Характеристики сплавів на основі титану, властивості металу і області застосування

Титан був спочатку названий «грегорітом» британським хіміком преподобним Вільямом Грегором, який відкрив його в 1791 році. Потім титан був незалежно відкритий німецьким хіміком М. Х. Клапротом в 1793 році. Він назвав його титаном в честь титанів з грецької міфології – «втілення природної сили». Тільки в 1797 році Клапрот виявив, що його титан був елементом, раніше відкритим Грегором.

Характеристики та властивості

Титан – це хімічний елемент із символом Ti і атомним номером 22. Це блискучий метал з сріблястим кольором, низькою щільністю і високою міцністю. Він стійкий до корозії в морській воді і хлорі.

елемент зустрічається в ряді родовищ корисних копалин, головним чином рутилу і ільменіту, які широко поширені в земній корі і літосфері.

Титан використовується для виробництва міцних легких сплавів. Двома найбільш корисними властивостями металу є корозійна стійкість і ставлення твердості до щільності, найвища з будь-якого металевого елемента. У своєму нелегованому стані цей метал настільки ж міцний, як деякі стали, але менш щільний.

Фізичні властивості металу

Це міцний метал з низькою щільністю, досить пластичний (особливо в безкисневому середовищі), блискучий і металлоидной-білий. Відносно висока температура плавлення більше 1650 ° C (або 3000 ° F) робить його корисним як тугоплавкого металу. Він парамагнетичний і має досить низьку електричну і теплопровідність.

За шкалою Мооса твердість титану дорівнює 6. За цим показником він трохи поступається загартованої сталі і вольфраму.

Комерційно чисті (99,2%) титани мають граничну міцність на розрив близько 434 МПа, що відповідає звичайним низькосортних сталевим сплавів, але при цьому титан набагато легше.

Хімічні властивості титану

Як алюміній і магній, титан і його сплави відразу ж окислюються при впливі повітря. Він повільно реагує з водою і повітрям при температурі навколишнього середовища, тому що утворює пасивне оксидне покриття, яке захищає об’ємний метал від подальшого окислення.

Атмосферна пассивация дає титану відмінну стійкість до корозії майже еквівалентну платині. Титан здатний протистояти атаці розбавлених сірчаних і соляних кислот, розчинів хлориду і більшості органічних кислот.

Титан є одним з небагатьох елементів, які згорають у чистому азоті, реагуючи при 800 ° C (1470 ° F) з утворенням нітриду титану. Через свою високу реакційну здатність з киснем, азотом та деякими іншими газами титанові нитки застосовуються в титанових сублімаційних насосах як поглиначі для цих газів. Такі насоси недорогі і надійно виробляють надзвичайно низький тиск в системах надвисокого вакууму.

Звичайними титановмістних мінералами є Анатаз, Брук, ільменіт, перовскит, рутил і титанів (Стено). З цих мінералів тільки рутил і ільменіт мають економічне значення, але навіть їх важко знайти у високих концентраціях.

Титан міститься в метеоритах і він був виявлений на Сонце і зірках M-типу з температурою поверхні 3200 ° C (5790 ° F).

Відомі в даний час способи вилучення титану з різних руд є трудомісткими і дорогими.

Виробництво і виготовлення

В даний час розроблені і використовуються близько 50 сортів титану і титанових сплавів. На сьогоднішній день визнається 31 клас титанового металу і сплавів, з яких класи 1? 4 є комерційно чистими (нелегованої). Вони відрізняються міцністю на розрив в залежності від вмісту кисню, причому клас 1 є найбільш пластичним (найнижча міцність на розрив з вмістом кисню 0,18%), а клас 4 – найменш пластичний (максимальна міцність на розрив з вмістом кисню 0,40% ).

Решта класи являють собою сплави, кожен з яких володіє конкретними властивостями:

  • пластичність;
  • міцність;
  • твердість;
  • електроопір;
  • питома корозійна стійкість і їх комбінації.

На додаток до даних специфікаціям титанові сплави також виготовляються для відповідності вимогам аерокосмічної та військової техніки (SAE-AMS, MIL-T), стандартам ISO та специфікаціям по конкретним країнам, а також вимогам кінцевих користувачів для аерокосмічних, військових, медичних та промислових застосувань.

Комерційно чистий плоский продукт (лист, плита) може бути легко сформований, але обробка повинна враховувати той факт, що метал має «пам’ять» і тенденцію до повернення назад. Особливо це стосується деяких високоміцних сплавів.

Титан часто використовується для виготовлення сплавів:

  • з алюмінієм;
  • з ванадієм;
  • з міддю (для затвердіння);
  • з залізом;
  • з марганцем;
  • з молібденом і іншими металами.

Області застосування

Титанові сплави в формі листа, плити, стрижнів, дроту, виливки знаходять застосування на промислових, аерокосмічних, рекреаційних і ринках, що розвиваються. Порошковий титан використовується в піротехніці як джерело яскравих палаючих частинок.

Оскільки сплави титану мають високе відношення міцності на розрив до щільності, високу корозійну стійкість, стійкість до втоми, високу стійкість проти тріщин і здатність витримувати помірно високі температури, вони використовуються в літаках, при бронюванні, в морських кораблях, космічних кораблях і ракетах.

Для цих застосувань титан легирован алюмінієм, цирконієм, нікелем, ванадієм та іншими елементами для виробництва різних компонентів, включаючи критичні конструктивні елементи, вогневі стіни, шасі, вихлопні труби (вертольоти) і гідравлічні системи. Фактично близько двох третин виробленого титанового металу використовується в авіаційних двигунах і рамах.

Оскільки сплави титану стійкі до корозії морською водою, вони використовуються для виготовлення гребних валів, оснащення теплообмінників і т. Д. Ці сплави використовуються в корпусах і компонентах пристроїв спостереження і моніторингу океану для науки і військових.

Питомі сплави застосовуються в свердловинних і нафтових свердловинах і нікелевої гідрометалургії для їх високої міцності. Целюлозно-паперова промисловість використовує титан в технологічному обладнанні, яке знаходиться під впливом агресивних середовищ, таких як гіпохлорит натрію або вологий хлорний газ (в відбілюванні). Інші застосування включають ультразвукову зварку, хвильову пайку.

Крім того, ці сплави використовуються в автомобілях, особливо в автомобільних і мотоциклетних перегонах, де вкрай важливі низька вага, висока міцність і жорсткість.

Титан використовується в багатьох спортивних товарах: тенісні ракетки, ключки для гольфу, вали з лакросса; крикет, хокей, лакросс і футбольні шоломи, а також велосипедні рами і компоненти.

Завдяки своїй довговічності титан став більш популярним для дизайнерських ювелірних виробів (зокрема, титанових кілець). Його інертність робить його гарним вибором для людей з алергією або тих, хто буде носити прикраси в таких середовищах, як плавальні басейни. Титан також легирован золотом для виробництва сплаву, який може бути проданий як 24-каратне золото, тому що 1% легованого Ti недостатньо, щоб вимагати меншу позначку. Отриманий сплав являє собою приблизно твердість 14-каратного золота і більш міцний, ніж чисте 24-каратне золото.

Запобіжні заходи

Титан є нетоксичним навіть у великих дозах. У вигляді порошку або у вигляді металевої стружки, він являє собою серйозну небезпеку пожежі та, при нагріванні на повітрі, небезпека вибуху.

Властивості і застосування титанових сплавів

Нижче представлений огляд найбільш часто зустрічаються титанових сплавів, які діляться на класи, їх властивості, переваги та промислові застосування.

7 клас

Клас 7 механічно і фізично еквівалентний класу 2 чистого титану, за винятком додавання проміжного елемента паладію, що робить його сплавом. Він володіє чудовою здатністю до зварювання і еластичністю, найбільш корозійну стійкість з усіх сплавів цього типу.

Клас 7 використовується в хімічних процесах і компонентах виробничого обладнання.

11 клас

Клас 11 дуже схожий на клас 1, за винятком додавання паладію для підвищення корозійної стійкості, що робить його сплавом.

Інші корисні властивості включають оптимальну пластичність, міцність, ударну в’язкість і відмінну зварюваність. Цей сплав можна використовувати особливо в тих випадках, коли корозія викликає проблеми:

  • хімічна обробка;
  • виробництво хлоратов;
  • опріснення;
  • морські застосування.

Ti 6Al-4V, клас 5

Сплав Ti 6Al-4V, або титан 5 класу, найбільш часто використовується. На його частку припадає 50% загального споживання титану в усьому світі.

Зручність використання полягає в його численні переваги. Ti 6Al-4V може піддаватися термообробці для підвищення його міцності. Цей сплав має високу міцність при малій масі.

Це кращий сплав для використання в декількох галузях промисловості, таких як аерокосмічна, медична, морська і хімічна переробна промисловість. Його можна використовувати при створенні:

  • авіаційних турбін;
  • компонентів двигуна;
  • конструктивних елементів літака;
  • аерокосмічних кріпильних виробів;
  • високопродуктивних автоматичних деталей;
  • спортивного обладнання.

Ti 6AL-4V ELI, клас 23

Клас 23 – хірургічний титан. Сплав Ti 6AL-4V ELI, або клас 23, є версією більш високої чистоти Ti 6Al-4V. Він може бути виготовлений з рулонів, ниток, проводів або плоских проводів. Це кращий вибір для будь-якої ситуації, коли потрібно поєднання високої міцності, малої маси, хорошою корозійної стійкості і високої в’язкості. Він володіє чудовою стійкістю до пошкоджень.

Він може використовуватися в біомедичних застосуваннях, таких як імплантуються компоненти через його біосумісності, хорошою втомної міцності. Його також можна використовувати в хірургічних процедурах для виготовлення таких конструкцій:

  • ортопедичні штифти і гвинти;
  • затискачі для лігатури;
  • хірургічні скоби;
  • пружини;
  • ортодонтические прилади;
  • кріогенні посудини;
  • пристрою фіксації кістки.

12 клас

Титан класу 12 має відмінну високоякісної свариваемостью. Це високоміцний сплав, який забезпечує хорошу міцність при високих температурах. Титан класу 12 володіє характеристиками, подібними нержавіючим сталям серії 300.

Його здатність формуватися різними способами робить його корисним у багатьох додатках. Висока корозійна стійкість цього сплаву також робить його неоціненним для виробничого обладнання. Клас 12 можна використовувати в наступних галузях:

  • теплообмінники;
  • гідрометалургійні застосування;
  • хімічне виробництво з підвищеною температурою;
  • морські і повітряні компоненти.

Ti 5Al-2,5Sn

Ti 5Al-2,5Sn – це сплав, який може забезпечити гарну зварюваність зі стійкістю. Він також володіє високою температурною стабільністю і високою міцністю.

Ti 5Al-2,5Sn в основному використовується в авіаційній сфері, а також в кріогенних установках.