Титановые сплавы

Свойства и характеристики

Физические качества вещества сильно зависят от чистоты. Справочные данные описывают, конечно, чистый металл, но характеристики технического титана могут заметно отличаться.

  • Плотность металла уменьшается при нагревании от 4,41 до 4,25 г/куб см. Фазовый переход изменяет плотность лишь на 0,15%.
  • Температура плавления металла – 1668 С. температуру кипения – 3227 С. Титан является тугоплавким веществом.
  • В среднем предел прочности на растяжение составляет 300–450 МПа, однако это показатель можно увеличить до 2000 МПА, прибегнув к закалке и старению, а также введению дополнительных элементов.
  • По шкале НВ твердость составляет 103 и это не предел.
  • Теплоемкость титана невелика – 0,523 кдж/(кг·К).
  • Удельное электросопротивление — 42,1·10-6 ом·см.
  • Титан является парамагнитом. При снижении температуры его магнитная восприимчивость уменьшается.
  • Металлу в целом свойственны пластичность и ковкость. Однако на эти свойства сильно влияют кислород и азот в сплаве. Оба элемента придают материалу хрупкость.

Вещество устойчиво ко многим кислотам, включая азотную, серную в низкой концентрации и практически все органические за исключением муравьиной. Это качество обеспечивает титану востребованность в химической, нефтехимической, бумажной промышленности и так далее.

Интерметаллические сплавы титана

Сегодня увеличивается потребность в принципиально новых конструкционных материалах. Например, упрочненные жаропрочные сплавы уже не могут в полной мере удовлетворить требованиям авиакосмической техники. Из интерметаллических сплавов титана наиболее широкое применение нашли:

  • никелиды Ti₂Ni, TiNi, TiNi₃. Наиболее известен нитинол — сплав титана и никеля, который обладает высокой стойкостью к коррозии и эрозии, свойством памяти формы;
  • силициды Ti₃Si, Ti₅Si₃, Ti₅Si₄, TiSi и TiSi₂. Хотя кремний считается вредной примесью, но он способен повышать жаропрочность и жаростойкость благодаря ограниченной растворимости;
  • бориды TiB₂. При сильном нагревании титан взаимодействует с элементарным бором и образует очень твердые сплавы, которые востребованы для защиты автомобильных деталей и механизмов аппаратов от абразивного износа, в металлургии в составе напыляемых порошков, в атомной промышленности для производства нейронопоглощающих экранов и боропластов, а также как компонент испарителей алюминия;
  • алюминиды Ti₂Al, TiAl и TiAl₃. Среди преимуществ можно выделить высокую температуру плавления, упругость, низкую плотность, возрастание предела текучести с повышением температуры, устойчивость к окислению и возгоранию, жаропрочность. Используют для изготовления аэрокосмических деталей нового поколения, в транспортном машиностроении, в газо- и нефтеперерабатывающих установках химпромышленности, а также в атомном машиностроении.

Термообработка титановых сплавов

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

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

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

Титан и его сплавы

Титановые сплавы классифицируют по:

  • технологическому назначению на литейные и деформируемые;
  • механическим свойствам – низкой (до 700 МПа), средней (700…1000 МПа) и высокой (более 1000 МПа) прочности;
  • эксплуатационным характеристикам – жаропрочные, химически стойкие и др.;
  • отношению к термической обработке – упрочняемые и неупрочняемые;
  • структуре (α-, α+β- и β-сплавы).

Деформируемые титановые сплавы по механической прочности выпускаются под марками:

  • низкой прочности — ВТ1;
  • средней прочности — ВТ3, ВТ4, ВТ5;
  • высокой прочности — ВТ6, ВТ14, ВТ15 (после закалки и старения).

Для литья применяются сплавы, аналогичные по составу деформируемым сплавам (ВТ5Л, ВТ14Л), а также специальные литейные сплавы.

Нахождение в природе

Титан находится на 10-м месте по распространённости в природе. Содержание в земной коре — 0,57 % по массе, в морской воде — 0,001 мг/л. В ультраосновных породах 300 г/т, в основных — 9 кг/т, в кислых 2,3 кг/т, в глинах и сланцах 4,5 кг/т. В земной коре титан почти всегда четырёхвалентен и присутствует только в кислородных соединениях. В свободном виде не встречается. Титан в условиях выветривания и осаждения имеет геохимическое сродство с Al2O3. Он концентрируется в бокситах коры выветривания и в морских глинистых осадках. Перенос титана осуществляется в виде механических обломков минералов и в виде коллоидов. До 30 % TiO2 по весу накапливается в некоторых глинах. Минералы титана устойчивы к выветриванию и образуют крупные концентрации в россыпях. Известно более 100 минералов, содержащих титан. Важнейшие из них: рутил TiO2, ильменит FeTiO3, титаномагнетит FeTiO3 + Fe3O4, перовскит CaTiO3, титанит (сфен) CaTiSiO5. Различают коренные руды титана — ильменит-титаномагнетитовые и россыпные — рутил-ильменит-цирконовые.

Бета-титан

Бета-титановые сплавы демонстрируют ОЦК- аллотропную форму титана (называемую бета). Элементы, используемые в этом сплаве, представляют собой один или несколько из следующих элементов, кроме титана в различных количествах. Это молибден , ванадий , ниобий , тантал , цирконий , марганец , железо , хром , кобальт , никель и медь .

Титановые сплавы обладают отличной формуемостью и легко поддаются сварке.

Бета-титан в настоящее время широко используется в ортодонтии и был принят в ортодонтии в 1980-х годах. Этот тип сплава заменил нержавеющую сталь для определенных целей, поскольку нержавеющая сталь преобладала в ортодонтии с 1960-х годов. Он имеет отношение прочности / модуля упругости почти в два раза по сравнению с аустенитной нержавеющей сталью 18-8, большие упругие прогибы пружин и пониженное усилие на единицу смещения в 2,2 раза ниже, чем у приборов из нержавеющей стали.

Некоторые из бета-титановых сплавов могут превращаться в твердый и хрупкий гексагональный омега-титан при криогенных температурах или под воздействием ионизирующего излучения.

Область применения

Магниевые сплавы обладают рядом полезных свойств, которые не обеспечивают другие материалы. Эти свойства обеспечивают широкое использование в промышленности:

  • хорошей переносимость низких, нормальных и высоких температур;
  • низкой плотностью;
  • высокой удельной прочностью;
  • способностью поглощать удары и вибрации;
  • хорошими показателями к обработке резанием.

Исходя из свойств, сплавы магния находят применение:

  • в производстве автомобилей – для создания деталей машин (картер, поддон);
  • самое основное применение — изготовление колёсных дисков;
  • в сельхозмашиностроении – для изготовления картеров двигателей, коробок передач, барабанов колёс;
  • в электротехнике и радиотехнике – для создания корпусов приборов и элементов электродвигателей;
  • в производстве оптических приборов – для изготовления корпусов биноклей, подзорных труб, фотоаппаратов;
  • в лёгкой промышленности – для изготовления бобин, шпулек, катушек;
  • в полиграфии – для изготовления матриц, клише, валиков; — в судостроении – для изготовления протекторов;
  • в авиастроении и ракетостроении – для изготовления деталей шасси, деталей управления, крыла, корпуса самолёта.

С развитием технологий сплавы магния получат дополнительные области применения. Тенденция к облегчению массы готовых изделий уже сейчас регулярно повышает интерес к этим сплавам. Если учитывать, насколько стремительными темпами развиваются робототехника, производство компьютеров, различных гаджетов, то можно понять, что потребность в магниевых марках металлов ограничится только количеством добываемого магния.

Термообработка титановых сплавов

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

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

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

Бета-титан

Бета-титан сплавы выставить BCC аллотропный форма титан (называется бета). Элементы, используемые в этом сплаве, представляют собой один или несколько из следующих элементов, кроме титана в различных количествах. Это молибден, ванадий, ниобий, тантал, цирконий, марганец, утюг, хром, кобальт, никель, и медь.

Титановые сплавы обладают отличной формуемостью и легко поддаются сварке.

Бета-титан в настоящее время широко используется в ортодонтический области и был принят для использования в ортодонтии в 1980-х годах. Этот тип сплава заменил нержавеющую сталь в некоторых случаях, поскольку нержавеющая сталь преобладала в ортодонтии с 1960-х годов. Он имеет отношение прочности / модуля упругости почти в два раза по сравнению с аустенитной нержавеющей сталью 18-8, большие упругие прогибы пружин и уменьшенное усилие на единицу смещения в 2,2 раза ниже, чем у приборов из нержавеющей стали.

Некоторые из бета-титана сплавы может превращаться в твердую и хрупкую шестиугольник омега-титан при криогенных температурах или под воздействием ионизирующего излучения.

Маркировка титановых сплавов

Существуют две кристаллографические формы титана, учитывающихся при маркировке:

  • Альфа-титан, в котором атомы расположены в кристаллической решетке;
  • бета-титан, в котором атомы расположены в кристаллической решетке с кубическим телом (BCC).

Чистый титан существует в форме альфа-фазы при температуре выше 883 C и в форме бета-фазы при температуре ниже 883 C.Температура аллотропического превращения альфа-титана в бета-титан называется температурой бета-трансуса. Легирующие элементы в ТС могут стабилизировать либо альфа-фазу, либо бета-фазу сплава.

Алюминий (Al), галлий (Ga), азот (N), кислород (O) стабилизируют альфа-фазу.

Молибден (Mo), ванадий (V), вольфрам (W), тантал (Ta), кремний (Si) стабилизируют вета-фазу.

Титановые сплавы подразделяются на четыре группы по фазовому составу:

  1. Коммерчески чистые и низколегированные ТС. Он состоит из зерен-фазы и дисперсных сфероидных частиц бета-фазы. Небольшие количества железа, присутствующие в сплавах, стабилизируют бета-фазу и обладает относительно низкой механической прочностью и хорошей коррозионной стойкостью.
  2. Титановые альфа сплавы состоят исключительно из альфа-фазы. Они содержат алюминий в качестве основного легирующего элемента, стабилизирующего альфа-фазу. Они имеют хорошую вязкость разрушения и сопротивление ползучести в сочетании с умеренной механической прочностью, которая сохраняется при повышенных температурах. Такие ТС легко свариваются, но их работоспособность в горячем состоянии оставляет желать лучшего.
  3. Титановые альфа-бета сплавы, содержат 4-6% стабилизаторов вета-фазы, поэтому они состоят из смеси обеих фаз. Сплавы альфа-вета подвергаются термообработке. Они имеют высокую механическую прочность и хорошую горячую форму. Сопротивление ползучести таких ТС ниже, чем у альфа-сплавов.
  4. Титановые бета-сплавы богаты вета-фазой. Они содержат значительное количество вета-фазных стабилизаторов, термически обрабатываемыедо очень высокой прочности и имеют хорошую форму в горячем состоянии. Пластичность и усталостная прочность этих ТС в условиях термообработки низкие.

Титановые сплавы обозначаются согласно их составам:

  • Ti-5Al-2.5Sn идентифицирует титановый сплав, содержащий 5% алюминия и 2,5% олова.
  • Ti-6Al-4V идентифицирует Ti-сплав, содержащий 6% алюминия и 4% ванадия.

Параллельно этой системе обозначений существуют и другие системы обозначения титановых сплавов (ASTM, IMI, военная система).

Общая характеристика свойств титана и его сплавов

Атомный вес Ti составляет 47.88. Он является упруго жестким, около 115 ГПа модуля Юнга, прочным, легким, устойчивым к коррозионным процессам. Ti и титановые сплавы обладают пределом прочности на разрыв в диапазоне 210-1380 МПа, что приближается к пределу прочности, характерному для многих сложных сталей.

Он имеет чрезвычайно низкую плотность примерно 60.0% от плотности Fe. Его можно упрочнить путем легирования растворенным веществом. Ti немагнитен и обладает отличными теплообменными способностями. Одним из его важных свойств титановых сплавов — высокая Т плавления – 1725.0 C, то есть почти на 200 C больше, чем у стали, и на 1000 C – чем у Al.

Ti пассивирован, и, следовательно, его сплавы имеют высокую степень устойчивости к воздействию большинства минеральных кислот. Он нетоксичен и совместим с биологическими тканями и минералами. Превосходная коррозионная устойчивость и биосовместимость совместно с превосходной прочностью сделали их полезными для химической промышленности и биоматериалов. Ti не является хорошим проводником электротока. Если проводимость Cu принять за 100.0%, то у Ti будет только 3.1%, из этого следует, что он довольно хороший резистор.


Слиток титана

Высокопрочные конструкционные ТС

Высокопрочные сплавы – ВТ-14, ВТ-22, ВТ-23, ВТ-15 (1000.0-1500.0 МПа).

ВТ-22 – свариваемый ТС с высокими прочностными характеристиками и прокаливаемостью. Он нашел широкое применение при изготовлении отечественных самолетов: Ил-76/ 86/ 96, Ан-72/ 74/124/224/148, Як-42, МиГ-29 и других. Из данного ТС изготовляются крупногабаритные детали для внутреннего силового набора, узлов шасси и сварных узлов, например, траверс и балок тележек основных шасси.

ВТ- 22И, полученный высокотехнологичным методом изотермического деформирования в условиях сверхпластичности, может обеспечить выпуск тонкостенных деталей сложной конфигурации и гарантирует надежную сварку титановых сплавов. Высокий и стабильный уровень механических свойств достигается однородной мелкозернистой структурой, что снижает трудоемкость мехобработки деталей на 35–40%.


Трубы из титанового сплава для теплообменников

Области применения

Химическая промышленность является крупнейшим потребителем титана из-за его превосходной коррозионной стойкости, особенно в присутствии окисляющих веществ. Следующим по величине пользователем является аэрокосмическая промышленность, в первую очередь из-за возможностей, проявляющихся при повышенных и криогенных температурах. Кроме того, достигается также экономия веса. В связи с более широким использованием композитов, армированных полимерным графитовым волокном, для сплавов титана, используемых в аэрокосмической промышленности, важным фактором является также низкий коэффициент теплового расширения.

Сплавы Ti широко используются в медицине: для операций по восстановлению кости, включая полную замену бедра, тотальную артропластику коленного сустава, динамическую компрессионную пластику. Материалы обладают также высокой коррозионной стойкостью, относительно более низким модулем упругости и биосовместимостью, что минимизирует защиту от напряжений.

Особенности производства

Производство титана является сложным, длительным и дорогостоящим процессом. Элемент образует химические соединения и твердые растворы со многими металлами, поэтому при создании требует особых условий.

Среди наиболее распространенного сырья для получения титана выделяют титано-магнетитовые руды, из которых получают ильменитовый концентрат. Процесс занимает несколько этапов:

  • получение титанового шлака восстановительной плавкой. В электродуговую печь загружают концентрат и восстановитель. Производят нагрев до 1650 градусов Цельсия. Из восстановленного и науглероживающегося железа образуется чугун, а оксид титана переходит в шлак, который содержит 82—90% TiO2;
  • получение тетрахлорида титана хлорированием. Проводят в шахтных хлораторах непрерывного действия или в солевых хлораторах. Газообразный хлор воздействует на TiO2 при температурах 700–900 °С;
  • производство титана (губки, порошка) восстановлением из тетрахлорида. Для этого используют магний или натрий.

Титановые сплавы по применению или использованию

Аэрокосмические конструкции

Титан регулярно используется в авиации из-за его устойчивости к коррозии и нагреву, а также из-за высокого отношения прочности к весу. Титановые сплавы обычно прочнее алюминиевых, но легче стали.

Титановые сплавы, используемые в биомедицине

Титановая пластина на запястье

Титановые сплавы широко используются для изготовления металлических ортопедических суставов и операций на костных пластинах. Обычно они производятся из кованого или литого прутка с помощью ЧПУ , автоматизированной обработки или порошковой металлургии . У каждого из этих методов есть свои преимущества и недостатки. Кованые изделия сопровождаются значительными потерями материала во время механической обработки для придания окончательной формы изделия, а для литых образцов получение изделия в его окончательной форме несколько ограничивает дальнейшую обработку и обработку (например, дисперсионное твердение ), но литье более эффективно для материала. Традиционные методы порошковой металлургии также более эффективны в отношении материалов, но получение полностью плотных продуктов может быть обычной проблемой.

С появлением технологии изготовления твердых тел произвольной формы ( 3D-печать ) появилась возможность производить биомедицинские имплантаты индивидуального дизайна (например, тазобедренные суставы). Хотя в настоящее время он не применяется в более крупных масштабах, методы изготовления произвольной формы предлагают возможность рециркуляции отработанного порошка (из производственного процесса) и позволяют селективно настраивать желаемые свойства и, следовательно, производительность имплантата. Электронно-лучевая плавка (EBM) и селективная лазерная плавка (SLM) – это два метода, применимых для изготовления сплавов Ti произвольной формы. Производственные параметры сильно влияют на микроструктуру продукта, где, например, высокая скорость охлаждения в сочетании с низкой степенью плавления в SLM приводит к преобладающему образованию мартенситной альфа-первичной фазы, давая очень твердый продукт.

Ti-6Al-4V / Ti-6Al-4V-ELI
Этот сплав обладает хорошей биосовместимостью и не является ни цитотоксичным, ни генотоксичным. Ti-6Al-4V имеет низкую прочность на сдвиг и плохие свойства поверхностного износа в определенных условиях нагружения:
Ti-6Al-7Nb
Этот сплав был разработан в качестве биомедицинской замены Ti-6Al-4V, поскольку Ti-6Al-4V содержит ванадий, элемент, который продемонстрировал цитотоксические эффекты при выделении. Ti-6Al-7Nb содержит 6% алюминия и 7% ниобия.

Маркировка титановых сплавов

ГОСТ на титановые сплавы (ГОСТ 19807-91) устанавливает следующие принципы маркировки:

  • Первой буквой обозначения может быть В или О. В принята для материалов, разработанных ВИАМ – институтом авиационных материалов, который является разработчиком большинства марок титановых сплавов. О соответствует опытным материалам, выплавка которых производилась на металлургическом предприятии в Верхней Салде (Урал).
  • Второй буквой маркировки является Т (титановый).
  • Первая цифра в маркировке устанавливает либо суммарное процентное содержание необходимых примесей (для сплавов, начинающихся на О), либо количество титана, содержащегося в материале (для сплавов В).
  • Вторая цифра маркировки означает суммарный процент легирующих элементов.

Характеристики

Как правило, титан с бета-фазой является более пластичной фазой, а альфа-фаза сильнее, но менее пластична из-за большего количества плоскостей скольжения в ОЦК- структуре бета-фазы по сравнению с альфа-фазой ГПУ . Титан с альфа-бета-фазой имеет промежуточные механические свойства.

Диоксид титана растворяется в металле при высоких температурах, и его образование происходит очень энергично. Эти два фактора означают, что весь титан, за исключением наиболее тщательно очищенного, имеет значительное количество растворенного кислорода , и поэтому может считаться сплавом Ti – O. Оксидные выделения обладают некоторой прочностью (как обсуждалось выше), но не очень чувствительны к термообработке и могут существенно снизить ударную вязкость сплава.

Многие сплавы также содержат титан в качестве незначительной добавки, но поскольку сплавы обычно классифицируются в зависимости от того, какой элемент составляет большую часть материала, они обычно не считаются «титановыми сплавами» как таковые. См. Подраздел, посвященный .

Сам по себе титан – прочный и легкий металл. Он прочнее обычных низкоуглеродистых сталей, но на 45% легче. Кроме того, он вдвое прочнее слабых алюминиевых сплавов, но только на 60% тяжелее. Титан обладает исключительной коррозионной стойкостью к морской воде и поэтому используется в гребных валах, такелажном снаряжении и других частях лодок, которые подвергаются воздействию морской воды. Титан и его сплавы используются в самолетах, ракетах и ​​ракетах, где важны прочность, малый вес и устойчивость к высоким температурам. Кроме того, поскольку титан не вступает в реакцию в организме человека, он и его сплавы используются в искусственных суставах, винтах и ​​пластинах для переломов, а также для других биологических имплантатов. См .: .

Жаропрочные Ti-сплавы

Жаропрочные титановые сплавы – ВТ3 1, ВТ8-1,ВТ-9, ВТ8М-1, ВТ-18, ВТ-25 (1000.0-1500.0МПа).

ВТ8-1, ВТ8М-1 — эти марки титановых сплавов отличаются жаропрочностью, стойкостью от трещин и стабильностью при Т 400-550С. Они имеют низкую чувствительность к местным напряжениям и используются для авиационных двигателей, имеющих большой ресурс работы.

Отечественный сплав ВТ-25 с прочностным показателем до 1150.0 МПа, значительно превосходит зарубежные аналоги, обладает самыми высокими свойствами при Т до 550.0С.

ВТ-18 обладает самыми прочными свойствами при Т до 600.0С – лучший среди отечественных сплавов, используемых в промышленности.

Достоинства / недостатки

  • Достоинства:
  • малая плотность (4500 кг/м3) способствует уменьшению массы выпускаемых изделий;
  • высокая механическая прочность. Стоит отметить, что при повышенных температурах (250-500 °С) титановые сплавы по прочности превосходят высокопрочные сплавы алюминия и магния;
  • необычайно высокая коррозионная стойкость, обусловленная способностью Ti образовывать на поверхности тонкие (5-15 мкм) сплошные пленки оксида ТiO2, прочно связанные с массой металла;
  • удельная прочность (отношение прочности и плотности) лучших титановых сплавов достигает 30-35 и более, что почти вдвое превышает удельную прочность легированных сталей.
  • Недостатки:
  • высокая стоимость производства, Ti значительно дороже железа, алюминия, меди, магния;
  • активное взаимодействие при высоких температурах, особенно в жидком состоянии, со всеми газами, составляющими атмосферу, в результате чего Ti и его сплавы можно плавить лишь в вакууме или в среде инертных газов;
  • трудности вовлечения в производство титановых отходов;
  • плохие антифрикционные свойства, обусловленные налипанием Ti на многие материалы; титан в паре с титаном вообще не может работать на трение;
  • высокая склонность Ti и многих его сплавов к водородной хрупкости и солевой коррозии;
  • плохая обрабатываемость резанием, аналогичная обрабатываемости нержавеющих сталей аустенитного класса;
  • большая химическая активность, склонность к росту зерна при высокой температуре и фазовые превращения при сварочном цикле вызывают трудности при сварке титана.

Основные свойства титана

  • Цвет: серебристо-белый
  • Плотность: 4,54 г/см³
  • Температура плавления: 1668°С
  • Температура кипения: 3260°С
  • Теплопроводность: 21.9 Вт/(м·К)
  • Атомный номер: 22
  • Атомная масса: 47,9
  • Удельная теплота плавления: 358 кДж/кг
  • Удельная теплоемкость (при 20°С): 0,54 кДж/(кг.°С)
  • Модуль упругости: 112 ГПа

Механические свойства титана в большой степени зависят от содержания примесей, особенно Н, О, N и С, образующих с титаном твердые растворы внедрения и промежуточные фазы: гидриды, оксиды, нитриды и карбиды. Небольшое содержание кислорода, азота, углерода повышает твердость и прочность, но при этом значительно уменьшается пластичность, снижается коррозионная стойкость, ухудшается свариваемость, способность к пайке и штампуемость. Титан обладает высокими прочностью и удельной прочностью в условиях глубокого холода.

Технический титан хорошо обрабатывается давлением при 20-25°С и повышенных температурах. Из него изготовляют все виды прессованного и катаного полуфабриката (листы, трубы, проволоку, поковки и др.). Ковку проводят при температуре 1000-750°С, горячую прокатку – на 100°С ниже температуры ковки. Горячей прокаткой получают листы толщиной более 6 мм, листы меньшей толщины изготовляют холодной прокаткой или с нагревом до 650-700°С. Температура прессования 950-1000°С. Титан хорошо сваривается аргонодуговой и всеми видами контактной сварки. Сварной шов обладает хорошим сочетанием прочности и пластичности. Прочность шва составляет 90% прочности основного металла.

Титан плохо обрабатывается резанием, налипает на инструмент, что приводит к его быстрому износу. Для обработки титана требуется инструмент из быстрорежущей стали и твёрдых сплавов, малые скорости резания при большой подаче и глубине резания, интенсивное охлаждение. Недостатком титана является также низкая антифрикционность.

Титановые сплавы

Достоинством титановых сплавов по сравнению с титаном являются более высокие прочность и жаропрочность при достаточно хорошей пластичности, высокой коррозионной стойкости и малой плотности. Титан в виде сплавов является важнейшим конструкционным материалом в авиа- и ракетостроении, в кораблестроении. Самым распространённым в мире титановым сплавом является сплав Ti-6Al-4V, который в российской классификации имеет обозначение ВТ6. Для изготовления деталей методами порошковой технологии используют сплавы ВТ5, ВТ5-1, ОТ4, ВТЗ-1 и другие.

По технологии изготовления титановые сплавы подразделяются на деформируемые, литейные и порошковые. По механическим свойствам титановые сплавы подразделяются на сплавы нормальной прочности, высокопрочные, жаропрочные, повышенной пластичности. По способности упрочняться с помощью термической обработки они делятся на упрочняемые и неупрочняемые термической обработкой; по структуре в отожженном состоянии они классифицируются на а-, псевдо-а, а + р, псевдо-р и р-сплавы.

Применение титановых сплавов

  • В авиастроении, ракетостроении: каркасные детали, обшивка, топливные баки, детали реактивных двигателей, диски и лопатки компрессоров, детали воздухозаборника, детали корпусов ракетных двигателей второй и третьей ступени и т.д.
  • В судостроении: обшивка корпусов судов и подводных лодок, сварные трубы, гребные винты, детали насосов и др.
  • В химической промышленности: реакторы для агрессивных сред, насосы, змеевики, центрифуги и др.
  • В гальванотехнике: ванны для хромирования, анодные корзины, теплообменники, трубопроводы, подвески и др.
  • В газовой и нефтяной промышленности: фильтры, седла клапанов, резервуары, отстойники и др.
  • В криогенной технике: детали холодильников, насосов компрессоров, теплообменники и др.
  • В пищевой промышленности: сепараторы, холодильники, ёмкости для продуктов, цистерны и др.
  • В медицинской промышленности: инструмент, наружные и внутренние протезы, внутрикостные фиксаторы, зажимы и др.

Марки и классы титана

Титановая губка
ТГ-100ТГ-110ТГ-120ТГ-130ТГ-150
ТГ-90ТГ-Тв
Титан технический
ВТ1-0ВТ1-00ВТ1-1
Титановый литейный сплав
ВТ14ЛВТ1ЛВТ20ЛВТ21ЛВТ3-1Л
ВТ5ЛВТ6ЛВТ9Л
Титановый деформируемый сплав
АТ-6ВТ14ВТ15ВТ16ВТ20
ВТ22ВТ23ВТ3-1ВТ5ВТ5-1
ВТ6ВТ6СВТ9ОТ4ОТ4-0
ОТ4-1ПТ3ВПТ7МТС6

Области применения

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

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

В химической промышленности из титана и его сплавов изготавливают теплообменники, различного диаметра трубы, арматуру, корпуса и детали для насосов различного назначения. Вещество незаменимо в местах, где требуются высокая прочность и стойкость к кислотам.

На транспорте титан используют для изготовления деталей и агрегатов велосипедов, автомобилей, железнодорожных вагонов и составов. Применение материала уменьшает вес подвижных составов и автомобилей, придает легкость и прочность велосипедным деталям.
Большое значение титан имеет в военно-морском ведомстве. Из него изготавливают детали и элементы корпусов для подводных лодок, пропеллеры для лодок и вертолетов.

В строительной промышленности применяется сплав цинк-титан. Он используется как отделочный материал для фасадов и кровель

Этот очень прочный сплав имеет важное свойство: из него можно изготавливать архитектурные детали самой фантастической конфигурации. Он может принимать любую форму.
В последнее десятилетие титан широко применяют в нефтедобывающей отрасли

Сплавы его применяют при изготовлении оборудования для сверхглубокого бурения. Материал используется для изготовления оборудования для добычи нефти и газа на морских шельфах.

У титана очень широкая область применения

Его применяют в

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

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

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

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

Поделитесь в социальных сетях:FacebookTwitterВКонтакте
Напишите комментарий