Титан и его сплавы: Все, что нужно знать

1. Источник титана

Титан был впервые обнаружен в 1791 году минералогом-любителем Грегором из Великобритании. К 1795 году немецкий химик Клапрот назвал это неизвестное металлическое вещество в честь греческих богов - титанов, что в переводе на английский означает "титан".

Титан в изобилии встречается на Земле: известно более 140 видов титановых минералов. Однако основное промышленное применение находят ильменит и рутил. Китай обладает 28% мировых запасов ильменита, занимая первое место в мире.

Титан, общепризнанный нетоксичный элемент, является дорогостоящим из-за высокой стоимости добычи и производства. Благодаря способности выдерживать высокие и низкие температуры, противостоять сильным кислотам и щелочам, высокой прочности и низкой плотности, он стал специализированным материалом для ракет и спутников NASA.

Он также используется в таких суперпроектах нашей страны, как Jade Rabbit, J-20 и авианосец Shandong. После выхода на потребительский рынок в 1980-х годах его природные антибактериальные и биосовместимые свойства сделали его "почетным королем" в индустрии посуды.

Титановая промышленность Китая зародилась в 1950-х годах. К середине 1960-х годов Китай создал заводы по переработке губчатого титана и титана в Цзуньи и Баоцзи, соответственно, что сделало Китай одной из мировых держав в титановой промышленности.

В XXI веке титановая промышленность Китая вступила в новый период ускоренного развития, а ее производственные мощности по выпуску титана лидируют в мире.

2. Разница между чистым титаном и титановыми сплавами

Чистый титан

Также известный как промышленный чистый титан или коммерческий чистый титан, он классифицируется в зависимости от содержания примесных элементов. Он обладает отличной технологичностью при штамповке и свариваемостьНечувствителен к термообработке и организационным типам, обладает определенной прочностью при удовлетворительных условиях пластичности. Его прочность в основном зависит от содержания промежуточных элементов - кислорода и азота.

Свойства промышленного чистого титана 99,5%: плотность P=4,5 г/см³Температура плавления 1800°C, теплопроводность λ=15,24Вт/(М.К), прочность на разрыв σ b=539МПа, удлинение: δ=25%, скорость поперечной усадки ψ=25%, модуль упругости E=1,078×105МПа, твердость HB195.

Титановый сплав

Титановый сплав - это сплав, состоящий из титана в качестве основы и других элементов. Это относительно молодой металл, история которого насчитывает всего шестьдесят-семьдесят лет с момента открытия до наших дней. Материалы из титановых сплавов обладают такими характеристиками, как малый вес, высокая прочность, малая упругость, устойчивость к высоким температурам и коррозии.

В основном они используются для изготовления деталей авиационных двигателей, ракет, снарядов и т.д. Титан имеет два вида гомоморфных двулучепреломляющих кристаллов. Титан - гомоморфный изоморф, с температурой плавления 1720°C. Ниже 882°C он представляет собой плотную гексагональную кристаллическую структуру, называемую α-титаном; выше 882°C - структуру с телесно-центрированной кубической решеткой, называемую β-титаном.

Используя различные характеристики двух вышеуказанных структур титана, добавляя соответствующие легирующие элементы и постепенно изменяя температуру фазового перехода и содержание фаз, получают различные организации титановых сплавов (титановые сплавы).

Элементы титановых сплавов можно разделить на три категории в зависимости от их влияния на температуру фазового перехода:

① Стабильная α-фаза, элементы, повышающие температуру фазового перехода, - это α-стабилизирующие элементы, такие как алюминий, магний, кислород и азот. Среди них алюминий является основным легирующим элементом титановых сплавов и оказывает очевидное влияние на повышение комнатной температуры и высокотемпературной прочности сплава, уменьшение удельного веса и увеличение модуля упругости.

② Стабильная β-фаза, элементы, понижающие температуру фазового перехода, - это β-стабилизирующие элементы. Их можно разделить на изоморфные и эвтектические. К первым относятся молибден, ниобий, ванадий и т. д.; ко вторым - хром, марганец, медь, кремний и т. д.

Нейтральные элементы, мало влияющие на температуру фазового перехода, включают цирконий, олово и др.

Таблица марок и химического состава титана и титановых сплавов

Наиболее часто используемые марки:

TA1 (Американский стандарт: Gr1)

Титан TA1 (Gr1) - первый из четырех промышленных сортов чистого титана. Это самая мягкая и пластичная из всех марок. Он обладает высочайшей формуемостью, отличной коррозионной стойкостью и высокой ударной вязкостью. Титан марки TA1 - это материал, который выбирают для любых задач, требующих легкой пластичности, обычно он используется для изготовления титановых пластин и труб.

TA2 (Американский стандарт: Gr2) Класс

Благодаря своему разнообразию и широкой доступности титан марки TA2 известен как "рабочая лошадка" в коммерческой индустрии чистого титана. Он имеет много общих качеств с титановым сплавом марки TA1, но немного прочнее. Оба сплава одинаково устойчивы к коррозии.

Эта марка обладает хорошей свариваемостью, прочностью, пластичностью и формуемостью. Это делает титановые стержни и пластины марки TA2 лучшим выбором для многих применений в строительстве, энергетике и медицинской промышленности.

TA3 (Американский стандарт: Gr3) Класс

Этот сорт является наименее используемым среди коммерческих сортов чистого титана, но это не снижает его ценности. Марка TA3 прочнее, чем марки TA1 и TA2, с аналогичной пластичностью, только немного хуже формуется. Но механические свойства у нее выше, чем у предшественников.

Марка TA3 используется в областях, требующих умеренной прочности и первичной коррозионной стойкости, таких как аэрокосмическая промышленность, химическая обработка и морская индустрия.

TA4 (American Standard: Gr4) Класс

Марка TA4 считается самой прочной из четырех коммерческих марок чистого титана. Она также известна своей превосходной коррозионной стойкостью, хорошей формуемостью и свариваемостью. Он используется в областях, требующих высокой прочности, таких как некоторые компоненты планера, низкотемпературные сосуды, теплообменники и т. д.

TA9 (Американский стандарт: Gr7) Класс

Марка TA9 механически и физически эквивалентна марке TA2, за исключением того, что добавление палладия превращает ее в сплав. Марка 7 обладает превосходной свариваемостью и характеристиками, являясь наиболее коррозионностойкой из всех титановых сплавов.

Она наиболее устойчива к коррозии в восстановительных кислотах. Марка TA9 используется для компонентов химического процесса и производственного оборудования. TA9 обладает чрезвычайно высокой коррозионной стойкостью, особенно в восстановительных кислотных средах.

TA9-1 (American Standard: Gr11) Класс

Марка TA9-1 очень похожа на марку TA1, но для повышения коррозионной стойкости в нее добавлено небольшое количество палладия, что превращает ее в сплав. Эта коррозионная стойкость может быть использована для предотвращения щелевой коррозии и снижения содержания кислоты в хлоридных средах.

Другие полезные свойства включают оптимальную пластичность, возможность холодной формовки, полезную прочность, ударную вязкость и отличную свариваемость. Этот сплав может использоваться для тех же целей, что и титан сорта 1, особенно там, где требуется коррозия.

Ti 6Al-4V (китайский стандарт TC4, американский стандарт Gr5) Марка

Часто называемый "основным" титановым сплавом, титан Ti 6Al-4V или Grade 5 является наиболее часто используемым из всех титановых сплавов. На его долю приходится 50% от общего объема использования титана в мире. Его популярность обусловлена многочисленными преимуществами.

Ti 6Al-4V можно подвергать термообработке для повышения прочности. Его можно использовать для сварки конструкций при температуре использования до 600°F. Сплав обладает высокой прочностью, хорошей формуемостью, высокой коррозионной стойкостью и при этом имеет небольшой вес. Универсальность Ti 6Al-4V делает его оптимальным сплавом для различных отраслей промышленности, таких как аэрокосмическая, медицинская, морская и химическая. Он может использоваться для создания следующих технических материалов:

• Авиационные турбины
• Детали двигателя
• Конструктивные элементы самолетов
• Аэрокосмический крепеж
• Высокопроизводительные автомобильные детали
• Морское применение
• Спортивное оборудование

Ti 6AL-4V ELI (китайский стандарт TC4ELI, американский стандарт Gr23) Grade

Марка Ti 6AL-4V ELI или TC4ELI - это более чистая форма Ti 6Al-4V. Из него можно изготавливать катушки, многожильный провод, электрический провод или плоский провод. Это лучший выбор для любых ситуаций, требующих высокой прочности, легкости, хорошей коррозионной стойкости и высокой вязкости. По сравнению с другими сплавами он обладает отличной устойчивостью к повреждениям.

Эти преимущества делают марку TC4ELI лучшим титаном для стоматологии и медицины. Благодаря своей биосовместимости, хорошему усталостная прочностьБлагодаря низкому модулю упругости его можно использовать в биомедицинских целях, например, для изготовления имплантируемых компонентов. Он также полезен для детальных хирургических операций, таких как:

• Ортопедические штифты и винты
• Ортопедические кабели
• Лигатуры
• Хирургические имплантаты
• Ортодонтические приборы
• Замена суставов
• Криогенные сосуды
• Устройства для фиксации костей

TA10 (American Standard Gr12) Класс

Марка титана TA10 имеет оценку "отлично" за высокое качество свариваемости. Это высокопрочный сплав, обеспечивающий огромную прочность при высоких температурах. По своим характеристикам титан марки TA10 схож с нержавеющей сталью серии 300.

Этот сплав можно формовать горячим или холодным способом с помощью прессования, гидроформовки, растяжения или выбивки. Способность к различным видам формовки делает его полезным во многих областях применения. Высокая коррозионная стойкость этого сплава также делает его неоценимым для производственного оборудования, которое должно учитывать щелевую коррозию. Сплав TA10 может использоваться в следующих отраслях промышленности и сферах применения:

• Кожухи и теплообменники
• Гидрометаллургические применения
• Высокотемпературное химическое производство
• Морские и авиационные компоненты

Ti 5Al-2.5Sn

Ti 5Al-2.5Sn - это сплав, не поддающийся термической обработке, который обеспечивает хорошую свариваемость и стабильность. Он также обладает высокотемпературной стабильностью, высокой прочностью, хорошей коррозионной стойкостью и сопротивлением ползучести. Под ползучестью понимается явление пластической деформации, происходящее в течение длительного времени при высоких температурах. Ti 5Al-2.5Sn в основном используется в авиации и фюзеляжах, а также в низкотемпературных областях.

Наконец, прилагается сравнение старых и новых марок титана и их химических составов в соответствии с зарубежными и отечественными стандартами.

3. Области применения титана и титановых сплавов

Хотя титана и титановых сплавов много, цены на них очень высоки. Это объясняется тем, что титан обладает низкой химической активностью при высоких температурах, что делает технологию его выплавки и условия эксплуатации весьма требовательными. Он должен выплавляться в условиях высокой температуры и вакуума, часто достигая температуры свыше 800℃.

Это делает его гораздо более сложным, чем выплавка стали. Поэтому при упоминании титановых сплавов люди воспринимают его как элитный металлический материал с низким уровнем производства и высокой ценой, и поэтому он редко используется.

В настоящее время благодаря отличным свойствам титановых сплавов - легкости, высокой прочности и жаропрочности - титан и титановые сплавы широко используются в производстве новейшего оружия и важных национальных приборов, особенно в аэрокосмической промышленности. Вот несколько примеров его применения в химической промышленности:

1. Производство щелочи

Внедрение титановых охладителей в щелочной промышленности позволило эффективно решить проблему некачественного хлорного газа, получаемого из-за нерационального традиционного процесса охлаждения. Это также изменило облик хлорно-щелочной промышленности, поскольку срок службы охладителей из титанового сплава может достигать 20 лет.

2. Промышленность по производству соли

Самой передовой технологией производства соли в настоящее время является вакуумное производство соли. Высокотемпературный концентрированный рассол, образующийся в ходе этого процесса, может нанести серьезный ущерб конструкциям из углеродистой стали, вызывая утечку оборудования.

Применение композитной структуры из титана и стали в нагревательной и испарительной камерах позволяет эффективно предотвратить образование солевого налета, улучшить качество соли и снизить коррозионное воздействие высококонцентрированного рассола на стенки труб в процессе испарения, тем самым продлевая цикл технического обслуживания.

Аэрокосмическая промышленность

1. Авиационная промышленность

Титановые сплавы, используемые в авиации, делятся на конструкционные титановые сплавы для самолетов и конструкционные титановые сплавы для двигателей. Основные области применения конструкций из титановых сплавов в авиации включают компоненты шасси, рамы, балки, обшивку фюзеляжа и теплозащитные экраны. В российском самолете Ил-76 для изготовления ключевых компонентов, таких как шасси и несущие балки, используется высокопрочный титановый сплав ВТ22.

Главная поперечная балка шасси самолета Boeing 747 изготовлена из материала Ti-6Al-4V. Длина кованой детали составляет 6,20 метра, ширина - 0,95 метра, вес - 1545 килограммов. Высокопрочный и высокожесткий титановый сплав Ti-62222S используется в ответственных деталях оси горизонтального стабилизатора самолета C-17.

В авиационных двигателях титановые сплавы используются в дисках, лопатках, барабанах, роторах компрессоров высокого давления и корпусах компрессоров. Передняя кромка и кончик лопатки вентилятора двигателя Boeing 747-8GENX защищены кожухом из титанового сплава, который заменялся всего три раза за 10 лет эксплуатации.

2. Промышленность космических аппаратов

Условия работы космических аппаратов чрезвычайно суровы. Помимо необходимости в превосходном техническом исполнении материалов, решающее значение имеют также отличные характеристики и функции самих материалов, благодаря чему титановые сплавы выделяются среди многих материалов.

В области космического оборудования во время американской программы "Аполлон" в 1960-х годах двухместная кабина космического корабля, балки крыла закрытой кабины и ребра жесткости были изготовлены из Ti-5Al-2.5Sn, а обшивка - из чистого титана.

Немецкая компания MT Aerospace выпустила высокопрочный бак для хранения двигательной установки из сплава Ti-15V-3Cr, который используется на гигантской платформе европейского спутника связи Alpha.

Существует множество примеров применения российских титановых сплавов в космической технике, например, использование крупной 3,5-тонной поковки из титанового сплава ВТ23 в грузовой ракете "Энергия". Кроме того, титановые сплавы используются в топливных баках жидкотопливных ракетных двигателей, резервуарах для хранения низкотемпературных жидкостей и рабочих колесах насосов для перекачки жидкого водорода.

В стремительном развитии отечественной космической техники также широко используются титановые сплавы. Начиная со спутника Dongfang 1 в 1970 году и заканчивая современными космическими кораблями серии Shenzhou и лунными зондами Chang'e, титановые сплавы используются.

Кроме того, газовый баллон из низкотемпературного титанового сплава TA7ELI, разработанный Китаем для использования в среде жидкого водорода, был использован в ракетах-носителях серии Long March. Харбинский технологический институт использовал титановый сплав TC4 для изготовления колесных дисков луноходов. Кроме того, Китай использовал BT20 и другие высокопрочные титановые сплавы для изготовления корпусов двигателей и сопел ракет.

3. Морские приложения

Титан и его сплавы широко используются в атомных подводных лодках, глубоководных аппаратах, атомных ледоколах, катерах на подводных крыльях, судах на воздушной подушке, минных тральщиках, а также в гребных винтах, антеннах, трубопроводах для морской воды, конденсаторах, теплообменниках, акустических приборах и противопожарном оборудовании. Например, в США

Глубоководный аппарат "Sea Cliff" оснащен титановой наблюдательной кабиной и кабиной управления, способной погружаться на глубину до 6100 м. Японская компания Toho Titanium в сотрудничестве с Fujin Shipbuilding построила титановый катер "Mori Support Heaven II", который пользовался большим спросом в США. Первый китайский пилотируемый подводный аппарат собственной разработки и интеграции "Jiaolong" также использует титановые сплавы и покрывает 99,8% океанических регионов мира.

4. Существующие проблемы и перспективы использования титана и его сплавов

Несмотря на значительные успехи в разработке титана и его сплавов, существуют проблемы, которые по-прежнему актуальны. Эти проблемы в основном делятся на три категории:

1) Производственный аспект

Китай является крупным игроком в титановой промышленности, но количество производимой им высококачественной продукции невелико, а титановых изделий с особыми характеристиками не хватает.

Кроме того, Китай пока не может наладить массовое производство титановых полос и экструдированных титановых профилей. Это ограничение препятствует развитию и использованию титана и его сплавов в аэрокосмической и морской отраслях. Задача дальнейшего увеличения использования титана в авиационных двигателях до уровня примерно 50% по-прежнему остается сложной.

2) Аспект производительности

Титан обладает высокой химической активностью, что делает его восприимчивым к загрязнению другими элементами. Это требует высокой точности при обработке и производстве титановых сплавов.

Кроме того, получаемые в результате высокоэффективные изделия требуют всесторонней оценки их механических, физических, химических и технологических свойств. Резкое снижение сопротивления ползучести и стойкости к высокотемпературному окислению выше 600°C - два основных препятствия для более широкого применения существующих титановых сплавов.

3) Аспект стоимости

В настоящее время во всем мире предпринимаются усилия по снижению стоимости применения титановых сплавов, и достигнут значительный прогресс.

Однако, если говорить о текущей ситуации в Китае, то управленческий и технологический уровни страны еще не достигли идеального состояния. Продукция из титановых сплавов отечественного производства не имеет конкурентоспособной цены на международном уровне, что препятствует ее широкому использованию.

В настоящее время основными областями применения титановых сплавов остаются аэрокосмическая и военно-промышленная отрасли. Однако перспективы развития новых областей применения, таких как автомобили, поезда, высокоскоростные железные дороги и даже повседневные гражданские отрасли, по-прежнему огромны.

Кроме того, замена дорогих элементов сплава на более дешевые, а также снижение стоимости компонентов титановых сплавов с помощью технологических средств являются важными темами будущих исследований титановых сплавов. Как только высокотехнологичные титановые сплавы достигнут дешевизны производства, они найдут применение в различных областях.