Основные характеристики титановых сплавов

Основные характеристики титановых сплавов

Основные характеристики титановых сплавов

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:

  1. 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.
  2. Малый вес. Металл активно применяется в ракето- и авиастроении, так как он очень легкий и устойчивый к нагрузкам и высоким температурам.
  3. 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.
  4. Невосприимчивость к магнитному полю. Металл не притягивается к магниту, но и не отталкивается им.
  5. 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.
  6. 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»);titanium
  • 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:

  1. Рекристаллизация — нормализует структуру металла и улучшает его механические свойства. Требует нагрева от 520 до 850 градусов, в зависимости от сплава.
  2. Фазовая перекристаллизация — увеличивает пластичность сплава за счет снижения его твердости. Проводится при температуре от 750 до 950 градусов (температура тоже зависит от состава сырья).
  3. Закалка и старение — сначала выполняется закалка для фиксации метастабильных фаз, затем проводится старение для их распада.
  4. 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:

  1. Получение титанового шлака:
    1. Исходное сырьё: титано-магнетитовые руды, из которых получают ильменитовый концентрат.
    2. Процесс: нагрев концентрата и восстановителя в электродуговой печи до 1650 градусов Цельсия.
    3. Результат: при восстановлении и науглероживании железа образуется чугун и шлак в виде оксида титана (TiO2 - от 80 до 90%).
  2. Хлорирование оксида титана:
    1. Метод: процесс запускают в шахтных хлораторах непрерывного действия или в солевых хлораторах для получения тетрахлорида титана (TiCl4).
    2. Процесс: под воздействием газообразного хлора (в диапазоне температур 700–900 °С) диоксид титана превращается в тетрахлорид титана TiCl4
  3. Производство металла восстановлением из TiCl4:
    1. Метод: используют магний или натрий для восстановления тетрахлорида титана.
    2. 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.

22.01.2024

Возврат к списку