Металлургия титана- Реферат

В последние годы, в связи с разработкой способов получения технически чистого ковкого титана, положение резко изменилось. Началось усиленное развитие исследования титана и сплавов на его основе. В настоящее время проводиться большая экспериментальная работа по разработке и испытанию сплавов титана, о чем свидетельствует большое количество публикаций по этому вопросу за последние годы в мировой литературе. Большие природные ресурсы и замечательные свойства титана дают основания утверждать, что он станет одним из важнейших конструкционных материалов.

В данной работе рассматриваются вопросы истории открытия и изучения титана, его распространенности в космосе и на Земле, рассказывается о технологии получения титана и его соединений, о свойствах и об использовании человеком, о перспективах его применения в будущем.
В книге Зубкова Л.Б. «Космический металл. Все о титане» освещаются история открытия и изучения титана, его месторождения и добыча.
В работе Еременко В.Н. Титан и его сплавы приведены исчерпывающие данные о строении т свойствах двойных сплавов титана всех систем, исследованных до настоящего времени, а также сообщаются сведения о распространении титана в природе, объеме его производства, о способах получения, уплотнения и обработки металлического титана и его сплавов.

Истории открытия и изучения титана

В учебнике Б.А.Колачева, В.И.Елагина, В.А.Ливанова «Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов» изложены основные положения металловедения и термической обработки цветных металлов: алюминия, магния, бериллия, титана, меди, никеля, тугоплавких металлов и сплавов на их основе. Описаны свойства чистых металлов, принципы легирования сплавов, промышленные сплавы и их термическая обработка, области применения цветных металлов и сплавов на их основе.

Первооткрывателем титана считается 28-летний английский монах Уильям Грегор. Для своего времени, а это был конец XVIII в., он был весьма образованным человеком. Окончив Оксфордский университет, он стал бакалавром искусств и магистром наук, увлекался научными исследованиями, в том числе и минералогией. В 1790 г., проводя минералогические изыскания в своем приходе, он обратил внимание на распространенность и необычные свойства черного песка в долине Менакэна на юго-западе Англии и принялся его исследовать. В песке священник обнаружил большое количество мелких зерен черного блестящего минерала, притягивающегося обыкновенным магнитом. Грегор произвел с этим магнитным минералом несколько опытов: растворил его сначала в соляной, затем в серной кислоте, упарил раствор и получил белый порошок, который при прокалке желтел, а при спекании с углем приобретал голубой цвет. Исследованное природное образование черного цвета Грегор принял за новый, неизвестный ранее минерал, а выделенный из него белый порошок за новый элемент. Минералу и элементу дали название по местности, где они были найдены: минерал «менакэнит» и элемент «менакин». Сведения о них были впервые опубликованы через год после открытия, в 1791 г., в «Физическом журнале». По сегодняшним представлениям открытый в 1790 г. «менакэпит» был титаномагнетитом – смесью твердых растворов ильменита и магнетита, а белый порошок «менакин» – диоксидом титана[1, С.6-7].

В том же 1791 г. немецкий исследователь-химик Мартин Генрих Клапрот (1743-1817), академик Берлинской академии наук, а впоследствии почетный академик Российской Академии наук, первооткрыватель многих редких и цветных металлов – урана, циркония, теллура, молибдена, вольфрама, бария, марганца, ознакомился со статьей Грегора, но не заинтересовался этим открытием. Однако через несколько лет, в 1795 г., изучая рутил, именовавшийся тогда красным венгерским шерлом, он выделил из него диоксид нового металла – белый порошок, похожий на описанный ранее Грегором. И хотя до получения чистого металла было еще очень далеко – почти полтора столетия, Клапрот, обладая могучей научной интуицией, опираясь на исследования Грегора и на результаты собственных опытов, известил мир об открытии нового металла, которому дал название «титан». Вопреки распространенному в те времена правилу французских химиков во главе с известным Лавуазье – присваивать новым элементам и соединениям имена, отражающие их свойства, у Клапрота был свой принцип. Он считал, что при открытии и первых исследованиях элемента его свойства трудно определить точно. Часто случалось, что элементы, названные по их первоначальным свойствам, впоследствии, при углубленном изучении, не отвечали своим названиям. Многие из них пришлось переименовать. Поэтому Клапрот, открывший многие элементы, предпочитал давать им имена планет, героев легенд и мифов.

В 1795 г. по поводу присвоения новому элементу названия «титан» Клапрот писал: «Для вновь открываемого элемента трудно подобрать название, указывающее на его свойства, и я нахожу, что лучше всего подбирать такие названия, которые ничего не говорили бы о свойствах и не давали бы таким образом повода для превратных толкований. В связи с этим мне захотелось для данной металлической субстанции подобрать, так же как и для урана, имя из мифологии: поэтому я называю новый металлический осадок титаном, в честь древних обитателей Земли». Это название стало поистине пророческим. Мифические жители – титаны, сыновья богини Земли Ген и бога неба Урана, были огромными, сильными, стойкими, добрыми, бессмертными существами, покорителями огня, земных просторов и недр, морей, рек и гор. И открытый ме¬талл оказался одним из самых твердых, крепких, стойких. Но чтобы познать нес замечательные свойства нового металла и использовать их для своего блага, человечеству потребовалось еще более 150 лет[1, C.7-9].

Титан был получен в чистом виде (всего лишь несколько килограммов) только в 40-х гг. XX в., а промышленное производство его началось в 1957 г. После Грегора и Клапрота, исследовавших минералы и двуокись титана в 1791 – 1795 гг., соединениями титана, выделяемыми, из титаномагнетитовых руд, занимался русский химик-металлург Товий Егорович Лониц. В 1821 г. немецкий химик Генрих Розе синтетическим путем в лабораторных условиях получил двуокись титана, а еще через год, в 1822 – 1823 гг., английский химик Волластон, исследуя черные кристаллики, выделенные им из металлургических шлаков сталеплавильного завода «Мертир-Гидвиль», открыл в них, как он уверял, «металлический титан». В этом его поддержал знаменитый шведский химик Йене Якоб Берцелиус, который в 1825 г. также выделил титан, по его мнению, в чистом виде, восстановив фтортитанат калия. Но образцы титана Волластона и Берцелиуса были еще очень далеки от чистого металла. Они содержали большое количество различных примесей (более 5%), были хрупкими, нековкими, непластичными; по существу, как было установлено позднее, представляли собой нитриды и карбиды титана. Поэтому после исследований Волластона и Берцелиуса почти полвека существовало мнение, что титан – элемент бесполезный, так как сделать из него «что-либо» практически невозможно.

Тем не менее, несмотря на такое ошибочное мнение, работы над получением чистого титана продолжались в течение всего XIX – начала XX вв. Во Франции этим занимались ученые Фридрих Веллер, Шарль Девиль, Леви, Мусман, в Швеции – Нильсон, Петерсои и др. Последние выделили титан натрие-термическим восстановлением четыреххлористого титана в автоклаве (стальном термососуде). Но и этот титан содержал более 5% примесей и не мог раскрыть все свои уникальные свойства.

Наиболее чистый, практически свободный от примесей металл сумел получить впервые русский ученый, профессор Московского университета Дмитрий Кириллович Кириллов. В 1875 г. он опубликовал работу «Исследования над титаном», в которой освещались результаты его опытов по выделению чистого титана. К сожалению, тяжелобольной Кириллов не смог продолжить свои работы и вынужден был прекратить опыты. Образцы наиболее чистого титана удалось получить французскому химику Анри Муассану в 1885 г., который, восстанавливая диоксид титана древесным углем при высокой температуре и последующей перечисткой, сумел довести титан до 98%-ной чистоты. Более поздние исследования этих образцов показали, что в них загрязненный титан (с примесью железа и углерода) образовывал внешнюю оболочку, а внутри металл был очень чистым.

В 1910 г. американскому инженеру Хантеру и его коллегам удалось получить титан, как они определили, чистотой 99,9%. Но и этот образец, выделенный по сложной технологии, с опасностями для жизни самих исследователей (взорвалась стальная бомба), был хрупким, не поддавался ковке и механической обработке. Вероятно, он был загрязнен карбидами и нитридами титана в большей степени, чем считали авторы. Изученные Хантером свойства металла, загрязненного различными примесями не в количестве 0,1%, как он предполагал, а гораздо больше, опять отнесли титан в разряд бесполезных металлов: ведь ни ковать, ни обрабатывать его было практически невозможно.

В 1925 г. голландские химики Ван Аркель и Де Бур получили действительно очень чистый металл, с незначительным (менее 0,1%) количеством примесей. Их образцы титана проявили все замечательные свойства этого металла – низкую плотность, высокую твердость и прочность, не теряемые при высоких температурах (до 500°С и выше), хорошую пластичность, позволяющую деформировать металл в холодном состоянии, прокатывать в листы и даже в тонкую фольгу, вытягивать в тонкую проволоку. Технология голландцев основывалась на разложении йодидного титана. Нагревание йодида до температуры примерно 1300-1500°С приводит к его разложению на титан и йод. Причем парообразный йод соединяется снова с черновым металлом, а титан осаждается на раскаленной поверхности затравки из титана же. Примеси, находящиеся в черновом металле, взаимодействуют с йодом и не попадают на раскаленный чистый титан.

Инженерная мысль пошла по другому пути – по пути восстановления четыреххлористого титана металлическим магнием. Данный способ был разработан в 30-х гг. XX в., Кроллем, и поныне как за рубежом, так и в СССР титан в промышленных условиях получают именно по этой принципиальной технологии.

Промышленной организации производства технически чистого титана предшествовало тщательное технологическое и экономическое исследование всех известных к тому времени способов и методов его получения. Этим занялась горно-геологическая организация США («Горное бюро»), которая, собственно, и определила широчайшие возможности использования титана в новой и новейшей технике, главным образом в авиационной, космической, морской. В городке Боддер-Сити на юге штата Невада в 1942 г. была построена небольшая промышленная установка но получению технического титана. На ней испытывались различные способы его производства. Остановились на способе Кролля – магниетермическом. Ученый был приглашен работать на этой установке и в течение нескольких лет отрабатывал во всех деталях технологию получения технически чистого титана. В 1946 г. эта технология была опробована в промышленных условиях.

В 1947 г. были выпущены первые 45 кг технически чистого титана. Стоимость его, конечно, была баснословно высокой – 10 тыс. долл. за 1 т, т.е. этот новый конструкционный материал был во много раз дороже железа, алюминия, магния. Тем не менее выпуск металлического титана осуществлялся такими гигантскими темпами, каких не знало никакое другое металлургическое производство, в том числе и главных конструкционных металлов – железа, алюминия, магния. В 1951 г., т е. всего через три года, выпуск титановой губки увеличился почти в 300 раз и составил уже 700 т/год.

Титановая губка представляет собой пористый бесформенный хрупкий металл с содержанием примесей до 0,2-0,3%, небольшой плотности – всего около 1 т/м3. Именно титановая губка является исходным сырьем для получения и чистого, титана, и его сплавов. Чтобы металл был плотным и компактным, губку плавят, реже используют методы порошковой металлургии. В основном же применяется метод вакуумной дуговой плавки в печах с расходуемым электродом. Чистый титан вместе с легирующими элементами спрессовывается с расходуемым электродом на гидравлических пpeccax, затем для очистки он дважды переплавляется. Tехнология была разработана английским химиком Л.Росси в 1908 – 1918 гг. и базировалась на методе разложения титановых концентратов серной кислотой. Усовершенствованная и модернизированная сернокислотная технология получения белой двуокиси титана из титановых концентратов существует и по сей день. Мировое производство (без СССР) несоизмеримо выше, чем металлического титана, и сегодня держится на уровне 2 – 2,5 млн т/год. В России впервые был получен наиболее чистый титан. В начале века много усилий было приложено для изыскания, разведок титановых руд и их переработки на диоксид, четыреххлористый титан, ферротитан. Проблемами титанового сырья много занимался русский химик Г.В.Вдовишенский, который, будучи знаком с трудами Кириллова и других ученых и понимая важную практическую роль титана в научно-техническом прогрессе, организовал в самом начале 90-х гг. XIX в. поиски и разведку титановых руд. В те годы в России появился интерес не столько к самому титану, сколько к его соединениям, а объяснялось это следующим. Как оказалось, диоксид титана является самым стойким белым пигментом для окраски военно-морских судов и других сооружений. Кроме того, стало известно, что четыреххлористый титан может применяться как дымовая завеса и для улучшения сортов стали.

В 1916 г. уже были предприняты первые попытки производства четыреххлористого титана. По инициативе и под руководством советского геохимика и минералога А.Е.Ферсмана (1883-1945) была создана специальная подкомиссия по титану при Комиссии военно-технической помощи. А.Е.Ферсман провел большую работу по выявлению сырьевых источников титана. Правда, большого размаха эти исследования не приобрели, по первый шаг был сделан: на Урале были открыты и обследованы пегматитовые месторождения Вишневых и Ильменских гор. По имени последних был, назван новый титановый минерал, основной минерально-сырьевой источник получения титана и его соединений – ильменит.

В конце 20-х гг. XX в. Институт прикладной минералогии, позднее переименованный во Всесоюзный институт минерального сырья (ВИМС), приступил к созданию сырьевой базы титана на Урале, а также к разработке технологии производства титановых белил и получения спецсталей с использованием ферротитана. Развернулись исследования и промышленные испытания различных методов получения ферротитана. Благодаря работам советских ученых С.С.Штейнберга, Н.С.Кусакина, В.П.Елютина, Н.П.Шипулина и др. промышленное производство ферротитана было освоено к концу 30-х гг. XX в. Первые опытные заводы по производству пигментного диоксида титана из ильменитовых концентратов сернокислотным способом были пущены в 1935 – 1939 гг. В конце 40-х гг. XX в., в СССР начались исследования по получению металлического титана, а к 1952 г. окончательно оформилась промышленная технология получения титана хлорированием титановых шлаков[1, C.34-41].

Титан - тугоплавкий металл

Долгое время считалось, что он плавится при 1800 °С, однако в середине 50-х гг. XX в. английские ученые Диардорф и Хеис установили температуру плавления для чистого эле¬ментарного титана. Она составила 1668±3°С. По своей тугоплавкости титан уступает лишь таким металлам, как вольфрам, тантал, ниобий, рений, молибден, платиноиды, цирконий, а среди основных конструкционных металлов он стоит на первом месте:

Важнейшей особенностью титана как металла являются его уникальные физико-химические свойства:

• низкая плотность,
• высокая прочность,
• твердость и др.

Эти свойства не меняются существенно при высоких температурах.

Титан обладает незаменимыми свойства, которые позволяют широко использовать титан как конструкционный материал. Прежде этот всего прочность металла, т.е. его способность сопротивляться разрушению, а также необратимому изменению формы (пластические деформации). В зависимости от вида напряженного состояния – растяжения, сжатия, изгиба и других условий испытания (температура, время) для характеристики прочности металла используются различные показатели: предел текучести, временное сопротивление, предел усталости и др. По всем этим показателям титан значительно превосходит алюминий, железо и даже многие лучшие марки стали.

Удельная прочность сплавов титана может быть повышена в 1,5-2 раза. Его высокие механические свойства хорошо сохраняются при температурах вплоть до нескольких сот градусов. Другие же металлы либо просто не выдерживают таких температур, либо сильно разупрочняются.
Чистый титан – высокопластичный металл, что обусловлено благоприятным соотношением осей «с» и «а» в его гексагональной решетке и наличием в ней множества систем плоскостей скольжения и двойникования. Хотя и считается, что металлы с гексагональной кристаллической решеткой очень пластичны, титан в силу указанных особенностей его кристаллов стоит в одном ряду с высокопластичными металлами, имеющими иной, тип кристаллической решетки. В результате чистый титан пригоден для любых видов обработки в горячем и холодном состоянии: его можно ковать, как железо, вытягивать и даже делать из него проволоку, прокатывать в листы, ленты, в фольгу толщиной до 0,01 мм.

Титан имеет высокий предел текучести – примерно 250 мн/м2. Это выше в 2,5 раза, чем у железа, в 3 раза, чем у меди, и почти в 20 раз, чем у алюминия. Следовательно, титан лучше этих металлов сопротивляется сминающим ударам и другим нагрузкам, способным деформировать титановые детали.

Высока и вязкость титана. Он отлично противостоит воздействию сколовых и сдвиговых ударов и нагрузок. Этой выносливостью объясняется еще одно замечательное свойство титана – исключительная стойкость его в условиях кавитации, т.е. при усиленной «бомбардировке» металла в жидкой среде пузырьками воздуха, которые образуются при быстром движении или вращении металлической детали в жидкой среде. Эти пузырьки воздуха, лопаясь на поверхности металла, вызывают очень сильные микроудары жидкости о поверхность движущегося тела. Они быстро разрушают многие материалы, и металлы в том числе, а титан прекрасно противостоит кавитации.

Титан обладает еще одним удивительным свойством – «памятью». В сплаве с некоторыми металлами (например, с никелем) он «запоминает» форму изделия, которую из него сделали при определенной температуре. Если такое изделие потом деформировать, например свернуть в пружину, изогнуть, то оно останется в таком положении на долгое время. После нагревания до той температуры, при которой это изделие было сделано, оно принимает первоначальную форму.

Титан реагирует со многими металлами

При трении с деталями из более мягкого металла титан может срывать с них металлические частицы и прилеплять к себе металл, а из более твердого, наоборот, частицы титана будут срываться с титановой детали и покрывать другую деталь. Причем никакая жировая или масляная смазка не помогает исключить взаимоналипание частиц. В течение небольшого времени это явление можно ослабить, лишь применив в качестве смазки чешуйчатые молибденит или графит. А вот сваривается титан с другими металлами очень плохо. Практически полностью эта проблема пока не решена, хотя сварка титановых изделий проходит отлично.

Рассмотренные химические и физические свойства титана в целом благоприятствуют широкому использованию этого металла. Однако у титана есть немало и отрицательных качеств. Например, он может самовозгораться, а в некоторых случаях даже и взрываться.

Еще одним недостатком титана является его способность сохранять высокие физико-механические свойства лишь до температуры 400-450°С, а с добавками некоторых легирующих металлов до 600° С, и здесь у него есть серьезные конкуренты – жаропрочные спецстали. Однако в минусовом диапазоне температур титану равных нет. Железо становится хрупким уже при температуре 40°С, специальные низкотемпературные стали ниже -100°С. А вот титан и его сплавы не разрушаются при температурах до 253°С (в жидком водороде) и даже до 269°С (в жидком гелии). Это очень важное свойство титана открывает ему большие перспективы для использования в криогенной технике и для работы в космическом пространстве.
По своей же распространенности во Вселенной титан редким элементом назвать никак нельзя. Он обнаружен в спектре Солнца и в его атмосфере, в атмосфере звезд различных типов. Автоматические космические аппараты зафиксировали наличие титана на Марсе и на Венере, в очень больших количествах в лунных породах, а на нашей планете титан находят во всех типах пород земной коры, в морях и океанах, в атмосфере и даже в растениях и тканях живых организмов.

Цена – вот что сегодня ещё тормозит производство и потребление титана. Собственно, высокая стоимость – не врожденный порок титана. В земной коре его много – 0,63%. Дорогая цена – следствие чрезвычайной сложности извлечение титана из руд. Если принять стоимость титана в концентрате за единицу, то стоимость готовой продукции – титанового листа в сотни раз больше. Объясняется это высоким сродством титана 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 учёным У.Кролем.

Двуокись титана с помощью хлора (в присутствии углерода) переводят в четырёххлористый титан: TiO₂+C+2Cl₂=TiCl₄+CO₂
Кажется, ещё недавно титан называли редким металлом – сейчас он важнейший конструкционный материал. Объясняется это только одним: редким 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 трудоёмкая) – очистка TiCl₄ от примесей – проводится разными способами и веществами. Четырёххлористый 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: TiCl₄+2Mg = Ti+2MgCl₂. Эта реакция идёт в стальных реакторах при 900°С. В результате образуется так называемая титановая губка, 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 нидерландскими химиками ван Аркелем (1893-1976) и де Буром. Металлотермический губчатый титан превращают в иодид TiI₄, который затем возгоняют в вакууме. На своём пути пары иодида титана встречают раскалённую 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[4].

Полученные в промышленных условиях слитки титана называют техническим титаном. Он имеет практически все те свойства, которыми обладает химически чистый титан. Технический титан в отличие от химически чистого содержит повышенное количество некоторых элементов-примесей. В разных странах в зависимости от технологических особенностей процесса технический титан содержит примеси (в %): железа 0,15-0,3; углерода 0,05-0,1; водорода 0,006-0,013; азота 0,04-0,07; кислорода 0,1-0,4.

Сплавы титана с алюминием

Они наиболее важны в техническом и промышленном отношении. Введение алюминия в технический титан даже в небольших количествах (до 13%) позволяет резко повышать жаропрочность сплава при снижении его плотности и стоимости. Этот сплав - отличный конструкционный материал. Добавка 3-8% алюминия повышает температуру превращения α-титана в β-титан. Алюминий является практически единственным легирующим стабилизатором α-титана, увеличивающим его прочность при постоянстве свойств пластичности и вязкости титанового сплава и повышении его жаропрочности, сопротивления ползучести и модуля упругости. Этим устраняется существенный недостаток титана.

Помимо улучшения механических свойств сплавов при различных температурах, увеличивается их коррозионная стойкость и взрывоопасность при работе деталей из титановых сплавов в азотной кислоте.

Алюминий-титановые сплавы выпускаются нескольких марок и содержат 3-8% алюминия, 0,4-0,9% хрома, 0,25-0,6% железа, 0,25-0,6% кремния, 0,01% бора. Все они коррозионно-стойкие, высокопрочные и жаропрочные сплавы на основе титана. С увеличением содержания алюминия в сплавах температура их плавления несколько снижается, однако механические свойства значительно улучшаются и температура разупрочнения повышается.

Эти сплавы сохраняют высокую прочность до 600°С.

Сплавы титана с железом

Своеобразным сплавом является соединение титана с железом, так называемый ферротитан, представляющий собой твердый раствор TiFe3 в α-железе.

Ферротитан облагораживающе действует на сталь, так как он, активно поглощая кислород, является одним из лучших раскислителей стали. Ферротитан так же активно поглощает из расплавленной стали азот, образуя нитрид титана, другие примеси, способствует равномерному распределению прочих примесей и образованию мелкозернистых структур стали.

Кроме ферротитана, на основе железа и титана производятся и другие сплавы, широко используемые в черной металлургии. Феррокарботитан – железотитановый сплав, содержащий 7-9% углерода, 74-75% железа, 16-17% титана. Ферросиликотитан – сплав, состоящий из железа (около 50%), титана (30%) и кремния (20%). Оба эти сплава также применяются для раскисления сталей.

Сплавы титана с медью

Даже небольшие присадки меди к титану и другим его сплавам повышают их стабильность в процессе эксплуатации, увеличивается и их жаропрочность. Кроме того, 5-12% титана добавляют в медь для получения так называемого купротитана; им пользуются, чтобы очистить расплавленную медь и бронзу от кислорода и азота. Легирование меди титаном производится только очень небольшими его добавками, уже при 5% титана медь становится нековкой.

Сплавы титана с марганцем

Марганец, введенный в технический титан или в его сплавы, делает их прочнее, они сохраняют пластичность и легко обрабатываются при прокатке. Марганец – недорогой и недефицитный металл, поэтому он широко применяется (до 1,5%) при легировании титановых сплавов, предназначенных для листовой прокатки. Богатый марганцем (70%) сплав называется мангантитаном. Оба металла являются энергетическими раскислителями. Этот сплав, как и купротитан, хорошо очищает от кислорода, азота и других примесей медь и бронзу при отливках.
Сплавы титана с молибденом, хромом и другими металлами. Основная цель добавки этих металлов — повысить прочность и жаропрочность титана и его сплавов при сохранении высокой пластичности. Оба металла легируют их в комбинации: молибден предотвращает нестабильность титан-хромовых сплавов, делающихся хрупкими при высоких температурах. Сплавы титана с молибденом по стойкости против коррозии в кипящих неорганических кислотах превосходят технический титан в 1000 раз. Для повышения коррозионной стойкости в титан добавляют некоторые тугоплавкие редкие и благородные металлы: тантал, ниобии, палладий[1, C.94-103].

Значительное количество весьма ценных в научно-техническом отношении композиционных материалов можно производить на основе карбида титана. Это главным образом жаростойкие изделия из металлокерамики, в основе которых лежит карбид титана. В них совмещается твердость, тугоплавкость и химическая стойкость карбида титана с пластичностью и сопротивлением тепловому удару цементирующих металлов – никеля и кобальта. В них можно вводить ниобий, тантал, молибден и тем самым еще больше повышать стойкость и жаропрочность этих композиций па основе карбида титана.

Сейчас известно более 30 различных сплавов титана с другими металлами, удовлетворяющих практически любым техническим требованиям. Это пластичные сплавы с низкой прочностью (300-600 МПа) и рабочей температурой 100-200°С, со средней прочностью (600-900 МПа) и рабочей температурой 200-300°С, конструкционные сплавы с повышенной прочностью (800-1100 МПа) и рабочей температурой 300-450°С, высокопрочные (100-1400 МПа) термомеханически обрабатываемые сплавы с нестабильной структурой и рабочей температурой 300-400°С, высокопрочные (1000-1300 МПа) коррозионно-стойкие и жаропрочные сплавы с рабочей температурой 600-700° С, особо коррозионно-стойкие сплавы со средней прочностью (400-900 МПа) и рабочей температурой 300-500°С.

Технический титан и его сплавы выпускаются в виде листов, плит, полос, лент, фольги, прутков, проволоки, труб, поковок и штамповок. Эти полуфабрикаты являются исходным материалом для изготовления из титана и его сплавов различных изделий. Для этого полуфабрикаты надо обработать ковкой, штамповкой, фасонным литьем, резанием, сваркой и т.п.[5, C.180-193].

Авиационная промышленность была первым потребителем титана. Создание летательных аппаратов со скоростями близкими к скорости звука и превосходящими ее, определило ряд технических и экономических требований к конструкционным материалам, идущим на изготовление корпуса самолета и его обшивки, а также двигателей, которые невозможно было удовлетворить без применения материалов на основе титана.
Малый удельный вес и высокая прочность (особенно при повышенных температурах) титана и его сплавов делают их весьма ценными авиационными материалами. В области самолетостроения и производства авиационных двигателей титан все больше вытесняет алюминий и нержавеющую сталь. С повышением температуры алюминий быстро утрачивает свою прочность. С другой стороны, титан обладает явным преимуществом в отношении прочности при температуре до 430°С, а повышенные температуры такого порядка возникают при больших скоростях благодаря аэродинамическому нагреванию. Преимущество замены стали титаном в авиации заключается в снижении веса без потери прочности. Общее снижение веса с повышением показателей при повышенных температурах позволяет увеличить полезную нагрузку, дальность действия и маневренность самолетов. Этим объясняются усилия, направленные на расширение применения титана в самолетостроении при производстве двигателей, постройке фюзеляжей, изготовлении обшивки и даже крепежных деталей.

При постройке реактивных двигателей титан применяется преимущественно для изготовления лопаток компрессора, дисков турбины и многих других штампованных деталей. Здесь титан вытесняет нержавеющую и термически обрабатываемую легированную стали. Экономия в весе двигателя в один килограмм позволяет сберегать до 10 кг в общем весе самолета благодаря облегчению фюзеляжа. В дальнейшем намечено применять листовой титан для изготовления кожухов камер сгорания двигателя.

В конструкции самолета титан находит широкое применение для деталей фюзеляжа, работающих при повышенных температурах. Листовой титан применяется для изготовления всевозможных кожухов, защитных оболочек кабелей и направляющих для снарядов. Из листов легированного титана изготовляются различные элементы жесткости, шпангоуты фюзеляжа, нервюры и т.д.

Кожухи, закрылки, защитные оболочки для кабелей и направляющие для снарядов изготовляются из нелегированного титана. Легированный титан применяется для изготовления каркаса фюзеляжа, шпангоутов, трубопроводов и противопожарных перегородок.
Вращающиеся детали роторов авиадвигателей испытывают в полете колоссальную нагрузку. Им приходится работать в условиях высоких температур и динамических воздействий. От их надежности зависят безопасность самолета и жизни людей, что находятся на борту воздушного судна. Следовательно, титан, используемый в этих ответственных узлах, должен быть не просто прочным, а суперпрочным.
В будущем из титана будут делать створки шасси, трубопроводы гидросистем, выхлопные патрубки и сопла, лонжероны, закрылки, откидные стойки и т. д.

Титан можно применять для изготовления броневых плит, лопастей пропеллера и снарядных ящиков.

Растет потребление титана в гражданском самолетостроении. И понятно почему: титан сочетает в себе основные параметры эффективности самолета – веса, надежности, стоимости обслуживания и прибыли от эксплуатации. Это главные критерии для авиаперевозчиков.
В настоящее время разработчики авиатехники перестраивают всю материаловедческую концепцию строительства самолетов, активно привлекая и используя композиционные материалы на основе углеволокна и титановые сплавы. Первые заменяют алюминий и сталь, вторые коррозийноустойчивы и исключительно прочны.

Переход на композиционные материалы

Причин перехода на композиционные материалы несколько. Во-первых, наметился быстрый рост пассажирских и грузовых перевозок, объем которых, по прогнозам специализированной аналитической группы Airline Monitor, в период с 2008 по 2026 гг. увеличится втрое, что потребует в два раза увеличить парк магистральных авиалайнеров. Во-вторых, в условиях высоких цен на топливо cамолетостроительным компаниям приходится разрабатывать и готовить серийный выпуск экономичных моделей авиалайнеров. Поскольку с композитами «уживается» только титан, спрос гражданского самолетостроения на титановые полуфабрикаты возрастет к 2015 г. примерно в два раза.

Коррозионная стойкость титана и его сплавов делает их весьма ценным материалом на море. Малый удельный вес металла в сочетании с коррозионной стойкостью повышает маневренность и дальность действия кораблей, а также снижает расходы по уходу за материальной частью и ее ремонту.

Применение титана

Применение титана в военно-морском деле включает изготовление выхлопных глушителей для дизельных двигателей подводных лодок, дисков измерительных приборов, тонкостенных труб для конденсаторов и теплообменников. По мнению специалистов, титан, как никакой другой металл, способен увеличить срок службы выхлопных глушителей на подводных лодках. Применительно к дискам измерительных приборов, работающих в условиях соприкосновения с соленой водой, бензином или маслом, титан обеспечит лучшую стойкость. Исследуется возможность применения титана для изготовления труб теплообменников, которые должны обладать коррозионной стойкостью в морской воде, омывающей трубы снаружи, и одновременно противостоять воздействию выхлопного конденсата, протекающего внутри них. Рассматривается возможность изготовления из титана антенн и узлов радиолокационных установок, от которых требуется стойкость к воздействию дымовых газов и морской воды. Титан может найти применение и для производства таких деталей, как клапаны, пропеллеры, детали турбин и т. д.

Специалисты научно-исследовательского института конструкционных материалов «Прометей» при государственной поддержке Федерального агентства по науке и инновациям (Роснаука) начали в 2009 г. разработку усовершенствованных технологий производства из титановых сплавов так называемых крупногабаритных полуфабрикатов (заготовок крупных узлов и деталей) для морских судов и «оффшорной техники», предназначенной для работ на шельфах. Такие заготовки из титановых сплавов могут применяться для изготовления сверхлёгких, прочных и стойких к коррозии деталей самых разных типов судов, например, исследующих морские глубины, или связанные с добычей углеводородного сырья.

Существенный недостаток титановых сплавов только один – высокий коэффициент трения «металл по металлу», титан попросту «задирается» при трении из-за повышенной вязкости. Поэтому для деталей из титановых сплавов (в первую очередь, для различных т. н. «узлов трения») необходимо напыление специальных покрытий, придающих необходимые антифрикционные свойства. В качестве «кандидатов» на создание таких покрытий ученые намерены всесторонне исследовать различные высокопрочные материалы на основе оксидов алюминия, циркония и хрома.

Металл потребляет артиллерия, где в настоящее время ведутся интенсивные исследования различных опытных образцов. Были исследованы различные детали артиллерийского оборудования с точки зрения возможности замены титаном обычных материалов при условии снижения цен на титан. Главное внимание уделялось деталям, для которых существенно снижение веса (детали, переносимые вручную и перевозимые по воздуху).
Опорная плита миномета, изготовленная из титана вместо стали. Путем такой замены и после некоторой переделки вместо стальной плиты из двух половинок общим весом 22 кг удалось создать одну деталь весом 11 кг. Благодаря такой замене можно уменьшить число обслуживающего персонала с трех человек до двух. Рассматривается возможность применения титана для изготовления орудийных пламегасителей.
Проходят испытания изготовленные из титана орудийные станки, крестовины лафетов и цилиндры противооткатных приспособлений. Широкое применение титан может получить при производстве управляемых снарядов и ракет.

Сплавы титана повышенного качества позволяют надеяться на возможность замены стальных плит титановыми равной толщины, что дает экономию в весе до 44%. Промышленное применение титана позволит обеспечить большую маневренность, увеличит дальность перевозки и долговечность орудия. Современный уровень развития воздушного транспорта делает очевидными преимущества легких броневиков и других машин из титана. Артиллерийское ведомство намерено снарядить в будущем пехоту касками, штыками, гранатометами и ручными огнеметами, сделанными из титана. Первое применение в артиллерии титановый сплав получил для изготовления поршня некоторых автоматических орудий.

Титан и его сплавы используются медицинской промышленностью для изготовления не только хирургических инструментов, но и наркозно-дыхательных аппаратов, «искусственных» сердца, легких, почек, защитных устройств радиологической аппаратуры.

Биологическая инертность титана превосходит все известные марки нержавеющей стали и даже специальный кобальтовый сплав «виталлиум». Технически чистый титан и его сплавы содержат гораздо меньше примесей, чем другие, применяющиеся в медицине сплавы, он хорошо переносится человеческим организмом, обрастает костной и мышечной тканью, не корродирует и агрессивных средах человеческого тела (в лимфе, крови, желудочном соке), структура окружающей титановый элемент ткани не изменяется на протяжении десятилетий. Эти свойства титана в сочетании с его высокими механическими качествами позволяют широко использовать его для металлического остеосинтеза – распространенного способа лечения переломов костей. Из него изготавливают для наружных и внутренних протезов стержни, спицы, гвозди, болты, скобы, внутрикостные фиксаторы, а также протезы бедренных костей, тазобедренных суставов и челюстно-лицевых костей. Как известно, детали для остеосинтеза даже из самых высококачественных сортов нержавеющей стали приводят со временем к самым различным осложнениям, связанным с коррозией и разрушением этих деталей, повреждением костных и мышечных тканей продуктами коррозии. Из-за реакции их с физиологическими солями организма происходят воспаления тканей, возникают болевые ощущения. Костные фиксаторы и любые протезы из титана осложнений и воспалений не дают, они могут находиться я человеческом организме сколь угодно долго, практически вечно. Титан, обладая высокой усталостной прочностью при знакопеременных нагрузках, как нельзя лучше служит в качестве протезов костей, постоянно подвергающихся переменным нагрузкам. Кроме того, его немагнитность и слабая электропроводность позволяют проводить физиотерапевтическое лечение больных с титановыми протезами без осложнений. Малая плотность и высокие прочностные свойства титана позволяют почти вдвое уменьшать вес и объем протезов. Эти качества делают титан практически незаменимым материалом в костной хирургии. Он может использоваться в стоматологии (искусственные зубы) и офтальмологии (имплантат глазного яблока). Имеются попытки изготовления из титана миниатюрного, массой 300 г, искусственного сердца. Наряду с нейлоновыми для вживания в сердце используются и титановые клапаны. Детали и конструкции из титана сравнительно несложны в изготовлении и сравнительно недороги, во всяком случае проще и дешевле, чем применяемые ныне сплавы типа «виталан» или «комохром»[7].

Остановимся еще на нескольких областях применения титана.

Атомная энергетика: оболочки реакторов на быстрых нейтронах, конструктивные детали ядерных реакторов с водяным охлаждением, футеровка реакторов тонкими пористыми или перфорированными листами титана, титановые электроды в плазменных установках.
Приборостроение: зеркала телескопов, затворы кино- и фотокамер, мембраны телефонов, гибкие трубки для бронирования кабелей.
Электроника: создание высокого вакуума в электронно-лучевых трубках (используется свойство расплавленного титана энергично поглощать газы), аноды высоковольтных кенотронов и катоды поляризационных электролитических конденсаторов, сетки электронных ламп с минимальной эмиссией, тонкопленочные интегральные схемы и тонкопленочные конденсаторы; электронные трубки микроскопических размеров.
Военная техника: опорные плиты минометов, лафеты, кронштейны, станки орудий, пламегасители, атомные орудия малой мощности, облегченная броня, равная по снарядостойкости стальной броне, детали танкостроения; многие виды оружия и снаряжения для десантных войск.
Экспедиционное и спортивное снаряжение: инвентарь для антарктических и других экспедиций, снаряжение для альпинистов и пожарных, ружья для подводной охоты, мачты гоночных яхт, лыжные палки, теннисные ракетки, шары и клюшки для гольфа и др.
Бытовая техника и приборы: кухонные приборы, садовые инструменты, шариковые и перьевые авторучки.

Монументальное искусство: из титана созданы памятник Ю.А.Гагарину и монумент покорителям космоса в Москве, обелиск в честь успехов в освоении Вселенной в Женеве.

Есть еще один, совершенно необычный аспект применения титана – колокольный звон. Колокола, отлитые из этого металла, обладают необычным, очень красивым звучанием. Применяется титан в колокольчиках для электрозвонков.

Главными потребителями двуокиси титана являются лакокрасочная промышленность, использующая 60-65% всей производимой двуокиси титана, бумажная промышленность (12-16%) и производство пластмассы (10-14%). Остальное потребляется химической промышленностью для производства химволокна, искусственной кожи.

Помимо надежности и долговечности, титановые краски дают еще и чисто экономические выгоды: сокращается расход лакокрасочных материалов на единицу окрашиваемой поверхности и уменьшаются затраты труда на окраску в связи с сокращением числа наносимых слоев[1, C.103-128].
Титан – это металл будущего, благодаря обширным запасам он имеет перспективу стать основным металлом грядущих лет, поскольку его характеристики выигрывают по сравнению с характеристиками железа и алюминия во всех областях применения. Титан изначально предназначался для использования в военной и оборонной промышленности, но с течением времени он получает все большее распространение в мирных областях – народном хозяйстве, гражданской авиации, медицине и морских исследованиях, спорте и автомобилестроении. Своими свойствами и качеством изделий титан доказал целесообразность своего применения вместо привычных нам железа и алюминия – с практической, экономической и экологической точек зрения.