Прочность титана и стали

Металл титан

Основные сведения

История открытия

Свойства титана

В периодической системе элементов Д. И. Менделеева Ti расположен в IV группе 4-го периода под номером 22. В важнейших и наиболее устойчивых соединениях металл четырехвалентен. По внешнему виду похож на сталь. Титан относится к переходным элементам. Данный металл плавится при довольно высокой температуре (1668±4 °С) и кипит при 3300 °С, скрытая теплота плавления и испарения почти в два раза больше, чем у железа.

Известны две аллотропические модификации титана (две разновидности данного металла, имеющие одинаковый химический состав, но различное строение и свойства). Низкотемпературная альфа-модификация, существующая до 882,5 °С и высокотемпературная бетта-модификация, устойчивая от 882,5 °С и до температуры плавления.

По плотности и удельной теплоемкости титан занимает промежуточное место между двумя основными конструкционными металлами: алюминием и железом. Стоит также отметить, что его механическая прочность примерно вдвое больше, чем чистого железа, и почти в шесть раз выше, чем алюминия. Но указанный материал может активно поглощать кислород, азот и водород, которые резко снижают пластические свойства металла. С углеродом титан образует тугоплавкие карбиды, обладающие высокой твердостью.

Титан обладает низкой теплопроводностью, которая в 13 раз меньше теплопроводности алюминия и в 4 раза — железа. Коэффициент термического расширения при комнатной температуре сравнительно мал, с повышением температуры он возрастает.

Модули упругости титана невелики и обнаруживают существенную анизотропию. Модули упругости характеризуют способность материала упруго деформироваться при приложении к нему силы. Анизотропия заключается в различии свойств упругости в зависимости от направления действия силы. С повышением температуры до 350 °С модули упругости уменьшаются почти по линейному закону. Небольшое значение модулей упругости Ti — существенный его недостаток, т.к. в некоторых случаях для получения достаточно жестких конструкций приходится применять большие сечения изделий по сравнению с теми, которые следуют из условий прочности.

Титан имеет довольно высокое удельное электросопротивление, которое в зависимости от содержания примесей колеблется в пределах от 42·10 -8 до 80·10 -6 Ом·см. При температурах ниже 0,45 К он становится сверхпроводником.

Титан — парамагнитный металл. Обычно у парамагнитных веществ магнитная восприимчивость при нагревании уменьшается. Магнитная восприимчивость характеризует связь между намагниченностью вещества и магнитным полем в этом веществе. Данный материал составляет исключение из этого правила — его восприимчивость существенно увеличивается с температурой.

Физические и механические свойства

Химические свойства

Марки титана и сплавов

Наиболее распространенными марками титана являются ВТ1-0, ВТ1-00, ВТ1-00св. Титан указанных марок называется техническим. Данные марки не содержат в своем составе легирующие элементы, только незначительное количество примесей. Содержание Ti в марке ВТ1-0 составляет приблизительно 99,24-99,7%, в ВТ1-00 — 99,58-99,9%, ВТ1-00св — 99,39-99,9%. ВТ1-0, ВТ1-00 поставляется в виде листов, плит, прутков и труб. Проволока чаще всего используется для различных сварочных целей и производится из марки ВТ1-00св.

В настоящее время известно довольно большое число серийных титановых сплавов, отличающихся по химическому составу, механическим и технологическим свойствам. Наиболее распространенные легирующие элементы в таких материалах: алюминий, ванадий, молибден, марганец, хром, кремний, олово, цирконий, железо.

Титановый сплав ВТ5 содержит 5% алюминия. Он отличается более высокими прочностными свойствами по сравнению с титаном, но его технологичность невелика. Сплав куется, прокатывается, штампуется и хорошо сваривается. Из марки ВТ5 получают титановые прутки (круги), проволоку и трубы, а также листы. Его применяют при изготовлении деталей, работающих при температуре до 400 °С.

Сплав титана ВТ5-1 помимо 5% алюминия содержит 2-3% олова. Олово улучшает его технологические свойства. Из марки ВТ5-1 изготавливают все виды полуфабрикатов, получаемых обработкой давлением: титановые плиты, а также листы, поковки, штамповки, профили, трубы и проволоку. Он предназначен для изготовления изделий, работающих в широком интервале температур: от криогенных (отрицательных) до + 450 °С.

Титановые сплавы ОТ4 и ОТ4-1 в качестве легирующих элементов содержат алюминий и марганец. Они обладают высокой технологической пластичностью (хорошо деформируются в горячем и холодном состоянии) и хорошо свариваются всеми видами сварки. Указанный материал идет, в основном, на изготовление титановых плит и листов, лент и полос, а также прутков и кругов, поковок, профилей и труб. Из титановых сплавов ОТ4 и ОТ4-1 изготовляют с применением сварки, штамповки и гибки детали, работающие до температуры 350 °С. Данные материалы имеют недостатки: 1) сравнительно невысокая прочность и жаропрочность; 2) большая склонность к водородной хрупкости. В сплаве ПТ3В марганец заменяется на ванадий.

Титановый сплав ВТ20 разрабатывали как более прочный листовой материал по сравнению с ВТ5-1. Упрочнение марки ВТ20 обусловлено ее легированием, помимо алюминия, цирконием и небольшими количествами молибдена и ванадия. Технологическая пластичность сплава ВТ20 невысока из-за большого содержания алюминия, однако, он отличается высокой жаропрочностью. Данный материал хорошо сваривается, прочность сварного соединения равна прочности основного металла. Сплав предназначен для изготовления изделий, работающих длительное время при температурах до 500 °С.

Титановый сплав ВТ3-1 относится к системе Ti — Al — Cr — Mo — Fe — Si. Он обычно подвергается изотермическому отжигу. Такой отжиг обеспечивает наиболее высокую термическую стабильность и максимальную пластичность. Марка ВТ3-1 относится к числу наиболее освоенных в производстве сплавов. Он предназначен для длительной работы при 400 — 450 °С; это жаропрочный материал с довольно высокой длительной прочностью. Из него поставляют прутки (титановые круги), профили, плиты, поковки, штамповки.

Достоинства / недостатки

Достоинства:
• малая плотность (4500 кг/м 3 ) 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.

Области применения

Основная часть титана расходуется на нужды авиационной и ракетной техники и морского судостроения. Его, а также ферротитан используют как легирующую добавку к качественным сталям и как раскислитель. Технический титан идет на изготовление емкостей, химических реакторов, трубопроводов, арматуры, насосов, клапанов и других изделий, работающих в агрессивных средах. Из компактного титана изготавливают сетки и другие детали электровакуумных приборов, работающих при высоких температурах.

По использованию в качестве конструкционного материала Ti находится на 4-ом месте, уступая лишь Al, Fe и Mg. Алюминиды титана являются очень стойкими к окислению и жаропрочными, что в свою очередь определило их использование в авиации и автомобилестроении в качестве конструкционных материалов. Биологическая безвредность данного металла делает его превосходным материалом для пищевой промышленности и восстановительной хирургии.

Титан и его сплавы нашли широкое применение в технике ввиду своей высокой механической прочности, которая сохраняется при высоких температурах, коррозионной стойкости, жаропрочности, удельной прочности, малой плотности и прочих полезных свойств. Высокая стоимость данного металла и материалов на его основе во многих случаях компенсируется их большей работоспособностью, а в некоторых случаях они являются единственным сырьем, из которого можно изготовить оборудование или конструкции, способные работать в данных конкретных условиях.

Титановые сплавы играют большую роль в авиационной технике, где стремятся получить наиболее легкую конструкцию в сочетании с необходимой прочностью. Ti легок по сравнению с другими металлами, но в то же время может работать при высоких температурах. Из материалов на основе Ti изготавливают обшивку, детали крепления, силовой набор, детали шасси, различные агрегаты. Также данные материалы применяются в конструкциях авиационных реактивных двигателей. Это позволяет уменьшить их массу на 10-25%. Из титановых сплавов производят диски и лопатки компрессоров, детали воздухозаборников и направляющих в двигателях, различный крепеж.

Еще одной областью применения является ракетостроение. Ввиду кратковременной работы двигателей и быстрого прохождения плотных слоев атмосферы в ракетостроении в значительной мере снимаются проблемы усталостной прочности, статической выносливости и отчасти ползучести.

Технический титан из-за недостаточно высокой тепловой прочности не пригоден для применения в авиации, но благодаря исключительно высокому сопротивлению коррозии в ряде случаев незаменим в химической промышленности и судостроении. Так его применяют при изготовлении компрессоров и насосов для перекачки таких агрессивных сред, как серная и соляная кислота и их соли, трубопроводов, запорной арматуры, автоклав, различного рода емкостей, фильтров и т. п. Только Ti обладает коррозионной стойкостью в таких средах, как влажный хлор, водные и кислые растворы хлора, поэтому из данного металла изготовляют оборудование для хлорной промышленности. Также из него делают теплообменники, работающие в коррозионно активных средах, например в азотной кислоте (не дымящей). В судостроении титан используется для изготовления гребных винтов, обшивки морских судов, подводных лодок, торпед и т.д. На данный материал не налипают ракушки, которые резко повышают сопротивление судна при его движении.

Титановые сплавы перспективны для использования во многих других применениях, но их распространение в технике сдерживается высокой стоимостью и недостаточной распространенностью данного металла.

Соединения титана также получили широкое применение в различных отраслях промышленности. Карбид (TiC) обладает высокой твердостью и применяется в производстве режущих инструментов и абразивных материалов. Белый диоксид (TiO₂) используется в красках (например, титановые белила), а также при производстве бумаги и пластика. Титанорганические соединения (например, тетрабутоксититан) применяются в качестве катализатора и отвердителя в химической и лакокрасочной промышленности. Неорганические соединения Ti применяются в химической электронной, стекловолоконной промышленности в качестве добавки. Диборид (TiB₂)- важный компонент сверхтвердых материалов для обработки металлов. Нитрид (TiN) применяется для покрытия инструментов.

Самые прочные металлы в мире: топ-10

Можете ли вы представить, что произошло, если бы наши предки не обнаружили важные металлы, такие как серебро, золото, медь и железо? Наверное, мы бы до сих пор жили в хижинах, используя камень в качестве основного инструмента. Именно крепость металла сыграла важную роль в формировании нашего прошлого и теперь работают как основа, на которой мы строим будущее.

Некоторые из них очень мягкие и буквально тают в руках, как самый активный металл в мире. Другие — настолько твердые, что их невозможно согнуть, поцарапать или сломать без применения спецсредств.

А если вам интересно, какие металлы самые твердые и прочные в мире, мы ответим на этот вопрос, учитывая различные оценки относительной твердости материалов (шкала Мооса, метод Бринелля), а также такие параметры как:

• Модуль Юнга: учитывает эластичность элемента при растяжении, то есть способность объекта к сопротивлению при упругой деформации.
• Предел текучести: определяет максимальный предел прочности материала, после которого он начинает проявлять пластичное поведение.
• Предел прочности при растяжении: предельное механическое напряжение, после которого материал начинает разрушаться.

У этого металла сразу три достоинства: он прочный, плотный и очень устойчив к коррозии. Кроме того, этот элемент относится к группе тугоплавких металлов, таких как вольфрам. Чтобы расплавить тантал вам придется развести огонь температурой 3 017 °C.

Тантал в основном используется в секторе электроники для производства долговечных, сверхмощных конденсаторов для телефонов, домашних компьютеров, камер и даже для электронных устройств в автомобилях.

9. Бериллий

А вот к этому металлическому красавцу лучше не приближаться без средств защиты. Потому что бериллий высокотоксичен, и обладает канцерогенным и аллергическим действием. Если вдыхать воздух, содержащий пыль или пары бериллия, то возникнет заболевание бериллиоз, поражающее легкие.

Однако бериллий несет не только вред, но и благо. Например, добавьте всего 0,5 % бериллия в сталь и получите пружины, которые будут упругими даже если довести их до температуры красного каления. Они выдерживают миллиарды циклов нагрузки.

Бериллий применяют в аэрокосмической промышленности для создания тепловых экранов и систем наведения, для создания огнеупорных материалов. И даже вакуумная труба Большого Адронного Коллайдера сделана из бериллия.

Это естественное радиоактивное вещество очень широко распространено в земной коре, но сконцентрировано в определенных твердых скальных образованиях.

Один из самых твердых металлов в мире имеет два коммерчески значимых применения — ядерное оружие и ядерные реакторы. Таким образом, конечной продукцией урановой промышленности являются бомбы и радиоактивные отходы.

7. Железо и сталь

Как чистое вещество железо не такое твердое по сравнению с другими участниками рейтинга. Но из-за минимальных затрат на добычу оно часто комбинируется с другими элементами для производства стали.

Сталь — это очень прочный сплав из железа и других элементов, таких как углерод. Это наиболее часто используемый материал в строительстве, машиностроении и других отраслях промышленности. И даже если вы не имеете к ним никакого отношения, то все равно используете сталь каждый раз, когда режете продукты ножом (если он, конечно, не керамический).

Титан — это практически синоним прочности. Он обладает впечатляющей удельной прочностью (30-35 км), что почти вдвое выше, чем аналогичная характеристика легированных сталей.

Будучи тугоплавким металлом, титан обладает высокой устойчивостью к нагреву и истиранию, поэтому является одним из самых популярным сплавов. Например, он может быть легирован железом и углеродом.

Если вам нужна очень твердая и при этом очень легкая конструкция, то лучше чем титан металла не найти. Это делает его выбором номер один для создания различных деталей в авиа- и ракетостроении и судостроении.

Это очень редкий и дорогой металл, который хотя и встречается в природе в чистом виде, обычно идет «довеском»-примесью к молибдениту.

Если бы костюм Железного человека был сделан из рения, он мог бы выдержать температуру в 2000 ° C без потери прочности. О том, что стало бы с самим Железным человеком внутри костюма после такого «фаер-шоу» мы умолчим.

Россия — третья страна в мире по природным запасам рения. Этот металл используется в нефтехимической промышленности, электронике и электротехнике, а также для создания двигателей самолетов и ракет.

По шкале Мооса, которая измеряет устойчивость химических элементов к царапинам, хром находится в пятерке лучших, уступая лишь бору, алмазу и вольфраму.

Хром ценится за высокую коррозионную стойкость и твердость. С ним легче обращаться, чем с металлами платиновой группы, к тому же он более распространен, поэтому хром является популярным элементом, используемым в сплавах, таких, как нержавеющая сталь.

А еще один из прочнейших металлов на Земле используется при создании диетических добавок. Конечно, вы будете принимать внутрь не чистый хром, а его пищевое соединение с другими веществами (например, пиколинат хрома).

Как и его «собрат» осмий, иридий относится к металлам платиновой группы, и по внешнему виду напоминает платину. Он очень твердый и тугоплавкий. Чтобы расплавить иридий, вам придется развести костер температурой выше 2000 °C.

Иридий считается одним из самых тяжелых металлов на Земле, а также одним из самых устойчивых к коррозии элементов.

Этот «крепкий орешек» в мире металлов относится к платиновой группе и обладает высокой плотностью. Фактически это самый плотный природный элемент на Земле (22,61 г/см3). По этой же причине осмий не плавится до 3033 ° C.

Когда он легирован другими металлами платиновой группы (такими как иридий, платина и палладий), он может использоваться во многих различных областях, где необходимы твердость и долговечность. Например, для создания емкостей для хранения ядерных отходов.

1. Вольфрам

Самый прочный металл, который только есть в природе. Этот редкий химический элемент также самый тугоплавкий из металлов (3422 ° C).

Впервые он был обнаружен в форме кислоты (триоксида вольфрама) в 1781 году шведским химиком Карлом Шееле. Дальнейшие исследования привели двух испанских ученых — Хуана Хосе и Фаусто д’Эльхуяра — к открытию кислоты из минерала вольфрамита, из которого они впоследствии изолировали вольфрам с помощью древесного угля.

Помимо широкого применения в лампах накаливания, способность вольфрама работать в условиях сильной жары делает его одним из наиболее привлекательных элементов для оружейной промышленности. Во время Второй мировой войны этот металл сыграл важную роль в инициировании экономических и политических отношений между европейскими странами.

Вольфрам также используется для изготовления твердых сплавов, а в аэрокосмической промышленности — для изготовления ракетных сопел.

Характеристика и применение титана и сплавов на его основе

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

Характеристики и свойства

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

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

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

Физические свойства металла

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

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

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

Химические свойства титана

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

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

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

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

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

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

Производство и изготовление

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

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

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

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

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

Титан часто используется для изготовления сплавов:

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

Области применения

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

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

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

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

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

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

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

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

Меры предосторожности

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

Свойства и применение титановых сплавов

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

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

Класс 7 используется в химических процессах и компонентах производственного оборудования.

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

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

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

Ti 6Al-4V, класс 5

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

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

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

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

Ti 6AL-4V ELI, класс 23

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

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

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

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

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

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

Ti 5Al-2,5Sn

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

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

Глава 4. ЗНАКОМЬТЕСЬ — ТИТАН!

Глава 4. ЗНАКОМЬТЕСЬ — ТИТАН!

Брусок металла неяркого серебристо-серого цвета. ”Сталь” — привычно мелькает в сознании. Но стоит взять брусок в руку, как на мгновение возникает ощущение нереальности происходящего: металл оказывается удивительно, неправдоподобно легким. Это не сталь, а титан.

Любопытно наблюдать за реакцией людей, плохо знакомых с цветными металлами, когда к ним в руки попадает какой- нибудь предмет из титана. Первоначальное удивление (темный металл, а такой легкий!) сменяется недоумением, а затем убеждением, что их «разыгрывают”, и они пытаются разобраться, где же скрывается подвох: вертят предмет в руках, говорят, что внутри металла имеются пустоты и тому подобное. Но никакого подвоха нет. Титан действительно почти вдвое легче железа и всего лишь в полтора раза тяжелее алюминия. Один кубический сантиметр железа имеет массу 7,8 грамма, алюминия — 2,7, титана — 4,5 грамма. Надо признать все же, что 4,5 грамма в кубическом сантиметре не так уж и мало, особенно если учесть, что в кубическом сантиметре магния содержится 1,7 грамма, а такой металл, как литий, вдвое легче воды.

Поскольку к легким относят металлы, удельная масса которых не превышает 5 граммов на кубический сантиметр, то титан, следовательно, самый тяжелый среди легких металлов. Но и ”самый тяжелый”, он все-таки по праву принадлежит к числу легких металлов.

Однако легкость сама по себе еще ничего не решает. Легок натрий, но он плавится уже при температуре около 100 °С и как щелочной металл настолько активен, что его нельзя хранить на открытом воздухе. Хранят этот элемент в керосине. Еще легче и активнее металл литий. Он, как и остальные щелочные металлы, так непрочен, что легко режется обыкновенным ножом.

Мы привыкли к тому, что всякий конструкционный материал имеет свои достоинства и недостатки. Если алюминий,

например, почти в три раза легче стали, то он и в несколько раз менее прочен и плавится уже при 660 градусах, тогда как точка плавления стали находится выше 1500 °С. Примерно то же самое можно сказать и о магнии.

Интересно, а насколько титан уступает стали по прочности? Титан не уступает стали: он в полтора раза прочнее! Но, может быть, этот металл плавится при невысоких температурах? Титан плавится только при 1660 °С, то есть при более высокой температуре, чем железо и сталь. Так что не зря титан отливает стальным блеском: этот отлив не обманывает.

Но, кроме хорошей прочности, конструкционный материал обязательно должен иметь и такое важное качество, как пластичность. Пластичность — это способность материала изменять свою форму не разрушаясь, и именно в этой способности титану долго было отказано. Еще в сороковые годы нашего века о титане писали, что он ”хрупок и легко превращается в порошок при дроблении в ступке”. Любопытна и следующая запись: «Попытки вытянуть проволоку из титана безуспешны”.

Меньше всего хотелось бы иронизировать над автором приведенных строк, тем более что он поставил перед собой задачу ”заполнить досадный пробел в литературе, посвященной столь важному и интересному химическому элементу”.

На протяжении полутора столетий подлинных свойств металла не знал никто в мире. Но как только стали получать титан достаточной степени чистоты, сразу выяснилось, что причиной хрупкости металла являются примеси, а чистый титан очень пластичный материал. Его куют, как железо, вытягивают в проволоку, прокатывают в листы, трубы, ленты и даже в фольгу толщиной в сотые доли миллиметра.

Титан — более упругий металл, чем магний и алюминий, но менее упругий, чем сталь. Он гораздо тверже алюминия, магния, меди, железа и почти не уступает особо обработанным легированным сталям. Титан — один из немногих металлов, которые наряду с высокой прочностью и пластичностью обладают хорошей вязкостью, то есть противостоят воздействию ударов. Этот металл характеризуется еще и таким ценным свойством, как отличная выносливость.

Важный показатель любого металла — предел текучести. Чем он выше, тем лучше металл сопротивляется нагрузкам, стремящимся смять его, изменить размеры и форму изготовленной из него детали. У титана предел текучести весьма высок: в два с половиной раза выше, чем у железа, в три с лишним раза выше, чем у меди, и почти в 18 раз превосходит этот же показатель для алюминия.

Итак, титан гораздо прочнее и легче обычной углеродистой стали, получаемой из чугуна. Но в современном машиностроении широко распространены не столько углеродистые, сколько легированные стали, то есть сплавы на основе железа с добавками никеля, хрома, марганца, молибдена, вольфрама, а также других цветных и редких металлов. Легированные стали значительно прочнее углеродистых и в несколько раз прочнее технического титана. Выходит, что титан все-таки уступает стали? Нет не уступает! Титан тоже можно легировать и тогда получают сплавы, прочность которых в два- три раза больше прочности чистого титана.

Титановые сплавы — это, быть может, самые совершенные материалы, которыми располагает современная техника. Они превосходят все другие распространенные металлы по такому важному показателю, как удельная прочность. Что это такое? Не что иное, как прочность, приходящаяся на единицу массы.

Чтобы нагляднее постичь это, представим себе такую картину. На помост выходят тяжелоатлеты. Вряд ли нас удивит то, что грузный человек поднимает большую тяжесть. Ведь так оно и должно быть: те, кто полегче, обладают, как правило, меньшей силой, а от массивного, с мощными бицепсами атлета мы ждем и высокого результата. Не зря же в тяжелоатлетическом спорте введены различные весовые категории. А теперь вообразим, что после этого тяжелоатлета на помост вышел скромный, на первый взгляд ничем не примечательный спортсмен, худощавый, среднего роста и с первой попытки покорил тот же самый вес. Кто же из них сильнее? Конечно же, худощавый!

Такую же аналогию можно провести относительно титановых сплавов и специальных сталей. Титановые сплавы почти вдвое легче, а нагрузки выдерживают почти такие же.

Если бы все достоинства титана заключались только в его легкости и прочности, то и этого было бы уже достаточно для развития титановой промышленности, так как и в этом случае игра стоила свеч и нашлось бы немало отраслей, заинтересованных в таком материале. Но, помимо прочности и легкости, титан отличается еще и замечательной стойкостью против коррозии.

Титановые сплавы: нюансы термообработки

Титан широко распространен на земле. После Al, Fe и Mg он занимает четвертое место из присутствующих металлов в земной коре и является девятым элементом по распространенности на Земле. Титановые сплавы (ТС) обладают уникальным спектром свойств, благодаря сочетанию высокой прочности и жесткости, ударной вязкости и аникоррозионности, что обеспечивает широкий спектр применения для работы в средах, как с низкими, так и высокими температурами, позволяя снизить вес аэрокосмических конструкций и узлов крупногабаритной техники.

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

Классификация групп

Сплавы Ti подразделяют на следующие группы:

1. Высокопрочные конструкционные — твердые растворы, с оптимальным соотношением прочностных характеристик и пластичности.
2. Жаропрочные титановые сплавы — твердые растворы с необходимым количеством присадок, обеспечивающих стойкость в зонах с высокими температурами при незначительном снижении пластичности.
3. ТС на базе химического соединения, способных конкурировать со сплавами Ni в определенном интервале температур.

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

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.

Химические сплавы

Интерметаллические (химические) титановые сплавы основаны на так называемой интерметаллической фазе. Технический интерес представляют TiAl, Ti3Al, Al3Ti и Ti2AlNb. Свойства интерметаллидов находятся между керамикой и металлами.
TiAl – жаропрочные титановые сплавы, демонстрируют превосходные свойства, такие как жаропрочность, стойкость к окислению и ползучести, низкую плотность и высокую усталостную прочность. При этом TiAl демонстрирует низкую пластичность. Это необходимо учитывать при проектировании компонентов, и это является основным препятствием для широкого использования во многих приложениях.

ТС используется для выпуска поковки, заготовки, пластины и листы из TiAl. Также доступны сложные отливки, потому что он применяется для некоторых высокотемпературных компонентов практически чистой формы. TiAl представляет интерес для таких применений, как лопасти реактивного двигателя, колеса компрессора для турбонагнетателей, автомобильных клапанов и другие жаростойких компонентов. Для высокотемпературного применения, требующего небольшого веса, это хорошая альтернатива суперсплавам до 850 C.

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.

Производство титана и его сплавов

Титан производится с использованием процесса Kroll. Основные стадии включают извлечение, очистку, производство губки, создание сплава, а также формование. В начале выплавки производитель получает титановые концентраты с рудников. Хотя рутил можно использовать в его естественной форме, ильменит обрабатывают для удаления железа, чтобы он содержал не менее 85% диоксида титана. Эти материалы помещаются в реактор с псевдоожиженным слоем вместе с газообразным хлором и углеродом. Материал нагревают до 900 C, и последующая химическая реакция приводит к образованию нечистого тетрахлорида титана (TiCl4) и оксида углерода. Далее различные нежелательные хлориды металлов, которые образуются, должны быть удалены.

Прореагировавший металл помещается в большие дистилляционные емкости и нагревается. На этом этапе примеси отделяются с помощью фракционной перегонки и осаждения. На этом этапе удаляются хлориды металлов, в том числе железо, ванадий, цирконий, кремний и магний.

Очищенный тетрахлорид титана переносится в виде жидкости в реакторную емкость из нержавеющей стали. Затем добавляют магний, и контейнер нагревают до температуры около 1100 C. Аргон закачивается в емкость для удаления воздуха и предотвращает загрязнение сплава кислородом или азотом. Магний реагирует с хлором с образованием жидкого хлорида магния. Это оставляет твердое титановое твердое вещество, так как температура плавления титана выше, чем в реакции.

Твердое титановое вещество удаляют из реактора путем бурения, а затем обрабатывают водой и соляной кислотой для удаления избытка магния. Полученное твердое вещество представляет собой пористый металл, называемый губкой. Чистая титановая губка может быть преобразована в пригодный для использования сплав с помощью дуговой печи с расходуемым электродом. В этот момент губка смешивается с различными добавками сплава. Точное соотношение материала губки к сплаву формулируется в лаборатории до производства. Затем эту массу прессуют в компакты и сваривают вместе, образуя губчатый электрод.

Губчатый электрод помещают в вакуумно-дуговую печь для плавления. В этом охлаждаемом водой медном контейнере электрическая дуга используется для плавления губчатого электрода с образованием слитка. Весь воздух в контейнере либо удаляется (образуя вакуум), либо атмосфера заполняется аргоном для предотвращения загрязнения.

После изготовления слитка его вынимают из печи и проверяют на наличие дефектов. Поверхность может быть кондиционирована по требованию заказчика. Затем слиток отправляется покупателю готовой продукции, где он может быть измельчен и изготовлен в различные продукты.

Производство титана

Область применения

Титановый сплав, который имеет высокую коррозионную стойкость, высокую удельную прочность и хорошую термостойкость, используется для различных частей космического корабля, включая наружную оболочку топливного бака и крылья. Сочетая легкий вес с высокой прочностью, титан помогает усилить планеры и повысить производительность реактивных двигателей. В случае космического челнока, титан используется для многих критических частей, включая наружные панели топливного бака и детали крыла.

В самолетах используется большое количество титанового сплава, потому что он легкий и чрезвычайно прочный при высоких температурах. ТС применяется для укрепления каркасной конструкции и способствует техническому прогрессу реактивных двигателей.

Титановые сплавы применение:

• Установки для сжиженного природного газа;
• установки опреснения морской воды;
• нефтеперерабатывающие заводы;
• атомные электростанции;
• автоцистерны для химических реагентов, потому что ТС легок, устойчив к коррозии, и чрезвычайно сильный;
• теплообменники, которые используются в экстремальных условиях высокой температуры и высокого давления;
• биомедицинские приложения.

Огромными преимуществами титана являются его высокое отношение прочности к весу и антикоррозионность. В сочетании с нетоксичным состоянием и способностью эффективно противостоять коррозии от биологических жидкостей титан стал базовым металлом для имплантата в области медицины, со сроком службы более 20 лет.

Еще одним преимуществом Ti для применения в медицинской отрасли является его неферромагнитное свойство, позволяющее безопасно обследовать больных с применением МРТ и ЯМР.

Титановый протез сустава

Нюансы термообработки титановых сплавов

В настоящее время из-за растущего спроса на титан и его сплавы с улучшенными физическими и химическими свойствами многие исследователи проявляют большой интерес к улучшению процессов обработки под воздействием температуры для получения новых видов сплавов.

ТС подвергаются термообработке для достижения следующего:

1. Снятие напряжения, чтобы уменьшить остаточные явления, возникающие в процессе изготовления.
2. Отжиг для достижения оптимального сочетания пластичности, обрабатываемости, стабильности размеров и структурной устойчивости.
3. Обработка раствора и старение, для увеличения прочности.

Комбинации процессов используются для оптимизации свойств и получения других преимуществ, таких как:

• Вязкости разрушения;
• предела выносливости;
• высокой температуры ползучести;
• стойкости к преимущественному химическому воздействию;
• предотвращение искажения;
• подготовки ковки для последующих операций формования и изготовления.

Термическая обработка титановых сплавов ее типы:

1. Снятие напряжения. С ТС снимается стресс, без отрицательного влияния на прочность или пластичность. Процесс ковки происходит при температуре от 595 до 705 C в течение до двух часов с последующим воздушным охлаждением. Это уменьшает нежелательные остаточные напряжения, которые могут возникнуть в процессе ковки.
2. Отжиг, который обычноприменяется для ковки заготовок, не является полным отжигом и может оставить следы холодной или теплой обработки. Дуплексный и триплексный отжиг используются для улучшения сопротивления ползучести и вязкости разрушения.
3. Обработка раствора и старение. Этот процесс состоит из нагрева сплава до определенной температуры, закалки с контролируемой скоростью в масле, воздухе или воде и старении. Выдержка состоит из повторного нагревания до температуры от 425 до 650 C в течение примерно двух часов. Этот процесс развивает более сильные стороны, чем другие.

Таким образом, Ti -сплавы обладают огромным потенциалом для выбора дизайнером «материала будущего» из-за его уникального сочетания металлургических свойств, таких как высокое отношение прочности к весу в диапазоне температур от минус до 540 C. В этом отношении его базовые сплавы превосходят все обычные конструкционные материалы, что позволяет применять их в самых важных процессах.