Титан

Титан. Загальні відомості.

Відкритий в 1789 р Клапротом титан довгий час не знаходив практичного застосування через його крихкості. Отриманий в 1925 р Ван Аркелем і де Буром іодідним методом найчистіший титан виявився пластичним і технологічним металом з багатьма цінними властивостями, які привернули до нього увагу широкого кола конструкторів і інженерів. У 1940 р Кролль запропонував магнієтермічеський спосіб вилучення титану з руд, який є основним і в даний час. Перша промислова партія масою 2 т була отримана в 1948 р, і цей рік вважається початком практичного застосування титану. Світове виробництво (без СРСР) склало 2100 т в 1953 р, 22000 т в 1966 р, 55000 т в 1981 р і приблизно 44000 т в 1988 р, 66000 т в 1996 р, 42000 т в 2002 р

Виробництво титану в нашій країні почалося в 1950 р і наростало досить швидко. У 1960-1990 рр. в СРСР було створено найбільше в світі виробництво титану. В кінці 80-х років обсяг промислового виробництва в СРСР перевищував обсяг його виробництва в усіх інших країнах світу, разом узятих. С1990 р виробництво титану в нашій країні почало скорочуватися і в 1993 р загальний випуск титанової губки склав трохи більше 30% випуску 1989 р. В наступні роки виробництво титану в Росії скоротилося в ще більшому ступені через зменшення випуску, головним чином, авіаційної техніки. Слід зазначити, що в цей період відбувалося істотне зниження обсягу виробництва злитків і прокату в США і Японії, хоча і не настільки сильне, як у нас. Разом з тим немає сумнівів в тому, що цей спад виробництва носить тимчасовий характер, оскільки титан і його сплави за багатьма показниками перевершують інші матеріали.

Титан має малу щільністю, великою питомою міцністю, надзвичайно високу корозійну стійкість, значною міцністю при підвищених температурах. Титан - цінний матеріал в тих галузях техніки, де виграш в масі грає домінуючу роль, зокрема, в ракетобудуванні і авіації. Застосування титанових сплавів в авіаційній і ракетній техніці найдоцільніше в інтервалі температур 250 ... 600 ° С, коли легкі алюмінієві і магнієві сплави вже не можуть працювати, а стали і нікелеві сплави поступаються їм по питомій міцності. Завдяки високій корозійної стійкості в багатьох хімічно активних середовищах титан має великі перспективи застосування в хімічній промисловості та на підприємствах первинної металургії.

Важливе значення має також велика поширеність титану в природі. У земній корі міститься близько 0,60% титану. Серед конструкційних металів титан по поширеності займає четверте місце, поступаючись лише алюмінію, заліза і магнію.

До недоліків титану слід віднести:

високу вартість виробництва;
активна взаємодія титану при високих температурах, особливо в рідкому стані, з усіма газами атмосфери;
труднощі залучення у виробництво титанових відходів;
невисокі антифрикційні властивості, обумовлені налипанням титану на багато матеріалів;
високу схильність титану і багатьох його сплавів до водневої крихкості і сольовий корозії;
погану оброблюваність титану різанням, аналогічну оброблюваності нержавіючих сталей аустенітного класу.

Між стружкою титану і інструментом є дуже невелика контактна поверхня, в результаті чого в зоні різання виникають високі питомі тиску і температури. До того ж титан має дуже низьку теплопровідність, що утрудняє відведення тепла із зони різання. В результаті титан легко налипає на інструмент і швидко зношує його.

При зварюванні титану виникають труднощі, зумовлені його великою хімічною активність, схильністю до зростання зерна при високій температурі і фазовими перетвореннями при зварювальному циклі. При зварюванні необхідно захищати від взаємодії з газами не тільки розплавлений метал шва, але і все сильно нагріті частини. Незважаючи на ці труднощі, в даний час успішно застосовують дугове зварювання в атмосфері аргону, електроннопроменеві зварювання і контактні методи зварювання.Тітанові сплави в промисловому масштабі вперше були використані в конструкціях авіаційно реактивних двигунів. Застосування титану в конструкції реактивних двигунів дозволяє зменшити їх масу на 10 ... 25%. Зокрема, з титанових сплавів виготовляють диски і лопатки компресора, деталі повітро-заборника, направляючого апарату і кріпильні вироби.

Титановий прокат титановий лист титанова плита титанова труба титановий пруток титановий дріт в літакових конструкціях застосовують в двох основних напрямках:

як матеріали, що володіють більш високими питомними характеристиками в порівнянні з алюмінієвими сплавами і сталями в звичайних навколозвукових літаках;
як матеріали для надзвукових літаків, коли алюмінієві сплави стають непрацездатними, а стали не можуть конкурувати з титановими сплавами через меншої питомної міцності.

За питомими характеристиками, особливо по питомій межі витривалості, титанові сплави перевершують інші матеріали. Тому заміна алюмінієвих сплавів і сталей на титанові сплави дозволяє зменшити масу літакових конструкцій і отримати більш високі ресурсні характеристики.

Зростання швидкостей польоту літальних апаратів привів до підвищення температури обшивки, в результаті чого алюмінієві сплави перестали задовольняти вимогам, які пред'являються авіаційну техніку надзвукових швидкостей, у літака, що літає на висоті 20 км при швидкості, що дорівнює трьом швидкостям звуку (3 М). Температура обшивки в цьому випадку досягає 246 ... 316 ° С. У цих умовах найбільш прийнятним матеріалом виявилися титанові сплави.

Титановий прокат (титановий лист титанова плита титанова труба титановий пруток титановий дріт) використовують для виготовлення обшивки, деталей кріплення, силового набору, деталей шасі, різних агрегатів. У 70-х роках XX століття істотно зросло застосування титанових сплавів для планера цивільних літаків. Зокрема, титанові сплави використані в конструкції першого в світі надзвукового пасажирського радянського лайнера ТУ-144. У сьогодення титанові сплави застосовуються в тій чи іншій мірі практично у всіх літаках цивільної та військової авіації. У літаку ІЛ-71 з титанового сплаву ВТ22 виготовлена траверса шасі, шпангоут, монолітний лонжерон. Застосування титанового сплаву ВТ22 в шасі літаків ІЛ-86 і ІЛ-96-300 дало економію 250 кг при загальній масі 1,2 т. У далекомагістральних літаків ІЛ-96-300 з титанових сплавів виготовлені вузли шасі, стінки силових шпангоутів, силові кронштейни фюзеляжу, деталі кріплення та інші деталі, у цьому літаку маса титанових деталей становить 5438 кг.

У середньомагістральних літаків ТУ-204 загальна маса деталей і титанових сплавів складає 2570 кг.

Застосування великогабаритних штамповок і плит з титанових сплавів для виготовлення високонавантажених деталей планера літака ТУ-204 призвело до зниження їх маси на 175 кг. Використання титанових сплавів у вузлах і деталях різних систем забезпечило економію маси 600 кг. Найбільший виграш в масі досягається заміною деталей кріплення зі сталі на кріплення зі сплаву ВТ16, і дає економію в 688 кг. Поступово розширюється застосування титану в вертольотах, головним чином для деталей системи несучого гвинта, приводу, а також для системи управління. Важливе місце займають титанові сплави в ракетобудуванні. Слід зазначити, що в ракетобудуванні зважаючи на короткочасні роботи двигунів і швидкого проходження щільних шарів атмосфери значною мірою знімаються проблеми втомної міцності, статичної витривалості і частково, повзучості.

Завдяки високої корозійної стійкості в морській воді титан титановий прокат (титановий лист, титанова плита, титанова труба, титановий пруток, титановий дріт) знаходять застосування в суднобудуванні для виготовлення гребних гвинтів, обшивки морських суден, підводних човнів, торпед і т.д. На титан і його сплави НЕ налипають черепашки, які різко підвищують опір судна при його русі. Титан і його сплави, особливо ВТ5- 1кт, застосовуються у кріогенній техніці.

Титанові сплави відрізняються поєднанням ряду цінних властивостей, перспективні для застосування в багатьох областях сучасної техніки висока вартість твань його сплавів в багатьох випадках компенсується їх більшою працездатністю, а в деяких випадках вони є єдиним матеріалом, з якого можна виготовити обладнання або конструкції, здатні працювати в даних конкретних умовах.

Титанові сплави широко застосовують в авіаційній техніці.

Титан і його сплави застосовують у хімічній, нафтохімічній, целюлозно-паперовій і харчовій промисловості, у кольоровій металургії, енергомашинобудування, електроніці, ядерній техніці, гальванотехниці, при виробництві озброєння, для виготовлення броньових плит, опріснювальних установок, деталей гоночних автомобілів, спортінвентарю (ключки для гольфу), деталей ручних годиників і навіть прикрас. Азотування титану призводить до утворення його поверхні золотистої плівки, по красі не поступається справжньому золоту.

Завдяки високій стійкості до сонячної радіації і впливу атмосфери, навіть в умовах жаркого вологого морського клімату, титан і його сплави вважають видатним архітектурно-будівельним матеріалом. При цьому важливе значення має та обставина, що титан володіє найближчим з «будівельних» металів коефіцієнтом лінійного термічного розширення по відношенню до аналогічної характеристики скла, бетону, цегли і каменю. Тому титановий прокат (титановий лист, титанова плита, титанова труба, титановий пруток, титановий дріт) застосовують в будівництві і архітектурі для виготовлення зовнішньої обшивки, перегородок, покриття дахів, облицювання колон, козирків, навісів, внутрішнього оздоблення будівель, а також для монументальної архітектури . У Москві з титанових сплавів виготовлені два монументальних пам'ятника: на честь запуску першого штучного супутника Землі і першого космонавта Ю.А. Гагаріна.

Титан є найкращим матеріалом, біологічно сумісним з тканинами людини. Тому титан широко застосовується в медицині для виготовлення різного роду хірургічних імплантатів (протезів суглобів, стоматологічних коронок і мостів, пластин і т.д.), а також хірургічного інструменту (скальпелів, пінцетів і т.п.) і медичної апаратури (центрифуг сепарації крові ).

<< Назад