Марки титана и их применение: Титан и его сплавы: свойства и сфера применения

Содержание

Титан, сплавы титана и их применение в стоматологии Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

60. Moore P.M. Diagnosis and management of isolated angiitis of the central nervous system // Neurology. — 1989. — Vol. 39. — P. 167-173.

61. Mondelli M., Romano C., Della Porta P., Rossi A. Electrophysiological evidence of «nerve entrapment syndromes» and subclinical peripheral neuropathy in progressive systemic sclerosis (scleroderma) // J. Neurol. — 1995. — Vol. 242. — P. 185194.

62. Nived O., Sturfelt G., Liang M. H., De Pablo P. The ACR nomenclature for CNS lupus revisited // Lupus. — 2003. — Vol.

12. — P 872-876.

63. Purandare K.N., Wagle A.C., Parker S.R. Psychiatric morbidity in patients with systemic lupus erythematosus // Q. J. Med.

— 1999. — Vol. 92. — P. 283-286.

64. Senelick R. C. Texas Med. — 1977. — Vol. 73. — P. 44-52.

65. Swaak A.J., Brink H.G., Smeenk R.T., et al. Systemic lupus erythematosus: clinical features in patients with disease duration of over 10 years, first evaluation // Ibid. — 1999. — Vol. 38. — P 953-958.

66. Значение индекса повреждения. Swaak A. J., Nossent J. C., Bronsveld W et al. Systemic lupus erythematosus: I. Outcome and survival: Dutch experience with 110 patiants studied prospectively // Ann. Dis. — 1989. — Vol. 48. — P 447-454.

67. Symmons D.P.M., Brennan P., Clavlic A.G., et al. Symposium: Mortality in rheumatic diseases // Rheumatol. in Europe. — 1996. — Vol. 25. — P 2-4.

68. Urowitz M.B., Gladman D.D. How to improve morbility and mortality in systemic lupus erythematosus // Rheumatology. — 2000. — Vol. 39. — P. 228-244.

69. Whitelaw D.A., Spangenberg J.J., Rickman R., et al. Association between the antiphospholipid antibody syndrome and neuropsychological impairment in SLE // Lupus. — 1999. — Vol.

8. — P. 444-448.

70. Winfield J. B., Brunner C. M., Koffler D. Ibid. — 1978. — Vol. — 21. — P. 289-294.

71. Zhang X. A study of effects of estrogen receptor and contrasupressor T cell subtype in pathogenesis of SLE. // Rev. Esp. Rheum. — 1993. — Vol. 20. — P 420.

Адрес для переписки: 664046, Иркутск, ул. Байкальская, 118,

МУЗ «Клиническая больница №1 г. Иркутска»,

Файзулина Дина Леонидовна врач невролог, аспирант кафедры;

Шпрах Владимир Викторович — д. Иркутский государственный институт усовершенствования врачей, ректор — д.м.н., проф. В.В. Шпрах, кафедра ортопедической стоматологии, зав. — д.м.н., проф. В.В. Трофимов;

2Томский политехнический университет, ректор — д.т.н., проф. П.С. Чубик, Научно-исследовательский институт интроскопии, директор — д.т.н. В.А. Клименов)

Резюме. В статье приводятся литературные данные о физико-механических, химических и биологических свойствах титана. Рассматриваются перспективы применения различных соединений титана в стоматологии. Ключевые слова: титан, сплав титана, имплантат.

THE TITAN, ALLOYS OF THE TITAN AND THEIR APPLICATION IN STOMATOLOGY

O.V. Fedchishin1, V.V. Trofimov1, V.A. Klimenov2 (1Irkutsk State Institute of Continuing Medical Education; 2Tomsk Рolytechnical University)

Summary. In the article are presented the literary data about physicomechanical, chemical and biological properties of the titan. Prospects of application of various compounds of the titan in stomatology are considered.

Key words: the titan, an alloy of the titan, implant.

Титан был открыт в 1794 году и относится к группе физиологически индифферентных металлов (А1, и Zr, №>, Ta). Металлы этой группы являются наиболее приемлемыми материалами для изготовления имплантатов с позиции биосовместимости[28], они, как правило, даже при высоком содержании в пище, воде и окружающей среде длительное время могут не вызывать негативных явлений в тканях и органах. Однако мировые запасы Та, Zr, №> во много раз уступают Т и, следовательно, себестоимость изделий из них чрезвычайно высока. Природные ресурсы титана в несколько раз превышают природные ресурсы меди, никеля, олова, свинца, хрома, марганца, молибдена, вольфрама, ртути, висмута, золота и платины вместе взятых.

еТЮЗ), перовскит (СаТЮЗ), лопарит ((№,С1,Са)(№>,ТуОз,), сфен (титанит) (СаТДБЮ4)О) [19,21,27].

Титан не является необходимым элементом для жизни человека или животных и плохо поглощается расте-

ниями. Нет никаких данных о том, что титан является канцерогенным или мутагенным веществом для человека. Различные соединения титана широко используются в косметике, лекарствах, медицине и продуктах питания без каких-либо известных неблагоприятных влияний [19,25,26].

Перспективность титана и его сплавов для изготовления имплантатов объясняется физико-механическими, химическими и биологическими свойствами. Эти свойства соответствуют требованиям к внутрикостным имплантатам, работающим в сложных условиях циклического нагружения, в контакте с мягкими тканями и ферментами полости рта [1,3,18,19,20].

Титан — отличается легкостью, устойчивостью к коррозии, хорошо поддается обработке, не теряя высокую прочность. ‘/(Г

Рис. 1. Микроструктура титана а) йодидного, полиэдрическая; б) технического, корзиночная, 280.

с железом, по таким важным для протезирования показателям, как теплопроводность и коэффициент линейного теплового расширения, титан превосходит последнее, соответственно — 0,045 и 0,18 кал/см-с-град и 8,5-10-6 и 12,3-10-6 кал/см-с-град [19]. Для титана марок ВТ1-0 и ВТ1-00 предел прочности 30-55 кг/мм2, относительное удлинение не ниже 25%, твердость по Бринеллю 100-150 кг/мм2. Удельная прочность титановых сплавов в 3-4 раза выше, чем у чистого титана, и в 1,5-2 раза выше по сравнению с легированной сталью. Для применения в стоматологии наибольший интерес представляют сплавы титана с алюминием. Их отличают малый удельный вес, хорошая свариваемость и отличные литейные качества, а также стойкость к растворам пепти-на и галловой кислоты.

Сплавы титана обладают более высокими физикомеханическими свойствами, чем чистый металл.

Очень важным фактором является то, что титан марок ВТ1-0, ВТ1-00 и сплавы ОТ4, ОТ4-1, ВТ5-Л практически не склонны к коррозионному растрескиванию под нагрузкой даже при наличии острых концентраторов напряжения. Предел усталости их настолько велик, что может обеспечить надежную работу съемных и несъемных ортопедических конструкций [25].

На поверхности титана в кислородосодержащей атмосфере образуется прочный окисный слой, (преимущественно диоксид титана ТЮ2, ТЮ, Т1203), за несколько минут достигая толщины от 2 до 10 нм [2]. Он обеспечивает коррозионную (химическую) стойкость титана. Одной из важных проблем является механизм формирования оксидного слоя в процессе функционирования зубочелюстной системы. Некоторые авторы [27] считают, что оксидные пленки Т1 разрушаются при механическом воздействии и вновь формируются в течение 40-50 мин. в растворе слюны. Однако, это очень большое время релаксации, и в этом случае необходимо использовать оксидную пленку, предварительно сформированную по специальной технологии, с высокими прочностными показателями и с малым временем релаксации; либо защищать, т.

е. покрывать металлическую поверхность имплантата сплошным керамическим материалом. В результате многих исследований обнаружено, что после установки имплантата окисный слой покрывается плазменными белками (фибронекти-ном и витронектином). Вокруг имплантата происходит заметное выделение ионов титана (и алюминия — в случае использования титанового сплава) в окружающие ткани, создается адаптированный промежуточный слой между имплантатом и организмом. Химически активная природа этого слоя приводит к спонтанному образованию кальций-фосфатного апатита, что обуславливает хорошую биологическую совместимость титана. Положительным качеством титана является возможность наносить на него методом плазменного напыления покрытия регулируемой толщины и пористости из любого материала [5,7,8-15].

Титан — полиморфный металл. Известны две кристаллические модификации титана [23]. Из расплава титан кристаллизуется в модификацию с объемно-центрированной (о. е, Мп, Сг, N1 и др.) понижают ее. Высокотемпературную модификацию титана с о.ц.к.-решеткой называют в-, а низкотемпературную модификацию а-структурой [23].

После охлаждения на воздухе у технически чистого титана наблюдается так называемая корзиночная микроструктура, характерная для продуктов неравновесного распада в-структуры. Полиэдрическая структура этогометалла, с а-структурой достигается при особых условиях деформации титана в области, близкой к критической температуре (а0в) — превращения, и последующего медленного охлаждения в печи. Корзиночная микроструктура с мартенситообразными иглами получается на технически чистом титане после нагрева (в вакууме или в атмосфере нейтрального газа) до 1200 °С и охлаждения на воздухе.

На рис. 1. приводятся эти две характерные микроструктуры — полиэдрическая для чистого йодидного титана (рис. 1, а) и корзиночная для технически чистого титана (рис. 1, б) [23].

Параметры решетки а-титана определяли многие авторы и на титане разной степени чистоты. В результате критического анализа литературных данных авторы [23] приводят средние значения параметров а-Ті: а = 2,9503 ± 0,0004 А; с = 4,6831 ± 0,0004 А при с/а = 1,5873 ± 0,0004, при этом значения параметров могут заметно изменяться в зависимости от содержания примесей.

Технически чистый титан, применяемый в медицинских целях, изготавливается промышленностью в виде двух марок ВТ1-00 и ВТ1-0, отличающихся содержанием примесей, состав которых представлен в таблице 1. [6,24,28].

Таблица 1

Химический состав титана технических марок

Марка титана Содержание примесей не более, %

Ре БІ С О N Н АІ Прочих примесей

ВТ 1-00 0,20 0,08 0,06 0,10 0,04 0,008 0,30 0,10

ВТ 1-0 0,30 0,10 0,07 0,20 0,04 0,010 0,7 0,30

Титан в живом организме под действием механической деформации, ионов хлора и коррозии частично био-деградирует и диффундирует в окружающей ткани. Но токсических эффектов или аллергизации при этом, в отличие от циркониевых и железохромовых сплавов, даже при достаточно высоком уровне содержания металла в тканях, как правило, не происходит [23]. Механические характеристики титана различного состава приведены в таблицах 2 и 3 [3,16,17,22,23,24,28,29].

Таблица 2

Основные механические характеристики титановых сплавов

Марка титана о 0,2 кГ/мм2 о в кГ/мм2 б, % Твердость по Бринелю, НВ

ВТ1-0 50 57 34 225

ВТ1-1 42 56 30 248

ВТ6с 100 107 12 —

Практическое использование титана для изготовления имплантатов и хирургических инструментов было предметом рассмотрения на многочисленных конференциях, симпозиумах и конгрессах, по материалам которых можно сделать вывод о том, что в настоящее

Таблица 3

Механические свойства некоторых титановых сплавов [28]

Титан, сплав, компоненты, % Е, ГПа Модуль Юнга, МПа Относительное удлинение, б, % Уменьшение площади при растяжении, %

a —Ti 105 240-617 12-27 —

а — p-Ti6Al-4V 88-116 990-1184 2-30 2-14

Ti-5Al-2. 5Fe 110 943-1050 13-16 33-42

Ti-6Al-7Nb 108 900-1100 11-14 —

P-Ti-13Nb-13Zr 79 550-1035 8-15 15-30

Ti-11.5Mo-6Zr-2Fe 74-85 1060-1100 18-22 64-73

Ti-15Mo-5Zr-3Al 15-113 882-1312 11-20 43-83

Ti-15Mo-3Nb 79 1035 15 60

время широко применяются в стоматологических и ортопедических целях а-титан и недавно предложенный сплав Т1-6Л1-4У (а, в).

Ряд титановых сплавов, которые сегодня используются или рассматриваются в качестве потенциальных

имплантируемых материалов, приведен в таблице 3 вместе с их механическими свойствами, которые изменяются в зависимости от термообработки и других параметров производственного процесса.

Данные, приведенные в таблицах, позволяют сделать вывод о том, что титановые сплавы с легирующими добавками могли бы быть предпочтительными для использования в качестве материалов для имплантатов. Однако нерешенная проблема токсичного воздействия на организм большинства упрочняющих элементов заставляет нас рассматривать только возможность использования технически чистого титанового сплава для медицинского назначения. В связи с этим основной задачей при их использовании становится решение вопросов, связанных с улучшением механических свойств, что позволило бы расширить возможности их применения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бекренев Н.В., Калганова С.Г., Верещагина Л. А., Обыденная С.А., Лясников В.Н. Применение имплантатов в стоматологии // Новое в стоматологии. — 1995. — №2. — С. 19-22.

2. Воронков М.Г., Зелчан Г.И., Лукевиц З.Я. Кремний и жизнь. — Рига: Зинатне, 1978. — 588 с.

3. Гольдфайн В.И., Зуев А.М., Клабуков А.Г. О влиянии водорода и кислорода на трение и износ титановых спла-вов//Проблемы трения и изнашивания. — Киев: Техника. — 1975. — Вып. 8. — С. 49-52.

4. Жусев А.И., Малинин М.В., Сидельников А.И., Ушаков А.И. Использование компьютерной техники для определения влияния дентальной имплантации на микроциркуляцию слизистой оболочки в области операционного поля // Новое в стоматологии. — 1997. — №6 (спец. выпуск). — С. 45-48.

5. Калганова С.Г., Лясников В.Н. Научные основы создания современных дентальных имплантатов с биоактивным покрытием // Новое в стоматологии. — 1999. — №2. — С. 24-28.

6. Каптюг И. С., Сыщиков И. С. Влияние легирования на фрикционные свойства титана//МиТом. — 1959. — № 4. — С. 8-11.

7. Клименов В.А., Карлов А.В., Верещагин В.И. Патент №1743024, Россия, Биоактивное покрытие на имплантат. Приоритет от 27.02.1990.

8. Клименов В.А., Карлов А.В., Иванов Ю. Ф. и др. Изменение структуры и фазового состава апатитовых покрытий при плазменном напылении. // Перспективные материалы. — 1996. — №5. — С. 402-408.

9. Лясников В.Н., Бутовский К. Г., Бейдик О. В., Островский И.В. Биокомпозиционные плаэмонапыленные покрытия имплантатов и остефиксаторов // Биокомпозиционные покрытия, материалы в челюстно-лицевой хирургии и стоматологии: Тез. докл. 1-й Всерос. научн. конф. — М., 1997. — С. 9.

10. Лясников В.Н., Верещагина Л.А. Биологически активные плазменнонапыленные покрытия для имплантатов // Перспективные материалы. — 1996. — №6. — C. 50-55.

11. Лясников В.Н., Верещагина Л.А., Лепилин А.В., Корчагин А.В. и др. Внутрикостные стоматологические имплантаты. — Саратов: Изд-во СГУ, 1997.

12. Лясников В.Н., Князьков А. А., Бекренев Н.В. Комплексный подход к разработке и применению дентальных имплантатов // Новое в стоматологии. — 1999. — №2. — С. 62-65.

13. Лясников В.Н., Корчагин А.В. Принципы создания дентальных имплантатов // Новое в стоматологии. — 1999. — №2. — С. 50-54.

14. Лясников В.Н., Корчагин А.В., Таушев А.А. Влияние технологии плазменного напыления на структурные характеристики напыленных биопокрытий внутрикостных имплантатов // Новое в стоматологии. — 1999. — №2. — С. 55-61.

15. Лясников В.Н., Олесова В.Н., Лепилин А.В., Фомин И.В. Научные основы создания внутрикостных стоматологиче-

ских имплантатов // Материалы научно-практической конференции стоматологов, посвященной 50-летию Федерального управления медико-биологических и экстремальных проблем при МЗ РФ. — М., 1997. — С. 37-38.

16. Механические свойства сталей и сплавов при пластическом деформировании. Карманный справочник/ А.В. Третьяков, Г.К. Трофимов, М.К. Гурьянова. — М.: Машиностроение, 1971.

17. Миллер П.Д., Холлидэй И.В. Трение и износ титана. Машиностроение за рубежом//Сб. пер. и обзоров иностр. лит. — 1959. — № 6. — С. 10-20.

18. Миргазизов А.М., Олесова В.Н. Сравнительное экспериментальное исследование взаимодействия костной ткани с внутрикостными имплантатами из различных материалов. // Новые концепции в технологии, производстве и применении стоматологических имплантатов: Тез. докл. 3-й Международной конференции. — Саратов, 1996. — С. 8.

19. Михайлова А.М., Лясников В.Н. Дентальные имплантаты и суперионный эффект // Новое в стоматологии. — 1999. — №2. — С. 13-23.

20. Раух Р.У. Титан — материал для имплантатов // Квинтессенция. — 1995. — №5/6. — С. 36-38.

21. Сплавы титана и перспективы их применения в стоматологии: Инф. письмо Перм. мед. ин-та. — Пермь, 1986.

22. Сулима А.М., Евстигнеев М.И. Качество поверхностного слоя и усталостная прочность деталей из жаропрочных и титановых сплавов. М.: Машиностроение. — 1974. — 256 с.

23. Титан. Источники составы, свойства металлохимия и применение. И.И. Корнилов. — М.: Наука, 1975. — 310 с.

24. Титановые сплавы в машиностроении/ Б.Б. Чучалин, С.С. Ушаков, И.Н. Разуваева, В.Н. Гольдфайн. — Л.: Машиностроение, 1977.

25. Фефелов А.В. Клинико-экспериментальное обоснование применения имплантатов из пористого никелида титана для зубного протезирования: Автореф. дис. …канд.мед. наук. — Омск, 1995. — 18 с.

26. Фомин И.В., Лясников В.Н., Воложин А.И., Доктор А.А., Лепшин А.В. Повышение остеоинтегративных свойств титановых имплантатов с плазменным гидроксиапатитным покрытием // Современные проблемы имплантологии: Тезисы докл. 4-й Межд.конф. — Саратов, 1998. — С. 16-17.

27. Abrahamsson I., Berglundh Т., Lindhe J. The mucosal barrier following abutment dis/reconnection. An experimental study in dogs. // Clin Periodontol. — 1997. — Vol. 24(8). — Р

28. Andersson O.H., Lui G., Kangasniemi K. and Juhanoja J. Evaluation of the Acceptance of Glass in Bone//J. Mater. Sci.: Materials in Medicine. — 1992. — Vol. 3. — Р 145-150.

29. Rabinowitz E. Frictional Properties of Titanium and Its Alloys//Met. Progress. — 1954. — V. 65. — N2. — Р 19-23.

Адрес для переписки: 665830, г. Ангарск, ул. К.Маркса, 29, кафедра ортопедической стоматологии ИГИУВ,

Федчишин Олег Вадимович, доцент кафедры ортопедической стоматологии, раб.тел. (3955) 526050; e-mail: [email protected]

Титан. Промышленные титановые сплавы — «Тиком-М»

Марки и химический состав отечественных сплавов (ГОСТ 19807–91) представлены в табл. 17.2.

По технологии изготовления титановые сплавы подразделяются на деформируемые и литейные; по уровню механических свойств — на сплавы невысокой прочности и повышенной пластичности, средней прочности, высокопрочные; по условиям применения — на хладостойкие, жаропрочные, коррозионностойкие.По способности упрочняться термообработкой они делятся на упрочняемые и неупрочняемые, по структуре в отожженном состоянии — на a -, псевдо-a -, (a + b )-, псевдо-b — и b -сплавы (табл. 17.3).

Отдельные группы титановых сплавов различаются по величине условного коэффициента стабилизации Кb , который показывает отношение содержания b -стабилизирующего легирующего элемента к его содержанию в сплаве критического состава с_кр. При содержании в сплаве нескольких b -стабилизирующих элементов их Кb суммируется.

Деформируемые титановые сплавы

Титановые сплавы невысокой прочности и повышенной пластичности

К этой группе относятся сплавы с пределом прочности s _в <700 МПа, а именно: a -сплавы марок ВТ1-00, ВТ1-0 (технический титан) и сплавы ОТ4-0, ОТ4-1 (система Ti—Al—Mn), АТ3 (система Ti—Al c небольшими добавками Cr, Fe, Si, B), относящиеся к псевдо-a -сплавам с небольшим количеством b -фазы. Характеристики прочности этих сплавов выше, чем чистого титана благодаря примесям в сплавах ВТ1-00 и ВТ1-0 и незначительному легированию a — и b -стабилизаторами в сплавах ОТ4-0, ОТ4-1, АТ3.

Эти сплавы отличаются высокой пластичностью как в горячем, так и в холодном состоянии, что позволяет получать все виды полуфабрикатов: фольгу, ленту, листы, плиты, поковки, штамповки, профили, трубы и т. п. Механические свойства полуфабрикатов из этих сплавов приведены в табл. 17.4–17.6.

Таблица 17.3

Классификация титановых сплавов по структуре

Группа сплавов	Марка сплава
a -Сплавы	ВТ1-00, ВТ1-0, ВТ5, ВТ5-1, ПТ-7М
Псевдо-a -сплавы (Кb < 0,25)	ОТ4-0, ОТ4-1, ОТ4, ВТ20, АТ3
(a + b )-Мартенситного класса (Кb = 0,3–0,9)	ВТ6С, ВТ6, ВТ14, ВТ8, ВТ9, ПТ-3В, ВТ3-1, АТ3
(a + b )-Сплавы переходного класса (Кb = 1,0–1,4)	ВТ22, ВТ30*
Псевдо-b -сплавы (Кb = 1,5–2,4)	ВТ35, ВТ32, ВТ15
b -Сплавы (Кb = 2,5–3,0)	4201*

* Опытные сплавы.

Таблица 17.4

Механические свойства листов из титановых сплавов (ГОСТ 22178–76)

Марки титановых сплавов	Состояние образцов при испытаниях	Толщина листов, мм	Предел прочности, s _в, МПа	Относительное удлинение, d , %
Марки титановых сплавов	Состояние образцов при испытаниях	Толщина листов, мм	не менее
ВТ1-00	Отожженное	0,3–1,8	295 (295–440)	30 (30)
		Св. 1,8–6,0		25 (30)
		Св. 6,0–10,5		20 (20)
ВТ1-0	То же	0,3–0,4	375 (375–540)	25 (25)
		Св. 0,4–1,8		30 (30)
		Св. 1,8–6,0		25 (25)
		Св. 6,0–10,5		20 (20)
ОТ4-0	Отожженное	0,3–0,4	470 (490–635)	25 (25)
		0,4–1,8		30 (30)
		1,8–6,0		25 (25)
		6,0–10,5		20 (20)
ОТ4-1	То же	0,3–0,7	590 (590–785)	25 (25)
		Св. 0,7–1,8		20 (20)
		Св. 1,8–6,0		15 (15)
		Св. 6,0–10,5		13 (13)
ОТ4	То же	0,5–1,0	685 (685–885)	20 (20)
		Св.1,0–1,8		15 (15)
		Св. 1,8–6,0		12 (12)
		Св. 6,0–10,5		10 (12)
ВТ5-1	То же	0,8–1,2	735 (735–930)	15 (15)
		Св. 1,2–1,8		12 (12)
		Св. 1,8–6,0		10 (10)
		Св. 6,0–10,5		8 (8)
ВТ6	То же	1,0–10,5	885 (885–1080)	8 (8)
ВТ14	Отожженное	0,8–5,0	885 (885–1050)	8 (8)
	Отожженное	Св. 5,0–10,5	835 (835–1050)	8 (8)
	Закаленное и искусственно состаренное	0,8–1,5	1080 (1080)	5 (5)
		Св. 1,5–5,0	1180 (1180)	6 (6)
		Св. 5,0–7,0	1080 (1080)	4 (4)
		Св. 7,0–10,5	1100 (1100)	4 (4)
ВТ20	Отожженное	0,8–1,8	930 (930–1180)	12 (12)
		Св. 1,8–4,0		10 (10)
		Св. 4,0–10,5		8 (8)
	Отожженное и правленное	0,8–4,0	980 (980–1180)	9 (9)
	Отожженное и правленное	Св. 4,0–10,5	980 (980–1180)	6 (6)

Примечание. В скобках приведены данные для листов с высокой отделкой поверхности.

Таблица 17.5

Механические свойства прутков из титановых сплавов (ГОСТ 26492–85)

Марка сплава	Состояние испытываемых образцов	Диаметр прутка, мм	Предел прочности s _в, МПа	Относительное удлинение d , %	Относительное сужение y , %	Ударная вязкость KCU, Дж/см²
Марка сплава	Состояние испытываемых образцов	Диаметр прутка, мм	не менее
ВТ1-00	Отожженные	10–100	295 (295–440)	20 (20)	50 (55)	100 (120)
ВТ1-00	Отожженные	100–150	265 (265–440)	20 (20)	40 (42)	60 (60)
ВТ1-0	То же	10–100	345 (345–540)	15 (20)	40 (50)	70 (100)
ВТ1-0	То же	100–150	345 (345–540)	15 (20)	36 (38)	50 (60)
ВТ1-2	То же	65–150	590–930	8	17	25
ОТ4-0	То же	10–100	440 (490–635)	15 (20)	35 (40)	50 (70)
ОТ4-0	То же	100–150	440 (490–635)	13 (20)	30 (32)	40 (50)
ОТ4-1	То же	10–100	540 (590–735)	12 (15)	30 (35)	45 (45)
ОТ4-1	То же	100–150	540 (590–735)	10 (13)	21 (24)	40 (40)
ОТ4	То же	10–100	685 (685–885)	8 (10)	25 (30)	40 (40)
ОТ4	То же	100–150	635 (635–885)	8 (10)	20 (21)	35 (35)
ВТ5	Отожженные	10–100	735 (735–930)	8 (10)	20 (25)	30 (50)
ВТ5	Отожженные	100–150	685 (715–930)	6 (6)	15 (18)	30 (50)
ВТ5-1	То же	10–100	785 (785–980)	8 (10)	20 (25)	40 (40)
ВТ5-1	То же	100–150	745 (745–980)	6 (6)	15 (18)	40 (45)
ВТ6	Отожженные	10–100	885 (905–1050)	8 (10)	20 (30)	25 (35)
	Отожженные	100–150	835 (835–1050)	6 (6)	15 (20)	20 (30)
	Закаленные и состаренные	10–100	1080 (1080)	4 (6)	12 (20)	20 (25)
ВТ6С	Отожженные	10–100	835 (835–980)	9 (10)	22 (28)	30 (40)
	Отожженные	100–150	755 (755–980)	6 (7)	15 (22)	25 (40)
	Закаленные и состаренные	10–100	1030 (1030)	4 (6)	14 (20)	25 (30)
ВТ3-1	Отожженные	10–100	930 (980–1230)	8 (10)	20 (28)	30 (30)
ВТ3-1	Отожженные	100–150	930 (930–1180)	6 (8)	15 (20)	25 (30)
ВТ8	То же	10–100	980 (980–1230)	8 (9)	20 (28)	30 (30)
ВТ8	То же	100–150	930 (930–1180)	6 (7)	15 (19)	20 (30)
ВТ9	То же	10–100	980 (1030–1230)	7 (9)	16 (28)	25 (30)
ВТ9	То же	100–150	930 (980–1230)	6 (7)	15 (16)	20 (30)
ВТ14	Отожженные	10–100	885 (885–1080)	8 (10)	22 (32)	30 (50)
	Отожженные	100–150	865 (865–1080)	6 (8)	15 (25)	30 (45)
	Закаленные и состаренные	10–60	1080 (1100)	4 (6)	8 (12)	20 (25)
	Закаленные и состаренные	60–100	1080 (1080)	4 (4)	8 (8)	20 (20)
ВТ20	Отожженные	10–100	885 (930–1130)	7 (10)	20 (25)	30 (35)
ВТ20	Отожженные	100–150	885 (885–1130)	8 (8)	20 (20)	25 (30)
ВТ22	То же	10–100	1030 (1080–1230)	8 (9)	16 (25)	25 (30)
ВТ22	То же	100–150	1030 (1080–1280)	6 (7)	14 (17)	20 (25)
АТ3	То же	25–60	590	15	35	40

Примечание. В скобках приведены данные для прутков повышенного качества.

Таблица 17.6

Механические свойства плит из титановых сплавов (ГОСТ 23755–79)

Марка сплава	Состояние материала	Толщина плит, мм	Предел прочности s _в, МПа	Относительное удлинение d , %	Относительное сужение y , %	Ударная вязкость KCU, Дж/см²
Марка сплава	Состояние материала	Толщина плит, мм	не менее
ВТ1-00	Без термической обработки	11–60	295–490	14	28	–
ВТ1-00		60–150	295–490	11	25	–
ВТ1-0		11–60	370–570	13	27	–
ВТ1-0		60–150	295–540	10	24	–
ОТ4-0		11–20	490–635	12	18	–
		20–60		11
		60–150		10
ОТ4-1		11–20	590–735	10	18	–
		20–60		9,0	18
		60–150		8,0	14
ОТ4		11–20	685–885	8,0	15	–
		20–60		7,0	13
		60–150		6,0	10
ВТ5-1	Отожженное	11–35	735–930	6,0	12	–
ВТ6		11–60	888–1080	6,0	16	30
ВТ6		60–100	835–1030	6,0	12	30
ВТ14	Отожженное	11–60	835–1030	7,0	20	–
	Отожженное	60–100	835–1030	6,0	14	–
	Закаленное и состаренное	11–60	1080	4,0	8,0	–
ВТ20	Отожженное	11–60	900–1130	6,0	12	30
ВТ20		60–100	880–1130	5,0	10	30
ПТ-3В		11–14	£ 880	10	25	60
ПТ-3В		14–26	£ 835	10	22	60
АТ3	Без термической обработки	11–60	³ 590	8,0	12	45

Ковка, объемная и листовая штамповка, прокатка, прессование производятся в горячем состоянии по режимам, указанным в табл. 17.7. Окончательная прокатка, листовая штамповка, волочение и другие операции производятся в холодном состоянии.

Эти сплавы и изделия из них подвергаются только отжигу по режимам, указанным в табл. 17.8. Для снятия внутренних напряжений, образовавшихся в результате механической обработки, листовой штамповки, сварки и др., применяется неполный отжиг.

Указанные сплавы хорошо свариваются сваркой плавлением (аргонодуговая, под флюсом, электрошлаковая) и контактной (точечная, роликовая). При сварке плавлением прочность и пластичность сварного соединения практически аналогичные основному металлу.

Коррозионная стойкость данных сплавов высокая во многих средах (морская вода, хлориды, щелочи, органические кислоты и т. п.), кроме растворов HF, H₂SO₄, HCl и некоторых других.

Применение. Эти сплавы широко применяются как конструкционные материалы для изготовления практически всех видов полуфабрикатов, деталей и конструкций, включая сварные. Наиболее эффективно их применение в авиационно-космической технике, в химическом машиностроении, в криогенной технике (табл. 17.9.), а также в узлах и конструкциях, работающих при температурах до 300–350 ° С.

Титановые сплавы средней прочности

К этой группе относятся сплавы с пределом прочности s _в= 750–1000 МПа, а именно: a -спла-вы марок ВТ5 и ВТ5-1; псевдо-a -сплавы марок ОТ4, ВТ20; (a + b )-сплавы марок ПТ3В, а также ВТ6, ВТ6С, ВТ14 в отожженном состоянии.

Сплавы ВТ5, ВТ5-1, ОТ4, ВТ20, ПТ3В, ВТ6С, содержащие небольшое количество b -фазы (2–7 % b -фазы в равновесном состоянии), упрочняющей термообработке не подвергаются и используются в отожженном состоянии. Сплав ВТ6С иногда применяют в термически упрочненном состоянии. Сплавы ВТ6 и ВТ14 используют как в отожженном, так и в термически упрочненном состоянии. В последнем случае их прочность становится выше 1000 МПа, и они будут рассмотрены в разделе, посвященном высокопрочным сплавам.

Рассматриваемые сплавы, наряду с повышенной прочностью, сохраняют удовлетворительную пластичность в холодном состоянии и хорошую пластичность в горячем состоянии, что позволяет получать из них все виды полуфабрикатов: листы, ленту, профили, поковки, штамповки, трубы и др. Исключение составляет сплав ВТ5, из которого листы и плиты не изготавливают из-за невысокой технологической пластичности. Режимы горячей обработки давлением приведены в табл. 17.7.

На эту категорию сплавов приходится основной объем производства полуфабрикатов, применяемых в машиностроении. Механические характеристики основных полуфабрикатов приведены в табл. 17.4–17.6.

Все среднепрочные сплавы хорошо свариваются всеми видами сварки, применяемыми для титана. Прочность и пластичность сварного соединения, выполненного сваркой плавлением, близка к прочности и пластичности основного металла (для сплавов ВТ20 и ВТ6С это соотношение составляет 0,9–0,95). После сварки рекомендован неполный отжиг для снятия внутренних сварочных напряжений (табл. 17.8).

Обрабатываемость резанием этих сплавов хорошая. Коррозионная стойкость в большинстве агрессивных сред аналогична техническому титану ВТ1-0.

Таблица 17.7

Режимы горячей обработки давлением титановых сплавов

Марка сплава	Режим ковки слитков			Режим ковки предварительно деформированных заготовок				Режим штамповки на прессе			Режим штамповки на молоте			Режим листовой штамповки
	температура деформации, ° С		D *, %	толщина, мм	температура деформации, ° С		D , %	температура деформации, ° С		D , %	температура деформации, ° С		D , %	температура деформации, ° С
	начало	окончание	D *, %	толщина, мм	начало	окончание	D , %	начало	окончание	D , %	начало	окончание	D , %	температура деформации, ° С
ВТ1-00	1050	750	20–30	Все толщины	950	700	³ 40	890	650	40–50	920	700	40–50	550–600
ВТ1-0	1050	750	20–30	То же	950	700	³ 40	890	650	40–50	920	700	40–50	550–600
ОТ4-0	950–1050	750	30–50	То же	950	700	40–70	960–890	650	40–70	870–950	700	40–70	550–700
ОТ4-1	950–1050	750	30–50	То же	880–950	750	40–70	880–910	700	40–70	890–950	750	40–70	550–700
ОТ4	1080	850	30–50	То же	980	800	40–70	910–950	800	40–70	900–930	750	40–70	550–700
ВТ5-1	1080	900	30–50	То же	1100	850	40–70	1050	850	40–70	1100	900	40–70	600–750
ВТ5	1080	900	30–50	То же	1100	850	40–70	1020	850	40–70	1100	900	40–70	–
ВТ6С	1100	850	30–70	До 100 свыше 100	1000 1020	800 800	40–70 40–70	940	750	40–70	960	800	40–70	650–800
ВТ6	1100	850	30–70	до 100 свыше 100	1000 1080	800 800	40–70 40–70	950	750	40–70	970	800	40–70	–
ВТ3-1	1180	850	³ 40	До 100 свыше 100	1000–980 1100–1020	820 850	40–50 70*	930–950	800	40–60	940–980	850	40–60	–
ВТ8	1180	900	³ 40	До 100 свыше 100	1020–1000 1100–1020	850 900	40–50 70*	1000–960	800	40–60	980–950	850	40–60	–
ВТ9	1180	900	³ 40	До 100 свыше 100	1020–1000 1100–1020	850 900–850	40–50 70*	980–950	800	40–60	1000–960	850	40–60	–
ВТ14	1100	850	30–50	Все толщины	980–1070	800	40–70	930–960	800	40–70	920–940	750	40–70	600–750
ВТ20	1180	900	20–30	То же	1080	900	³ 40	970–1000	900	40–50	990–1020	850–900	40–50	700–900
ВТ22	1180	850	30–50	То же	1020	800	40–70	840	750	20–50	950	800	40–70	700–900

* Степень деформации за один нагрев, %.

** Деформация в (a + b )-области.

*** Деформация в b -области.

Таблица 17.8

Режимы отжига титановых сплавов

Марка сплава	Температура отжига, ° С		Примечание
Марка сплава	Листы и детали из них	Прутки, поковки, штамповки, трубы, профили и детали из них	Примечание
ВТ1-00	520–540	670–690	445–585 ° С*
ВТ1-0	520–540	670–690	445–585 ° С*
ОТ4-0	590–610	690–710	480–520 ° С*
ОТ4-1	640–660	740–760	520–560 ° С*
ОТ4	660–680	740–760	545–585 ° С*
ВТ3-1	–	870–920 600–650 (530–620)*	Изотермический отжиг: нагрев до 870–920 ° С, выдержка, охлаждение до 600–650 ° С, охлаждение с печью или перенос в другую печь, выдержка 2 ч, охлаждение на воздухе
ВТ3-1	–	870–920 550–600	Двойной отжиг, выдержка при 550–600 ° С 2–5 ч. Для силовых деталей допускается отжиг при 850 ° С, охлаждение на воздухе
ВТ5	–	800–850	550–650 ° С*
ВТ5-1	700–750	800–850	550–650 ° С*
ВТ6 ВТ6С	750–800 (600–650)*	750–800 (600–650)*	Допускается отжиг по режимам: 1) нагрев до 850 ° С, выдержка, охлаждение с печью до 750 ° С, выдержка 3,5 ч, охлаждение на воздухе; 2) нагрев до 800 ° С, выдержка 30 мин, охлаждение с печью до 500 ° С, далее на воздухе
ВТ8	–	920–950 570–600 (530–620)*	Двойной отжиг, выдержка при 570–600 ° С — 1 ч. Допускается изотермический отжиг: нагрев до 920–950° С, выдержка, охлаждение с печью или перенос в другую печь с температурой 570–600 ° С, выдержка 1 ч, охлаждение на воздухе
ВТ9	–	950–980 530–580 (530–620)*	Двойной отжиг, выдержка при 530–580 ° С — 2–12 ч. Допускается изотермический отжиг: нагрев до 950–980° С, выдержка, охлаждение с печью или перенос в другую печь с температурой 530–580 ° С, выдержка 2–12 ч, охлаждение на воздухе
ВТ14	740–760	740–760	550–650 ° С*
ВТ 14	790–810 640–660	790–810 640–660	Допускается изотермический отжиг: нагрев до 790–810° С, выдержка, охлаждение с печью или перенос в другую печь до 640–660 ° С, выдержка 30 мин, охлаждение на воздухе
ВТ20	700–800	700–850	Допускается отжиг листовых деталей при 650–750 ° С, (600–650 ° С)*
ВТ22	740–760	670–820 (в зависимости от сечения и вида полуфабриката)	Охлаждение с печью со скоростью 2–4 ° С/мин до 450 ° С, затем на воздухе. Двойной отжиг, выдержка при 500–650 ° С 1–4 ч. Двойной отжиг допускается для деталей, работающих при температурах до 300 ° С и продолжительности до 2000 ч
		700–800
		500–650
АТ3	800–850	800–850	(545–585 ° С *)

* Температуры неполного отжига.

Таблица 17.9

Механические характеристики титановых сплавов при низких температурах

Сплав	s _в (МПа) при температуре, ° С			d (%) при температуре, ° С			КСU, Дж/см² при температуре, ° С
Сплав	–196	–253	–269	–196	–253	–269	–196	–253
ВТ1-0	920	1310	–	48	24	–	220	130
ВТ5-1	1200–1350	1350–1600	1710	15	8–10	9,3	40	30
ОТ4	1430	1560	–	13	16	–	50	40
ОТ4-1	1080	1390	–	19,4	17,5	–	23	30
ВТ3-1	1650	2060	2020	6,5	7,5	3	30	60
ВТ6	1640	1820	–	17,8	3,5	–	39	40
ВТ6С	1310	1580	–	7–10	3–6	–	40	25
ВТ14	1650	–	–	10	–	–	40	–

Применение. Данные сплавы рекомендуется применять для изготовления изделий листовой штамповкой (ОТ4, ВТ20), для сварных деталей и узлов, для штампосварных деталей (ВТ5, ВТ5-1, ВТ6С, ВТ20) и др. Сплав ВТ6С широко применяется для изготовления сосудов и емкостей высокого давления. Детали и узлы из сплавов ОТ4, ВТ5 могут длительно работать при температурах до 400 ° С и кратковременно — до 750 ° С; из сплавов ВТ5-1, ВТ20 — длительно при температурах до 450–500 ° С и кратковременно — до 800–850 ° С. Сплавы ВТ5-1, ОТ4, ВТ6С также рекомендуются для применения в холодильной и криогенной технике (табл. 17.9).

Высокопрочные титановые сплавы

К этой группе относятся сплавы с пределом прочности s _в >1000 МПа, а именно (a + b )-сплавы марок ВТ6, ВТ14, ВТ3-1, ВТ22. Высокая прочность в этих сплавах достигается упрочняющей термообработкой (закалка + старение). Исключение составляет высоколегированный сплав ВТ22, который даже в отожженном состоянии имеет s _в > 1000 МПа.

Указанные сплавы наряду с высокой прочностью сохраняют хорошую (ВТ6) и удовлетворительную (ВТ14, ВТ3-1, ВТ22) технологическую пластичность в горячем состоянии, что позволяет получать из них различные полуфабрикаты: листы (кроме ВТ3-1), прутки, плиты, поковки, штамповки, профили и др. Режимы горячей обработки давлением приведены в табл. 17.7. Сплавы ВТ6 и ВТ14 в отожженном состоянии (s _в » 850 МПа) могут подвергаться холодной листовой штамповке с малыми деформациями. Механические характеристики основных полуфабрикатов в отожженном и упрочненном состояниях приведены в табл. 17.4–17.6.

Несмотря на гетерофазность структуры, рассматриваемые сплавы обладают удовлетворительной свариваемостью всеми видами сварки, применяемыми для титана. Для обеспечения требуемого уровня прочности и пластичности обязательно проводят полный отжиг, а для сплава ВТ14 (при толщине свариваемых деталей 10–18 мм) рекомендуется проводить закалку с последующим старением. При этом прочность сварного соединения (сварка плавлением) составляет не менее 0,9 от прочности основного металла. Пластичность сварного соединения близка к пластичности основного металла.

Обрабатываемость резанием удовлетворительная. Обработку резанием сплавов можно проводить как в отожженном, так и в термически упрочненном состоянии.

Данные сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью в отожженном и термически упрочненном состояниях во влажной атмосфере, морской воде, во многих других агрессивных средах, как и технический титан.

Термическая обработка. Сплавы ВТ3-1, ВТ6, ВТ6С, ВТ14, ВТ22 подвергаются закалке и старению (см. выше). Рекомендуемые режимы нагрева под закалку и старение для монолитных изделий, полуфабрикатов и сварных деталей приведены в табл. 17.10.

Охлаждение при закалке производится в воде, а после старения — на воздухе. Полная прокаливаемость обеспечивается для деталей из сплавов ВТ6, ВТ6С с максимальным сечением до 40–45 мм, а из сплавов ВТ3-1, ВТ14, ВТ22 — до 60 мм.

Для обеспечения удовлетворительного сочетания прочности и пластичности сплавов с (a + b )-структурой после закалки и старения необходимо, чтобы их структура перед упрочняющей термической обработкой была равноосной или «корзиночного плетения». Примеры исходных микроструктур, обеспечивающие удовлетворительные свойства, приведены на рис. 17.4 (1–7 типы).

Таблица 17.10

Режимы упрочняющей термической обработки титановых сплавов

Марка сплава	Температура полиморфного превращения Т_пп, ° С	Температура нагрева под закалку, ° С	Температура старения, ° С	Продолжительность старения, ч
ВТ3-1	960–1000	860–900	500–620	1–6
ВТ6	980–1010	900–950	450–550	2–4
ВТ6С	950–990	880–930	450–500	2–4
ВТ8, ВТ9	980–1020	920–940	500–600	1–6
ВТ14	920–960	870–910	480–560	8–16
ВТ22	840–880	690–750	480–540	8–16

Исходная игольчатая структура сплава с наличием границ первичного зерна b -фазы (8–9 типы) при перегреве после закалки и старения или отжига приводит к браку — сниженнию прочности и пластичности. Поэтому необходимо избегать нагрева (a + b )-сплавов до температур выше температуры полиморфного превращения, так как перегретую структуру исправить термической обработкой невозможно.

Нагрев при термической обработке рекомендуется производить в электрических печах с автоматической регулировкой и регистрацией температуры. Для предупреждения образования окалины нагрев готовых деталей и листов необходимо проводить в печах с защитной атмосферой или с применением защитных покрытий.

При нагреве под закалку тонких листовых деталей для выравнивания температуры и уменьшения коробления их на под печи укладывается стальная плита толщиной 30–40 мм. Для закалки деталей сложной конфигурации и тонкостенных деталей применяются фиксирующие приспособления для предупреждения коробления и поводки.

После проведения высокотемпературной обработки (закалки или отжига) в печи без защитной атмосферы полуфабрикаты, не подвергающиеся дальнейшей обработке, должны пройти гидропескоструйную обработку или обработку корундовым песком, а листовые изделия — еще и травление.

Применение. Высокопрочные титановые сплавы применяются для изготовления деталей и узлов ответственного назначения: сварные конструкции (ВТ6, ВТ14), турбины (ВТ3-1), штампосварные уз-лы (ВТ14), высоконагруженные детали и штампованные конструкции (ВТ22). Эти сплавы могут длительно работать при температурах до 400 ° С и кратковременно до 750 ° С.

Особенность высокопрочных титановых сплавов как конструкционного материала — их повышенная чувствительность к концентраторам напряжения. Поэтому при конструировании деталей из этих сплавов необходимо учитывать ряд требований (повышенное качество поверхности, увеличение радиусов перехода от одних сечений к другим и т. п.), аналогичных тем, которые существуют при применении высокопрочных сталей.

Рис. 17.4. Девятибальная шкала микроструктуры титановых сплавов. ´ 500

ООО «НПО ТИТАН» — Справка — Области применения титана — Титан в машиностроении

В машиностроительных отраслях народного хозяйства титан пока еще не нашел широкого применения. Главной причиной, объясняющей такое положение, является ограниченность до недавнего времени сведений о свойствах титановых сплавов, их конкурентоспособности и эффективности использования в различных конструкциях машин и механизмов. Второй, не менее важной, причиной явилась дефицитность и высокая стоимость сплавов, что практически сводило к пулю их технико-экономические преимущества. В ряде случаев сдерживающим фактором явились низкие антифрикционные свойства сплавов титана, несвариваемость его с другими металлами и др.

В отечественной промышленности титановые сплавы применяются, главным образом, в химическом, тяжелом, энергетическом и транспортном машиностроении, машиностроении для легкой, пищевой промышленности и бытовых приборов.

Промышленностью выпускается оборудование, которое можно условно разделить на две группы: стандартное — серийно изготавливаемое специализированными машиностроительными заводами, и нестандартное — изготавливаемое заводами для своих нужд.

Стандартное оборудование в основном изготавливается заводами химического машиностроения. Номенклатура оборудования этих заводов достаточно широка и включает в себя запорную, перекачивающую, емкостную, колонную, фильтрующую, автоклавную, разделительную и специальную аппаратуру.

Запорная арматура. К ней относятся различные вентили, шаровые и обратные краны.
Перекачивающая арматура. Ряд производств связан с применением большого количества насосов, перекачивающих агрессивные среды при повышенных температурах. Проточная часть арматуры должна обладать высокой стойкостью против коррозии. В настоящее время изготавливаются в большом количестве насосы из титановых сплавов. Наряду со штампосварными широко применяются насосы, собираемые из фасонных отливок. Стоимость последних ниже, эффективность применения выше.

Емкостная аппаратура широко применяется во многих отраслях промышленности для хранения, процессов смешения, кристаллизации, термообработки и т. д. Требования к ней аналогичны требованиям, предъявляемым ко всему оборудованию, работающему с агрессивными средами. Пока еще основное количество емкостей изготавливается из дорогостоящих никельсодержащих сталей с большим припуском массы на коррозию, что неэкономично. Кроме того, продукты коррозии влияют на качество готовой продукции. В настоящее время освоено изготовление титановой емкостной аппаратуры. Производство ее осуществляется на заводах «Прогресс» (г. Бердичев), машиностроительном им. Фрунзе (г. Сумы), в небольших количествах— на заводах «Уралхиммаш» (г. Свердловск) и «Узбекхиммаш» (г. Чирчик).

Колонная аппаратура. Наиболее широко применяются титановые сплавы для конструкций башен, адсорберов, в виде насадочных, барботажных, тарельчатых, ректификационных, распылительных колонн и т. д.
Теплообменная аппаратура широко применяется в промышленности для подогрева, кипячения, испарения, конденсации и охлаждения различных агрессивных сред. Рабочие агрессивные среды могут быть жидкие, пастообразные, твердые, газо- и парообразные, В промышленности эксплуатируются конструкции теплообменников: аппараты с рубашками; змеевиковые, спиральные; двухтрубные; кожухотрубные с двойными трубами; с ребристой поверхностью и др.

Для всех их стремятся повысить коррозионную стойкость, сохранив стенки достаточно тонкими с целью эффективности теплообмена. Титановые сплавы являются наиболее приемлемым материалом, отвечающим этим условиям. Кроме того, титановые сплавы подвержены меньшему смачиванию и образованию осадков на их поверхности, что позволяет получать высокий коэффициент теплопередачи за все время эксплуатации теплообменной аппаратуры.

Фильтры. Фильтрация широко применяется во всех отраслях промышленности для отделения взвешенных твердых частиц от жидкости. Для этого используют фильтры различных конструкций. Так, например, заводом «Прогресс» (г. Бердичев) освоен выпуск автоматических титановых фильтр-прессов типа ФПАКМ. Они предназначены для фильтрации агрессивных суспензий с температурой 278 до 353°С, с содержанием от 5 до 600 г/м3 взвешенных частиц, образующих осадок с большим гидравлическим сопротивлением. Детали фильтрпрессов, соприкасающиеся с агрессивной средой, изготовлены из титановых сплавов. По сравнению с рамными фильтрпрессами производительность единицы фильтрующей поверхности фильтрпрессов ФПАКМ выше в 4—15 раз.

Нестандартное оборудование. Предприятия химического машиностроения начали выпуск описанного серийного титанового оборудования сравнительно недавно. Поэтому до сих пор количество его все еще не удовлетворяет спроса. Многие предприятия химической промышленности, цветной металлургии и других отраслей освоили выпуск титанового оборудования для собственных нужд. К таким предприятиям в первую очередь следует отнести комбинат «Североникель», Норильский горно-металлургический комбинат, Славгородский химический завод и др.

Так, комбинат «Североникель» разработал конструкции титановых насосов 7КТС-9. 7 КТС-13. Этим же комбинатом совместно с другими организациями разработана конструкция автоматического фильтрпресса ФПАКМ. Кроме того, разработаны конструкции электрофильтров, реакторов, запорной арматуры и другого оборудования. На комбинате имеется специализированный участок, где освоены современные прогрессивные методы сварки и обработки титана.

Норильский горно-металлургический комбинат широко применяет титан для производства технологического оборудования, используемого в основном на гидрометаллургических переделах получения цветных металлов. Комбинат начал осваивать изготовление титанового оборудования давно. Возросший объем применения титана на комбинате потребовал организации специализированного, технически оснащенного централизованного производства. В 1967 г. было создано отделение, применяющее при изготовлении титанового оборудования сварку, холодную обработку, ковку, штамповку. Осуществление централизованного выпуска оборудования позволило повысить его качество. Комбинатом разработан и освоен выпуск запорной арматуры, трубопроводов, фильтров-сгустителей, промывных башен, мокрых электрофильтров, циклонов, теплообменников и др. Норильский горно-металлургический комбинат широко применяет титан для производства технологического оборудования, используемого в основном на гидрометаллургических переделах получения цветных металлов. Комбинат начал осваивать изготовление титанового оборудования давно. Возросший объем применения титана на комбинате потребовал организации специализированного, технически оснащенного централизованного производства. В 1967 г. было создано отделение, применяющее при изготовлении титанового оборудования сварку, холодную обработку, ковку, штамповку. Осуществление централизованного выпуска оборудования позволило повысить его качество. Комбинатом разработан и освоен выпуск запорной арматуры, трубопроводов, фильтров-сгустителей, промывных башен, мокрых электрофильтров, циклонов, теплообменников и др.

Славгородский химический завод. Балхашский горно-металлургический комбинат и другие освоили способы отработки титана для изготовления нестандартного оборудования для собственных нужд. Изготовленное оборудование длительное время находится в эксплуатации и зарекомендовало себя с самой лучшей стороны. Себестоимость его не превышает той, которая существует на специализированных предприятиях, а в некоторых случаях значительно ниже, что объясняется отсутствием больших накладных расходов.

Перечень нестандартного оборудования, изготавливаемого из титановых сплавов силами предприятий, весьма велики многообразен.

Он в общем виде не поддается никакой классификации. Правильнее сказать, что все изделия, которые должны быть по тем или иным причинам изготовлены из титана и заказать которые по каталогам машиностроительных предприятий невозможно, и входят в этот перечень. В качестве примера укажем на виды крупного нестандартного оборудования в цветной металлургии — дроссели, газоходы, рабочие колеса вентиляторов, течки печей, брызгала, венттрубы, бани, емкости, кюбели, электроды электрофильтров, автоклавы, реакторы, контейнеры, эжекторы, вакуум-фильтры, выпарные аппараты, адсорберы и многое другое.

Широкое распространение получил титан в изделиях, где применяются вращающиеся детали. В качестве примера укажем на детали, центробежных машин (центрифуги, сепараторы, сушилки, компрессоры и т. д.). При создании их конструкторы и разработчики разработали ряд мер по повышению антифрикционных свойств сплавов.

Применение титановых сплавов в энергомашиностроении весьма незначительно, хотя ряд технических задач наиболее эффективно решается при их использовании. Целесообразность применения титановых сплавов в энергетике определяется экономическими и техническими соображениями. В некоторых случаях применение титановых сплавов с высокой удельной прочностью необходимо, так как нет пока других металлов, например, для изготовления длинных рабочих лопаток паровых турбин (—1000—1200 мм). В некоторых случаях применение титановых сплавов целесообразно: использование титановых сплавов для рабочих лопаток длиной менее Ш0О мм, изготовляемых обычно из стали, приводит к разгрузке напряженного ротора цилиндра низкого давления турбин и повышает надежность конструкции в целом. Первый опыт использования лопаток на турбинах дал положительные результаты.

Лопатки длиной 665 мм из титанового сплава типа ВТ5 цилиндра низкого давления турбины мощностью 50МВт были изготовлены Ленинградским металлическим заводом им. XXII съезда КПСС еще в 1959 г. Позже из этого же титанового сплава Пыли изготовлены лопатки длиной 766 и 960 мм и поставлены па турбины 200 и 300 МВт соответственно. Продолжительность работы лопаток к настоящему времени достигла 40 000—70 000 ч.

Длительный опыт использования титановых лопаток в турбинах Ленинградского металлического завода показал хорошую работоспособность этого материала. По коррозионно-эрозионной стойкости титановые лопатки превосходят стальные в условиях воздействия влажного пара. Одновременно с титановыми лопатками в паровых турбинах успешно применяется и титановая проволока из сплава ВТ5 для демпфирующих связей. Сейчас серийный выпуск турбин с лопатками последних ступеней из титановых сплавов организован и на других турбостроительных заводах страны.

В течение последних нескольких лет рядом организаций под руководством ЦКТИ проведен большой комплекс работ по выбору, исследованию и обработке высокопрочных титановых сплавов для лопаток последних ступеней цилиндра низкого давления создаваемой турбины мощностью 1200 МВт. В, результате работы изготовлены штампованные лопатки с длиной рабочей части 1350 мм.

Для повышения мощности автомобильных двигателей необходимо уменьшить вес деталей возвратно-поступательных систем без потери прочности. Применение высокопрочных и жаропрочных титановых сплавов с успехом решает эту задачу.

Перспективность применения титана в дизельных и автомобильных двигателях обусловливается весьма ценными его свойствами: высокими значениями предела прочности и низким удельным весом, а, следовательно, высокой удельной прочностью, высоким пределом пропорциональности и текучести. Кроме того, титан обладает тугоплавкостью (температура плавления 1600°С), являющейся необходимым условием повышенной жаропрочности, а также низким коэффициентом теплового расширения.

Титановые сплавы в первую очередь должны применяться для изготовления таких деталей, как шатуны, впускные и выпускные клапаны, коромысла клапанов и глушителей, являющихся наиболее ответственными деталями дизельных и автомобильных двигателей.

Так как титановые сплавы обладают лучшей удельной прочностью в сравнении со сталью, то применение их для шатунов позволяет на 30% снизить нагрузки на шатунные подшипники, что значительно повышает их надежность и долговечность и на 20% уменьшает усилие ни болты (шпильки) крепления прицепного шатуна, несущие большую нагрузку. Применение титановых сплавов для деталей клапанного механизма (клапанов и траверс) позволяет снизить напряжение в деталях до 25%, силу удара клапана о седло при посадке на 30% и увеличить запас усилия пружин по отношению к силам инерции о 1,6 до 2,1.

Шатуны дизельных и автомобильных двигателей предпочтительно изготавливать из серийных сплавов ВТ5, ВТ8, равных по прочности применяющимся для этих же целей сталям марок 40Х, 50ХФА и другим высоколегированным сталям, или из сплава ВТЗ-1, обладающего повышенной прочностью и лучшей обрабатываемостью. Были проведены исследования* по отработке технологии штамповки шатуна дизеля. Интерес к исследованию штамповки титанового шатуна был вызван также возможностью снижения магнитности. Титановые сплавы, как известно, относятся к числу немагнитных. Для выбора марок сплавов для шатунов было проведено сопоставление физико-механических свойств некоторых титановых сплавов с обычно применяемыми сталями и тщательно изучено поведение последних при штамповке, а также в условиях их длительной эксплуатации.

Сопоставление всех результатов исследований показало, что качество материала заготовки дизельного шатуна из сплава ВТЗ-1 вполне удовлетворительное, макроструктура по сечению заготовки мелкозернистая, рекристаллизованная; волокнистости, пережогов, перегрева и других дефектов режима штамповки и термообработки в микроструктуре сплава не наблюдается. Твердость, механические свойства при растяжении и ударная вязкость заготовки обычны и соответствуют данным сертификата для серийного сплава ВТЗ-1. В настоящее время на одном из дизелестроительных заводов шатуны внедрены в серийное производство.

Опыт применения титановых сплавов в России и за рубежом показывает, что наиболее целесообразно использовать титановые сплавы для деталей высоко нагруженных двигателей, несущей конструкции и ходовой части автомобилей.

В результате исследований, проведенных в институтах автомоторном (НАМИ), автотракторных материалов (НИИЛТМ), авиационных материалов (ВИАМ) и Институте титана, для деталей автомобилей и двигателей рекомендованы следующие титановые сплавы:

для несущих конструкций автомобилей — сплавы средней прочности марок ОТ4-1; ВТ5-1, ОТ4, ВТ5, ВТ6;

для ходовой части автомобилей — сплавы средней прочности и высокопрочные марок ВТ6, ВТЗ-1, ВТ8, АТ6, BT5-1, ВТ14, ВТ15, BT16;

для деталей двигателей — сплавы высокопрочные и жаропрочные марок ВТЗ-1, ВТ8, BT14, ВТ15. ВТ16, СТ-1, СТ-4, BT18.

Институтом титана совместно с отраслевыми институтами и многими заводами сейчас интенсивно проводятся работы по исследованию и испытанию деталей автомобилей и двигателей. Окончание этих работ позволит начать широкое внедрение титановых сплавов в автомобилестроение. В результате увеличения срока службы автомобилей и двигателей, повышения мощности, уменьшения срока ремонтов, осмотров, проверок, сокращения числа заводов по изготовлению запасных частей будет достигнут значительный народнохозяйственный экономический эффект, а также будут созданы принципиально новые легкие конструкции автомобилей и двигателей, обладающих высокой мощностью и маневренностью.

Из других отраслей машиностроения укажем на отдельные примеры. На Вентспилском вентиляторном заводе освоено массовое производство крышного вентилятора, изготовленного полностью из титановых сплавов, по конструкции и разработке Государственного проектного института «Сантехпроект» и Института.

Для максимального облегчения веса ручных перфораторов и определения возможности широкого применении титановых сплавов в горной технике Институтом титана совместно с криворожским заводом горного оборудования «Коммунист» были проведены необходимые исследования и конструктивные изменения. Объектом исследований был выбран перфоратор ПР-25. Тщательное изучение условий его работы, особенностей изготовления и требований к металлу и конструкции показало, что наиболее подходящим являются сплавы марок ВТ-5, OT4, ВТ60. Эксплуатация перфоратора показала, что применение титана в ручных бурильных машинах технически и экономически выгодно. Замена отдельных деталей титановыми позволили уменьшить вес перфоратора с 32 до 20 кг., что намного облегчает условия работы и повышает производительность труда. Такой перфоратор легок, удобен в работе, имеет повышенную прочность и высокую коррозионную стойкость. Последнее обстоятельство довольно существенно, поскольку на рудниках цветной металлургии их эксплуатации связана с наличием влажной и агрессивной атмосферы.

Известно, что титановые сплавы обладают высокой хладостойкостью: их механические свойства при низких температурах существенно не меняются, что особенно важно для условий работы на рудниках Крайнего Севера и Заполярья. Полученный опыт применения титановых сплавов в бурильных перфораторах позволил рекомендовать заводам горного оборудования массовое изготовление их с максимальным применением титановых сплавов.

В последние годы заводы Минлегпищемаша интенсивно осваивают изготовление из титана различных машин и аппаратов (от красильного-отделочного оборудования, упаковочно-расфасовочным автоматических линий, центрифуг с титановыми сепараторами до кухонных приборов и сувенирных изделий). Все эти машины в ближайшее время перейдут в разряд массовых и серийно изготовляемых изделий.

Титан — ГК Металлург

Одним из самых распространенных элементов, который находится в земле, можно назвать титан. Согласно результатам проведенных исследований, он занимает 4-е место по степени распространенности, уступая лидирующие позиции алюминию, железу и магнию. Несмотря на столь большое распространение, титан стал использоваться в промышленности лишь в 20 веке. Титановые сплавы во многом повлияли на развитие ракетостроения и авиации, что связано с сочетанием малой плотности с высокой удельной прочностью, а также коррозионной стойкостью. Рассмотрим все особенности данного материала подробнее.

Общая характеристика титана и его сплавов

Именно основные механические свойства титановых сплавов определяют их большое распространение. Если не уделять внимание химическому составу, то все титановые сплавы можно охарактеризовать следующим образом:

Высокая коррозионная стойкость. Недостатком большинства металлов можно назвать то, что при воздействии высокой влажности на поверхности образуется коррозия, которая не только ухудшает внешний вид материала, но и снижает его основные эксплуатационные качества. Титан менее восприимчив к воздействию влажности, чем железо.
Хладостойкость. Слишком низкая температура становится причиной того, что механические свойства титановых сплавов существенно снижаются. Часто можно встретить ситуацию, когда эксплуатация при отрицательных температурах становится причиной существенного повышения хрупкости. Титан довольно часто применяется при изготовлении космических кораблей.
Титан и титановые сплавы имеют относительно низкую плотность, что существенно снижает вес. Легкие металлы получили широкое применение в самых различных отраслях промышленности, к примеру, в авиастроении, строительстве небоскребов и так далее.
Высокая удельная прочность и низкая плотность – характеристики, которые довольно редко сочетаются. Однако именно за счет подобного сочетания титановые сплавы сегодня получили самое широкое распространение.
Технологичность при обработке давлением определяет то, что сплав применяется часто в качестве заготовки при прессовании или другом виде обработки.
Отсутствие реакции на воздействие магнитного поля также назовем причиной, по которой рассматриваемые сплавы получили широкое применение. Часто можно встретить ситуацию, когда проводится производство конструкций, при работе которых образуется магнитное поле. Применение титана позволяет исключить вероятность возникновения связи.

Эти основные преимущества титановых сплавов определили их достаточно большое распространение. Однако, как ранее было отмечено, многое зависит от конкретного химического состава. Примером можно назвать то, что твердость изменяется в зависимости от того, какие именно вещества применяются при легировании.

Важно, что температура плавления может достигать 1700 градусов Цельсия. За счет этого существенно повышается устойчивость состава к нагреву, но также усложняется процесс обработки.

Виды титановых сплавов

Классификация титановых сплавов ведется по достаточно большому количеству признаков. Все сплавы можно разделить на несколько основных групп:

Высокопрочные и конструкционные – прочные титановые сплавы, которые обладают также достаточно высокой пластичностью. За счет этого они могут применяться при изготовлении деталей, на которые оказывается переменная нагрузка.
Жаропрочные с низкой плотностью применяются как более дешевая альтернатива жаропрочным никелевым сплавам с учетом определенного температурного интервала. Прочность подобного титанового сплава может варьироваться в достаточно большом диапазоне, что зависит от конкретного химического состава.
Титановые сплавы на основе химического соединения представляют жаропрочную структуру с низкой плотностью. За счет существенного снижения плотности вес также снижается, а жаропрочность позволяет использовать материал при изготовлении летательных аппаратов. Кроме этого с подобной маркой связывают также высокую пластичность.

Разновидности титановых сплавов

Марка	Ti	Аl	V	Мо	Zr	Si	Fe	O	N	C	Ост
ВТ1-00	осн.					0,08	0,15	0,1	0,04	0,05	0,1
ВТ1-0	осн.					0,1	0,3	0,2	0	0,1	0,3
ВТ1-2	осн.					0,15	1,5	0,3	0,15	0,1	0,3
ВТЗ-1	осн.	5,5-7,0		2,0-3,0	0,5	0,15-0,40	0,2-0,7	0,15	0,05	0,1	0,3
ОТ4	осн.	3,5-5. 0			0,3	0,12	0,3	0,15	0,05	0,1	0,3
ОТ4-0	осн.	0,4-1,4			0,3	0,12	0,3	0,15	0,05	0,1	0,3
ОТ4-1	осн.	1,5-2,5			0,3	0,12	0,3	0,15	0,05	0,1	0,3
ВТ5	осн.	4,5-6,2	1,2	0,8	0,3	0,12	0,3	0,2	0,05	0,1	0,3
ВТ5-1	осн.	4.3-6,0	1		0,3	0,12	0,3	0,15	0,05	0,1	0,3
ВТ6	осн.	5,3-6,8	3,5-5,3		0,3	0,1	0,6	0,2	0,05	0,1	0,3
ВТ6С	осн.	5,3-6,5	3,5-4,5		0,3	0,15	0,25	0,15	0,04	0,1	0,3
ВТ8	осн.	5,8-7,0		2,8-3,8	0,5	0,20-0,40	0,3	0,15	0,05	0,1	0,3
ВТ9	осн.	5,8-7,0		2,8-3,8	1,0-2,0	0,20-0,35	0,25	0,15	0,05	0,1	0,3
ВТ14	осн.	3,5-6,3	0,9-1,9	2,5-3,8	0	0,2	0,3	0,2	0,1	0,1	0,3
ВТ15	осн.	2,3-3,6		6,8-8		0,15	0,3	0,12	0,05	0,1	0,3
ВТ16	осн.	1,8-3,8	4-5	4,5-5,5	0,3	0,15	0,25	0,15	0,05	0,1	0,3
ВТ18	осн.	7,2-8,2		0,2-1	10-12	0,05-0,18	0,15	0,14	0,05	0,1	0,3
ВТ20	осн.	5,5-7,0	0,8-2,5	0,5-2,0	1,5-2,5	0,15	0,25	0,15	0,05	0,1	0,3
ВТ22	осн.	4,4-5,7	4,0-5,5	4,0-5,5	0,3	0,15	0,5-1,5	0,18	0,05	0,1	0,3
ВТ23	осн.	4-6,3	4-5	1,5-2,5	0,3	0,15	0,4-0,1	0,15	0,05	0,1	0,3
ПТ3В	осн.	3,5-5,0	1,2-2,5		0,3	0,12	0,25	0,15	0,04	0,1	0,3
ПТ-1М	осн.	0,2-0,7			0,3	0,1	0,2	0,12	0,04	0,07	0,3
ПТ-7М	осн.	1,8-2,5			2,0-3,0	0,12	0,25	0,15	0,04	0,1	0,3

Маркировка титановых сплавов проводится по определенным правилам, которые позволяют определить концентрацию всех элементов. Рассмотрим некоторые из наиболее распространенных разновидностей титановых сплавов подробнее.

Рассматривая наиболее распространенные марки титановых сплавов, следует обратить внимание ВТ1-00 и ВТ1-0. Они относятся к классу технических титанов. В состав данного титанового сплава входит достаточно большое количество различных примесей, которые определяют снижение прочности. Однако за счет снижения прочности существенно повышается пластичность. Высокая технологическая пластичность определяет то, что технический титан можно получить даже при производстве фольги.

Очень часто рассматриваемый состав сплава подвергается нагартовке. За счет этого повышается прочность, но существенно снижается пластичность. Многие специалисты считают, что рассматриваемый метод обработки нельзя назвать лучшим, так как он не оказывает комплексного благоприятного воздействия на основные свойства материала.

Сплав ВТ5 довольно распространен, характеризуется применением в качестве легирующего элемента исключительно алюминия. Важно отметить, что именно алюминий считается самым распространенным легирующим элементом в титановых сплавах. Это связано с нижеприведенными моментами:

Применение алюминия позволяет существенно повысить модули упругости.
Алюминий также позволяет повысить значение жаропрочности.
Подобный металл один из самых распространенных в своем роде, за счет чего существенно снижается стоимость получаемого материала.
Снижается показатель водородной хрупкости.
Плотность алюминия ниже плотности титана, за счет чего введение рассматриваемого легирующего вещества позволяет существенно повысить удельную прочность.

В горячем состоянии ВТ5 хорошо куется, прокатывается и штампуется. Именно поэтому его довольно часто применяют для получения поковки, проката или штамповки. Подобная структура может выдержать воздействие не более 400 градусов Цельсия.

Титановый сплав ВТ22 может иметь самую различную структуру, что зависит от химического состава. К эксплуатационным особенностям материала можно отнести следующие моменты:

Высокая технологическая пластичность при обработке давлением в горячем состоянии.
Применяется для изготовления прутков, труб, плиты, штамповок, профиля.
Для сваривания могут использоваться все наиболее распространенные методы.
Важным моментом является то, что после завершения процесса сварки рекомендуется проводить отжиг, за счет чего существенно повышаются механические свойства получаемого шва.

Существенно повысить эксплуатационные качества титанового сплава ВТ22 можно путем применения сложной технологии отжига. Она предусматривает нагрев до высокой температуры и выдержки в течение нескольких часов, после чего проводится поэтапное охлаждение в печи также с выдержкой в течение длительного периода. После качественного проведения отжига сплав подойдет для изготовления высоконагруженных деталей и конструкций, которые могут нагреваться до температуры более 350 градусов Цельсия. Примером можно назвать элементы фюзеляжа, крыла, детали системы управления или крепления.

Титановый сплав ВТ6 сегодня получил самое широкое распространение за рубежом. Назначение подобного титанового сплава заключается в изготовлении баллонов, которые могут работать под большим давлением. Кроме этого, согласно результатам проведенных исследований, в 50% случаев в авиакосмической промышленности применяется титановый сплав, который по своим эксплуатационным качествам и составу соответствует ВТ6. Стандарт ГОСТ сегодня практически не применяется за рубежом для обозначения титановых и многих других сплавов, что следует учитывать. Для обозначения применяется своя уникальная маркировка.

ВТ6 обладает исключительными эксплуатационными качествами по причине того, что в состав добавляется также ванадий. Этот легирующий элемент характеризуется тем, что повышает не только прочность, но и пластичность.

Данный сплав хорошо деформируется в горячем состоянии, что также можно назвать положительным качеством. При его применении получают трубы, различные профили, плиты, листы, штамповки и многие другие заготовки. Для сваривания можно применять все современные методы, что также существенно расширяет область применения рассматриваемого титанового сплава. Для повышения эксплуатационных качеств также проводится термическая обработка, к примеру, отжиг или закалка. На протяжении длительного времени отжиг проводился при температуре не выше 800 градусов Цельсия, однако результаты проведенных исследований указывают на то, что есть смысл в повышении показателя до 950 градусов Цельсия. Двойной отжиг зачастую проводится для повышения сопротивления коррозионному воздействию.

Также большое распространение получил сплав ВТ8. В сравнении с предыдущим он обладает более высокими прочностными и жаропрочными качествами. Достигнуть уникальных эксплуатационных качеств смогли за счет добавления в состав большого количества алюминия и кремния. Стоит учитывать, что максимальная температура, при которой может эксплуатироваться данный титановый сплав около 480 градусов Цельсия. Разновидностью этого состава можно назвать ВТ8-1. Его основными эксплуатационными качествами назовем нижеприведенные моменты:

Высокая термическая стабильность.
Низкая вероятность образования трещин в структуре за счет обеспечения прочных связей.
Технологичность при проведении различных процедур обработки, к примеру, холодной штамповки.
Высокая пластичность вместе с повышенной прочностью.

Для существенно повышения эксплуатационных качеств довольно часто проводится двойной изотермический отжиг. В большинстве случаев данный титановый сплав применяется при производстве поковок, прудков, различных плит, штамповок и других заготовок. Однако стоит учитывать, что особенности состава не позволяют проводить сварочные работы.

Применение титановых сплавов

Рассматривая области применения титановых сплавов отметим, что большая часть разновидностей применяется в авиационной и ракетостроительной сферах, а также в сфере изготовления морских судов. Для изготовления деталей авиадвигателей другие металлы не подходят по причине того, что при нагреве до относительно невысоких температур начинают плавиться, за счет чего происходит деформация конструкции. Также увеличения веса элементов становится причиной потери КПД.

Применим материал при производстве:

Трубопроводов, используемых для подачи различных веществ.
Запорной арматуры.
Клапанов и других подобных изделий, которые применяются в агрессивных химических средах.
В авиастроении сплав применяется для получения обшивки, различных креплений, деталей шасси, силовых наборов и других агрегатов. Как показывают результаты проводимых исследований, внедрение подобного материала снижает вес примерно на 10-25%.
Еще одной сферой применения является ракетостроение. Кратковременная работа двигателя, движение на большой скорости и вхождение в плотные слои становится причиной, по которой конструкция переживает серьезные нагрузки, способные выдержать не все материалы.
В химической промышленности титановый сплав применяется по причине того, что он не реагирует на воздействие различных веществ.
В судостроении титан хорош тем, что не реагирует на воздействие соленой воды.

В целом можно сказать, что область применения титановых сплавов весьма обширна. При этом проводится легирование, за счет чего существенно повышаются основные эксплуатационные качества материала.

Термообработка титановых сплавов

Для повышения эксплуатационных качеств проводится термическая термообработка титановых сплавов. Данный процесс существенно усложняется по причине того, что перестроение кристаллической решетки поверхностного слоя проходит при температуре выше 500 градусов Цельсия. Для плавов марки ВТ5 и ВТ6-С довольно часто проводят отжиг. Время выдержки может существенно отличаться, что зависит от толщины заготовки и других линейных размеров.

Детали, изготавливаемые из ВТ14, на момент применения должны выдерживать температуру до 400 градусов Цельсия. Именно поэтому термическая обработка предусматривает закалку с последующим старением. При этом закалка требует нагрева среды до температуры около 900 градусов Цельсия, в то время как старение предусматривает воздействие среды с температурой 500 градусов Цельсия на протяжении более 12-и часов.

Индукционные методы нагрева позволяют проводить самые различные процессы термической обработки. Примером можно назвать отжиг, старение, нормализацию и так далее. Конкретные режимы термической обработки выбираются в зависимости от того, какие нужно достигнуть эксплуатационные характеристики.

Металлургия титана- Реферат | Металлургический портал MetalSpace.ru

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.

Студент: Попова М.А.
Руководитель: Бармин А.В.

Природные ресурсы титана превышают в несколько раз общее количество хорошо известных и широко применяемых металлов – меди, никеля, олова, свинца, цинка и других. Среди конструкционных металлов титан занимает по распространенности четвертое место, уступая только алюминию, железу и магнию. Однако еще недавно использование металлического титана и сплавов на его основе не имело перспектив, так как не было промышленных способов получения ковкого материала. 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.

титан;
чистый титан;
титановая губка;
свойства титана
сплавы титана;
применение титана.

Зубков Л.Б. Космический металл. Все о титане. / М.: Наука, 1987. 128 с.
http://ru.wikipedia.org/wiki/%CC%E0%F0%F2%E8%ED_%CA%EB%E0%EF
Еременко В.Н. Титан и его сплавы./ Издательство академии наук Украинской ССР: Киев, 1960. 499с.
http://www.argonik.ru/articles/18
Б.А. Колачев, В.И. Елагин, В.А. Ливанов. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. Учебник для вузов. М.: «МИСИС», 1999.–416 с.
http://www.protown.ru/information/hide/5615.html 7. «Металлургический бюллетень»(№ 8) http://www.metalbulletin.ru/

ПОДЕЛИСЬ ИНТЕРЕСНОЙ ИНФОРМАЦИЕЙ

Сферы и области применения титана. Где применяется титан?

Титан – уникальный металл. Свойства этого материала делают его незаменимым во многих сферах человеческой жизни. Титан стал известен более двухсот лет назад и с тех пор не теряет своей популярности. Это один из самых распространённых элементов в периодической таблице Менделеева. Чтобы доказать это, мы подробно рассмотрим сферы и области применения титана.

Свойства и характеристики титана

Титан может похвастаться весьма выгодным набором различных свойств. К ним можно отнести:

стойкость к механическому воздействию;

стойкость к коррозии;

высокие прочностные показатели;

высокая температура плавления;

показатели плотности выше чем у алюминия;

теплопроводимость ниже чем у алюминия и железа;

титан можно использовать в большом диапазоне температур.

Перечисленные свойства титана говорят о том, что его можно применять в самых различных целях. Именно об этом и мы и поговорим более подробно. Сперва, стоит отметить, что титан имеет не только различные свойства и характеристики, но и марки.

Марки титана

Титан имеет достаточно большое количество различных марок. Каждая марка имеет разное содержание химических элементов и примесей, таких как азот, кремний, кислород, железо и другие. Возьмем, к примеру, марки титана ВТ1-0 и ВТ1-00. Титан данных марок используется в технических целях, так как имеет сравнительно небольшую прочность из-за низкого количества примесей в своем составе. То есть состав определенной марки титана влияет на его свойства и качественные показатели.

Где применяют титан?

Первоначально титан использовался преимущественно в военной промышленности, но со временем его стали активно применять и в других сферах, таких как:

энергетическая промышленность. Сплавы титана нашли свое применение в производстве теплообменного оборудования, различных труб, а также в качестве их покрытий.

химическая и нефтехимическая промышленность. Листы из титана используют для производства различных деталей химического и нефтехимического оборудования.

пищевая промышленность. Для оборудования данной отрасли ставят очень высокие требования, а титановые сплавы соответствуют им. Из этого металла делают центрифуги, мерные цистерны, фильтры, сосуды и другое оборудование для пищевой отрасли.

целлюлозная промышленность. Этой отрасли характерны весьма сложные процессы, которые требуют материалы с высокими качественными показателями. К таким материалам относят титан.

автомобильная промышленность. Доказано, что чем меньше масса автомобиля, тем меньше расход топлива. Тем самым повышается его экономичность и экологичность. Небольшая масса титана позволяет снизить массу деталей автомобилей.

декоративно – прикладное искусство. Титан хорошо обрабатывается, тем самым позволяет использовать себя для изготовления различных украшений, скульптур, памятников. К примеру, из титана делают серьги для пирсинга. Их можно использовать для первичных проколов, так как титан не вызывает аллергических реакций.

Применение титана в строительстве

Такие свойства как прочность, стойкость к коррозии, химическим веществам, атмосферным осадкам, ультрафиолетовым лучам и другим неблагоприятным факторам внешней среды позволяют использовать титан в строительстве. Титан, как строительный материал, популярен во многих странах мира. Например, в восточных странах титан используют в качестве кровельного материала. Очень часто здания облицовывают титаном из-за его выгодных свойств и в других странах мира. Также титаном облицовывают карнизы, колонны и другие элементы зданий.

Этот цветной металл, на протяжении многих лет, зарекомендовал себя как надежный и долговечный материал. Сферы и области применения титана очень обширны и благодаря своим уникальным свойствам, данный металл называют «металлом будущего». Нет и капли сомнения, что титан не утратит своей популярность даже через много лет.

Самые прочные металлы на Земле

Первое качество, с которым ассоциируется у нас металл, это прочность. На самом деле прочность определяется несколькими свойствами, учитывая которые именно сталь и ее сплавы находятся в списке самых прочных металлов.

Что же такое прочность? Это способность материала выдерживать внешние нагрузки, при этом не разрушаясь. При оценке прочности металла учитывается много параметров и качеств: насколько хорошо металл сопротивляется разрыву, как он противостоит сжатию, каков порог перехода от упругого к пластическому состоянию, когда деформация материала становится необратимой, какова способность материала сопротивляться распространению трещин и т.п.

Прочные сплавы и природные металлы

Сплавы представляют собой комбинации разных металлов. Потребность получить самые разные качественные характеристики металлов, среди которых и прочность, привела к появлению различных сплавов. Одним из важных в этом смысле сплавов является сталь, которая представляет собой комбинацию железа и углерода. Итак, какие же металлы принято считать самыми прочными на Земле?

Поскольку для определения прочности металла необходимо учесть очень много факторов, трудно однозначным образом упорядочить металлы от самого «крепкого» до самого «слабого». В зависимости от того, какое свойство считается наиболее важным в каждом конкретном случае, и будет складываться расстановка сил прочности среди металлов.

Сталь и ее сплавы

Сталь — это прочный сплав железа и углерода, с добавками других элементов, таких как кремний, марганец, ванадий, ниобий и пр. Благодаря различным системам легирования стали можно получать совершенно разный комплекс свойств новых сплавов.

Так, высокоуглеродистая сталь — это сплав железа с высоким содержанием углерода — получается прочной, относительно дешевой, долговечной, она хорошо поддается обработке. Из недостатков стоит отметить низкую прокаливаемость и низкую теплостойкость, что делает углеродистую сталь уязвимой в агрессивной среде.

Сферы применения: из углеродистой стали изготавливают различные инструменты, детали машин и сложных механизмов, элементы металлоконструкций. Важным условием применения таких изделий является неагрессивная среда.

Сплав стали, железа и никеля – один из наиболее прочных сплавов. Существует несколько его разновидностей, но в целом легирование углеродистой стали никелем увеличивает предел текучести до 1420 МПа и при этом показатель предела прочности на разрыв доходит до 1460 МПа.

Сферы применения: сплавы на никелевой основе используют в конструкциях некоторых типов мощных атомных реакторов в качестве защитных высокотемпературных оболочек для предохранения от коррозии урановых стержней.

Нержавеющая сталь – коррозионностойкий сплав стали, хрома и марганца с пределом текучести до 1560 МПа и пределом прочности на разрыв до 1600 МПа. Как и все виды стали, этот сплав обладает высокой ударопрочностью и имеет средний балл по шкале Мооса.

Сферы применения: благодаря своим антикоррозийным свойствам нержавеющую сталь широко применяют в самых разных областях – нефтехимической промышленности, машиностроении, строительстве, электроэнергетике, кораблестроении, пищевой промышленности и для изготовления бытовых приборов.

Особо твердые сплавы

Сплавы на основе карбидов вольфрама, титана, тантала обладают твердостью, которой позавидует любой молот Тора.

Титан – это наиболее растиражированный в средствах массовой информации и кинематографе природный металл, который принято ассоциировать с суперпрочностью. Его удельная прочность почти вдвое выше, чем аналогичная характеристика легированных сталей. Он обладает самым высоким отношением прочности на разрыв к плотности из всех металлов. По этому показателю он обошел вольфрам, вот только по шкале твердости Мооса титан ему уступает. Тем не менее, титановые сплавы прочны и легки.

Сферы применения: титан и его сплавы часто используются в аэрокосмической промышленности. Из него делают элементы обшивки космических кораблей, топливные баки, детали реактивных двигателей. Активно используют его и в морском судостроении, строительстве трубопроводов для агрессивных сред и в качестве конструкционного материала.

Вольфрам с его самой высокой прочностью на растяжение среди всех встречающихся в природе металлов часто комбинируют со сталью и другими металлами для создания еще более прочных сплавов. К недостаткам вольфрама можно отнести его хрупкость и способность к разрушению при ударе.

Сферы применения: вольфрам применяют в металлургии для производства легированных сталей и различных сплавов, в электротехнической индустрии для изготовления элементов осветительных приборов, в машино- и авиастроении, в космической отрасли и химпроме. Сплав вольфрама и углерода (карбид вольфрама) используют для производства инструментов с режущими краями, таких как ножи и дисковые пилы, а также износостойких рабочих элементов горношахтного оборудования и прокатных валков.

Тантал обладает сразу тремя достоинствами – прочностью, плотностью и устойчивостью к коррозии. Он состоит в группе тугоплавких металлов, как и выше описанный вольфрам.

Сферы применения: тантал используется в производстве электроники и сверхмощных конденсаторов для персональных компьютеров, смартфонов, камер и для электронных устройств в автомобилях.

Инновационные сплавы

Существует ряд сплавов, которые появились совсем недавно, но уже успели завоевать признание благодаря своим «сверхкачествам» и активно используются в аэрокосмической сфере и медицине.

Алюминид титана – сплав титана и алюминия, который выдерживает высокие температуры и обладает антикоррозийными свойствами, но при этом он довольно хрупкий и недостаточно пластичный. Тем не менее, он нашел свое применение в производстве специальных защитных покрытий.

Сплав титана с золотом – еще один уникальный материал, который был разработан несколько лет назад группой ученых из университетов США. Основная задача, которая стояла перед учеными, создать материал крепче титана, который можно было бы применять в медицине для производства протезов, совместимых с биотканью. Дело в том, что титановые протезы, несмотря на свою прочность, изнашиваются относительно быстро, их приходится менять каждые 10 лет. А вот сплав титана с золотом оказался вчетверо более прочным, чем те сплавы, что сейчас используются в производстве протезов.

Информация о марках титана

— свойства и области применения для всех титановых сплавов и чистых марок

Марки и сплавы титана: свойства и применение

Ниже приводится обзор наиболее часто встречающихся титановых сплавов и чистых марок, их свойств, преимуществ и применения в промышленности. Конкретную терминологию см. В разделе «Определения» в конце этой страницы.

Технически чистый титан марок

1 класс

Титан Grade 1 является первым из четырех технически чистых титанов.Это самая мягкая и пластичная из этих марок. Он обладает превосходной формуемостью, отличной коррозионной стойкостью и высокой ударной вязкостью.

Благодаря всем этим качествам материал Grade 1 является предпочтительным для любого применения, где требуется простота формуемости, и обычно доступен в виде титановых пластин и трубок. К ним относятся:

Химическая обработка
Производство хлоратов
Аноды размерные стабильные
Опреснение
Архитектура
Медицинская промышленность
Морская промышленность
Автозапчасти
Конструкция планера

2 класс

Титан Grade 2 называют «рабочей лошадкой» индустрии коммерчески чистого титана благодаря его разнообразным возможностям использования и широкой доступности. Он обладает многими из тех же качеств, что и титан Grade 1, но немного прочнее. Оба одинаково устойчивы к коррозии.

Этот сплав обладает хорошей свариваемостью, прочностью, пластичностью и формуемостью. Это делает титановые прутки и листы Grade 2 лучшим выбором для многих областей применения:

Архитектура
Производство электроэнергии
Медицинская промышленность
Переработка углеводородов
Морская промышленность
Кожух выхлопной трубы
Обшивка планера
Опреснение
Химическая обработка
Производство хлоратов

класс 3

Детали из титана класса 3

Этот сорт наименее используется из коммерчески чистых марок титана, но это не делает его менее ценным.Сорт 3 прочнее, чем Сорта 1 и 2, аналогичен по пластичности и лишь немного менее пластичен, но обладает более высокими механическими характеристиками, чем его предшественники.

Grade 3 используется там, где требуется умеренная прочность и высокая коррозионная стойкость. К ним относятся:

Аэрокосмические конструкции
Химическая обработка
Медицинская промышленность
Морская промышленность

класс 4

Марка 4 известна как самая прочная из четырех марок технически чистого титана.Он также известен своей превосходной коррозионной стойкостью, хорошей формуемостью и свариваемостью.

Хотя он обычно используется в следующих промышленных приложениях, сорт 4 недавно нашел свою нишу в качестве титана медицинского назначения. Он необходим там, где требуется высокая прочность:

Детали планера
Сосуды криогенные
Теплообменники
CPI оборудование
Трубка конденсатора
Хирургическое оборудование
Корзины для травления

Титановые сплавы

7 класс

Grade 7 механически и физически эквивалентен Grade 2, за исключением добавления промежуточного элемента палладия, что делает его сплавом.Марка 7 обладает превосходной свариваемостью и фабричностью, а также самой высокой коррозионной стойкостью среди всех титановых сплавов. Фактически, он наиболее устойчив к коррозии в восстанавливающих кислотах.

Grade 7 используется в химических процессах и компонентах производственного оборудования.

11 класс

Обработка титана Grade 1

Grade 11 очень похож на Grade 1, за исключением добавления небольшого количества палладия для повышения коррозионной стойкости, что делает его сплавом.Эта коррозионная стойкость полезна для защиты от щелевой эрозии и снижения кислотности в хлоридной среде.

Другие полезные свойства включают оптимальную пластичность, формуемость в холодном состоянии, полезную прочность, ударную вязкость и отличную свариваемость. Этот сплав может использоваться в тех же областях применения титана, что и сплав 1, особенно там, где существует проблема коррозии, например:

Химическая обработка
Производство хлоратов
Опреснение
Морское применение

Ti 6Al-4V (класс 5)

Известный как «рабочая лошадка» титановых сплавов, Ti 6Al-4V или титан Grade 5 является наиболее часто используемым из всех титановых сплавов. На его долю приходится 50 процентов от общего объема потребления титана во всем мире.

Его удобство использования заключается в его многочисленных преимуществах. Ti 6Al-4V можно подвергать термообработке для повышения его прочности. Его можно использовать в сварных конструкциях при рабочих температурах до 600 ° F. Этот сплав отличается высокой прочностью при небольшом весе, полезной формуемостью и высокой коррозионной стойкостью.

Удобство использования

Ti 6AI-4V делает его лучшим сплавом для использования в нескольких отраслях промышленности, таких как аэрокосмическая, медицинская, морская и химическая промышленность.Может быть использован при создании таких технических вещей как:

Авиационные турбины
Детали двигателя
Конструктивные элементы самолета
Крепеж для аэрокосмической отрасли
Высокопроизводительные детали автоматики
Морское применение
Спортивное оборудование

Ti 6AL-4V ELI (класс 23)

Хирургический титан Grade 23

Ti 6AL-4V ELI или Grade 23 является версией Ti 6Al-4V с более высокой степенью чистоты. Из него могут быть катушки, пряди, проволока или плоская проволока. Это лучший выбор для любой ситуации, когда требуется сочетание высокой прочности, небольшого веса, хорошей коррозионной стойкости и высокой прочности. Он имеет более высокую устойчивость к повреждениям по сравнению с другими сплавами.

Эти преимущества делают Grade 23 лучшим титаном для стоматологии и медицины. Он может использоваться в биомедицинских приложениях, таких как имплантируемые компоненты, благодаря своей биосовместимости, хорошей усталостной прочности и низкому модулю упругости.Его также можно использовать в подробных хирургических процедурах, например:

Спицы и винты ортопедические
Тросы ортопедические
Зажимы для лигатуры
Скобы хирургические
Пружины
Ортодонтические аппараты
Замены суставов
Сосуды криогенные
Аппараты костной фиксации

сорт 12

Титан класса 12 Применения

Титан класса 12 имеет оценку «отлично» за высокое качество свариваемости. Это очень прочный сплав, обеспечивающий большую прочность при высоких температурах. Титан марки 12 имеет характеристики, аналогичные характеристикам нержавеющих сталей серии 300.

Этот сплав может быть подвергнут горячей или холодной штамповке с использованием листогибочного пресса, гидравлического прессования, штамповки растяжением или метода ударного молота. Его способность формироваться различными способами делает его полезным во многих приложениях. Высокая коррозионная стойкость этого сплава также делает его неоценимым для того производственного оборудования, где существует проблема щелевой коррозии.Grade 12 может использоваться в следующих отраслях и сферах применения:

Кожух и теплообменники
Гидрометаллургия
Химическое производство при повышенных температурах
Морские и авиационные компоненты

Ti 5Al-2.5Sn

Ti 5Al-2.5Sn — это нетермообрабатываемый сплав, который обеспечивает хорошую свариваемость и стабильность. Он также обладает высокой температурной стабильностью, высокой прочностью, хорошей коррозионной стойкостью и хорошим сопротивлением ползучести.Ползучесть — это явление пластической деформации в течение продолжительных периодов времени, которое происходит при высоких температурах.

Ti 5Al-2.5Sn в основном используется в самолетах и корпусах самолетов, а также в криогенных приложениях.

Определения

Титановый стержень

Метод ударного молотка — Использование машины, состоящей из наковальни или основания, выровненного с молотком, который поднимается и затем опускается на расплавленный металл, чтобы выковать или штамповать металл.

Пластичность — способность металла легко вытягиваться в проволоку или тонко забиваться молотком; легко формуются или формируются.

Фабричность — Относится к способности металла использоваться для создания машин, конструкций и другого оборудования посредством формования и сборки.

Формуемость — Способность металла принимать различные формы и формы.

Hydropress Forming — Давление, оказываемое резиновой головкой пресса, формирует лист металла в соответствии с конфигурацией инструмента, формируя металл.

Промежуточные элементы — «примеси» в чистых металлах, иногда улучшающие сплав.

Листогибочный пресс

Все, что вам нужно знать о титане

Металлический титан: факты

Титан — 9-й по величине элемент на планете. Он встречается в магматических и метаморфических горных образованиях и порожденных ими аллювиальных отложениях. Это четвертый по распространенности структурный элемент после алюминия, железа и магния, и он составляет 0.66% земной коры.

Только 5% всей добываемой титановой руды перерабатывается в металлический титан. Остальные 95% используются для производства блестящего белого пигмента диоксида титана. Его цвет обусловлен высоким показателем преломления, и он используется во всем: от солнцезащитного крема до линий на центральном корте Уимблдона и для посыпки пончиков Криспи Крем. Металлический титан широко используется в аэрокосмической, химической и автомобильной промышленности, где его свойства проявляются в полной мере.

Титан имеет атомный номер 22 и атомный вес 47,9. Он имеет две аллотропные формы: одна — кубическая с объемным центром, другая — гексагональная с плотной упаковкой. Титан имеет 5 природных изотопов 46Ti, 47Ti, 48Ti, 49Ti, 50Ti.

Реакционная способность титана делает его переработку в чистый конечный продукт дорогостоящим. Однако его физические и механические свойства делают его одним из самых интересных металлов нашего времени. Он на 45% легче стали с такой же прочностью, а титан на 60% тяжелее алюминия, но в два раза прочнее.В сочетании с превосходной коррозионной стойкостью, благодаря керамическому оксидному слою, он идеально подходит для использования в некоторых из самых требовательных инженерных приложений в мире.

Будущее

Titanium — это положительное повышение эффективности в цепочке поставок титана, означающее, что затраты снизились, и металл быстро достигает более широкого проникновения на потребительские рынки. Мы собрали для вас универсальный магазин, чтобы вы узнали об этом невероятном металле. Читайте дальше, чтобы узнать больше.

История титана

Титан был обнаружен сравнительно недавно преподобным Уильямом Грегором в Корнуолле 200 лет назад, добытый из его руды методами Хантера и Кролла в 1930-х годах.Наши знания и использование металла ускорились за последние 50 лет.

Стабильность оксидных руд титана означала, что выделение металла в жизнеспособный высокопроизводительный продукт, который мы имеем сегодня, было серьезной проблемой, и ее невозможно было бы решить без постепенных улучшений, сделанных тысячами профессионалов, работающих в отрасли. Узнайте больше о титане на нашей странице истории титана.

Титановые сплавы, свойства и марки

Микроструктура и кристаллография титановых сплавов влияют на его конечные свойства, вы можете узнать больше о свойствах наиболее широко используемых титановых сплавов из наших технических паспортов, марок и разделов свойств.

Свойства титана

Титан и его сплавы обладают «поступательной периодичностью на большие расстояния», что означает, что его структура повторяется в пространстве через равные промежутки времени, позволяя муке пластически деформироваться, когда она не содержит примесей. Посетите нашу страницу свойств, чтобы узнать больше об электрических, термических, химических, механических и физических свойствах нелегированного титана.

Титан марки

Международный стандарт ASTM для титана определяет классы от 1 до 38.Они классифицируются в зависимости от содержания металла в сплаве. Коммерчески чистый титан, известный как CP, представляют собой нелегированные сорта титана, они могут иметь чистоту титана от 99% до «5 девяток» чистотой 99,999%.

Следы примесей в CP Ti могут быть удалены и добавлены легирующие металлы посредством вакуумно-дугового переплава. Многие из разработанных марок так и не получили широкого распространения. Безусловно, наиболее известным сплавом титана является Grade 5 Ti 6Al 4V, смесь 90% титана, 6% алюминия и 4% ванадия.

Титановый сплав, класс 5 Ti 6AL 4V

Ti 6Al 4V так широко используется из-за оптимального сочетания свойств, которые делают его превосходящим по характеристикам чистым титаном. Посетите нашу страницу Ti 6Al 4V, чтобы узнать больше.

Ti-Pd, класс 7

Grade 7 аналогичен нелегированному титану, но содержит палладий, повышающий устойчивость к коррозии. Он широко используется в морской и химической переработке.

Grade 9 Ti 3Al 2.5V

Сплав, близкий к альфа, аналогичен титану класса 5, но лучше подходит для холодной обработки.Он обладает более высокой прочностью на разрыв, чем CP Ti, и такими же уровнями свариваемости.

Марка 12Ti0.3Mo0.8 Ni

Титан марки 12 классифицируется как технически чистый. В него добавлены молибден и никель, что обеспечивает такие же свойства, как и добавление палладия в Grade 7. Но его преимущество в том, что он дешевле.

Класс 23 Ti 6Al-4V ELI

Марка 23 почти такая же, как Ti марки 5. ELI означает очень низкие межстраничные объявления. Сплав Eli имеет лучшую ударную вязкость, чем стандартный сплав, из-за меньшей вероятности образования трещин вокруг нежелательных примесей, таких как кислород и азот.

Микроструктура и кристаллография титана

Есть три категории титановых сплавов альфа, бета и альфа-бета. Они сгруппированы в эти категории на основе их доминирующей фазы и микроструктуры. Вы можете узнать больше на нашей странице микроструктуры титана.

Цепочка поставок титана Добыча титана

Наш обзор цепочки поставок титана проведет вас от образования титановой руды в магматических очагах до добычи, обработки и механической обработки, необходимых для создания высокопроизводительного титана.

— Титановые руды и промышленная добыча

Титан содержится в ряде коммерчески выгодных рудных месторождений по всему миру. Рудный ильменит образуется в магматических очагах вулканов. Его добывают либо на месте, либо из тяжелых минеральных песков, которые образуются там, где реки и ручьи откладывают минерал. Подробнее о других рудах, из которых получают титан, и о процессе их добычи вы можете узнать здесь.

— Производство и обработка титана

После того, как руда была извлечена из земли, она должна пройти ряд процессов, чтобы перейти к тому, что мы называем титаном.Процесс Kroll — это текущий коммерческий процесс производства титана, который используется для создания чистой титановой губки, которая может подвергаться дальнейшей обработке.

Легирование титана

После процесса Кролла титан помещают в камеру вакуумно-дугового переплавления, известную как VAR. Здесь можно удалить примеси и добавить в металл легирующие металлы, такие как хром, ванадий и алюминий.

Литье и ковка титана

Титан может быть литым или кованным.Кованый титан обычно прочнее из-за сжимающих сил, действующих на металл во время обработки, что приводит к лучшему сродству в структуре металла. Литье, при котором металл разливается в форму, используется в более дешевых титановых приложениях, где не требуется оптимальных характеристик металла.

Термическая обработка

В зависимости от области применения некоторым сплавам потребуется термическая обработка, которая повысит их прочность и твердость. Термическая обработка снижает остаточные напряжения, возникающие в процессе изготовления.

— Производство титанового сплава

Из титана можно производить изделия сложной формы. С ним можно обращаться, как с любым другим высококачественным металлом, если учитывать его уникальные свойства.

— Фрезерование и обработка

Вы можете узнать больше о процессе фрезерования и обработки в нашем разделе обработки титана, мы охватим все, что вам нужно знать, от подачи и скорости до общих проблем, возникающих при обработке титана.

— Применение титана и его сплавов

Титан используется в широком спектре отраслей промышленности, от химических заводов, опреснения воды, морских нефтяных и газовых платформ, аэрокосмической промышленности, архитектуры, ювелирных изделий, спортивного оборудования и высокопроизводительных автомобилей. Вы можете узнать больше в нашем разделе приложений.

— Достоинства и недостатки титановых сплавов

Титан — невероятно универсальный металл. Однако сложность его обработки до приемлемого стандарта делает его непомерно дорогим для некоторых приложений.Подробнее о преимуществах и недостатках титана можно узнать здесь.

SGS предназначены для повышения эффективности процесса обработки титана. Титан — дорогой металл в производстве. Мы разрабатываем и производим режущие инструменты, которые будут работать быстро и качественно. Мы сокращаем производственные затраты наших клиентов, обеспечивая ценность шпинделя.

Титан: свойства, применение и производство

Титан в чистом виде — это серебристый металл, известный своей прочностью и низкой плотностью по сравнению с другими такими же твердыми металлами.Однако в большинстве отраслей промышленности титановый сплав используется гораздо чаще.

Благодаря своим физическим и химическим свойствам этот металл нашел применение в самых разных отраслях промышленности, таких как медицинское оборудование, химические заводы, военные объекты и спортивное снаряжение.

Свойства титана

Высокая прочность, низкая плотность

Чистый титан характеризуется своей удельной прочностью, достигающей предела прочности на разрыв до 590 МПа. В форме сплава эта прочность резко увеличивается до 1250 МПа (проявляется в сплаве марки Ti-15Mo-5Zr-3AI).

Его усталостная прочность составляет примерно половину его предела прочности на растяжение и не снижается при сварке или погружении в морскую воду.

Титан — подходящий компонент для приложений, требующих уникального сочетания прочности и легкости материала.

Плотность: 4,506 г / см ³
Предел прочности при растяжении: от 200 МПа до более 1300 МПа (зависит от чистоты и состава сплава)

Коррозионная стойкость

Поскольку чистый титан легко вступает в реакцию с кислородом, он, естественно, образует оксидную пленку, которая защищает себя от коррозионных материалов и окружающей среды. Его коррозионная стойкость к соединениям хлора, морской воде, обычным кислотам и экстремальным температурам.

Огнеупорные свойства

Титан также характеризуется свойствами тугоплавкого металла. Его температура плавления превышает 1650 ° C, что значительно выше, чем у алюминия и стали. Между тем, его коэффициент теплового расширения составляет 8,6 мкм / (м · К), что ниже, чем у стали и меди.

Применения титана

Аэрокосмическая промышленность

Благодаря термостойкости и коррозионной стойкости титанового сплава этот материал используется в производстве деталей самолетов (планера и элементы крепления), компонентов гидравлической системы и шасси.

Военный самолет Lockheed SR-71 Blackbird сделан в основном из титана и был известен своей скоростью и конструктивной эффективностью. Хотя самолет-шпион-невидимка был выведен из эксплуатации в конце 90-х годов, производители самолетов продолжают использовать титан в современных летательных аппаратах для увеличения прочности при одновременном снижении веса.

Рис. 1. Военный самолет Lockheed SR-71 Blackbird в основном сделан из титана.

Судовое оборудование

Титан обладает высоким уровнем коррозионной стойкости к морской воде, что делает его подходящим компонентом для судовых установок, лопастей и валов гребных винтов, а также других деталей, погруженных в воду.

Спортивные приложения

Высокое соотношение прочности и веса титана позволяет находить широкое применение в спортивной индустрии. Материал используется в качестве компонентов спортивных товаров, таких как теннисные ракетки, бейсбольные биты, клюшки для гольфа, велосипедные рамы и лыжное снаряжение.

Медицинская промышленность

Благодаря своей инертности и нетоксичности, титан используется в широком спектре медицинских применений, включая хирургические имплантаты, зубные имплантаты, хирургические инструменты и доступное оборудование.

Пиротехника

Порошок титана дает яркие белые искры, которые используются в фейерверках.

Пигмент

Диоксид титана — естественная оксидная форма металла — нашел свое применение в качестве отбеливающего средства в красках, пластмассах и зубной пасте.

Ювелирные изделия

Биосовместимость, высокое отношение прочности к весу и коррозионно-стойкие свойства титана используются в ювелирной промышленности для изготовления браслетов, колец и цепочек для ожерелий.

Производство и обработка

Чистый титан легко вступает в реакцию с кислородом, и большая часть титана, встречающегося в природе, оказывается в виде руды или «губки», в частности рутила (TiO ₂) или ильменита (FeTiO ₃). В процессе Кролла из руды извлекается TiO ₂ посредством процесса восстановления в присутствии газообразного хлора, в результате чего образуется тетрахлорид титана (TiCl ₄). После очистки фракционной перегонкой TiCl ₄ восстанавливается расплавленным металлическим магнием в сосуде с регулируемой температурой с получением чистого металлического титана.

В случае сплавов, титан сочетается с алюминием, ванадием, оловом и / или палладием, среди других металлов. Разнообразие комбинаций создает список марок титана выше альфа- и бета-категорий. Каждый сорт предназначен для конкретного применения на основе полученных свойств.

Термическая обработка дополнительно повышает прочность титанового сплава, особенно с точки зрения сопротивления усталости, устойчивости к ползучести и целостности против разрушения. Условия термической обработки во многом зависят от состава сплава, чтобы оптимизировать физические свойства материала.

Коммерчески чистый титан и альфа-сплавы

Группа

1 Цитаты
Бег 8,9 км Загрузки

Часть Инженерные материалы, процессы серия книг (EMP)

Abstract

В этой главе описываются обработка, микроструктура и свойства α-титановых сплавов с акцентом на различные марки технически чистого (CP) титана (часто называемого CP-Ti). Определение α-титановых сплавов было включено в гл. 2, но, возможно, будет полезно включить сюда более подробный. Все α-титановые сплавы основаны на низкотемпературной гексагональной аллотропной форме титана. Эти сплавы могут содержать замещающие легирующие элементы (Al или Sn) или промежуточные элементы (кислород, углерод или азот), растворимые в гексагональной α-фазе. Эти сплавы также содержат ограниченное количество элементов с ограниченной растворимостью, таких как Fe, V и Mo. В Таблице 2.6 приведена репрезентативная группа α-титановых сплавов и марок CP-титана, а также репрезентативные выборки сплавов, принадлежащих к α + β и β классы.Обозначения марок взяты из Американского общества испытаний и материалов (ASTM). По мере признания полезного применения этого класса титановых сплавов их использование увеличилось. Кроме того, были разработаны специальные сплавы для улучшения устойчивости к окружающей среде титановых сплавов CP и α-титана или для обеспечения сопоставимых характеристик при сниженной стоимости, когда используются дорогостоящие добавки, такие как палладий. Следовательно, марки сплавов получили распространение. Сейчас существует не менее 16 идентифицируемых сплавов или марок.

Ключевые слова

Теплообменник Трещина из титанового сплава Коммерчески чистая щелевая коррозия

Эти ключевые слова были добавлены машиной, а не авторами. Этот процесс является экспериментальным, и ключевые слова могут обновляться по мере улучшения алгоритма обучения.

Это предварительный просмотр содержимого подписки,

войдите в

, чтобы проверить доступ.

Предварительный просмотр

Невозможно отобразить предварительный просмотр. Скачать превью PDF.

Ссылки

4.1
Sakurai K., Itabashi Y., Komatsu A .:
Titanium ‘80, Science and Technology
, AIME, Warrendale, USA, (1980) стр. 299
Google Scholar
4,2
Boyer R., Welsch G., Collings E. W., eds .:
Справочник по свойствам материалов: титановые сплавы
, ASM, Materials Park, США, (1994) стр. 228
Google Scholar
4.3
Кертис Р. Э., Бойер Р. Р., Уильямс Дж. К.: Пер. ASM 62, (1969) стр. 457
Google Scholar
4.4
Марголин Х., Уильямс Дж. К., Чеснатт Дж. К., Лютьеринг Г .:
Титан ’80, Наука и технологии
, AIME, Варрендейл, США, (1980) стр. 169
Google Scholar
4,5
Окадзаки К., Конрад Х .: Пер. ДЖИМ 13, (1972) стр. 205
Google Scholar
4.6
Окадзаки К., Конрад Х .:
Титан и титановые сплавы
, Plenum Press, Нью-Йорк, США, (1982) с. 429
Google Scholar
4.7
Finden P. T .:
Шестая всемирная конференция по титану
, Les Editions de Physique, Les Ulis, Франция, (1988) стр. 1251
Google Scholar
4.8
Дитер Г. Э .:
Mechanical Metallurgy,
2-е изд., McGraw-Hill, New York, USA, (1976) стр. 685
Google Scholar
4.9
Конрад Х., Джонс Р .:
Наука, технология и применение титана,
Pergamon Press, Оксфорд, Великобритания, (1970) стр. 489
Google Scholar
4.10
Флейшер Р. Л .:
Укрепление металлов
, Chapman and Hall, New York, USA, (1964) стр. 93
Google Scholar
4,11
Уильямс Дж. К., Баггерли Р. Г., Патон Н. Э .: Мет. и матер. Пер. 33А, (2002) стр. 837
Google Scholar
4.12
Boyer R., Welsch G., Collings E. W., eds .:
Справочник по свойствам материалов: титановые сплавы
, ASM, Materials Park, США, (1994) стр.247
Google Scholar
4.13
Boyer R., Welsch G., Collings E. W., eds .:
Справочник по свойствам материалов: титановые сплавы
, ASM, Materials Park, США, (1994) стр. 227
Google Scholar
4.14
Джонс Р. Л., Конрад Х .: Пер. AIME 245, (1969) стр. 779
Google Scholar
4.15
Блэкберн М. Дж., Уильямс Дж. К .:
Proc. Конф. по фундаментальным аспектам коррозионного растрескивания под напряжением
, NACE, Хьюстон, США, (1969) с. 620
Google Scholar
4.16
Уильямс Дж. К., Томпсон А. У., Родс К. Г., Чеснатт Дж. К .:
Титан и титановые сплавы
, Plenum Press, Нью-Йорк, США, (1982) с. 467
Google Scholar
4.17
Boyer R., Welsch G., Collings E. W., eds .:
Справочник по свойствам материалов: титановые сплавы
, ASM, Materials Park, США, (1994) стр. 238
Google Scholar
4.18
Патон Н.Э., Уильямс Дж. К., Чеснатт Дж. К., Томпсон А. В .: AGARD Conf. Proc., No. 185, (1976) стр. 4-1
Google Scholar
4.19
Boyd J. D .:
The Science, Technology and Application of Titanium,
Pergamon Press, Oxford, UK, (1970) p. 545
Google Scholar
4,20
Патон Н. Э., Хикман Б. С., Лесли Д. Х .: Мет. Пер. 2, (1971) с. 2791
Google Scholar
4,21
Уильямс Дж. К .:
Влияние водорода на поведение материалов
, AIME, Нью-Йорк, США, (1976) с. 367
Google Scholar
4,22
Холл Дж. А., Банерджи Д., Вардлоу Т .:
Титан, наука и технологии
, DGM, Оберурзель, Германия, (1985) стр. 2603
Google Scholar

Информация об авторских правах

Разработка новых сплавов Ti-Mo-Mn для биомедицинских приложений

Correa, DRN, Kuroda, PAB & Grandini, CR Structure, Микроструктура и некоторые механические свойства сплавов Ti-Zr-Mo для биомедицинских приложений. Advanced Materials Research 922 , 75–80, https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.922.75 (2014).

CAS Статья Google ученый

Ксавье, К. К., Корреа, Д. Р. Н., Грандини, К. Р. и Роча, Л. А. Низкотемпературная термообработка сплавов Ti-15Zr-xMo. Журнал сплавов и соединений (2017).

Гита, М., Сингх, А.К., Асокамани, Р., Гогиа, А.K. Биоматериалы на основе титана, лучший выбор для ортопедических имплантатов — обзор. Прогресс в материаловедении 54 , 397–425, https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2008.06.004 (2009).

CAS Статья Google ученый

Нииноми М. Механическая биосовместимость титановых сплавов для биомедицинских применений. Журнал механического поведения биомедицинских материалов 1 , 30–42, https: // doi.org / 10.1016 / j.jmbbm.2007.07.001 (2008).

Артикул PubMed Google ученый

org/ScholarlyArticle»> 5.

Нииноми М. Современные металлические материалы для биомедицинских приложений. Металл и мат Trans A 33 A , 477–486 (2002).

ADS Статья Google ученый

Кордейро, Дж. М. и Барао, В. А. Существуют ли научные доказательства в пользу замены коммерчески чистого титана титановыми сплавами для производства дентальных имплантатов? Материаловедение и инженерия: C 71 , 1201–1215 (2017).

CAS Статья Google ученый

Доминго, Дж. Л. Производные ванадия и вольфрама в качестве противодиабетических средств. Биологические исследования микроэлементов 88 , 97–112 (2002).

CAS Статья Google ученый

org/ScholarlyArticle»> 8.

Сигель, Х. Ионы металлов в биологических системах: том 37: марганец и его роль в биологических процессах .(CRC press, 2000).

Chen, Q. & Thouas, G.A. Металлические биоматериалы имплантатов. Материаловедение и инженерия: R: Отчеты 87 , 1–57, https://doi.org/10.1016/j.mser.2014.10.001 (2015).

Артикул Google ученый

10.

Santos, P. F. et al. . Изготовление дешевых сплавов Ti – Mn бета-типа для биомедицинских применений методом литья металлов под давлением и их механические свойства. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials 59 , 497–507, https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2016.02.035 (2016).

CAS Статья PubMed Google ученый

org/ScholarlyArticle»> 11.

Чуй, П. Биомедицинские сплавы Zr-Nb-Ti, близкие к β-типу, с высокой прочностью и низким модулем. Вакуум https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2017.05.039 (2017).

Артикул Google ученый

12.

Niinomi, M., Liu, Y., Nakai, M., Liu, H. & Li, H. Биомедицинские титановые сплавы с модулями Юнга, близкими к модулям кортикального слоя кости. Регенеративные биоматериалы 3 , 173–185 (2016).

CAS Статья Google ученый

13.

Вонг, Дж. Ю. и Бронзино, Дж. Д. (группа Тейлора и Фрэнсиса, Бока-Ратон, Лондон, Нью-Йорк, 2007).

14.

Парк Дж. И Лейкс Р. С. В Биоматериалы 99–137 (Springer New York, 2007).

15.

Хо, В. Ф., Джу, К. П. и Черн Лин, Дж. Х. Структура и свойства литых бинарных сплавов Ti – Mo. Биоматериалы 20 , 2115–2122, https://doi.org/10.1016/S0142-9612(99)00114-3 (1999).

CAS Статья PubMed Google ученый

16.

Hong, S.H., Park, S.W., Park, C.H., Yeom, J.-T. И Ким, К. Б. Взаимосвязь между фазовой стабильностью и механическими свойствами на литых сплавах Ti – Cr- (Mn) β-типа, близких к метастабильным. Журнал сплавов и соединений 821 , 153516, https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.153516 (2020).

CAS Статья Google ученый

17.

Канг, Н., Ли, Й., Лин, X., Фенг, Э. и Хуанг, В. Микроструктура и свойства при растяжении сплавов Ti-Mo, изготовленных с использованием лазерного наплавления порошка. Журнал сплавов и соединений 771 , 877–884, https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.09.008 (2019).

CAS Статья Google ученый

18.

Корреа Д. Р. Н. и др. . Влияние элементов замещения на микроструктуру сплавов систем Ti-15Mo-Zr и Ti-15Zr-Mo. Journal of Materials Research and Technology 4 , 180–185, https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2015.02.007 (2015).

CAS Статья Google ученый

19.

Мартинс, Дж. Р. С., Араужу, Р. О., Ногейра, Р. А. и Грандини, К. Р. Внутреннее трение и микроструктура сплавов Ti и Ti-Mo, содержащих кислород. Архив металлургии и материалов 61 , https://doi.org/10.1515/amm-2016-0011 (2016).

20.

Лю, X., Чен, С., Цой, Дж. К. Х. и Матинлинна, Дж. П. Бинарные титановые сплавы в качестве материалов для дентальных имплантатов — обзор. Регенеративные биоматериалы 4 , 315–323, https://doi.org/10.1093 / rb / rbx027 (2017).

CAS Статья PubMed PubMed Central Google ученый

21.

Alrabeah, G.O., Brett, P., Knowles, J.C. и Petridis, H. Влияние ионов металлов, высвобождаемых из различных пар зубных имплантатов и абатментов, на функцию остеобластов и секрецию медиаторов резорбции кости. Стоматологический журнал 66 , 91–101, https://doi.org/10.1016/j.jdent.2017.08.002 (2017).

CAS Статья PubMed Google ученый

22.

Miao, L. & Clair, D. K. S. Регулирование генов супероксиддисмутазы: последствия для болезни. Свободная радикальная биология и медицина 47 , 344–356 (2009).

CAS Статья Google ученый

23.

Сантос, П. Ф. и др. . Микроструктуры, механические свойства и цитотоксичность недорогих бета-сплавов Ti – Mn для биомедицинских приложений. Acta biomaterialia 26 , 366–376, https: // doi.org / 10.1016 / j.actbio.2015.08.015 (2015).

CAS Статья PubMed Google ученый

24.

ASTM. в F2066-08 — Стандартные технические условия на кованый молибденовый сплав титан-15 для хирургического имплантата Vol. F 2066-08 (ASTM International, Филадельфия (США), 2008 г.).

25.

Курода, П. А. Б., Бузалаф, М. А. Р. и Грандини, К. Р. Влияние молибдена на структуру, микроструктуру и механические свойства биомедицинских сплавов Ti-20Zr-Mo. Материаловедение и инженерия: C 67 , 511–515, https://doi.org/10.1016/j.msec.2016.05.053 (2016).

CAS Статья Google ученый

26.

Лиде, Д. CRC Справочник по химии и физике: готовый справочник химических и физических данных . 85-е изд, (CRC Press, 2004).

27.

Баня П. Бета-титановые сплавы и их роль в титановой промышленности. JOM 46 , 16–19, https: // doi.орг / 10.1007 / BF03220742 (1994).

CAS Статья Google ученый

28.

Oliveira, N. T. C., Aleixo, G., Caram, R. & Guastaldi, A. C. Разработка сплавов Ti – Mo для биомедицинских приложений: микроструктура и электрохимические характеристики. Материаловедение и инженерия: A 452-453 , 727–731, https://doi.org/10.1016/j.msea.2006.11.061 (2007).

CAS Статья Google ученый

29.

Мартинс Джуниор, Дж. Р. С. и др. . Приготовление и характеристика сплава Ti-15Mo, используемого в качестве биоматериала. Исследование материалов 14 , 107–112, https://doi.org/10.1590/s1516-143005000013 (2011).

Артикул Google ученый

30.

Корреа Д. Р. Н. и др. . Разработка сплавов Ti-15Zr-Mo для использования в качестве имплантируемых биомедицинских устройств. Журнал сплавов и соединений 749 , 163–171, https: // doi.org / 10.1016 / j.jallcom.2018.03.308 (2018).

CAS Статья Google ученый

31.

Корреа, Д. Р. Н., Курода, П. А. Б., Лоуренсо, М. Л., Бузалаф, М. А. Р. и Грандини, К. Р. Корректировка микроструктуры и выбранных механических свойств биомедицинских сплавов Ti-15Zr-Mo с помощью кислородного допирования. Journal of Alloys and Compounds 775 , 158–167, https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.10.105 (2019).

CAS Статья Google ученый

32.

Пинтао, К. А. Ф., Корреа, Д. Р. Н. и Грандини, К. Р. Модуль упругости при кручении как инструмент для оценки роли термомеханической обработки и состава стоматологических сплавов Ti-Zr. Journal of Materials Research and Technology 8 , 4631–4641, https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2019.08.007 (2019).

CAS Статья Google ученый

33.

Курода, П. А. Б., Лоренсу, М. Л., Корреа, Д. Р. Н. и Грандини, С. Р. Термомеханические обработки влияют на фазовый состав, микроструктуру и отдельные механические свойства системы сплавов Ti – 20Zr – Mo для биомедицинских приложений. Журнал сплавов и соединений 812 , 152108, https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.152108 (2020).

CAS Статья Google ученый

34.

Квадрос, Ф.Д. Ф., Курода, П. А. Б., Соуза, К. Д. С. Дж., Донато, Т. А. Г. и Грандини, С. Р. Приготовление, структурные и микроструктурные характеристики сплава Ti-25Ta-10Zr для биомедицинских применений. Journal of Materials Research and Technology 8 , 4108–4114, https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2019.07.020 (2019).

CAS Статья Google ученый

35.

Курода, П. А. Б., Квадрос, Ф. Д. Ф., Араужо, Р.О. Д., Афонсо, С. Р. М. и Грандини, С. Р. Влияние термомеханических обработок на фазы, микроструктуру, микротвердость и модуль Юнга сплавов Ti-25Ta-Zr. Материалы 12 , 3210 (2019).

ADS CAS Статья Google ученый

36.

Donato, T. A. G. et al. . Исследование цитотоксичности некоторых сплавов Ti, используемых в качестве биоматериала. Материаловедение и инженерия: C 29 , 1365–1369, https: // doi.org / 10.1016 / j.msec.2008.10.021 (2009).

CAS Статья Google ученый

37.

Мосманн, Т. Быстрый колориметрический анализ клеточного роста и выживаемости: применение для анализов пролиферации и цитотоксичности. Journal of Immunological Methods 65 , 55–63, https://doi.org/10.1016/0022-1759(83)

-4 (1983).

CAS Статья PubMed Google ученый

38.

Донато Т., де Алмейда Л., Арана-Чавес В. и Грандини С. In vitro Цитотоксичность сплава Ti-35Nb-7Zr-5Ta, легированного различным содержанием кислорода. Материалы 7 , 2183 (2014).

ADS CAS Статья Google ученый

Титановые сплавы, улучшенные рутением | Johnson Matthey Technology Review

Традиционно палладийсодержащие титановые сплавы, ASTM (Американское общество испытаний и материалов), титан 7 и 11 классов (титан-0.15 мас.% Палладия (Ti-0,15Pd) являются наиболее устойчивыми к коррозии титановыми сплавами, доступными на рынке. Эти титано-палладиевые сплавы Ti-Pd были выбраны, когда другие общепромышленные титановые сплавы, такие как нелегированные марки, проявляли восприимчивость к щелевой и точечной коррозии в более агрессивных химических условиях. К тяжелым условиям эксплуатации относятся насыщенные хлором рассолы, влажные галогены, кислые растворы хлоридов металлов (такие как FeCl ₃, ZnCl ₂, AlCl ₃) и гидролизуемые концентрированные рассолы (такие как MgCl ₂, CaCl ₂) при температуре выше ~ 80 ° C.Сплавы Ti-Pd также устойчивы к коррозии в гораздо более широком диапазоне температур и / или концентраций кислоты в горячих разбавленных неорганических и органических восстанавливающих кислотах (1).

Несмотря на их значительно улучшенные антикоррозионные свойства, использование титановых сплавов марок 7 и 11 за последние тридцать лет было сильно ограничено из-за их высокой относительной стоимости. Как показано в Таблице I, стоимость сплава Ti-Pd почти в два раза выше, чем у нелегированного титана, и аналогична стоимости обычных никель-хром-молибденовых, Ni-Cr-Mo сплавов на размерной (с нормализованной по плотности) основе. .Более высокая стоимость титанового сплава объясняется исключительно содержанием в нем палладия при номинальной добавке от 0,15 до 0,18 весовых процентов (по принятой в ноябре 1995 г. цене 144 доллара за тройскую унцию палладиевого порошка).

Таблица I

Приблизительное соотношение затрат на продукцию мельницы * (с поправкой на плотность)

Ti -3Al-2.5V-0,1 Ru

Сплав	ASTM Grade	Соотношение затрат
Нелегированный Ti 21076
Ti-0.3Mo-0.8Ni	12	1,12
Ti-0,1 5Pd	7	1,90
Ti-0,05 Pd 75					9107 Ti-0.1 Ru	26	1.15
Ti-3Al-2.5V	9	1.25
Ti-3Al-2.5V-0.05 Pd	18	1.60	28	1,38
Ti-6Al-4V	5	1,22
Ti-6Al-4V-0,05 Pd	24 75				Ti -4V-0,1 Ru	29	1,34
Сплав C-276 (Ni-Cr-Mo)	—	1,90

Титановые сплавы на основе бедного палладия и титана

За последние пять лет производители сплавов критически пересмотрели минимальное содержание палладия, требуемое в сплаве.После более тщательного изучения исходных данных о коррозии, полученных Стерном и Виссенбергом при разработке сплава Ti-Pd (2, 3), было признано, что значительная экономия может быть достигнута за счет снижения номинального содержания палладия. Профили скорости коррозии Штерна в кипящей соляной кислоте, см. Рис. 1, ясно показывают, что положительный эффект палладия оптимизируется очень быстро при низких уровнях, так что только минимальные улучшения коррозии происходят для сплавов, содержащих более ~ 0.03 мас.% Палладия (2, 3). Это поведение было подтверждено в более поздних профилях скорости коррозии соляной кислотой, разработанных Китайма, Шида и его коллегами (4, 5) и автором, как показано на рисунке 2 (6). Как и ожидалось, резкое улучшение стойкости сплава к щелевой коррозии в горячих хлоридах и других богатых галогенидами водных средах также достигается при этих более низких уровнях палладия, см. Рисунок 3 (5, 6).

Рис. 1

Влияние содержания палладия на скорость коррозии титана в кипящих растворах соляной кислоты (2, 3)

Рис.2

Профили скорости коррозии для титановых 0,1% рутениевых и титано-палладиевых сплавов в кипящих растворах соляной кислоты

Рис. рассолы. (Заштрихованные области — области, где сплавы подвержены разрушению)

На основании этих исследований в спецификации продуктов ASTM были включены несколько новых сплавов с обедненным палладием, которые описаны в Таблице II.Эти сплавы могут содержать от 0,04 до 0,08 мас.% Палладия при номинальном содержании 0,05%. Получающееся в результате снижение стоимости прокатной продукции из сплава Ti-Pd является значительным и показано в таблице I.

Таблица II

Новые, улучшенные и оптимизированные по стоимости титановые сплавы с улучшенным содержанием рутения для коррозионных сред

Сплав 910.15Pd (R52400)

Традиционный сплав		Новый и улучшенный сплав		Мотивация для нового сплава
(номер UNS)	Класс ASTM	Сплав	ASTM Grade	Новый сплав
7	Ti-0,05Pd Ti-0,1 Ru	16 26	Меньшая стоимость
Ti-0,1 5Pd * (R52250)	11	Ti-0,05Pd * Ti-0,1 Ru *	17 27	Меньшая стоимость
Ti-3Al-2.5V (R56320)	9	Ti-3Al-2.5V-0.05 Pd Ti-3Al-2.5V-0.1 Ru	18 28	Улучшенная щель и снижение кислотостойкости
Ti-6Al-4V (R56400)	5	Ti-6Al-4V-0.05Pd Ti-6Al-4V-0.1 Ru	24 29	Повышенная стойкость к трещинам, снижению кислотности и SCC
Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo (Ti-38644 или Ti Beta-C ^™) (R58640)	19	Ti-38644-0.05Pd Ti-38644-0.1 Ru	20 —	Повышенная устойчивость к трещинам, уменьшению кислотности и SCC

Для применений, где требуются сплавы более высокой прочности аналогичные добавки палладия могут быть сделаны в α- или β-титановые сплавы для получения экономически эффективных сплавов, перечисленных в Таблице II.Коррозионные свойства этих более прочных сплавов с улучшенным палладием описаны в других источниках (6, 7).

Бедные рутениево-титановые сплавы

Постоянное стремление к производству более дешевых промышленных титановых сплавов в RMI Titanium Company привело к разработке титановых сплавов с повышенным содержанием рутения. С точки зрения стоимости состава сплава рутений представляет собой самую дешевую добавку металла платиновой группы в пересчете на массу. Цена на порошок рутения в ноябре 1995 года составляла приблизительно 30 долларов за тройскую унцию, что в четыре-пять раз ниже, чем цена порошка палладия.Однако профили скорости кислотной коррозии для титан-рутениевого, бинарного сплава Ti-Ru и других титановых сплавов показывают, что для придания коррозионной стойкости, сравнимой с сопротивлением титана-0,05 на единицу веса, требуется по крайней мере вдвое больше рутения по массе центового палладия, Ti-0,05Pd, см. рисунок 2 (6). Несмотря на необходимость удвоить вес добавляемого рутения, титановый сплав, содержащий номинальный 0,1 вес.% Рутения, по-прежнему обеспечивает экономию затрат примерно на 17% по сравнению с Ti-0.05Pd (титан Grade 16) и примерно на 40 процентов по сравнению с классическим сплавом Ti-0.15Pd (титан Grade 7). Сравнительные затраты на сплавы, приведенные в Таблице I для изделий из тонкого листа, показывают, что титановые сплавы с улучшенным содержанием рутения обеспечивают значительную экономию затрат по сравнению с соответствующими сплавами, содержащими паадий.

Механизм усиления рутения

Считается, что основной механизм добавления рутения в титан очень похож на механизм палладия и других металлов платиновой группы и является результатом облагораживания сплава.Подобно палладию, рутений демонстрирует минимальную растворимость (Gess (более 0,1 мас.%)) В фазе α-титана, что приводит к тонкой, однородной дисперсии выделений благородного Ti-Ru внутри сплава (8).

При воздействии восстанавливающих кислот эти осадки и / или обогащенные рутением поверхности, образующиеся в результате избирательного растворения, создают катодные центры низкого перенапряжения водорода и ускоренного восстановления ионов водорода (H ₃ O ⁺) (9, 10) . Эта деполяризация реакции восстановления ионов водорода, или явление «катодной модификации», вызывает существенный сдвиг в потенциале коррозии титанового сплава в кислоте в сторону благородного (положительного) направления, где защитная поверхностная оксидная пленка TiO ₂, стабильно (1), и может быть достигнута полная пассивность.Это был высокоэффективный и хорошо известный метод улучшения коррозионных характеристик титанового сплава благодаря хорошо изученному активно-пассивному поведению титана в восстановительных кислотах и его исключительно высокому анодному питтингу в растворах кислот.

Добавки рутениевого сплава также эффективно ингибируют титановую щелевую коррозию в горячих водных галогенидах и сульфатах. Эта повышенная стойкость к щелевой коррозии является результатом того же механизма «катодной модификации», который обсуждался выше для восстановления кислот.Со временем раствор в плотной металлической щели, подверженной воздействию горячих солевых растворов, часто становится более агрессивной деаэрированной восстанавливающей кислотой (1). Это объясняет двойной положительный эффект от добавления рутения как в плане уменьшения воздействия кислоты, так и в отношении трещин. Поверхности с трещинами облагораживаются, а локальная пассивность сохраняется в кислых трещинах. Повышенная стойкость к образованию трещин у сплавов Ti-Ru по существу эквивалентна таковой у сплавов Ti-Pd, как указано в инструкциях на Рисунке 3.

Титановые сплавы с повышенной прочностью, обогащенные рутением

Повышенная прочность титана обычно достигается за счет добавления из легирующих элементов, таких как алюминий и ванадий, с образованием сплавов с α- или β-фазами.За исключением молибдена, наиболее распространенные легирующие элементы, и особенно алюминий, уменьшают снижающуюся стойкость титановых сплавов к щелевой коррозии кислотной и горячей галогенидов при увеличении их содержания (11). Сплавы титан-3 алюминий-2,5 ванадий, Ti-3Al-2,5V (титан 9-й степени) и титан-6 алюминий-4 ванадий, Ti-6A1-4V (титан 5-й степени) являются двумя такими распространенными сплавами α-β. которые обладают привлекательными прочностными характеристиками от средней до высокой, см. Таблицу III, но в определенных условиях они обладают меньшей коррозионной стойкостью, чем нелегированный титан.Фактически, титановый сплав Grade 9 был недавно включен в Кодекс сосудов высокого давления ASME (Американское общество инженеров-механиков) для использования при температурах до 315 ° C и предлагает значительно более высокие конструктивные допустимые значения по сравнению с другими титановыми сплавами, перечисленными в Кодексе. К сожалению, этот сплав подвержен щелевой коррозии в условиях эксплуатации с высоким содержанием хлоридов или других галогенидов при температурах выше ~ 80 ° C (в зависимости от pH и т. Д.), Что сильно ограничивает возможности применения и проектирования.Более прочный титановый сплав Grade 5 также проявляет восприимчивость к коррозии под напряжением в рассоле и водных галогенидах, что аналогичным образом ограничивает его использование при повышенных температурах. Таблица III. МПа) Ti-0.15Pd Ti-0.1 Ru 7 26 α α 40 (275) 40 (275) 50 (345) 50 (345) Ti-0.1 5Pd * Ti-0.1 Ru * 11 27 α α 25 (170) 25 (170) 35 (240) 35 (240) Ti-3Al-2.5V Ti-3Al-2.5V-0.1 Ru 9 28 α-β α-β 70 (483) 70 (483) 90 (620) 90 (620) Ti-6Al-4V ELI Ti-6Al-4V-0.1 Ru 23 29 α-β α-β 110 (759) 110 (759) 120 (827) 120 (827)

Недостатки коррозионных характеристик этих высокопрочных титанов сплавы можно также эффективно восстановить, добавив 0,1 мас. рутения. Исследования коррозии, проведенные на α-β титановых сплавах с усиленным рутением, выявили существенное улучшение их устойчивости к восстановительным кислотам, щелевой коррозии горячим хлоридом и коррозионному растрескиванию под напряжением (6).Профили скорости коррозии сплавов в кипящей соляной кислоте, представленные на рисунке 4, показывают очевидное преимущество добавок рутения. Механизм коррозионной стойкости — это снова та же «катодная модификация» (облагораживание) и явление стабилизации оксидной пленки, как обсуждалось ранее для бинарных сплавов Ti-Ru и Ti-Pd.

Рис. 4

Профили скорости коррозии для α-β титановых сплавов в кипящих растворах соляной кислоты, демонстрирующие преимущества добавок рутения

Резкое повышение пороговых температур, при которых начинается щелевая коррозия в естественно газированных кислых рассолах показано на рисунке 5 для улучшенных рутением α-β сплавов.Это улучшение было подтверждено в ходе испытаний «худшего случая» тефлоновой прокладки на металлической щели в сладких и высококислых концентрированных рассолах и в деаэрированных гиперсоленых геотермальных рассолах Saltn Sea до pH 2 (6). В более агрессивных, сильно окисляющих (насыщенных хлором или FeCl ₃) кислых рассолах трещиностойкость этих более прочных сплавов может быть ограничена значениями pH выше 3, когда температура превышает ~ 80 ° C.

Рис. 5

Приблизительные температурные пороги щелевой коррозии титановых сплавов с усиленным рутением в хлоридно-кислых рассолах

Хотя Ti-3A1-2.Сплав 5V, как правило, не подвержен коррозионному растрескиванию под напряжением (SCC) в водных средах, известно, что сплав Ti-6A1-4V может проявлять склонность к SCC галогенидам, особенно при увеличении содержания алюминия и / или промежуточных включений (12). Это серьезное ограничение может быть устранено во время воздействия горячего водного галогенида (рассола) путем добавления рутения в основу сплава Ti-6Al-4V с ELI (сверхнизкие межузельные слои с максимумом 0,13% кислорода). Результаты испытаний SCC, приведенные в Таблице IV, подтверждают выбор этих модифицированных α-β титановых сплавов для использования в сладких или кислых насыщенных хлоридом натрия рассолах при температурах до 330 ° C.Эти испытательные среды с горячим рассолом типичны для скважин геотермальных рассолов Солтн-Си в Калифорнии и глубоких скважин для высокосернистого газа в Мексиканском заливе.

Таблица IV

Результаты испытаний на коррозионное растрескивание под напряжением для титановых сплавов с повышенным содержанием рутения в высокотемпературных рассолах

или локальная атака?

Испытанные сплавы	Испытательная среда	Типы испытаний SCC	Температура испытаний, ° C SC
Ti-6Al-4V-Ru Ti-3Al-2.5V-Ru Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo-Ru	Рассол для скважин высокосернистого газа	• С-образное кольцо • Низкая скорость деформации	260 232, 260, 288	№
Ti- 6Al-4V-Ru Ti-3Al-2.5V-Ru	Кислый геотермальный рассол	• U-образный изгиб • С-образное кольцо • Низкая скорость деформации	302, 330 330 302,330	Нет Нет Нет
Ti- 6Al-4V-Ru	Гиперсоленый геотермальный рассол	• U-образный изгиб • Низкая скорость деформации	260 25, 260, 274	Нет Нет

Аналогичное улучшение коррозионных свойств при высоких температурах может быть достигнуто в ß- титановые сплавы с добавкой рутения.Исследования коррозии, проведенные автором на сплаве Ti-38644 (титан марки 19) (Ti Beta-C ^™), предполагают, что механизм снова является «катодной модификацией». Особую техническую ценность представляет резкое повышение пороговых температур для щелевой коррозии и SCC, обеспечиваемое усиленным рутением сплавом Ti-38644 в сладких и кислых рассолах с высоким содержанием хлорида натрия (13), см. Рисунок 6.

Рис. 6

Приблизительные пороги температуры для щелевой и стресс-коррозии стандартных и усиленных рутением сплавов Ti-38644 в кисло-сладких и кислых растворах хлористого натрия1 весовой процент рутения к этим титановым сплавам не оказывает значительного влияния на их механические и физические свойства, новые рутенийсодержащие сплавы имеют такие же минимальные свойства при растяжении, что и соответствующие базовые сплавы. Значения минимальных свойств при растяжении, требуемых спецификациями ASTM на продукцию, перечислены в таблице III. Четырем новым рутенийсодержащим α- и α-β сплавам с допустимым содержанием рутения от 0,08 до 0,14% были присвоены номера классов ASTM, указанные в таблице II.Недавно они были включены в соответствующие спецификации ASTM для листов, полос и пластин (B265), поковок (B381), стержней и заготовок (B348), бесшовных и сварных труб (B337, B861 и B862), фитингов (B363), трубка (B338) и проволока (B863). Титановые сплавы марок 26, 27 и 28 ASTM вскоре будут представлены на утверждение и, в конечном итоге, для включения в Кодекс ASME для сосудов высокого давления. Конструктивные допуски, указанные в Кодексе ASME для этих трех сплавов, должны имитировать те, которые предусмотрены для титановых сплавов марок 7,11 и 9, соответственно, уже в Кодексе.

Некоторые другие возможные применения рутениевых сплавов титана с 0,1 (марки 26 и 27) в химической и перерабатывающей промышленности перечислены в таблице V. Эти сплавы предлагают экономичную прямую замену титановых сплавов марок 7 и 11. Более низкая стоимость этих сплавов Ti-Ru должна также привести к более широкому использованию титана в традиционных сплавах Ni-Cr-Mo, которые включают разбавленные кислоты и / или технологические потоки, богатые галогенидами.

Таблица V

Возможные приложения для титана-0.1 Рутениевые сплавы

Металлические галогениды FeCl , CuCl ₂, AlCl ₃, NiCl ₂ и ZnCl ₂)

Хлорщелочные и хлоратные аноды, футеровка и компоненты ячеек

Пластинчатые теплообменники с горячей морской водой / рассолом *

Горячие солевые растворы Ca, Mg

Горячий водный Cl ₂ / Br ₂ (влажные галогены) и Cl ₂ -насыщенные рассолы

Горячие разбавленные органические и неорганические кислоты

MnO ₂ аноды

FGD (десульфуризация дымовых газов) впускные отверстия / предварительные скрубберы

Стальные трубы для взрывоопасных веществ

Возможные варианты применения более прочных титановых сплавов с повышенным содержанием рутения приведены в таблице VI.Обратите внимание, что титановые сплавы марок 28 и 29 в настоящее время также находятся на заключительной стадии утверждения для включения в стандарт NACE (Национальная ассоциация инженеров по коррозии) MR-01-75 для использования в кислых средах; что позволяет использовать эти новые сплавы для многих глубоких нефтяных / газовых скважин и компонентов морской добычи.

Таблица VI

Возможные применения и компоненты для улучшенных рутением α-β и β титановых сплавов

Глубокий сернистый газ ×74 спиральный0000W. Schutz и D. E. Thomas, «Коррозия титана и титановых сплавов», в Справочнике по металлам , девятое издание , Vol. 13 — Коррозия, ASM, Materials Park, OH, 1987, стр. 670 — 706

М. Стерн и Х. Виссенберг, J. Electrochem. Soc. , 1959, 106 , (9), 759

M. Stern, Патент США 3, 063 835; 1962

С. Китайма, Ю. Шида, М. Уэда и Т. Кудо, «Влияние малых добавок палладия на коррозионную стойкость Ti и сплавов Ti в суровых газовых и нефтяных средах», Paper No.52, Коррозия ‘ 92 Annual Conf. , NACE, Хьюстон, март 1992 г.

С. Китайма, Ю. Шида и М. Осияма, Sumitomo Search , Sumitomo Metals, Япония, 1990 г., (41), 23

RW Schutz, «Последние разработки в области титановых сплавов и продуктов для агрессивных промышленных сред», доклад № 244, NACE Corrosion ’95 Annual Conf. , NACE, Houston, 1995

Р. В. Шутц и М. Сяо, «Оптимизированные титановые сплавы на основе обедненного Pd для агрессивных восстановительных кислотных и галогенидных сред», Proc.12-й Международный конгресс по коррозии. , 3A, сентябрь 1993 г., NACE, Houston, p. 1213

Э. Ван дер Линген и Х. де Вильерс Стейн, «Потенциал рутения как легирующего элемента в титане», доклад , представленный на конференции по применению титана , 2–5 октября 1994 г., Ассоциация разработчиков титана , Боулдер, Колорадо

Н. Д. Томашов, Р. М. Альтовский, Г. П. Чернова, J. Electrochem. Soc. , 1961, 108 , (2), 113

H.Х. Улиг « Справочник по коррозии », J. Wiley & Sons, NY, 1948, стр. 1144 — 1145

Р. В. Шутц и Дж. С. Грауман, «Фундаментальные характеристики высокопрочных титановых сплавов», Промышленное применение титана и циркония , ASTM STP 917, 1986, стр. 130 — 143

Оценка характеристик материалов при коррозионном растрескивании под напряжением , ASM, Materials Park, OH, июль 1992 г., стр. 265 — 297

RW.Шутц и М. М. Сяо, «Повышение коррозионной стойкости сплава Ti-38644 для промышленного применения, Титан ’92 — Наука и технологии , Vol. 3 , TMS, Warrendale, PA, 1993, стр. 2095

Заявка	Применимые сплавы
	Ti-3Al-2.5V-Ru	Ti-6Al-4V-Ru	Ti-38644-Ru
Процессы влажного окисления	×

Высокотемпературный органический синтез	×
Гидрометаллургические процессы выщелачивания руды	×	×
1075
Скважинные инструменты и принадлежности		×	×
Морские выкидные трубопроводы, экспортные и контактные райзеры	×	×
Сосуды под давлением, теплообменники	×
Клапаны, насосы, валы		×
Крепежные детали		×		×
Бесшовные трубопроводы	×	×	×
Сварные трубопроводы	×

Титановый сплав марки 2

Титановый сплав Grade 2 — это технически чистый титан. Он обладает выдающейся коррозионной стойкостью и полезной прочностью (аналогично аустенитным нержавеющим сталям) при низкой плотности. Он обладает хорошей свариваемостью и легко формуется.Это наиболее часто используемый сорт титана.

Типичные области применения

В основном этот сорт применяется в химической промышленности. Чаще всего используются реакторы-автоклавы, трубопроводы и фитинги, клапаны, теплообменники и конденсаторы.

Химический состав

ASTM B338 — Бесшовные и сварные трубы из титана и титанового сплава для конденсаторов и теплообменников

Элемент	Титан	Азот	Карбон	Водород	Утюг	Кислород	Остатки (каждый)	Остатки (всего)
%	Баланс	0.03 макс	0,08 макс.	0,015 макс.	0,30 макс.	0,25 макс.	0,1 макс	0,4 макс.

Минимальные заданные механические свойства

(ASTM B338 — Бесшовные и сварные трубы из титана и титанового сплава для конденсаторов и теплообменников)

	0,2% Стресс-тест	Предел прочности	Удлинение
	МПа	МПа	%
Отожженный	275-450	345	20

Описание

Титан 2-й марки является технически чистым.Он обладает превосходной коррозионной стойкостью в окислительных условиях и эффективно защищен от коррозионного растрескивания под напряжением, точечной коррозии и щелевой коррозии в хлоридных растворах при температуре ниже 70 ° C. Титан марки 2 широко используется в теплообменниках, где, несмотря на низкую теплопроводность титана, эффективность теплопередачи высока благодаря хорошей прочности, высокой стойкости к эрозионной коррозии и сопротивлению загрязнению твердой гладкой поверхности.

При комнатной температуре марка 2 представляет собой альфа-сплав.Он переходит в бета-фазу при 913 ± 15 ° C, а альфа-фаза возвращается при охлаждении 890 ± 15 ° C.

Титан реакционноспособен, с очень высоким сродством к кислороду, который образует пленку из очень стабильного и прочного оксида. Оболочка обеспечивает отличную коррозионную стойкость, несмотря на химическую активность металла. Оксидный слой образуется самопроизвольно и быстро под воздействием атмосферы. Однако, когда новый основной металл подвергается воздействию безводных условий или в отсутствие воздуха, может возникнуть быстрая коррозия.Также следует проявлять осторожность, если титан должен работать в контакте с водородом, поскольку водородное охрупчивание из-за образования гидрида может увеличить прочность с потерей пластичности.

Наличие

Austral Wright Metals может поставлять этот сплав в виде листов, листов и полос, прутков и прутков, бесшовных и сварных труб, сварных фитингов, бесшовных и сварных труб, поковок и поковок. Он широко используется в качестве трубки в конденсаторах и теплообменниках.

Сосуды под давлением

Кодекс AS1210 и ASME по котлам и сосудам под давлением предварительно квалифицирует титан 2 для использования в сосудах под давлением до 300 ° C.AS4041 Напорные трубопроводы квалифицируют сплав до 325 ° C.

Коррозионная стойкость

Титан обладает отличной устойчивостью к общей коррозии с низким или незначительным уровнем потерь во многих средах. См. Технические данные Austral Wright Metals «Коррозия титана и сплавов» для получения более подробной информации. Таблица в конце этого технического описания демонстрирует превосходные характеристики эрозионной коррозии класса 2 в морской воде.

Физические свойства

Плотность	Диапазон плавления	Модуль упругости (растяжения)	Удельная теплоемкость	Средний коэффициент расширения	Теплопроводность	Удельное электрическое сопротивление
кг / м3	° С	ГПа	Дж / кг.° С	x10 ^-6 / ° C	Вт / м. ° С	мкОм · м
4 507	1668 ± 10	103	519	8,41	11,4	0,420

Уровень эрозионной коррозии нелегированного титана марки 2

Расположение	Расход	Тип теста	Продолжительность теста	Скорость эрозии и коррозии
Расположение	м / сек	Тип теста	месяца	мм / год
Бриксхэм Си	9.8	Конденсатор модели	12	0,003
Пляж Куре, Северная Каролина	1	Воздуховод	54	7,5 x 10 ^-7
Пляж Куре, Северная Каролина	8,5	Вращающийся диск	2	1,3 x 10 ^-4
Пляж Куре, Северная Каролина	9	Колесо Micarta	2	2,8 x 10 ^-4
Пляж Куре, Северная Каролина	7.2	Удар струи	1	5,0 x 10 ^-4
Райтсвилл-Бич, Северная Каролина	1,3	–	6	1,0 x 10 ^-4
Райтсвилл-Бич, Северная Каролина	9	Колесо Micarta	2	1,8 x 10 ^-4
Средиземное море	7,2	Удар струи	0,5	0.5 мг / день
Мертвое море	7,2	Удар струи	0,5	0,5 мг / сут

Производство

Титан марки 2 выкован традиционным способом в узком диапазоне температур 815–900 ° C. Титан и его сплавы, как правило, труднее подделать, чем алюминиевые и легированные стали, из-за узкого температурного диапазона, высокой скорости деформации и температурной зависимости прочности. Горячая ковка оставляет на поверхности толстый и чрезвычайно твердый слой оксида титана, который называется «альфа-корпус».Обычно его удаляют травлением в смеси азотной и плавиковой кислот. При поставке титановые сплавы обычно подвергаются отжигу, и их можно легко формовать в холодном состоянии на обычных машинах с использованием стандартных методов. При холодной формовке корпус альфа не образуется, и травление не требуется, за исключением удаления встроенного датчика из углеродистой стали, который может вызвать точечную коррозию.

Обрабатываемость

Титан марки 2 легко обрабатывается традиционными методами. По обрабатываемости он аналогичен аустенитной нержавеющей стали.Как и нержавеющая сталь, титан имеет низкую теплопроводность и плохой отвод тепла, поэтому рекомендуется обильное использование охлаждающей жидкости. Необходимы острые инструменты. Порезы должны быть глубокими и непрерывными, с низкой скоростью резания.

Свариваемость

Титан марки 2 легко сваривается процессами GMAW и GTAW. Предварительный нагрев или термообработка после сварки не требуются. Область, непосредственно прилегающая к сварным швам, должна быть ЧИСТОЙ, очищенной от жира и магазинной грязи, в том числе от карандашных следов. Может использоваться абразивная очистка, очистка растворителем или травление смесью азотной и плавиковой кислот.Во всех областях с температурой выше 450 ° C в дополнение к обычной газовой защите сварочной горелки необходимо применять газовую защиту для предотвращения сильного окисления во время охлаждения. Используется присадочный металл, соответствующий AWS ERTi-2. В газовой защите должно быть мало водорода, кислорода и азота, которые легко растворяются в титане и вызывают охрупчивание.

Термическая обработка

Титан марки 7 отожжен при температуре 650-760 ° C, все еще охлаждается на воздухе. Перед дальнейшим производством или обработкой может потребоваться травление для удаления корпуса альфа.Снятие напряжений при 480-595 ° C, воздушное охлаждение, может потребоваться для улучшения стабильности размеров критических компонентов.

Эффекты межстраничных элементов

по прочности и пластичности нелегированного алюминия

ASTM Технические характеристики продукции

Спецификация	Название
B265	Полоса, лист и пластина из титана и титановых сплавов
B381	Титан и поковки из титановых сплавов
B348	Титан и прутки и заготовки из титановых сплавов
B337	Бесшовные и сварные трубы из титана и титановых сплавов
B338	Бесшовные и сварные трубы из титана и титановых сплавов для конденсаторов и теплообменников
B363	Фитинги бесшовные и сварные из нелегированного титана и титановых сплавов
B367	Титан и отливки из титановых сплавов

Добавить комментарий Отменить ответ

➤