Этот элемент, ставший ключевым материалом в современной инженерии, получил широкое использование только в XX веке. Сплавы на основе титана, обладающие рядом уникальных характеристик, выделяются на фоне других металлических соединений и используются в разнообразных сферах в виду своих превосходных качеств. Благодаря современным технологиям, производство титановых сплавов охватывает широкий ассортимент изделий: от труб и листов до фольги и плит. Давайте подробнее рассмотрим эти особенности.
Титан, элемент с атомным номером 22, находится в IV группе 4-го периода периодической системы Менделеева. Он является одним из наиболее распространенных элементов в земной коре, превосходя по содержанию такие металлы, как медь, свинец и цинк. Титан часто встречается в четырехвалентном состоянии в своих наиболее стабильных соединениях и внешне напоминает сталь.
Основные свойства сплава
К особенностям сплава относят:
- Устойчивость к коррозии. В этом смысле металл превосходит даже сталь. Он не окисляется в воздухе, влажной хлорной среде, морской воде и других жидкостях. Это дает возможность использовать, например, листы титана в целлюлозно-бумажной, химической и нефтяной отраслях.
- Малый вес. Металл активно применяется в ракето- и авиастроении, так как он очень легкий и устойчивый к нагрузкам и высоким температурам.
- Высокий показатель прочности. Удельная прочность у сплава титана в шесть раз больше, чем у алюминия и в два раза выше, чем у железа. Причем этот показатель не снижается при низких температурах. Если воздействовать на материал растяжением, максимальный предел прочности составит 450 МПа. Эту характеристику можно повысить закалкой до 2 тысяч МПа.
- Невосприимчивость к магнитному полю. Металл не притягивается к магниту, но и не отталкивается им.
- Минимальную теплопроводность. Если температура комнатная, теплопроводность составляет 18 Вт/(м*град). При нагреве это значение повышается. Важно, что сплав в 12 раз меньше расширяется при нагреве, по сравнению с алюминием, и в три раза меньше, чем железо.
- Неплохую пластичность. Из раскаленного сырья легко получаются прутки, профили, листы и другие заготовки. Но обрабатывать эти материалы механическим способом проблематично.
Как маркируется титан
Первой буквой в маркировке пишется «В», «О» или «П». В этих символах зашифрован производитель или разработчик:
- ВИАМ-титан — создан одноименным научно-исследовательским институтом в Москве («В»);
- Опытный титан — разработан ВИАМ в сотрудничестве с металлургическим объединением ВСМПО в Свердловской области («О»);
- Прометей-титан — изготовлен научно-исследовательским институтом «Прометей» в Санкт-Петербурге.
Следующей буквой в маркировке всегда прописывается «Т». Этот символ обозначает титан. Дальше идут цифры, говорящие о порядковом номере материала.
Также существуют специальные обозначения. Например, сплавы ВТ с цифровой маркировкой 1-1, 1-0 и 1-00 относятся к техническим маркам. Они содержат 99,3-99,9% чистого титана. Пример такого сплава — ВТ1-0. Литейные марки тоже маркируются «ВТ» с последующими цифрами 20, 21, 14, 9, 6, 1, 3-1, 5. После цифр вписывается бука «Л» (например, ВТ21Л). К отдельной категории относятся титановые губки. Их маркируют буквами «ТГ», после которых добавляется дефис и цифровое или буквенное обозначение конкретной категории губок (например, ТГ-110 или ТГ-Тв).
Иногда после порядкового номера можно увидеть дополнительную букву. Она обозначает следующие разновидности сплава:
- улучшенный («У»);
- специального назначения («И»);
- модифицированный («М»);
- легированный ванадием («В»).
Сферы применения
Титановые сплавы, благодаря их уникальным свойствам, таким как лёгкость, высокая прочность, коррозионная стойкость в агрессивных средах, биосовместимость с человеческим тканями и способность выдерживать экстремальные температуры, находят широкое применение в различных сферах:
- Авиационная и космическая промышленность: компоненты реактивных двигателей, корпуса самолётов, шасси, крылья, внутренние компоненты космических аппаратов.
- Медицинская индустрия: имплантаты (тазобедренные и коленные суставы, зубные имплантаты), хирургические инструменты, ортопедические фиксаторы.
- Химическая промышленность: оборудование для производства химикатов, трубопроводы, реакторы, теплообменники.
- Судостроение и подводные технологии: корпуса подводных лодок, компоненты для глубоководных аппаратов, оборудование для судов.
- Автомобилестроение и мотоциклетная промышленность: компоненты двигателя, выхлопные системы, кузовные элементы для спортивных и гоночных автомобилей.
- Спортивное снаряжение: рамы велосипедов, лыжные палки, снаряжение для гольфа, кемпинговое оборудование.
Способы термообработки
Термическая обработка выполняется для улучшения характеристик материала. Обычно используют метод отжига. Есть несколько способов проведения этой процедуры:
- Рекристаллизация — нормализует структуру металла и улучшает его механические свойства. Требует нагрева от 520 до 850 градусов, в зависимости от сплава.
- Фазовая перекристаллизация — увеличивает пластичность сплава за счет снижения его твердости. Проводится при температуре от 750 до 950 градусов (температура тоже зависит от состава сырья).
- Закалка и старение — сначала выполняется закалка для фиксации метастабильных фаз, затем проводится старение для их распада.
- Химико-термическая обработка — необходима для повышения антифрикционных характеристик материала. Выполняется методами азотирования и оксидирования. Способ азотирования значительно повышает устойчивость металла к износу и высоким температурам. Но у этого процесса есть и побочные эффекты, которые заключаются в удлинении и сужении заготовки, а также в снижении ее пластичности. Что касается оксидирования, то технология позволяет повысить устойчивость заготовки к износу без снижения других характеристик. Но здесь важно, чтобы процесс окисления протекал при не слишком высокой температуре, и слой получился не очень толстым.
Процесс производства
Производство титана включает в себя несколько сложных и дорогостоящих этапов:
- Получение титанового шлака:
- Исходное сырьё: титано-магнетитовые руды, из которых получают ильменитовый концентрат.
- Процесс: нагрев концентрата и восстановителя в электродуговой печи до 1650 градусов Цельсия.
- Результат: при восстановлении и науглероживании железа образуется чугун и шлак в виде оксида титана (TiO2 - от 80 до 90%).
- Хлорирование оксида титана:
- Метод: процесс запускают в шахтных хлораторах непрерывного действия или в солевых хлораторах для получения тетрахлорида титана (TiCl4).
- Процесс: под воздействием газообразного хлора (в диапазоне температур 700–900 °С) диоксид титана превращается в тетрахлорид титана TiCl4
- Производство металла восстановлением из TiCl4:
- Метод: используют магний или натрий для восстановления тетрахлорида титана.
- Результат: получение титана в форме губки или порошка, который затем может быть дополнительно обработан для получения конечных продуктов.
Каждый из этих этапов требует специализированных условий и оборудования, а также высокой точности и контроля процесса, что делает производство титана особенно сложным и затратным.
