мышечной тканью, не корродирует и агрессивных средах человеческого тела (в лимфе, крови, желудочном соке), структура окружающей титановый элемент ткани не изменяется на протяжении десятилетий. Эти свойства титана в сочетании с его высокими механическими качествами позволяют широко использовать его для металлического остеосинтеза – распространенного способа лечения переломов костей. Из него изготавливают для наружных и внутренних протезов стержни, спицы, гвозди, болты, скобы, внутрикостные фиксаторы, а также протезы бедренных костей, тазобедренных суставов и челюстно-лицевых костей. Как известно, детали для остеосинтеза даже из самых высококачественных сортов нержавеющей стали приводят со временем к самым различным осложнениям, связанным с коррозией и разрушением этих деталей, повреждением костных и мышечных тканей продуктами коррозии. Из-за реакции их с физиологическими солями организма происходят воспаления тканей, возникают болевые ощущения. Костные фиксаторы и любые протезы из титана осложнений и воспалений не дают, они могут находиться я человеческом организме сколь угодно долго, практически вечно. Титан, обладая высокой усталостной прочностью при знакопеременных нагрузках, как нельзя лучше служит в качестве протезов костей, постоянно подвергающихся переменным нагрузкам. Кроме того, его немагнитность и слабая электропроводность позволяют проводить физиотерапевтическое лечение больных с титановыми протезами без осложнений. Малая плотность и высокие прочностные свойства титана позволяют почти вдвое уменьшать вес и объем протезов. Эти качества делают титан практически незаменимым материалом в костной хирургии. Он может использоваться в стоматологии (искусственные зубы) и офтальмологии (имплантат глазного яблока). Имеются попытки изготовления из титана миниатюрного, массой 300 г, искусственного сердца. Наряду с нейлоновыми для вживания в сердце используются и титановые клапаны. Детали и конструкции из титана сравнительно несложны в изготовлении и сравнительно недороги, во всяком случае проще и дешевле, чем применяемые ныне сплавы типа «виталан» или «комохром»[7].

Остановимся еще на нескольких областях применения титана.

Атомная энергетика: оболочки реакторов на быстрых нейтронах, конструктивные детали ядерных реакторов с водяным охлаждением, футеровка реакторов тонкими пористыми или перфорированными листами титана, титановые электроды в плазменных установках.
Приборостроение: зеркала телескопов, затворы кино- и фотокамер, мембраны телефонов, гибкие трубки для бронирования кабелей.
Электроника: создание высокого вакуума в электронно-лучевых трубках (используется свойство расплавленного титана энергично поглощать газы), аноды высоковольтных кенотронов и катоды поляризационных электролитических конденсаторов, сетки электронных ламп с минимальной эмиссией, тонкопленочные интегральные схемы и тонкопленочные конденсаторы; электронные трубки микроскопических размеров.
Военная техника: опорные плиты минометов, лафеты, кронштейны, станки орудий, пламегасители, атомные орудия малой мощности, облегченная броня, равная по снарядостойкости стальной броне, детали танкостроения; многие виды оружия и снаряжения для десантных войск.
Экспедиционное и спортивное снаряжение: инвентарь для антарктических и других экспедиций, снаряжение для альпинистов и пожарных, ружья для подводной охоты, мачты гоночных яхт, лыжные палки, теннисные ракетки, шары и клюшки для гольфа и др.
Бытовая техника и приборы: кухонные приборы, садовые инструменты, шариковые и перьевые авторучки.

Монументальное искусство: из титана созданы памятник Ю.А.Гагарину и монумент покорителям космоса в Москве, обелиск в честь успехов в освоении Вселенной в Женеве.

Есть еще один, совершенно необычный аспект применения титана – колокольный звон. Колокола, отлитые из этого металла, обладают необычным, очень красивым звучанием. Применяется титан в колокольчиках для электрозвонков.

Главными потребителями двуокиси титана являются лакокрасочная промышленность, использующая 60-65% всей производимой двуокиси титана, бумажная промышленность (12-16%) и производство пластмассы (10-14%). Остальное потребляется химической промышленностью для производства химволокна, искусственной кожи.

Помимо надежности и долговечности, титановые краски дают еще и чисто экономические выгоды: сокращается расход лакокрасочных материалов на единицу окрашиваемой поверхности и уменьшаются затраты труда на окраску в связи с сокращением числа наносимых слоев[1, C.103-128].
Титан – это металл будущего, благодаря обширным запасам он имеет перспективу стать основным металлом грядущих лет, поскольку его характеристики выигрывают по сравнению с характеристиками железа и алюминия во всех областях применения. Титан изначально предназначался для использования в военной и оборонной промышленности, но с течением времени он получает все большее распространение в мирных областях – народном хозяйстве, гражданской авиации, медицине и морских исследованиях, спорте и автомобилестроении. Своими свойствами и качеством изделий титан доказал целесообразность своего применения вместо привычных нам железа и алюминия – с практической, экономической и экологической точек зрения. 

• Студент: Попова М.А.
• Руководитель: Бармин А.В.

Природные ресурсы титана превышают в несколько раз общее количество хорошо известных и широко применяемых металлов – меди, никеля, олова, свинца, цинка и других. Среди конструкционных металлов титан занимает по распространенности четвертое место, уступая только алюминию, железу и магнию. Однако еще недавно использование металлического титана и сплавов на его основе не имело перспектив, так как не было промышленных способов получения ковкого материала. Рассматриваются вопросы истории открытия и изучения титана, его распространенности в космосе и на Земле, рассказывается о технологии получения титана и его соединений, о свойствах и об использовании человеком, о перспективах его применения в будущем.

• титан;
• чистый титан;
• титановая губка;
• свойства титана
• сплавы титана;
• применение титана.

1. Зубков Л.Б. Космический металл. Все о титане. / М.: Наука, 1987. 128 с.
2. http://ru.wikipedia.org/wiki/%CC%E0%F0%F2%E8%ED_%CA%EB%E0%EF
3. Еременко В.Н. Титан и его сплавы./ Издательство академии наук Украинской ССР: Киев, 1960. 499с.
4. http://www.argonik.ru/articles/18
5. Б.А. Колачев, В.И. Елагин, В.А. Ливанов. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. Учебник для вузов. М.: «МИСИС», 1999.–416 с.
6. http://www.protown.ru/information/hide/5615.html 7. «Металлургический бюллетень»(№ 8) http://www.metalbulletin.ru/

ПОДЕЛИСЬ ИНТЕРЕСНОЙ ИНФОРМАЦИЕЙ

Титан (Ti) | АМЕРИКАНСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ®

РАЗДЕЛ 1. ИДЕНТИФИКАЦИЯ

Наименование продукта: Металлический титан

Номер продукта: Все применимые коды продуктов American Elements, например ТИ-М-02, ТИ-М-03, ТИ-М-04, ТИ-М-05

CAS #: 7440-32-6

Соответствующие установленные области применения вещества: Научные исследования и разработки

Информация о поставщике:
American Elements
1093 Broxton Ave.Suite 2000
Лос-Анджелес, CA

Тел .: +1 310-208-0551
Факс: +1 310-208-0351

Телефон экстренной помощи:
Внутренний, Северная Америка +1 800-424-9300
Международный +1 703-527-3887

РАЗДЕЛ 2. ИДЕНТИФИКАЦИЯ ОПАСНОСТИ

Классификация вещества или смеси
Классификация в соответствии с Регламентом (ЕС) № 1272/2008
Вещество не классифицируется как опасное для здоровья или окружающей среды в соответствии с Регламентом CLP.
Классификация в соответствии с Директивой 67/548 / EEC или Директивой 1999/45 / EC
Неприменимо
Информация, касающаяся особых опасностей для человека и окружающей среды:
Информация отсутствует.
Опасности, не классифицированные иным образом.
Информация отсутствует.
Элементы маркировки
Маркировка в соответствии с Регламентом (ЕС) № 1272/2008
Неприменимо
Пиктограммы опасности
Неприменимо
Сигнальное слово
Неприменимо
Формулировки опасности
Неприменимо
Классификация WHMIS
Не контролируется
Система классификации
Рейтинги HMIS (шкала 0-4)
(Система идентификации опасных материалов)
ЗДОРОВЬЕ
ПОЖАР
РЕАКТИВНОСТЬ
1
1
1
Здоровье (острые эффекты) = 1
Воспламеняемость = 1
Физическая опасность = 1
Другие опасности
Результаты оценки PBT и vPvB
PBT:
Не применимо.
vPvB:
Не применимо.

РАЗДЕЛ 3. СОСТАВ / ИНФОРМАЦИЯ ОБ ИНГРЕДИЕНТАХ

Химические характеристики: Вещества
Номер CAS Описание:
7440-32-6 Титан
Идентификационный номер (а):
Номер ЕС:
231-142-3

РАЗДЕЛ 4. ПЕРВАЯ ПОМОЩЬ

Описание мер первой помощи
При вдыхании
Обеспечить свежий воздух. При необходимости сделайте искусственное дыхание. Держите пациента в тепле.
Немедленно обратитесь за медицинской помощью.
При попадании на кожу
Немедленно промыть водой с мылом и тщательно сполоснуть.
Немедленно обратитесь за медицинской помощью.
При контакте с глазами
Промыть открытый глаз под проточной водой в течение нескольких минут. Тогда обратитесь к врачу.
После проглатывания
Обратитесь за медицинской помощью.
Информация для врача
Наиболее важные симптомы и воздействия, как острые, так и замедленные
Отсутствует какая-либо соответствующая информация.
Указание на необходимость немедленной медицинской помощи и специального лечения
Отсутствует какая-либо соответствующая информация.

РАЗДЕЛ 5. МЕРЫ ПОЖАРОТУШЕНИЯ

Средства пожаротушения
Надлежащие средства тушения
Специальный порошок для металлических пожаров. Не используйте воду.
Средства пожаротушения непригодны из соображений безопасности
Вода
Особые опасности, исходящие от вещества или смеси
При пожаре могут образоваться следующие вещества:
Дым оксида металла
Рекомендации для пожарных
Защитное снаряжение:
Самостоятельно носить содержал респиратор.
Надеть полностью защитный непромокаемый костюм.

РАЗДЕЛ 6. МЕРЫ ПРИ СЛУЧАЙНОМ ВЫБРОСЕ

Меры по обеспечению личной безопасности, защитное снаряжение и порядок действий в чрезвычайной ситуации
Надеть защитное снаряжение. Не подпускайте незащищенных людей.
Обеспечьте соответствующую вентиляцию.
Меры по защите окружающей среды:
Не допускайте попадания материала в окружающую среду без соответствующих правительственных разрешений.
Не допускать попадания продукта в канализацию или водоемы.
Не допускать проникновения в землю / почву.
Методы и материалы для локализации и очистки:
Собирать механически.
Предотвращение вторичных опасностей:
Никаких специальных мер не требуется.
Ссылка на другие разделы.
См. Раздел 7 для получения информации о безопасном обращении.
См. Раздел 8 для получения информации о средствах индивидуальной защиты.
См. Раздел 13 для получения информации об утилизации.

РАЗДЕЛ 7. ОБРАЩЕНИЕ И ХРАНЕНИЕ

Обращение
Меры предосторожности при обращении
Хранить контейнер плотно закрытым.
Хранить в сухом прохладном месте в плотно закрытой таре.
Сведения о защите от взрывов и пожаров:
Информация отсутствует.
Условия безопасного хранения с учетом несовместимости
Хранение
Требования, предъявляемые к складским помещениям и таре:
Особых требований нет.
Информация о хранении в одном общем хранилище:
Хранить вдали от окислителей.
Хранить вдали от галогенов.
Хранить вдали от галоидоуглеродов.
Хранить вдали от минеральных кислот.
Дополнительная информация об условиях хранения:
Хранить емкость плотно закрытой.
Хранить в прохладных, сухих условиях в хорошо закрытых емкостях.
Особые виды конечного использования
Отсутствует какая-либо соответствующая информация.

РАЗДЕЛ 8. КОНТРОЛЬ ВОЗДЕЙСТВИЯ / ЛИЧНАЯ ЗАЩИТА

Дополнительная информация о конструкции технических систем:
Правильно работающий вытяжной шкаф для химических веществ, предназначенный для опасных химикатов и имеющий среднюю скорость движения не менее 100 футов в минуту.
Параметры контроля
Компоненты с предельными значениями, требующие контроля на рабочем месте:
Продукт не содержит каких-либо значимых количеств материалов с критическими значениями
, которые необходимо контролировать на рабочем месте.
Дополнительная информация:
Нет данных
Контроль воздействия
Средства индивидуальной защиты
Общие меры защиты и гигиены
Следует соблюдать обычные меры предосторожности при обращении с химическими веществами.
Хранить вдали от продуктов питания, напитков и кормов.
Немедленно снимите всю грязную и загрязненную одежду.
Мыть руки перед перерывами и по окончании работы.
Поддерживайте эргономичную рабочую среду.
Дыхательное оборудование:
При высоких концентрациях использовать подходящий респиратор.
Защита рук:
Непроницаемые перчатки
Проверяйте защитные перчатки перед каждым использованием на предмет их надлежащего состояния.
Выбор подходящих перчаток зависит не только от материала, но и от качества. Качество будет варьироваться от производителя к производителю.
Время проницаемости материала перчаток (в минутах)
Не определено
Защита глаз:
Защитные очки
Защита тела:
Защитная рабочая одежда

РАЗДЕЛ 9. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Информация об основных физических и химических свойствах
Общая информация
Внешний вид:
Форма: Твердое вещество в различных формах
Цвет: Темно-серый
Запах: Без запаха
Порог запаха: Не определено.
Значение pH: Не применимо.
Изменение состояния
Точка плавления / интервал плавления: 1668 ° C (3034 ° F)
Точка кипения / интервал кипения: 3277 ° C (5931 ° F)
Температура сублимации / начало: Не определено
Воспламеняемость (твердое, газообразное)
Не определено.
Температура возгорания: Не определено.
Температура разложения: Не определено.
Самовоспламенение: Не определено.
Взрывоопасность: Не определено.
Пределы взрываемости:
Нижний: Не определено
Верхнее: Не определено
Давление пара: Не применимо.
Плотность при 20 ° C (68 ° F): 4,506 г / см³ (37,603 фунта / галлон)
Относительная плотность
Не определено.
Плотность пара
Не применимо.
Скорость испарения
Не применимо.
Растворимость в / Смешиваемость с водой: Нерастворимо
Коэффициент распределения (н-октанол / вода): Не определено.
Вязкость:
динамическая: Не применимо.
кинематическая: не применимо.
Другая информация
Отсутствует какая-либо соответствующая информация.

РАЗДЕЛ 10. СТАБИЛЬНОСТЬ И РЕАКЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ

Реакционная способность
Информация отсутствует.
Химическая стабильность
Стабилен при соблюдении рекомендуемых условий хранения.
Термическое разложение / условия, которых следует избегать:
Разложение не происходит при использовании и хранении в соответствии со спецификациями.
Возможность опасных реакций
Об опасных реакциях не известно
Условия, которых следует избегать
Отсутствует какая-либо соответствующая информация.
Несовместимые материалы:
Окисляющие вещества
Галогены
Галоидоуглероды
Минеральные кислоты
Опасные продукты разложения:
Пары оксидов металлов

РАЗДЕЛ 11.ТОКСИКОЛОГИЧЕСКАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Информация о токсикологическом воздействии
Острая токсичность:
Эффекты неизвестны.
Значения LD / LC50, имеющие отношение к классификации:
Нет данных
Раздражение или разъедание кожи:
Может вызывать раздражение
Раздражение или разъедание глаз:
Может вызывать раздражение
Сенсибилизация:
Сенсибилизирующие эффекты неизвестны.
Мутагенность зародышевых клеток:
Эффекты неизвестны.
Канцерогенность:
Нет данных о классификации канцерогенных свойств этого материала от EPA, IARC, NTP, OSHA или ACGIH.
Реестр токсических эффектов химических веществ (RTECS) содержит данные о онкогенных, канцерогенных и / или опухолевых заболеваниях для этого вещества.
Репродуктивная токсичность:
Реестр токсических эффектов химических веществ (RTECS) содержит репродуктивные данные для этого вещества.
Специфическая системная токсичность, поражающая отдельные органы-мишени – многократное воздействие:
Эффекты неизвестны.
Специфическая системная токсичность, поражающая отдельные органы-мишени – однократное воздействие:
Эффекты неизвестны.
Опасность при вдыхании:
Воздействие неизвестно.
От подострой до хронической токсичности:
Эффекты неизвестны.
Дополнительная токсикологическая информация:
Насколько нам известно, острая и хроническая токсичность этого вещества полностью не изучена.

РАЗДЕЛ 12. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Токсичность
Токсичность для водной среды:
Отсутствует какая-либо соответствующая информация.
Стойкость и разлагаемость
Отсутствует какая-либо соответствующая информация.
Способность к биоаккумуляции
Отсутствует какая-либо соответствующая информация.
Подвижность в почве
Отсутствует какая-либо соответствующая информация.
Дополнительная экологическая информация:
Общие примечания:
Не допускайте попадания материала в окружающую среду без соответствующих правительственных разрешений.
Избегать попадания в окружающую среду.
Результаты оценки PBT и vPvB
PBT:
Не применимо.
vPvB:
Не применимо.
Другие побочные эффекты
Отсутствует какая-либо соответствующая информация.

РАЗДЕЛ 13. УТИЛИЗАЦИЯ

Методы обработки отходов
Рекомендация
Проконсультируйтесь с государственными, местными или национальными нормативными актами, чтобы обеспечить надлежащую утилизацию.
Неочищенная тара:
Рекомендация:
Утилизация должна производиться в соответствии с официальными предписаниями.

РАЗДЕЛ 14. ТРАНСПОРТНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Номер ООН
DOT, ADN, IMDG, IATA
Неприменимо
Собственное транспортное наименование ООН
DOT, ADN, IMDG, IATA
Неприменимо
Класс (ы) опасности при транспортировке
DOT, ADR, ADN, IMDG, Класс IATA

Неприменимо
Группа упаковки
DOT, IMDG, IATA
Неприменимо
Опасности для окружающей среды: Неприменимо.
Особые меры предосторожности для пользователя
Не применимо.
Транспортировка наливом в соответствии с Приложением II MARPOL73 / 78 и Кодексом IBC
Не применимо.
Транспорт / Дополнительная информация: DOT
Морской загрязнитель (DOT): №

РАЗДЕЛ 15. НОРМАТИВНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Нормативы / законодательные акты по безопасности, охране здоровья и окружающей среды, относящиеся к веществу или смеси
Национальные правила
Все компоненты этого продукта перечислены в Реестре химических веществ Агентства по охране окружающей среды США по контролю за токсичными веществами.
Все компоненты этого продукта занесены в Канадский список отечественных веществ (DSL).
SARA Раздел 313 (списки конкретных токсичных химикатов)
Вещество не указано.
California Proposition 65
Prop 65 – Химические вещества, вызывающие рак.
Вещество не перечислено.
Prop 65 – Токсичность для развития
Вещество не указано.
Prop 65 – Токсичность для развития, женщины
Вещество не указано.
Prop 65 – Токсичность для развития, мужчины
Вещество не указано.
Информация об ограничении использования:
Для использования только технически квалифицированными специалистами.
Другие постановления, ограничения и запретительные постановления
Вещество, вызывающее особую озабоченность (SVHC) в соответствии с Регламентом REACH (EC) № 1907/2006.
Вещества нет в списке.
Должны соблюдаться условия ограничений согласно Статье 67 и Приложению XVII Регламента (ЕС) № 1907/2006 (REACH) для производства, размещения на рынке и использования.
Вещества нет в списке.
Приложение XIV Правил REACH (требуется разрешение на использование)
Вещество не указано.
REACH – Вещества, прошедшие предварительную регистрацию.
Вещество внесено в список.
Оценка химической безопасности:
Оценка химической безопасности не проводилась.

16. ПРОЧАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Паспорт безопасности в соответствии с Регламентом (ЕС) № 1907/2006 (REACH). Вышеприведенная информация считается правильной, но не претендует на исчерпывающий характер и должна использоваться только в качестве руководства.Информация в этом документе основана на текущем уровне наших знаний и применима к продукту с учетом соответствующих мер безопасности. Это не является гарантией свойств продукта. American Elements не несет ответственности за любой ущерб, возникший в результате обращения или контакта с вышеуказанным продуктом. Дополнительные условия продажи см. На обратной стороне счета-фактуры или упаковочного листа. АВТОРСКИЕ ПРАВА 1997-2016 AMERICAN ELEMENTS. ЛИЦЕНЗИОННЫМ ДАННЫМ РАЗРЕШЕНО ИЗГОТОВЛЕНИЕ НЕОГРАНИЧЕННЫХ КОПИЙ БУМАГИ ТОЛЬКО ДЛЯ ВНУТРЕННЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ.

История Разработки и приложения | Центр обработки титана

Обзор титана

Титан играл важную роль в мировой истории с середины 20 века до наших дней. Он был обнаружен в 1700-х годах, производился в небольших количествах до конца 1800-х годов и, наконец, был запущен в коммерческое производство после того, как был разработан процесс Кролла, и военные разных стран начали понимать его важность.

История