Краткие обозначения:
σ в	- временное сопротивление разрыву (предел прочности при растяжении), МПа		ε	- относительная осадка при появлении первой трещины, %
σ 0,05	- предел упругости, МПа		J к	- предел прочности при кручении, максимальное касательное напряжение, МПа
σ 0,2	- предел текучести условный, МПа		σ изг	- предел прочности при изгибе, МПа
δ 5 ,δ 4 ,δ 10	- относительное удлинение после разрыва, %		σ -1	- предел выносливости при испытании на изгиб с симметричным циклом нагружения, МПа
σ сж0,05 и σ сж	- предел текучести при сжатии, МПа		J -1	- предел выносливости при испытание на кручение с симметричным циклом нагружения, МПа
ν	- относительный сдвиг, %		n	- количество циклов нагружения
s в	- предел кратковременной прочности, МПа		R и ρ	- удельное электросопротивление, Ом·м
ψ	- относительное сужение, %		E	- модуль упругости нормальный, ГПа
KCU и KCV	- ударная вязкость, определенная на образце с концентраторами соответственно вида U и V, Дж/см 2		T	- температура, при которой получены свойства, Град
s T	- предел пропорциональности (предел текучести для остаточной деформации), МПа		l и λ	- коэффициент теплопроводности (теплоемкость материала), Вт/(м·°С)
HB	- твердость по Бринеллю		C	- удельная теплоемкость материала (диапазон 20 o - T), [Дж/(кг·град)]
HV	- твердость по Виккерсу		p n и r	- плотность кг/м 3
HRC э	- твердость по Роквеллу, шкала С		а	- коэффициент температурного (линейного) расширения (диапазон 20 o - T), 1/°С
HRB	- твердость по Роквеллу, шкала В		σ t Т	- предел длительной прочности, МПа
HSD	- твердость по Шору		G	- модуль упругости при сдвиге кручением, ГПа

Поскольку титан представляет собой металл, обладающий хорошей твердостью, но невысокой прочностью в промышленном производстве большее распространение получили сплавы на основе титана. Сплавы с различной структурой зерна, отличаются между собой строением и типом кристаллической решетки.

Их можно получить при обеспечении в процессе производства определенных температурных режимов. А путем добавления к титану различных легирующих элементов можно получать сплавы, характеризующиеся более высокими эксплуатационными и технологическими свойствами.

При добавлении легирующих элементов и различных типах кристаллических решеток в структурах на основе титана можно получить более высокую по сравнению с чистым металлом жаропрочность и прочность . При этом полученные структуры характеризуются небольшой плотностью, хорошими антикоррозионными свойствами и хорошей пластичностью, что расширяет сферу их использования.

Характеристика титана

Титан представляет собой легкий металл, сочетающий в себе высокую твердость и небольшую прочность , что усложняет его обработку. Температура плавления этого материала в среднем составляет 1665°С . Материал характеризуется невысокой плотностью (4,5г/см3) и хорошей антикоррозионной способностью.

На поверхности материала образуется окисная пленка толщиной в несколько нм, что исключает процессы коррозии титана в морской и пресной воде, атмосфере, окислению под действием органических кислот, процессов кавитации и в конструкциях, находящихся под напряжением.

В обычном состоянии материал не обладает жаропрочностью, для него характерно явление ползучести при комнатных температурах. Однако в условиях холода и глубокого холода материал характеризуется высокими прочностными характеристиками.

Титан отличается низким значением модуля упругости, это ограничивает его использование для изготовления конструкций, в которых необходима жесткость. В чистом состоянии металл обладает высокими противорадиационными характеристиками и не обладает магнитными свойствами.

Титан характеризуется хорошими пластическими свойствами и легко поддается обработке при комнатных температурах и выше. Сварные швы из титана и его соединений обладают пластичностью и прочностью. Однако, для материала свойственны интенсивные процессы поглощения газов при нахождении в неустойчивом химическом состоянии, возникающем при повышении температуры. Титан в зависимости от газа, с которым соединяется, образует гидридные, оксидные, карбидные соединения, плохо влияющие на его технологические свойства.

Материал характеризуется плохой приспособленностью к обработке резанием , в результате ее проведения он в течение короткого промежутка времени прилипает на инструмент , что снижает его ресурс. Проведение обработки титана резанием возможно с использованием охлаждения интенсивного типа на больших подачах, при низких скоростях обработки и значительной глубине резания. Кроме того в качестве инструмента для обработки выбирается быстрорежущая сталь.

Материал характеризуется высокой химической активностью, что обуславливает использование инертных газов при проведении работ по выплавке, литье титана или проведении дуговой сварки.

В процессе использования титановые изделия необходимо защищать от возможного поглощения газов при вероятности повышения эксплуатационных температур.

Титановые сплавы

Широкое распространение получили структуры на основе титана с добавлением таких легирующих элементов, как:

Структуры, получаемые деформированием сплавов титановой группы, используются для изготовления изделий, проходящих механическую обработку.

По прочности различают:

• Высокопрочные материалы, прочность которых составляет более 1000МПа;
• Структуры, обладающие средней прочностью, в диапазоне значений от 500 до 1000МПа;
• Низкопрочные материалы, с прочностью ниже 500МПа.

По области использования:

• Структуры, обладающие коррозионной стойкостью.
• Конструкционные материалы;
• Жаропрочные структуры;
• Структуры с высокой стойкостью к действию холода.

Виды сплавов

По входящим в состав легирующим элементам выделяют шесть основных видов сплавов.

Сплавы типа α-сплавы

Сплавы типа α-сплавы на основе титана с применением для легирования алюминия, олова, циркония, кислорода характеризуются хорошей свариваемостью, понижением границы застывании титана и увеличением его жидкотекучести . Указанные свойства позволяют использовать так называемые α-сплавы для получения заготовок фасонным способом или при отливке деталей . Получаемые изделия этого типа обладают высокой термической стойкостью, что позволяет использовать их для изготовления ответственных деталей, работающих в температурных условиях до 400°С .

При минимальных количествах легирующих элементов соединения называются техническим титаном. Он характеризуется хорошей термической устойчивостью, и обладают отличными сварными характеристиками при проведении сварочных работ на различных аппаратах. Материал обладает удовлетворительными характеристиками по возможности обработки резанием. Не рекомендуется повышение прочности для сплавов этого типа с применением термообработки, материалы этого типа используются после проведения отжига. Сплавы, содержащие цирконий обладают наибольшей стоимостью и отличаются высокой технологичностью.

Формы поставки сплава представлены в виде проволоки, труб, прутков сортового проката, поковок. Наиболее используемым материалом этого класса является сплав ВТ5-1 , характеризующийся средней прочностью, жаропрочностью до 450°С и отличными характеристиками при работе в условиях низких и сверхнизких температур. Этот сплав не практикуется упрочнять термическими способами, однако его использование в условиях низких температур предполагает минимальное количество легирующих материалов.

Сплавы типа β-сплавы

Сплавы β-типа получаются при легировании титана ванадием, молибденом, никелем, при этом получаемые структуры характеризуются повышением прочности в диапазоне от комнатных до отрицательных температур по сравнению с α-сплавами. При их использовании увеличивается жаропрочность материала, его температурная стабильность, однако при этом наблюдается снижение пластических характеристик сплавов этой группы.

Для получения устойчивых характеристик сплавы этой группы должны быть легированы значительным количеством указанных элементов. Исходя из высокой стоимости этих материалов, широкого промышленного распространения структуры этой группы не получили. Для сплавов этой группы характерно противодействие ползучести, возможность повышения прочности различными способами, возможность механической обработки. Однако, с увеличением рабочей температуры до 300°С сплавы этой группы приобретают хрупкость .

Псевдо α-сплавы

Псевдо α-сплавы , большую часть легирующих элементов которых составляют компоненты α-фазы с добавлениями до 5% элементов группы β . Наличие β-фазы в сплавах добавляет к преимуществам легирующих элементов α-группы свойство пластичности. Увеличение жаростойкости сплавов этой группы достигается использованием алюминия, кремния и циркония. Последний из перечисленных элементов оказывает положительное воздействие на растворение β-фазы в структуре сплава. Однако, для этих сплавов характерны и недостатки , среди которых хорошее поглощение титаном водорода и образование гидридов, с возможностью возникновения водородной хрупкости. Водород фиксируется в соединении в форме гидридной фазы, уменьшает вязкость и пластические характеристики сплава и способствует увеличению хрупкости соединения.Одним из наиболее распространенных материалов этой группы является титановый сплав марки ВТ18 , обладающий жаропрочностью до 600°С, обладает хорошими характеристиками пластичности. Перечисленные свойства позволяют применять материал для изготовления деталей компрессоров в авиастроении . Термическая обработка материала включает отжиг при температурах около 1000°С с дальнейшим воздушным охлаждением или двойной отжиг, позволяющий на 15% увеличить его сопротивление разрыву.

Псевдо β- сплавы

Псевдо β- сплавы характеризуются наличием после проведения закалки или нормализации наличием только β-фазы. В состоянии отжига структура этих сплавов представлена α-фазой со значительным количеством легирующих компонентов группы β . Эти сплавы характеризуются самым большим среди титановых соединений показателем удельной прочности , обладают низкой термической стойкостью. Кроме того, сплавы этой группы мало подвержены хрупкости при воздействии водорода, однако обладают высокой чувствительностью к содержанию углерода и кислорода, влияющим на снижение вязких и пластичных свойств сплава. Эти сплавы характеризуются плохой свариваемостью, широким диапазоном механических характеристик, обуславливаемых неоднородностью состава и низкой стабильностью при работе в условиях высоких температур .Форма выпуска сплава представлена листами, поковками, прутками и полосовым металлом, с рекомендуемым использованием в течение длительного времени при температурах не выше 350°С. Примером такого сплава является ВТ 35 , для которого свойственна обработка давлением при воздействии температуры. После выполнения закалки материал характеризуется высокими пластическими характеристиками и способностью к деформации в холодном состоянии. Проведение операции старения для этого сплава обуславливает многократное упрочнение при наличии высокой вязкости.

Сплавы типа α+β

Сплавы типа α+β с возможными включениями интерметаллидов характеризуются меньшей хрупкостью при воздействии гидритов по сравнению со сплавами 1 и 3 групп. Кроме того, для них свойственна большая технологичность и удобство обработки с использованием различных методов по сравнению со сплавами α-группы. При проведении сварки с использованием материала этого типа для повышения пластичности шва после окончания операции требуется проведение отжига. Материалы этой группы изготавливаются в форме лент, листового металла, поковок, штамповок и прутков. Самым распространенным материалом этой группы является сплав ВТ6 , характеризуется хорошей деформируемостью при температурной обработке, сниженной вероятностью водородной хрупкости. Из этого материала производят несущие детали самолетов и жаропрочные изделия для компрессоров двигателей в авиации. Практикуется использование отожженных или упрочненных температурной обработкой сплавов ВТ6. Например, детали тонкостенного профиля или листовые заготовки отжигают при температуре 800°С в дальнейшем охлаждая на воздухе или оставляя в печи.

Сплавы из титана на базе интерметаллидов.

Интерметаллиды — сплав 2ух металлов, один из которых титан.

Получение изделий

Структуры, получаемые литьем, осуществляемым в специальные формы из металла в условиях ограничения доступа активных газов, учитывая высокую активность титановых сплавов при повышении температуры. Сплавы, получаемые при помощи литья, обладают худшими свойствами, по сравнению со сплавами, получающимися методом деформации. Термическая обработка с целью повышения прочности для сплавов этого типа не проводится, поскольку оказывает существенное воздействие на показатели пластичности этих структур.

Титан — лёгкий прочный металл серебристо-белого цвета. Существует в двух кристаллических модификациях: α-Ti с гексагональной плотноупакованной решёткой, β-Ti с кубической объёмно-центрированной упаковкой, температура полиморфного превращения α↔β 883 °C.Титан и титановые сплавы сочетают легкость, прочность, высокую коррозийную стойкость, низкий коэффициент теплового расширения, возможность работы в широком диапазоне температур.

Смотрите так же:

СТРУКТУРА

Титан имеет две аллотропические модификации. Низкотемпературная модификация, существующая до 882 °C, имеет гексагональную плотноупакованную решетку с периодами а = 0,296 нм и с = 0,472 нм. Высокотемпературная модификация имеет решетку объемноцентрированного куба с периодом а = 0,332 нм.
Полиморфное превращение (882 °C) при медленном охлаждении происходит по нормальному механизму с образованием равноосных зерен, а при быстром охлаждении — по мартенситному механизму с образованием игольчатой структуры.
Титан обладает высокой коррозионной и химической стойкостью благодаря защитной окисной пленке на его поверхности. Он не корродирует в пресной и морской воде, минеральных кислотах, царской водке и др.

СВОЙСТВА

Точка плавления 1671 °C, точка кипения 3260 °C, плотность α-Ti и β-Ti соответственно равна 4,505 (20 °C) и 4,32 (900 °C) г/см³, атомная плотность 5,71×1022 ат/см³. Пластичен, сваривается в инертной атмосфере.
Применяемый в промышленности технический титан содержит примеси кислорода, азота, железа, кремния и углерода, повышающие его прочность, снижающие пластичность и влияющие на температуру полиморфного превращения, которое происходит в интервале 865-920 °С. Для технического Титана марок ВТ1-00 и ВТ1-0 плотность около 4,32 г/см 3 , предел прочности 300-550 Мн/м 2 (30-55кгс/мм 2), относительное удлинение не ниже 25%, твердость по Бринеллю 1150-1650 Мн/м 2 (115-165 кгс/мм 2). Является парамагнетиком. Конфигурация внешней электронной оболочки атома Ti 3d24s2.

Имеет высокую вязкость, при механической обработке склонен к налипанию на режущий инструмент, и поэтому требуется нанесение специальных покрытий на инструмент, различных смазок.

При обычной температуре покрывается защитной пассивирующей пленкой оксида TiO 2 , благодаря этому коррозионностоек в большинстве сред (кроме щелочной). Титановая пыль имеет свойство взрываться. Температура вспышки 400 °C.

ЗАПАСЫ И ДОБЫЧА

Основные руды: ильменит (FeTiO 3), рутил (TiO 2), титанит (CaTiSiO 5).

На 2002 год, 90 % добываемого титана использовалось на производство диоксида титана TiO 2 . Мировое производство диоксида титана составляло 4,5 млн т. в год. Подтвержденные запасы диоксида титана (без России) составляют около 800 млн т. На 2006 год, по оценке Геологической службы США, в пересчёте на диоксид титана и без учёта России, запасы ильменитовых руд составляют 603-673 млн т., а рутиловых - 49.7-52.7 млн т. Таким образом, при нынешних темпах добычи мировых разведанных запасов титана (без учёта России) хватит более чем на 150 лет.

Россия обладает вторыми в мире, после Китая, запасами титана. Минерально-сырьевую базу титана России составляют 20 месторождений (из них 11 коренных и 9 россыпных), достаточно равномерно рассредоточенных по территории страны. Самое крупное из разведанных месторождений находится в 25 км от города Ухта (Республика Коми). Запасы месторождения оцениваются в 2 миллиарда тонн.

Концентрат титановых руд подвергают сернокислотной или пирометаллургической переработке. Продукт сернокислотной обработки - порошок диоксида титана TiO 2 . Пирометаллургическим методом руду спекают с коксом и обрабатывают хлором, получая пары тетрахлорида титана их при 850 °C восстанавливают магнием.

Полученную титановую «губку» переплавляют и очищают. Ильменитовые концентраты восстанавливают в электродуговых печах с последующим хлорированием возникающих титановых шлаков.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ

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 Al 2 O 3 . 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 % TiO 2 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 TiO 2 , ильменит FeTiO 3 , титаномагнетит FeTiO 3 + Fe3O 4 , перовскит CaTiO 3 , титанит CaTiSiO 5 . Различают коренные руды титана - ильменит-титаномагнетитовые и россыпные - рутил-ильменит-цирконовые.
Месторождения титана находятся на территории ЮАР, России, Украины, Китая, Японии, Австралии, Индии, Цейлона, Бразилии, Южной Кореи, Казахстана. В странах СНГ ведущее место по разведанным запасам титановых руд занимает РФ (58.5%) и Украина (40.2%).

ПРИМЕНЕНИЕ

Титановые сплавы играют большую роль в авиационной технике, где стремятся получить наиболее легкую конструкцию в сочетании с необходимой прочностью. Титан легок по сравнению с другими металлами, но в то же время может работать при высоких температурах. Из титановых сплавов изготовляют 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 компрессора, детали воздухозаборника и направляющего аппарата, крепеж.

Также титан и его сплавы используют в ракетостроении. 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 теплопрочности 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 титан обладает коррозионной стойкостью в таких средах, как влажный хлор, водные и кислые растворы хлора, поэтому из данного металла изготовляют оборудование для хлорной промышленности. Из титана 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 титан и его сплавы 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 дефицитностью титана.

Титан (англ. Titanium) — Ti

КЛАССИФИКАЦИЯ

Strunz (8-ое издание)	1/A.06-05
Dana (7-ое издание)	1.1.36.1
Nickel-Strunz (10-ое издание)	1.AB.05

Титан - элемент IV группы побочной подгруппы периодической системы, порядковый номер 22, атомный вес 47,9. Химический знак - Ti. Титан открыт в 1795году и назван в честь героя греческого эпоса Титана. Он входит в состав более чем 70 минералов и является одним из распространенных элементов - содержание его в земной коре составляет примерно 0,6 %. Это металл серебристо-белой окраски. Его температура плавления равна 1665 °С. Коэффициент линейного расширения титана в интервале 20 – 100 °С составляет 8,3×10 -6 град -1 , а теплопроводность l = 15,4 Вт/(м×К). Он существует в двух полиморфных видоизменениях: до 882 °С в виде a-модификации, обладающей гексагональной плотно-упакованной кристаллической решеткой с параметрами а = 2,95 Å и с = 4,86 Å; а выше данной температуры устойчивой является b-трансформация с объемноцентрированной кубической решеткой (а = 3,31 Å).

Металл сочетает большую прочность с малой плотностью r = 4,5 г/см 3 и высокой коррозионной стойкостью. Благодаря этому во многих случаях он обладает значительными преимуществами перед такими основными конструкционными материалами, как сталь и алюминий. Однако из-за низкой теплопроводности затрудняется его применение для конструкций и деталей, работающих в условиях больших температурных перепадов, и при службе на термическую усталость. Металл обладает ползучестью как при повышенных, так и при комнатной температурах. К недостаткам титана как конструкционного материала следует отнести также относительно низкий модуль нормальной упругости.

Металл высокой чистоты обладает хорошими пластическими свойствами. Под влиянием примесей пластичность его резко изменяется. Кислород хорошо растворяется в титане и сильно снижает данную характеристику уже в области малых концентраций. Пластические свойства металла уменьшаются и при добавлении азота. При содержании азота более 0,2 % наступает хрупкое разрушение титана. Вместе с тем кислород и азот повышают временное сопротивление и выносливость металла. В этом отношении они являются полезными примесями.

Вредной примесью является водород. Он резко снижает ударную вязкость титана даже при очень малых концентрациях, за счет образования гидридов. На прочностные характеристики металла водород не оказывает заметного влияния в широком интервале концентраций.

Чистый титан не относится к жаропрочным материалам, так как прочность его резко уменьшается с повышением температуры.

Важной особенностью металла является его способность образовывать твердые растворы с атмосферными газами и водородом. При нагревании титана на воздухе на его поверхности, кроме обычной окалины, образуется слой, состоящий из твердого раствора на основе a-Ti (альфитированный), стабилизированного кислородом, толщина которого зависит от температуры и продолжительности нагрева. Он имеет более высокую температуру превращения, чем основной слой металла, и его образование на поверхности деталей или полуфабрикатов может вызвать хрупкое разрушение.

Титан характеризуется значительной коррозионной стойкостью в атмосфере воздуха, естественной холодной, горячей пресной и морской воде, растворах щелочей, солей неорганических и органических кислот и соединений даже при кипячении. Он стоек по отношению к разбавленным серной, соляной (до 5 %), азотной всех концентраций (кроме дымящейся), уксусной и молочной кислотам, хлоридам и царской водке. Высокая коррозионная стойкость титана объясняется образованием на его поверхности плотной однородной защитной пленки, состав которой зависит от окружающей среды и условий ее образования. В большинстве случаев это диоксид - TiO 2 . При определенных условиях металл, взаимодействующий с соляной кислотой, может покрываться защитным слоем гидрида - TiH 2 . Титан устойчив против кавитационной коррозии и коррозии под напряжением.

Начало промышленного применения титана как конструкционного материала относится к сороковым годам прошлого столетия. В данном качестве титан наибольшее применение находит в авиации, ракетной технике, при сооружении морских судов, в приборостроении и машиностроении. Он сохраняет высокие прочностные характеристики при повышенных температурах и поэтому с успехом применяется для изготовления деталей, подвергающихся высокотемпературному нагреву.

В настоящее время титан широко применяют в металлургии, в том числе в качестве легирующего элемента в нержавеющих и жаростойких сталях. Добавки титана в сплавы алюминия, никеля и меди повышают их прочность. Он является составной частью твердых сплавов для режущих инструментов. Двуокись титана используют для обмазки сварочных электродов. Четыреххлористый титан применяют в военном деле для создания дымовых завес.

В электротехнике и радиотехнике используют порошкообразный титан в качествепоглотителя газов - при нагревании до 500 °С он энергично абсорбирует газы и тем самым обеспечивает в замкнутом объеме высокий вакуум. В связи с этим его применяют для изготовления деталей электронных ламп.

Титан в ряде случаев является незаменимым материалом в химической промышленности и в судостроении. Из него делают детали, предназначенные для перекачки агрессивных жидкостей, теплообменники, работающие в коррозионно-активных средах, подвесные приспособления, используемые при анодировании различных деталей. Титан инертен в электролитах и других жидкостях, применяемых в гальваностегии, и поэтому пригоден для производства различных деталей гальванических ванн. Его широко употребляют при изготовлении гидрометаллургической аппаратуры для никелево-кобальтовых заводов, так как он обладает высокой стойкостью против коррозии и эрозии в контакте с никелевыми и кобальтовыми шламами при больших температурах и давлениях.

Титан наиболее стоек в окислительных средах. В восстановительных средах он корродирует довольно быстро вследствие разрушения защитной окисной пленки.

Сплавы титана с различными элементами являются более перспективными материалами, чем технически-чистый металл.

Основными легирующими компонентами промышленных титановых сплавов являются ванадий, молибден, хром, марганец, медь, алюминий и олово. Практически же титан образует сплавы со всеми металлами, за исключением щелочноземельных элементов, а также с кремнием, бором, водородом, азотом и кислородом.

Наличие полиморфных превращений титана, хорошая растворимость многих элементов в нем, образование химических соединений, обладающих переменной растворимостью, позволяют получить широкую гамму титановых сплавов с разнообразными свойствами.

Они обладают тремя основными преимуществами по сравнению с другими сплавами: малым удельным весом, высокими химическими свойствами и отличной коррозионной стойкостью. Сочетание легкости с большой прочностью делают их особенно перспективными материалами как заменители специальных сталей для авиационной промышленности, а значительная коррозионная стойкость - для судостроения и химической промышленности.

Во многих случаях применение титановых сплавов оказывается экономически выгодным, несмотря на высокую стоимость титана. Например, применение литых титановых насосов с высочайшей коррозионной стойкостью на одном из предприятий России позволило снизить эксплуатационные расходы на один насос в 200 раз. Таких примеров можно привести немало.

В зависимости от характера влияния, оказываемого легирующими элементами на полиморфные превращения титана при сплавлении, все сплавы делятся на три группы:

1) с a-фазой (алюминий);

2) с b-фазой (хром, марганец, железо, медь, никель, бериллий, вольфрам, кобальт, ванадий, молибден, ниобий и тантал);

3) с a + b-фазами (олово, цирконий германий).

Сплавы титана с алюминием имеют меньшую плотность и большую удельную прочность, чем чистый или технически чистый титан. По удельной прочности они превосходят многие нержавеющие и теплостойкие стали в интервале 400 - 500 °С. Эти сплавы обладают более высокой жаропрочностью и наивысшим сопротивлением ползучести, чем многие другие на основе титана. Они также имеют повышенный модуль нормальнойупругости. Сплавы не подвергаются коррозии и слабо окисляются при высоких температурах. Они обладают хорошей свариваемостью, причем даже при значительном содержании алюминия материал шва и околошовной зоны не приобретает хрупкости. Добавка алюминия уменьшает пластичность титана. Наиболее интенсивно это влияние сказывается при содержании алюминия более 7,5 %. Добавка олова в сплавы повышает их прочностные характеристики. При концентрации в них до 5 % Sn заметного снижения пластических свойств не наблюдается. Кроме того, введение олова в сплавы повышает их сопротивляемость окислению и ползучести. Сплавы, содержащие 4 - 5 % Аl и 2 – 3 % Sn, сохраняют значительную механическую прочность до 500 °С.

Цирконий не оказывает большого влияния на механические свойства сплавов, но его присутствие способствует увеличению сопротивления ползучести и повышению длительной прочности. Цирконий является ценным компонентом титановых сплавов.

Сплавы данного типа достаточно пластичны: прокатываются, штампуются и куются в горячем состоянии, свариваются аргоно-дуговой и контактной сваркой, удовлетворительно обрабатываются резанием, обладают хорошей коррозионной стойкостью в концентрированной азотной кислоте, в атмосфере, растворах поваренной соли при цикличных нагрузках и морской воде. Они предназначаются для изготовления деталей, работающих при температурах от 350 до 500 °С при длительных нагрузках и до 900 °С при кратковременных нагрузках. Сплавы поставляются в виде листов, прутков, полос, плит, поковок, штамповок, прессованных профилей, труб и проволоки.

При комнатной температуре они сохраняют кристаллическую решетку, присущую модификации a-титана. В большинстве случаев эти сплавы применяют в отожженном состоянии.

К титановым сплавам с термодинамически устойчивой b-фазой относятся системы, содержащие в своем составе алюминий (3,0 - 4,0 %), молибден (7,0 - 8,0 %) и хром (10,0 - 15,0 %). Однако при этом теряется одно из основных преимуществ титановых сплавов - относительно малая плотность. Это является основной причиной того, что данные сплавы не получили широкого распространения. После закалки с 760 - 780 °С и старения при 450 - 480 °С они имеют временное сопротивление 130 – 150 кГ/мм 2 , это эквивалентно стали с s в = 255 кГ/мм 2 . Однако эта прочность не сохраняется при нагревании, что является основным недостатком указанных сплавов. Они поставляются в виде листов, прутков и поковок.

Наилучшее сочетание свойств достигается в сплавах, состоящих из смеси a- и b-фaз. Непременным компонентом в них является алюминий. Содержание алюминия не только расширяет область температур, при которых сохраняется стабильность a-фазы, но и повышает термическую устойчивость b-составляющей. Кроме того, этот металл уменьшает плотность сплава и тем самым компенсирует увеличение данного параметра, связанное с введением тяжелых легирующих элементов. Они обладают хорошей прочностью и пластичностью. Из них изготовляют листы, прутки, поковки и штамповки.Детали из таких сплавов можно соединять точечной, стыковой и аргоно-дуговой сваркой в защитной атмосфере. Они удовлетворительно обрабатываются резанием, обладают высокой коррозионной стойкостью во влажной атмосфере и в морской воде, обладают хорошей термической стабильностью.

Иногда, кроме алюминия и молибдена, в сплавы добавляется небольшое количество кремния. Это способствует тому, что сплавы в горячем состоянии хорошо поддаются прокатке, штамповке и ковке, а также увеличивается сопротивление ползучести.

Широкое применение находит карбид титана TiC и сплавы на его основе. Карбид титана обладает большой твердостью и очень высокой темпера­турой плавления, что и определяет основные области его применения. Его давно применяют как компонент твердых сплавов для режущих инструментов и штампов. Типичными титансодержащими твердыми сплавами для режущего инструмента являются сплавы Т5К10, Т5К7, Т14К8, Т15К6, ТЗ0К4 (первая цифра соответствует содержанию карбида титана, а вторая - концентрации цементирующего металлического кобальта в %). Карбид титана применяют также в качестве абразивного материала как в порошке, так и в цементированном виде. Его температура плавления выше 3000 °С. Он обладает большой электропроводностью, а при низких температурах - сверхпроводимостью. Ползучесть данного соединения мала вплоть до 1800 °С. При комнатной температуре он хрупок. Карбид титана стоек в холодных и горячих кислотах - соляной, серной, фосфорной, щавелевой, на холоде - в хлорной кислоте, а также в их смесях.

Большое распространение получили жаростойкие материалы на основе карбида титана, легированного молибденом, танталом, ниобием, никелем, кобальтом и другими элементами. Это позволяет получить материалы, в которых сочетаются большая прочность, сопротивляемость ползучести и окислению при высоких температурах карбида титана с пластичностью и сопротивлением тепловому удару металлов. На этом же принципе основано получение жаростойких материалов на основе других карбидов, а также боридов, силицидов, которые объединяются под общим названием керамико-металлических материалов.

Сплавы на основе карбида титана сохраняют достаточно высокую жаропрочность до 1000 – 1100 °С. Они обладают высокой износоустойчивостью и стойкостью против коррозии. Ударная вязкость сплавов мала, и это является основным препятствием для широкого их распространения.

Карбид титана и сплавы на его основе с карбидами других металлов применяют в качестве огнеупорных материалов. Тигли из карбида титана и сплава его с карбидом хрома не смачиваются и практически не взаимодействуют в течение длительного времени с расплавленным оловом, висмутом, свинцом, кадмием и цинком. Не смачивают карбид титана расплавленная медь при 1100 - 1300 °С и серебро при 980 °С в вакууме, алюминий при 700 °С в атмосфере аргона. Сплавы на основе карбида титана с карбидом вольфрама или тантала с добавкой до 15 % Со при 900 – 1000 °С в течение длительного времени почти не поддаются действию расплавленного натрия и висмута.

Монумент в честь покорителей космоса воздвигнут в Москве в 1964 г. Почти семь лет (1958-1964) ушло на проектирование и сооружение этого обелиска. Авторам пришлось решать не только архитектурнохудожественные, но и технические задачи. Первой из них был выбор материалов, в том числе и облицовочных. После долгих экспериментов остановились на отполированных до блеска титановых листах.

Действительно, по многим характеристикам, и прежде всего по коррозионной стойкости, титан превосходит подавляющее большинство металлов и сплавов. Иногда (особенно в популярной литературе) титан называют вечным металлом. Но расскажем сначала об истории этого элемента.

Окисел или не окисел?

До 1795 г. элемент № 22 назывался «менакином». Так назвал его в 1791 г. английский химик и минералог Уильям Грегор, открывший новый элемент в минерале менаканите (не ищите это название в современных минералогических справочниках - менаканит тоже переименован, сейчас он называется ильменитом).

Спустя четыре года после открытия Грегора немецкий химик Мартин Клапрот обнаружил новый химический элемент в другом минерале - рутиле - ив честь царицы эльфов Титании (германская мифология) назвал его титаном.

По другой версии название элемента происходит от титанов, могучих сыновей богини земли - Геи (греческая мифология).

В 1797 г. выяснилось, что Грегор и Клапрот открыли один и тот же элемент, и хотя Грегор сделал это раньше, за новым элементом утвердилось имя, данное ему Клапротом.

Но ни Грегору, ни Клапроту не удалось получить элементный титан . Выделенный ими белый кристаллический порошок был двуокисью титана TiO 2 . Восстановить этот окисел, выделить из пего чистый металл долгое время не удавалось никому из химиков.

В 1823 г. английский ученый У. Волластон сообщил, что кристаллы, обнаруженные им в металлургических шлаках завода «Мертир-Тидвиль», - не что иное, как чистый титан. А спустя 33 года известный немецкий химик Ф. Вёлер доказал, что и эти кристаллы были опять-таки соединением титана, на этот раз - металлоподобным карбонитридом.

Много лет считалось, что металлический титан впервые был получен Берцелиусом в 1825 г. при восстановлении фтортитаната калия металлическим натрием . Однако сегодня, сравнивая свойства титана и продукта, полученного Берцелиусом, можно утверждать, что президент Шведской академии наук ошибался, ибо чистый titabnum быстро растворяется в плавиковой кислоте (в отличие от многих других кислот), а металлический титан Берцелиуса успешно сопротивлялся ее действию.

В действительности Ti был впервые получен лишь в 1875 г. русским ученым Д. К. Кирилловым. Результаты этой работы опубликованы в его брошюре «Исследования над титаном». Но работа малоизвестного русского ученого осталась незамеченной. Еще через 12 лет довольно чистый продукт - около 95% титана - получили соотечественники Берцелиуса, известные химики Л. Нильсон и О. Петерсон, восстанавливавшие четыреххлористый титан металлическим натрием в стальной герметической бомбе.

В 1895 г. французский химик А. Муассан, восстанавливая двуокись титана углеродом в дуговой печи и подвергая полученный материал двукратному рафинированию, получил титан, содержавший всего 2% примесей, в основном углерода. Наконец, в 1910 г. американский химик М. Хантер, усовершенствовав способ Нильсона и Петерсона, сумел получить несколько граммов титана чистотой около 99%. Именно поэтому в большинстве книг приоритет получения металлического титана приписывается Хантеру, а не Кириллову, Нильсону или Муассану.

Однако ни Хантер, ни его современники не предсказывали титану большого будущего. Всего несколько десятых процента примесей содержалось в металле, но эти примеси делали титан хрупким, непрочным, непригодным к механической обработке. Поэтому некоторые соединения титана нашли применение раньше, чем сам металл. Четыреххлористый Ti, например, широко использовали в первую мировую войну для создания дымовых завес.

№22 в медицине

В 1908 г. в США и Норвегии началось изготовление белил не из соединений свинца и цинка , как делалось прежде, а из двуокиси титана. Такими белилами можно окрасить в несколько раз большую поверхность, чем тем же количеством свинцовых или цинковых белил. К тому же у титановых белил больше отражательная способность, они не ядовиты и не темнеют под действием сероводорода. В медицинской литературе описан случай, когда человек за один раз «принял» 460 г двуокиси титана! (Интересно, с чем он ее спутал?) «Любитель» двуокиси титана не испытал при этом никаких болезненных ощущений. TiO 2 входит в состав некоторых медицинских препаратов, в частности мазей против кожных болезней.

Однако не медицина, а лакокрасочная промышленность потребляет наибольшие количества TiO 2 . Мировое производство этого соединения намного превысило полмиллиона тонн в год. Эмали на основе двуокиси титана широко используют в качестве защитных и декоративных покрытий по металлу и дереву в судостроении, строительстве и машиностроении. Срок службы сооружений и деталей при этом значительно повышается. Титановыми белилами окрашивают ткани, кожу и другие материалы.

Ti в промышленности

Двуокись титана входит в состав фарфоровых масс, тугоплавких стекол, керамических материалов с высокой диэлектрической проницаемостью. Как наполнитель, повышающий прочность и термостойкость, ее вводят в резиновые смеси. Однако все достоинства соединений титана кажутся несущественными на фоне уникальных свойств чистого металлического титана.

Элементный титан

В 1925 г. голландские ученые ван Аркель и де Бур иодидным способом (о нем - ниже) получили титан высокой степени чистоты - 99,9%. В отличие от титана, полученного Хантером, он обладал пластичностью: его можно было ковать на холоде, прокатывать в листы, ленту, проволоку и даже тончайшую фольгу. Но даже не это главное. Исследования физикохимических свойств металлического титана приводили к почти фантастическим результатам. Оказалось, например, что титан, будучи почти вдвое легче железа (плотность титана 4,5 г/см 3), по прочности превосходит многие стали. Сравнение с алюминием тоже оказалось в пользу титана: титан всего в полтора раза тяжелее алюминия, но зато в шесть раз прочнее и, что особенно важно, он сохраняет свою прочность при температурах до 500°С (а при добавке легирующих элементов - до 650°С), в то время как прочность алюминиевых и магниевых сплавов резко падает уже при 300°С.

Титан обладает и значительной твердостью: он в 12 раз тверже алюминия, в 4 раза - железа и меди . Еще одна важная характеристика металла - предел текучести. Чем он выше, тем лучше детали из этого металла сопротивляются эксплуатационным нагрузкам, тем дольше они сохраняют свои формы и размеры. Предел текучести у титана почти в 18 раз выше, чем у алюминия.

В отличие от большинства металлов титан обладает значительным электросопротивлением: если электропроводность серебра принять за 100, то электропроводность меди равна 94, алюминия - 60, железа и платины - 15, а титана - всего 3,8. Вряд ли нужно объяснять, что это свойство, как и немагнитность титана, представляет интерес для радиоэлектроники и электротехники.

Замечательна устойчивость титана против коррозии. На пластинке из этого металла за 10 лет пребывания в морской воде не появилось и следов коррозии. Из титановых сплавов сделаны несущие винты современных тяжелых вертолетов. Рули поворота, элероны и некоторые другие ответственные детали сверхзвуковых самолетов тоже изготовлены из этих сплавов. На многих химических производствах сегодня можно встретить целые аппараты и колонны, выполненные из титана.

Как получают титан

Цена - вот что еще тормозит производство и потребление титана. Собственно, высокая стоимость - не врожденный порок титана. В земной коре его много - 0,63%. Все еще высокая цена титана - следствие сложности извлечения его из руд. Объясняется она высоким сродством титана ко многим элементам и прочностью химических связей в его природных соединениях. Отсюда - сложности технологии. Вот как выглядит магниетермический способ производства титана, разработанный в 1940 г. американским ученым В. Кроллем.

Двуокись титана с помощью хлора (в присутствии углерода) переводят в четыреххлористый титан:

HO 2 + C + 2CI 2 → HCI 4 + CO 2 .

Процесс идет в шахтных электропечах при 800-1250°С. Другой вариант - хлорирование в расплаве солей щелочных металлов NaCl и KCl Следующая операция (в одинаковой мере важная и трудоемкая) - очистка TiCl 4 от примесей - проводится разными способами и веществами. Четыреххлористый титан в обычных условиях представляет собой жидкость с температурой кипения 136°С.

Разорвать связь титана с хлором легче, чем с кислородом. Это можно сделать с помощью магния по реакции

TiCl 4 + 2Mg → T + 2MgCl 2 .

Эта реакция идет в стальных реакторах при 900°С. В результате образуется так называемая титановая губка, пропитанная магнием и хлоридом магния. Их испаряют в герметичном вакуумном аппарате при 950°С, а титановую губку затем спекают или переплавляют в компактный металл.

Натриетермический метод получения металлического титана в принципе мало чем отличается от магниетермического. Эти два метода наиболее широко применяются в промышленности. Для получения более чистого титана и поныне используется иодидный метод, предложенный ван Аркелем и де Буром. Металлотермический губчатый титан превращают в иодид TiI 4 , который затем возгоняют в вакууме. На своем пути пары иодида титапа встречают раскаленную до 1400°С титановую проволоку. При этом иодид разлагается, и на проволоке нарастает слой чистого титана. Этот метод производства титана малопроизводителен и дорог, поэтому в промышленности он применяется крайне ограниченно.

Несмотря на трудоемкость и энергоемкость производства титана, оно уже стало одной из важнейших подотраслей цветной металлургии. Мировое производство титана развивается очень быстрыми темпами. Об этом можно судить даже по тем обрывочным сведениям, которые попадают в печать.

Известно, что в 1948 г. в мире было выплавлено лишь 2 т титана, а спустя 9 лет - уже 20 тыс. т. Значит, в 1957 г. 20 тыс. т титана приходилось на все страны, а в 1980 г. только США потребляли. 24,4 тыс. т. титана... Еще недавно, кажется, титан называли редким металлом - сейчас он важнейший конструкционный материал. Объясняется это только одним: редким сочетанием полезных свойств элемента № 22. И, естественно, потребностями техники.

Роль титана как конструкционного материала, основы высокопрочных сплавов для авиации, судостроения и ракетной техники, быстро возрастает. Именно в сплавы идет большая часть выплавляемого в мире титана. Широко известен сплав для авиационной промышленности, состоящий из 90% титана, 6% алюминия и 4% ванадия . В 1976 г. в американской печати появились сообщения о новом сплаве того же назначения: 85% титана, 10% ванадия, 3% алюминия и 2% железа. Утверждают, что этот сплав не только лучше, но и экономичнее.

А вообще в титановые сплавы входят очень многие элементы, вплоть до платины и палладия . Последние (в количестве 0,1-0,2%) повышают и без того высокую химическую стойкость титановых сплавов.

Прочность титана повышают и такие «легирующие добавки», как азот и кислород. Но вместе с прочностью они повышают твердость и, главное, хрупкость титана, поэтому их содержание строжайше регламентируется: в сплав допускается не более 0,15% кислорода и 0,05% азота.

Несмотря на то что титан дорог, замена им более дешевых материалов во многих случаях оказывается экономически выгодной. Вот характерный пример. Корпус химического аппарата, изготовленный из нержавеющей стали, стоит 150 рублей, а из титанового сплава - 600 рублей. Но при этом стальной реактор служит лишь 6 месяцев, а титановый - 10 лет. Прибавьте затраты на замену стальных реакторов, вынужденные простои оборудования - и станет очевидно, что применять дорогостоящий титан бывает выгоднее, чем сталь.

Значительные количества титана использует металлургия. Существуют сотни марок сталей и других сплавов, в состав которых титан входит как легирующая добавка. Его вводят для улучшения структуры металлов, увеличения прочности и коррозийной стойкости.

Некоторые ядерные реакции должны совершаться в почти абсолютной пустоте. Ртутными насосами разрежение может быть доведено до нескольких миллиардных долей атмосферы. Но этого недостаточно, а ртутные насосы на большее неспособны. Дальнейшая откачка воздуха осуществляется уже особыми титановыми насосами. Кроме того, для достижения еще большего разрежения по внутренней поверхности камеры, где протекают реакции, распыляют мелкодисперсный титан.

Титан часто называют металлом будущего. Факты, которыми уже сейчас располагают наука и техника, убеждают, что это не совсем так - титан уже стал металлом настоящего.

Перовскит и сфен . Ильменит - метатитанат железа FeTiO 3 - содержит 52,65% TiO 2 . Название этого минерала связано с тем, что он был найден на Урале в Ильменских горах. Крупнейшие россыпи ильменитовых песков имеются в Индии. Другой важнейший минерал - рутил представляет собой двуокись титана. Промышленное значение имеют также титаномагнетиты - природная смесь ильменита с минералами железа. Богатые месторождения титановых руд есть в СССР, США, Индии, Норвегии, Канаде, Австралии и других странах. Не так давно геологи открыли в Северном Прибайкалье новый титансодержащий минерал, который был назван ландауитом в честь советского физика академика Л. Д. Ландау. Всего на земном шаре известно более 150 значительных рудных и россыпных месторождений титана.