Титан

Титан. Общие сведения.

Открытый в 1789 г. Клапротом титан долгое время не находил практического применения из-за его хрупкости. Полученный в 1925 г. Ван Аркелем и де Буром иодидным методом чистейший титан оказался пластичным и технологичным металлом со многими ценными свойствами, которые привлекли к нему внимание широкого круга конструкторов и инженеров. В 1940 г. Кролль предложил магниетермический способ извлечения титана из руд, который является основным и в настоящее время. Первая промышленная партия массой 2 т была получена в 1948 г., и этот год считается началом практического применения титана. Мировое производство (без СССР) составило 2100 т в 1953 г., 22000 т в 1966 г., 55000 т в 1981 г. и примерно 44000 т в 1988 г., 66000 т в 1996 г., 42000 т в 2002 г.

Производство титана в нашей стране началось в 1950 г. и нарастало довольно быстро. В 1960-1990 гг. в СССР было создано крупнейшее в мире производство титана . В конце 80-х годов объем промышленного производства в СССР превышал объем его производства во всех остальных странах мира, вместе взятых. С1990 г. производство титана в нашей стране начало сокращаться и в 1993 г. общий выпуск титановой губки составил немногим более 30% выпуска 1989 г. В последующие годы производство титана в России сократилось в еще большей степени из-за уменьшения выпуска, главным образом, авиационной техники. Следует отметить, что в этот период происходило существенное снижение объема производства слитков и проката в США и Японии, хотя и не столь сильное, как у нас. Вместе с тем нет сомнений в том, что этот спад производства носит временный характер, поскольку титан и его сплавы по многим показателям превосходят другие материалы.

Титан обладает малой плотностью, большой удельной прочностью, необычайно высокой коррозионной стойкостью, значительной прочностью при повышенных температурах. Титан — ценный материал в тех отраслях техники, где выигрыш в массе играет доминирующую роль, в частности, в ракетостроении и авиации. Применение титановых сплавов в авиационной и ракетной технике наиболее целесообразно в интервале температур 250...600 °С, когда легкие алюминиевые и магниевые сплавы уже не могут работать, а стали и никелевые сплавы уступают им по удельной прочности. Благодаря высокой коррозионной стойкости во многих химически активных средах титан имеет большие перспективы применения в химической промышленности и на предприятиях первичной металлургии.

Важное значение имеет также большая распространенность титана в природе. В земной коре содержится около 0,60% титана. Среди конструкционных металлов титан по распространенности занимает четвертое место, уступая лишь алюминию, железу и магнию.

К недостаткам титана следует отнести:

высокую стоимость производства;
активное взаимодействие титана при высоких температурах, особенно в жидком состоянии, со всеми газами атмосферы;
трудности вовлечения в производство титановых отходов;
невысокие антифрикционные свойства, обусловленные налипанием титана на многие материалы;
высокую склонность титана и многих его сплавов к водородной хрупкости и солевой коррозии;
плохую обрабатываемость титана резанием, аналогичную обрабатываемости нержавеющих сталей аустенитного класса.

Между стружкой титана и инструментом имеется очень небольшая контактная поверхность, в результате чего в зоне резания возникают высокие удельные давления и температуры. К тому же титан обладает очень низкой теплопроводностью, что затрудняет отвод тепла из зоны резания. В результате титан легко налипает на инструмент и быстро изнашивает его.

При сварке титана возникают трудности, обусловленные его большой химической активностью, склонностью к росту зерна при высокой температуре и фазовыми превращениями при сварочном цикле. При сварке необходимо защищать от взаимодействия с газами не только расплавленный металл шва, но и все сильно нагретые части. Несмотря на эти трудности, в настоящее время успешно применяют дуговую сварку в атмосфере аргона, электроннолучевую сварку и контактные методы сварки.Титановые сплавы в промышленном масштабе впервые были использованы в конструкциях авиационных реактивных двигателей. Применение титана в конструкции реактивных двигателей позволяет уменьшить их массу на 10...25%. В частности, из титановых сплавов изготавливают диски и лопатки компрессора, детали воздухо-заборника, направляющего аппарата и крепежные изделия.

Титановый прокат титановый лист титановая плита титановая труба титановый пруток титановая проволока в самолетных конструкциях применяют в двух основных направлениях:

как материалы, обладающие более высокими удельными характеристиками по сравнению с алюминиевыми сплавами и сталями в обычных околозвуковых самолетах;
как материалы для сверхзвуковых самолетов, когда алюминиевые сплавы становятся неработоспособными, а стали не могут конкурировать с титановыми сплавами из-за меньших удельных прочностных характеристик.

По удельным характеристикам, особенно по удельному пределу выносливости, титановые сплавы превосходят другие материалы. Поэтому замена алюминиевых сплавов и сталей на титановые сплавы позволяет уменьшить массу самолетных конструкций и получить более высокие ресурсные характеристики.

Рост скоростей полета летательных аппаратов привел к повышению температуры обшивки, в результате чего алюминиевые сплавы перестали удовлетворять требованиям, которые предъявляются авиационной техникой сверхзвуковых скоростей, у самолета, летающего на высоте 20 км при скорости, равной трем скоростям звука (3 М). Температура обшивки в этом случае достигает 246...316 °С. В этих условиях наиболее приемлемым материалом оказались титановые сплавы.

Титановый прокат (титановый лист титановая плита титановая труба титановый пруток титановая проволока) используют для изготовления обшивки, деталей крепления, силового набора, деталей шасси, различных агрегатов. В 70-х годах XX века существенно возросло применение титановых сплавов для планера гражданских самолетов. В частности, титановые сплавы использованы в конструкции первого в мире сверхзвукового пассажирского советского лайнера ТУ-144. В настоящее врем титановые сплавы применяются в той или иной степени практически во всех самолетах гражданской и военной авиации. В самолете ИЛ-71 из титанового сплава ВТ22 изготовлена траверса шасси, шпангоут, монолитный лонжерон. Применение титанового сплава ВТ22 в шасси самолетов ИЛ-86 и ИЛ-96-300 дало экономию 250 кг при общей массе 1,2 т. В дальнемагистральном самолете ИЛ-96-300 из титановых сплавов изготовлены узлы шасси, стенки силовых шпангоутов, силовые кронштейны фюзеляжа, детали крепления и другие детали, I этом самолете масса титановых деталей составляет 5438 кг.

В среднемагистральном самолете ТУ-204 общая масса деталей и титановых сплавов составляет 2570 кг.

Применение крупногабаритных штамповок и плит из титановых сплавов для изготовления высоконагруженных деталей планера самолета ТУ-204 привело к снижению их массы на 175 кг. Использование титановых сплавов в узлах и деталях различных систем обеспечило экономию массы 600 кг. Наибольший выигрыш в массе достигается заменой деталей крепления из стали на крепеж из сплава ВТ16, и дает экономию в 688 кг. Постепенно расширяется применение титана в вертолетах, главным образом для деталей системы несущего винта, привода, а также для системы управления. Важное место занимают титановые сплавы в ракетостроении. Следует отметить, что в ракетостроении ввиду кратковременной работы двигателей и быстрого прохождения плотных слоев атмосферы в значительной мере снимаются проблемы усталостной прочности, статической выносливости и отчасти, ползучести.

Благодаря высокой коррозионной стойкости в морской воде титан титановый прокат (титановый лист, титановая плита, титановая труба, титановый пруток, титановая проволока) находят применение в судостроении для изготовления гребных винтов, обшивки морских судов, подводных лодок, торпед и т.д. На титан и его сплавы не налипают ракушки, которые резко повышают сопротивление судна при его движении. Титан и его сплавы, особенно ВТ5- 1кт, применяются в криогенной технике.

Титановые сплавы отличающиеся сочетанием ряда ценных свойств, перспективны для применения во многих областях современной техники высокая стоимость тина его сплавов во многих случаях компенсируется их большей работоспособностью, а в некоторых случаях они являются единственным материалом, из которого можно изготовить оборудование или конструкции, способные работать в данных конкретных условиях.

Титановые сплавы широко применяют в авиационной технике.

Титан и его сплавы применяют в химической, нефтехимической, целлюлозно-бумажной и пищевой промышленности, в цветной металлургии, энергомашиностроении, электронике, ядерной технике, гальванотехнике, при производстве вооружения, для изготовления броневых плит, опреснительных установок, деталей гоночных автомобилей, спортинвентаря (клюшки для гольфа), деталей ручных часов и даже украшений. Азотирование титана приводит к образованию его поверхности золотистой пленки, по красоте не уступающей настоящему золоту.

Благодаря высокой стойкости к солнечной радиации и воздействию атмосферы, даже в условиях жаркого влажного морского климата, титан и его сплавы считают выдающимся архитектурно-строительным материалом. При этом важное значение имеет то обстоятельство, что титан обладает самым близким из «строительных» металлов коэффициентом линейного термического расширения по отношению к аналогичной характеристике стекла, бетона, кирпича и камня. Поэтому титановый прокат ( титановый лист ,титановая плита ,титановая труба, титановый пруток ,титановая проволока) применяют в строительстве и архитектуре для изготовления наружной обшивки, перегородок, покрытия крыш, облицовки колонн, козырьков, навесов, внутренней отделки зданий, а также для монументальной архитектуры. В Москве из титановых сплавов изготовлены два монументальных памятника: в честь запуска первого искусственного спутника Земли и первого космонавта Ю.А. Гагарина.

Титан является наилучшим материалом, биологически совместимым с тканями человека. Поэтому титан широко применяется в медицине для изготовления различного рода хирургических имплантантов (протезов суставов, стоматологических коронок и мостов, пластин и т.д.), а также хирургического инструмента (скальпелей, пинцетов и т.п.) и медицинской аппаратуры (центрифуг сепарации крови).

<< Назад