Titanium en zijn legeringen: Alles wat u moet weten

1. Bron van titanium

Titanium werd voor het eerst ontdekt in 1791 door een amateur mineraloog genaamd Gregor uit het Verenigd Koninkrijk. In 1795 vernoemde de Duitse scheikundige Klaproth deze onbekende metaalsubstantie naar de Griekse goden, de Titanen, wat in het Engels "Titanium" betekent.

Titanium is overvloedig aanwezig op aarde, met meer dan 140 bekende soorten titaniummineralen. De belangrijkste industriële toepassingen komen echter van ilmeniet en rutiel. China bezit 28% van de ilmenietreserves in de wereld en staat daarmee wereldwijd op de eerste plaats.

Titanium, een universeel erkend niet-toxisch element, is duur vanwege de hoge mijnbouw- en productiekosten. Omdat het bestand is tegen hoge en lage temperaturen, sterke zuren en basen kan weerstaan, sterk is en een lage dichtheid heeft, is het een gespecialiseerd materiaal geworden voor NASA-raketten en satellieten.

Het wordt ook gebruikt in de superprojecten van ons land, zoals het Jade Konijn, de J-20 en het Shandong vliegdekschip. Nadat het in de jaren 1980 de consumentenmarkt betrad, hebben de natuurlijke antibacteriële en biocompatibele eigenschappen het de "erekoning" in de tafelgereiindustrie gemaakt.

China's titaniumindustrie begon in de jaren 1950. Halverwege de jaren 60 had China sponstitanium- en titaniumverwerkingsfabrieken opgezet in respectievelijk Zunyi en Baoji, waarmee China een van de wereldmachten in de titaniumindustrie werd.

In de 21e eeuw is de titaniumindustrie in China een nieuwe periode van versnelde ontwikkeling ingegaan, waarbij de titaniumproductiecapaciteit toonaangevend is in de wereld.

2. Verschil tussen puur titanium en titaniumlegeringen

Puur titanium

Het staat ook bekend als industrieel zuiver titanium of commercieel zuiver titanium en wordt gesorteerd op basis van de inhoud van onzuiverheidselementen. Het heeft een uitstekende verwerkbaarheid bij het stempelen en lasbaarheidis ongevoelig voor warmtebehandeling en organisatietypes en heeft een bepaalde sterkte onder bevredigende plasticiteitscondities. De sterkte hangt voornamelijk af van de inhoud van de spleetelementen zuurstof en stikstof.

De eigenschappen van 99,5% industrieel zuiver titanium zijn: dichtheid P=4,5g/cm³smeltpunt is 1800°C, warmtegeleidingscoëfficiënt λ=15,24W/(M.K), treksterkte σ b=539MPa, rek: δ =25%, doorsnede krimpsnelheid ψ=25%, elasticiteitsmodulus E=1,078×105MPa, hardheid HB195.

Titaniumlegering

Titaniumlegering is een legering die bestaat uit titanium als basis en andere elementen. Het is een relatief jong metaal, met een geschiedenis van slechts zestig tot zeventig jaar vanaf de ontdekking tot nu. Materialen van titaanlegeringen hebben eigenschappen zoals licht gewicht, hoge sterkte, kleine elasticiteit, weerstand tegen hoge temperaturen en weerstand tegen corrosie.

Ze worden voornamelijk gebruikt voor onderdelen van vliegtuigmotoren, raketten, raketten, enz. Titanium heeft twee soorten homomorfe bireferende kristallen. Titanium is een homomorfe isomorf, met een smeltpunt van 1720°C. Beneden 882 °C vertoont het een dichte hexagonale kristalstructuur, α titanium genaamd; boven 882 °C vertoont het een lichaamsgecentreerde kubische roosterstructuur, β titanium genaamd.

Door gebruik te maken van de verschillende eigenschappen van de bovenstaande twee structuren van titanium, de juiste legeringselementen toe te voegen en geleidelijk de faseovergangstemperatuur en fase-inhoud te veranderen, worden verschillende organisaties van titaanlegeringen (titaanlegeringen) verkregen.

Titaanlegeringselementen kunnen worden onderverdeeld in drie categorieën op basis van hun invloed op de faseovergangstemperatuur:

Stabiele α-fase, elementen die de faseovergangstemperatuur verhogen zijn α-stabiliserende elementen, zoals aluminium, magnesium, zuurstof en stikstof. Onder hen is aluminium het belangrijkste legeringselement van titaanlegeringen en het heeft duidelijke effecten op het verbeteren van de sterkte van de legering bij kamertemperatuur en hoge temperatuur, het verlagen van het soortelijk gewicht en het verhogen van de elasticiteitsmodulus.

② Stabiele β-fase, elementen die de faseovergangstemperatuur verlagen zijn β-stabiliserende elementen. Ze kunnen verdeeld worden in isomorf en eutectisch. De eerste omvat molybdeen, niobium, vanadium, etc.; de laatste omvat chroom, mangaan, koper, silicium, etc.

Neutrale elementen die weinig effect hebben op de faseovergangstemperatuur zijn onder andere zirkonium en tin.

Titaan en titaniumlegering, merk en chemische samenstelling

Meest gebruikte kwaliteiten:

TA1 (Amerikaanse standaard: Gr1)

TA1 (Gr1) titanium is de eerste van de vier industriële zuivere titaniumsoorten. Het is de zachtste en meest vervormbare van deze kwaliteiten. Het heeft de hoogste vervormbaarheid, uitstekende corrosiebestendigheid en een hoge slagvastheid. TA1 is het materiaal bij uitstek voor elke toepassing die een gemakkelijke vervormbaarheid vereist, en wordt meestal gebruikt voor titanium platen en buizen.

TA2 (Amerikaanse standaard: Gr2) Rang

Door zijn veelzijdigheid en brede beschikbaarheid staat TA2 titanium bekend als het "werkpaard" van de commerciële zuivere titaniumindustrie. Het deelt veel kwaliteiten met de TA1 titaniumlegering maar is iets sterker. Beide zijn even corrosiebestendig.

Deze kwaliteit heeft een goede lasbaarheid, sterkte, vervormbaarheid en vervormbaarheid. Dit maakt titaniumstaven en -platen van TA2-kwaliteit de beste keuze voor veel toepassingen in de bouw, energieopwekking en de medische industrie.

TA3 (Amerikaanse standaard: Gr3) Kwaliteit

Deze kwaliteit wordt het minst gebruikt van de commerciële zuivere titaniumkwaliteiten, maar dat doet niets af aan zijn waarde. TA3 is sterker dan TA1 en TA2, met een vergelijkbare vervormbaarheid, maar iets minder vervormbaarheid. Maar het heeft hogere mechanische eigenschappen dan zijn voorgangers.

TA3-kwaliteit wordt gebruikt in toepassingen die een gemiddelde sterkte en primaire corrosieweerstand vereisen, zoals ruimtevaart, chemische verwerking en de maritieme industrie.

TA4 (Amerikaanse standaard: Gr4) Kwaliteit

TA4 wordt beschouwd als de sterkste van de vier commerciële zuivere titaniumsoorten. Het staat ook bekend om zijn uitstekende corrosieweerstand, goede vervormbaarheid en lasbaarheid. Het wordt gebruikt in toepassingen die een hoge sterkte vereisen, zoals sommige onderdelen van vliegtuigrompen, lagetemperatuurvaten, warmtewisselaars enz.

TA9 (Amerikaanse standaard: Gr7) Kwaliteit

TA9 is mechanisch en fysisch gelijkwaardig aan TA2, maar door de toevoeging van palladium is het een legering. Grade 7 heeft uitstekende lasbaarheid en eigenschappen en is de meest corrosiebestendige van alle titaanlegeringen.

Het is zelfs het meest corrosiebestendig in reducerende zuren. TA9 wordt gebruikt voor onderdelen van chemische processen en productieapparatuur. TA9 heeft een extreem sterke corrosieweerstand, vooral in reducerende zure omgevingen.

TA9-1 (Amerikaanse standaard: Gr11) Kwaliteit

TA9-1-kwaliteit lijkt erg op TA1-kwaliteit, maar er is een kleine hoeveelheid palladium toegevoegd om de corrosieweerstand te verhogen, waardoor het een legering is. Deze corrosieweerstand kan worden gebruikt om spleetcorrosie te voorkomen en zuur te verminderen in chlorideomgevingen.

Andere nuttige eigenschappen zijn optimale vervormbaarheid, koude vervormbaarheid, bruikbare sterkte, slagvastheid en uitstekende lasbaarheid. Deze legering kan worden gebruikt voor dezelfde titaniumtoepassingen als graad 1, vooral waar corrosie vereist is.

Ti 6Al-4V (Chinese Standaard TC4, Amerikaanse Standaard Gr5) Rang

Ti 6Al-4V of graad 5 titaan wordt vaak de "steunpilaar" van titaanlegeringen genoemd en is de meest gebruikte van alle titaanlegeringen. Het is goed voor 50% van het totale titaniumgebruik in de wereld. De populariteit komt voort uit de vele voordelen.

Ti 6Al-4V kan een warmtebehandeling ondergaan om de sterkte te verhogen. Het kan worden gebruikt voor het lassen van structuren bij gebruikstemperaturen tot 600°F. De legering heeft een hoge sterkte, een goede vervormbaarheid en een hoge corrosiebestendigheid en is toch licht van gewicht. De veelzijdigheid van Ti 6Al-4V maakt het de optimale legering voor verschillende industrieën zoals lucht- en ruimtevaart, medisch, scheepvaart en chemische verwerking. Het kan worden gebruikt om de volgende technische inhoud te creëren:

• Vliegtuigturbines
• Motoronderdelen
• Structurele onderdelen van vliegtuigen
• Bevestigingsmiddelen voor de ruimtevaart
• Hoogwaardige auto-onderdelen
• Mariene toepassingen
• Sportuitrusting

Ti 6AL-4V ELI (Chinese Standaard TC4ELI, Amerikaanse Standaard Gr23) Rang

De Ti 6AL-4V ELI- of TC4ELI-kwaliteit is een zuiverdere vorm van Ti 6Al-4V. Het kan worden verwerkt tot spoelen, gevlochten draad, elektriciteitsdraad of platte draad. Het is de beste keuze voor elke situatie die een hoge sterkte, lichtheid, goede weerstand tegen corrosie en een hoge taaiheid vereist. Het heeft een uitstekende schadetolerantie in vergelijking met andere legeringen.

Deze voordelen maken de TC4ELI kwaliteit tot de ultieme tandheelkundige en medische titaniumkwaliteit. Dankzij de biocompatibiliteit, goede vermoeiingssterkteen lage modulus, kan het worden gebruikt voor biomedische toepassingen zoals implanteerbare componenten. Het is ook nuttig voor gedetailleerde chirurgische procedures, zoals:

• Orthopedische pennen en schroeven
• Orthopedische kabels
• Ligaturen
• Chirurgische implantaten
• Orthodontische hulpmiddelen
• Gewrichtsvervangingen
• Cryogene vaten
• Hulpmiddelen voor botfixatie

TA10 (Amerikaanse standaard Gr12) Kwaliteit

De TA10 kwaliteit van titanium wordt beoordeeld als "uitstekend" vanwege de lasbaarheid van hoge kwaliteit. Het is een zeer duurzame legering die enorm sterk is bij hoge temperaturen. De TA10 kwaliteit titanium heeft kenmerken die vergelijkbaar zijn met de 300-serie roestvrij staal.

Deze legering kan warm of koud worden gevormd met persen, hydrovormen, strekvormen of valhamers. De mogelijkheid om op verschillende manieren gevormd te worden maakt het nuttig in vele toepassingen. De hoge corrosiebestendigheid van deze legering maakt het ook van onschatbare waarde voor productieapparatuur die rekening moet houden met spleetcorrosie. TA10 Grade kan worden gebruikt in de volgende industrieën en toepassingen:

• Schelpen en warmtewisselaars
• Hydrometallurgische toepassingen
• Chemische productie op hoge temperatuur
• Marine- en luchtvaartonderdelen

Ti 5Al-2,5Sn

Ti 5Al-2,5Sn is een niet-warmtebehandelbare legering die goed lasbaar en stabiel is. Het heeft ook stabiliteit bij hoge temperaturen, hoge sterkte, goede corrosiebestendigheid en goede kruipweerstand. Kruip verwijst naar het fenomeen van plastische rek die gedurende lange tijd optreedt bij hoge temperaturen. Ti 5Al-2,5Sn wordt voornamelijk gebruikt in vliegtuigen en romptoepassingen en in toepassingen bij lage temperaturen.

Tot slot is in bijlage een vergelijking van de oude en nieuwe titaniumsoorten en hun chemische samenstelling volgens buitenlandse en nationale normen.

3. Toepassingen van titanium en titaniumlegeringen

Hoewel titanium en titaniumlegeringen er in overvloed zijn, zijn hun prijzen erg hoog. Dit komt doordat titanium een lage chemische activiteit heeft bij hoge temperaturen, waardoor de smelttechnologie en de bedrijfsomgeving zeer veeleisend zijn. Het moet worden gesmolten onder hoge temperaturen en vacuümomstandigheden, waarbij vaak temperaturen van meer dan 800℃ worden bereikt.

Dit maakt het veel uitdagender dan het smelten van staal. Als mensen het over titaniumlegeringen hebben, zien ze het daarom als een hoogwaardig metaalmateriaal met een lage productie en hoge prijzen, en daarom wordt het zelden gebruikt.

Tegenwoordig worden titanium en titaniumlegeringen vanwege de uitstekende eigenschappen van titaniumlegeringen - lichtgewicht, sterk en hittebestendig - op grote schaal gebruikt bij de productie van geavanceerde wapens en belangrijke nationale instrumenten, met name in de lucht- en ruimtevaartindustrie. Hier zijn enkele voorbeelden van toepassingen in de chemische industrie:

1. Alkaliproductie-industrie

De introductie van titanium koelers in de alkali-productie-industrie heeft effectief het probleem opgelost van chloorgas dat niet aan de normen voldeed en geproduceerd werd als gevolg van het onredelijke traditionele koelproces. Het heeft ook het gezicht van de chlooralkali-industrie veranderd, omdat de koelers van titaniumlegeringen een levensduur van wel 20 jaar kunnen hebben.

2. Zoutproductie-industrie

De meest geavanceerde zoutproductietechnologie die momenteel wordt gebruikt is vacuümzoutproductie. De geconcentreerde pekel op hoge temperatuur die tijdens dit proces wordt geproduceerd, kan ernstige schade toebrengen aan constructies van koolstofstaal, waardoor apparatuur gaat lekken.

Het implementeren van een composietstructuur van titaniumstaal in de verwarmings- en verdampingskamers kan zoutaanslag effectief voorkomen, de zoutkwaliteit verbeteren en de corrosie-invloed van pekel met een hoge concentratie op de pijpwanden tijdens het verdampingsproces verminderen, waardoor de onderhoudscyclus wordt verlengd.

Ruimtevaartindustrie

1. Luchtvaartindustrie

Titaanlegeringen die in de luchtvaart worden gebruikt, worden onderverdeeld in structurele titaanlegeringen voor vliegtuigen en structurele titaanlegeringen voor motoren. De belangrijkste toepassingen van titaniumlegeringen in vliegtuigen zijn landingsgestelonderdelen, frames, balken, romphuid en hitteschilden. Het Il-76 vliegtuig uit Rusland maakt gebruik van een BT22 titaniumlegering met hoge sterkte voor de productie van belangrijke onderdelen zoals landingsgestellen en dragende balken.

De dwarsbalk van het hoofdlandingsgestel van de Boeing 747 is gemaakt van Ti-6Al-4V materiaal, met een gesmeed stuk van 6,20 meter lang en 0,95 meter breed, met een gewicht tot 1545 kilogram. De zeer sterke en sterke titaniumlegering Ti-62222S wordt gebruikt in cruciale onderdelen van de horizontale stabilisatoras van het C-17 vliegtuig.

Bij vliegtuigmotoren worden titaniumlegeringen gebruikt in compressorschijven, bladen, trommels, hogedrukcompressorrotors en compressorbehuizingen. De voorrand en het uiteinde van het ventilatorblad van de Boeing 747-8GENX-motor worden beschermd door een omhulsel van titaniumlegering, dat slechts drie keer is vervangen in een gebruiksperiode van 10 jaar.

2. Ruimtevaartuigindustrie

De werkomstandigheden van ruimtevaartuigen zijn extreem zwaar. Naast de behoefte aan een superieur technisch ontwerp van materialen, zijn ook de uitstekende eigenschappen en functies van de materialen zelf van cruciaal belang, waardoor titaanlegeringen zich onderscheiden van andere materialen.

Op het gebied van ruimte-uitrusting, tijdens het Apollo-programma van de Verenigde Staten in de jaren 1960, waren de tweemanscabine van het ruimteschip, de vleugelbalken van de gesloten cabine en de ribben allemaal gemaakt van Ti-5Al-2,5Sn, met bekledingen van puur titanium.

Het Duitse MT Aerospace Company heeft een opslagtank voor het voortstuwingssysteem van een zeer sterke Ti-15V-3Cr-legering geproduceerd, die wordt gebruikt op het gigantische platform van de Europese Alpha communicatiesatelliet.

Er zijn veel voorbeelden van de toepassing van Russische titaanlegeringen in de ruimtevaart, zoals het gebruik van een groot smeedstuk van BT23 titaanlegering van 3,5 ton in de vrachtraket Energia. Daarnaast worden titaniumlegeringen ook gebruikt in de brandstoftanks van raketmotoren voor vloeibare brandstof, opslagtanks voor vloeistoffen bij lage temperatuur en waaiers voor vloeibare waterstofpompen.

Ook in de snelle ontwikkeling van de binnenlandse ruimtevaarttechniek worden titaanlegeringen veel gebruikt. Vanaf de Dongfang 1 satelliet in 1970 tot het huidige Shenzhou ruimtevaartuig en de Chang'e maansondes zijn titaniumlegeringen gebruikt.

Daarnaast is de TA7ELI gascilinder van titaniumlegering met lage temperatuur, die door China is ontwikkeld voor gebruik in een omgeving met vloeibare waterstof, gebruikt in de Long March-serie van lanceervoertuigen. Het Harbin Institute of Technology heeft een TC4 titaniumlegering gebruikt om de velgen van maanrovers te maken. Daarnaast heeft China ook BT20 en andere titaniumlegeringen met hoge sterkte gebruikt om motoromhulsels en straalpijpen van raketten te maken.

3. Maritieme toepassingen

Titanium en zijn legeringen worden veel gebruikt in nucleaire onderzeeërs, diepe duikboten, atoomijsbrekers, draagvleugelboten, hovercrafts, mijnenvegers, maar ook in propellers, zweepantennes, zeewaterpijpleidingen, condensors, warmtewisselaars, akoestische apparaten en brandbestrijdingsapparatuur. De Amerikaanse

De diepe duikboot "Sea Cliff" is uitgerust met een titanium observatiecabine en controlecabine en kan duiken tot een diepte van 6100 meter. Toho Titanium Company uit Japan bouwde in samenwerking met Fujin Shipbuilding de "Mori Support Heaven II", een titanium speedboot die veel verkocht werd in de VS. China's eerste zelfontworpen en geïntegreerde bemande duikboot, de "Jiaolong", maakt ook gebruik van titaniumlegeringen en bestrijkt 99,8% van de oceaangebieden in de wereld.

4. Bestaande problemen en vooruitzichten van titanium en zijn legeringen

Ondanks de aanzienlijke vooruitgang in de ontwikkeling van titanium en titaanlegeringen zijn er nog steeds uitdagingen. Deze uitdagingen vallen voornamelijk uiteen in drie categorieën:

1) Productieaspect

China is een belangrijke speler in de titaniumindustrie, maar de hoeveelheid hoogwaardige producten die het produceert is laag en er is een schaarste aan titaniumproducten met speciale kenmerken.

Bovendien is China nog niet in staat om titaniumstrips en geëxtrudeerde titaniumprofielen in massa te produceren. Deze beperking belemmert de ontwikkeling en het gebruik van titanium en titaanlegeringen in de lucht- en ruimtevaart en de scheepvaart. Het doel om het gebruik van titanium in vliegtuigmotoren verder te verhogen tot ongeveer 50% blijft nog steeds een grote uitdaging.

2) Prestatieaspect

Titanium is zeer chemisch actief, waardoor het gevoelig is voor vervuiling door andere elementen. Dit vereist een hoge mate van precisie bij de verwerking en productie van titaanlegeringen.

Bovendien vereisen de hoogwaardige producten die hieruit voortkomen een uitgebreide evaluatie van hun mechanische, fysische, chemische en technologische eigenschappen. De drastische afname in kruipweerstand en oxidatieweerstand bij hoge temperaturen boven 600°C zijn de twee grootste obstakels voor een bredere toepassing van bestaande titaanlegeringen.

3) Kostenaspect

Momenteel worden er wereldwijd inspanningen geleverd om de toepassingskosten van titaanlegeringen te verlagen en er is al aanzienlijke vooruitgang geboekt.

De huidige situatie in China is echter zo dat het management en het technologische niveau van het land nog niet ideaal zijn. De binnenlands geproduceerde producten van titaniumlegeringen hebben geen concurrerende prijs op internationale schaal, wat schadelijk is voor hun bredere gebruik.

Op dit moment zijn de belangrijkste toepassingsgebieden van titaanlegeringen nog steeds de lucht- en ruimtevaart en de militaire industrie. De vooruitzichten voor de ontwikkeling van nieuwe toepassingsgebieden, zoals auto's, treinen, hogesnelheidstreinen en zelfs alledaagse civiele sectoren, zijn echter nog steeds enorm.

Daarnaast zijn het vervangen van dure legeringselementen door goedkopere en het verlagen van de kosten van onderdelen van titaanlegeringen door technologische middelen belangrijke onderwerpen in toekomstig onderzoek naar titaanlegeringen. Zodra hoogwaardige toepassingen van titaanlegeringen tegen lage kosten kunnen worden geproduceerd, zullen ze op verschillende gebieden worden gebruikt.