Титановые сплавы, часто олицетворяющие собой синтез научного прогресса и инженерной мысли, занимают уникальное место в современном материаловедении. Их особенности делают их незаменимыми во многих областях, от авиации до биомедицины.
Первым и, пожалуй, самым значительным достоинством титановых сплавов является их превосходная прочность при относительно низком весе. Это свойство, известное как прочность к весу, делает их идеальным материалом для использования в конструкциях, где важно снижение веса без потери прочности, например, в авиационной и космической промышленности.
Второе ключевое преимущество титанового проката заключается в его исключительной коррозионной стойкости. Прутки титановые и листы титана устойчивы к воздействию многих агрессивных сред, включая морскую воду и хлорированные растворы, что делает их идеальными для использования в морском оборудовании, химической промышленности и судостроении.
Третье важное свойство титановых сплавов – их биосовместимость. Этот материал не вызывает отторжения и имеет сходные с костной тканью механические свойства, что делает его идеальным выбором для медицинских имплантатов, таких как замена суставов и стоматологические импланты.
Кроме того, титановые сплавы обладают высокой температурной стойкостью, что делает их незаменимыми при производстве двигателей самолетов и космических аппаратов.
Как добывают титан
Процесс добычи титана начинается с извлечения титановой руды, которая в основном состоит из минералов ильменита и рутила. Эти минералы содержатся в земной коре и добываются из песчаных месторождений или из горных пород. Добыча титановой руды обычно осуществляется открытым способом, что означает удаление верхних слоев земли для доступа к минеральному ресурсу.
После извлечения руда подвергается обработке для извлечения диоксида титана, который является основным полезным компонентом. Этот процесс включает в себя дробление, измельчение и обогащение руды, чтобы увеличить концентрацию титана. Далее следует этап химической обработки, включающий использование кислот для выделения диоксида титана из других минералов.
После получения диоксида титана происходит самый сложный и затратный этап – восстановление диоксида титана до металлического титана. Это обычно осуществляется методом Кролла, при котором диоксид титана восстанавливается магнием или натрием в инертной атмосфере. В результате этого процесса образуется губчатый титан, который затем переплавляется в слитки.
Титановые слитки подвергаются дополнительной обработке, включая ковку, прокатку и обработку на металлорежущих станках, для получения конечных изделий различной формы и размеров. Весь процесс добычи и производства титана требует значительных энергетических затрат и высокотехнологичного оборудования, что влияет на стоимость конечного продукта.
Тем не менее, несмотря на свои многочисленные преимущества, титановые сплавы имеют и недостатки. Основным из них является высокая стоимость, обусловленная сложностью их производства и обработки. Также стоит отметить, что при определенных условиях титан может быть подвержен хрупкому разрушению и требует тщательного контроля в процессе эксплуатации.
Классификация
Сплавы титана классифицируются по нескольким признакам:
Технология изготовления
- Деформируемые. К ним относятся ВТ5 — сплав, куда входит алюминий; также ВТ5-1 — легированный цирконием или оловом. Устойчивы к нагреву, термически стабильны, не трескаются при холодной механической обработке, хорошо свариваются.
- Литейные. Это технический титан, а также сплавы ВТ3-1Л, ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ9Л, ВТ14Л. Химический состав — почти такой же, как у деформируемых, но примесей может быть больше, поэтому характеристики не такие высокие.
Механические свойства
- Сплавы с малой прочностью, пластичные. Это ВТ1-00, ВТ1-0 (технический титан), также ОТ4-0, ОТ4-1 (алюминиево-магниевые титановые сплавы), АТ3 (титан и алюминий, с добавлением хрома, железа, кремния, бора).
- Среднепрочные. Сюда входят ВТ5 и ВТ5-1, также ВТ20, ОТ4 (псевдо-α-сплавы), ПТ3В (они же (α + β)-сплавы). Кроме того, к этой категории относятся ВТ6, ВТ6С, ВТ14 после отжига.
- Высокопрочные. После упрочнения в эту категорию могут входить ВТ3-1, ВТ6, ВТ14. Сплав ВТ22, в котором содержится свыше 10 % легирующих добавок, приобретает предел прочности свыше тысячи мегапаскалей, даже после отжига.
Сфера использования
- Стойкие к холоду. Это выпускаемые в России ВТ6кт, ВТ5-1кт, ПТ3Вкт, а также производимые за границей Ti-5Al-2.5Sn ELI, Ti-6A1-4V ELI, которые используются в промышленности. Ударная вязкость сохраняется даже при предельном охлаждении.
- Стойкие к нагреву. Сюда входят многие сплавы, включая ВТ6, ВТ8-1, ВТ8М-1, ВТ25У, ВТ41 и прочие. Такие растворы остаются твёрдыми, доля дополнительных элементов в составе может варьироваться. За счёт этого титан остаётся прочным и пластичным даже при сильном нагреве.
- Стойкие к коррозии. Легирование выполняют при помощи танталовых, ниобиевых, молибденовых, циркониевых присадок.
Возможность упрочнения термической обработкой
- Упрочняемые. Это β-, а также (α+β)-сплавы.
- Неупрочняемые. Сюда входят α-сплавы.
Интерметаллиды
Чем дальше, тем более востребованными становятся сплавы с более совершенными свойствами. Так, даже после упрочнения стойкие к нагреву сплавы не могут полностью отвечать условиям использования в авиационно-космической сфере.
Среди интерметаллидов чаще всего применяются:
- Никелиды. Самый популярный — никелево-титановый сплав (нитинол), слабо подверженный коррозионным и эрозионным процессам, обладающий свойством памяти формы.
- Силициды. Изначально считалось, что кремниевые добавки ухудшают свойства материала. Однако этот ограниченно растворимый элемент позволяет сплаву оставаться прочным при нагреве, лучше переносить воздействие высоких температур.
- Бориды. Сильный разогрев приводит к взаимодействию титана с элементарным бором. Получаемые сплавы обладают высокой твёрдостью, что позволяет с их помощью защищать комплектующие автомобилей и механические детали устройств от истирания. Они используются в металлургической сфере как компонент порошков для напыления. В атомной отрасли их задействуют, выпуская боропластики, экраны для поглощения нейтронов. Также он входит в состав испарителей алюминия.
- Алюминиды. Эти сплавы упруги, не плавятся и не теряют прочности при сильном нагреве. Их плотность снижена, предел текучести растёт по мере разогрева, они устойчивы к возгоранию и окислению. Такие материалы применяют, выпуская современные детали космической техники; производя транспортные средства, элементы оборудования для переработки нефти и газа, комплектующие для оснащения в атомной сфере.
Конструкционные титановые сплавы высокой прочности
Предел прочности превышает тысячу мегапаскалей у таких материалов, как ВТ6, ВТ14, ВТ3-1, ВТ22, ВТ23М. Их удаётся сваривать, используя для этого различные сварочные технологии. Получаемые сплавы хорошо переносят коррозию после отжига и после упрочнения термообработкой, в условиях сильной влажности, под воздействием морской воды и других среда с повышенной агрессивностью.
Чем дальше, тем выше должны быть характеристики материалов. С этой целью совершенствуют технологии, основанные на воздействии температуры и механических факторов. Наибольшей перспективностью обладает ВТ23М — высокопрочная модификация, стойкая к образованию трещин при использовании в качестве основного материала или при сваривании. Российский сплав обладает более высокими свойствами, чем аналогичные ему иностранные; при этом в нём меньше молибденовых и ванадиевых компонентов, а циркониевых и оловянных нет совсем — цена заметно ниже. Материал служит для изготовления полуфабрикатов посредством проката, ковки, прессования; монолитных и прочих элементов.
Термостойкие сплавы
В 1960-х годах в СССР велась разработка в том числе модификаций ВТ3-1, ВТ8, ВТ8-1, ВТ8М-1, ВТ9, ВТ25У, ВТ18У. Сейчас наиболее качественные иностранные аналоги (IMI 834, Ti 1100) превосходят их лишь по сопротивлению ползучести и при нагреве выше пятисот градусов. Предел прочности у ВТ-25 достигает 1150 мегапаскалей, пиковые характеристики — при нагреве до пяти с половиной сотен градусов. Среди российских промышленных сплавов востребован ВТ-16, пиковые свойства которого достигаются при шести сотнях градусов.
Вероятность и дальше повышать стойкость материалов к нагреву — довольно мала: при 620 градусах происходит существенное изменение механизма окисления альфа-фазы металла. Кислород проникает внутрь титана через плёнку оксида — характеристики ухудшаются. Использование различных покрытий для защиты пока что находится в стадии изучения. Поэтому более перспективными в плане стойкости к нагреву считаются интерметаллические сплавы титана.
