ООО НПО «ТИТАН» — титан и его сплавы. Прутки, листы, плиты, проволока, трубы — 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

Доставка до транспортных компаний БЕСПЛАТНО: Деловые линии, Энергия.  

Титан

Титан почти в два раза легче и прочнее железа, по удельной прочности он превосходит и алюминий: не намного тяжелее его, а прочнее в шесть раз.

1200р — 1кг

А сплавы титана по этому показателю вышли на одно из первых мест среди металлических конструкционных материалов.

В наибольшей степени заинтересована в применении титана и его сплавов авиация. Это реактивные двигатели, роторы турбин, детали фюзеляжа, вплоть до таких простейших, как болты и гайки. Сопла газотурбинных авиадвигателей изготавливают из чистого титана, а клапаны, втулки, уплотнения – из его сплавов. Применение последних вместо алюминиевых позволяет снизить массу самолета на 20 %.

Титан важен и в автомобилестроении. Из титана и его сплавов изготавливают клапаны, подвески, соединительные тяги, шатуны. Титановые шатуны намного легче стальных, поэтому подвергаются меньшим инерционным нагрузкам, а это позволяет увеличить число оборотов и мощность двигателя. Перспективно применение титана вместо стали при изготовлении рам и других ответственных деталей грузовых автомобилей.

Использование титановых сплавов на железнодорожном транспорте также позволит увеличить полезную грузоподъемность, снизить расход горючего, повысить срок службы, надежность транспортных средств, что в конечном итоге приведет к существенной экономии.

Преимущества титана и его сплавов особенно ярко проявляются при изготовлении из них деталей, вращающихся с большой скоростью: роторов турбин, центрифуг, гироскопов и др. Возможна ситуация, когда запас прочности стали не позволит выдержать значительные нагрузки, возникающие под действием центробежных сил.

Простое увеличение толщины деталей ничего не дает – с увеличением толщины возрастает и масса детали, а, значит, и действие центробежных сил. Необходим материал с большей удельной прочностью, например, тот же титан. Так стальной ротор компрессора реактивного двигателя разрушается при 17 тыс. об/мин, в то время как такой же ротор, но из титана, выдерживает 25 тыс. об/мин.

Многие металлы и сплавы обладают способностью переходить в пассивное состояние по отношению к коррозионной среде, что связывают с образованием на их поверхности защитных пленок, чаще всего оксидных. Особой склонностью к возникновению пассивного состояния обладают титан, алюминий и хром.

Титан по своим химическим свойствам вполне соответствует данному имени. Он чрезвычайно прочен, термостоек, хорошо противостоит действию агрессивных жидкостей. На него не действует ни азотная кислота, ни «царская водка» (смесь азотной и соляной кислот).

Коррозионную стойкость титана в сильных кислотах, не обладающих окислительной активностью, можно улучшить легированием благородными металлами, например, палладием. Небольшая, до 1 %, добавка палладия делает титан стойким и к другим минеральным кислотам – серной и соляной.

Благородные металлы образуют на поверхности титана активные катодные участки, которые способствуют его самопассивации в растворах агрессивных веществ. При этом даже не надо сплавлять титан с палладием. Для пассивации титана достаточно подвергнуть его ионной бомбардировке ионами палладия, и он с минимальным расходом благородного металла станет пассивным уже через несколько минут.

Итак, титан вполне оправдывает свое имя – синоним стойкости и прочности. Этот металл ждет большое будущее.

Титановый лист производиться по ГОСТу 22178, в его состав входят сплавы ВТ-20, ВТ-6, ВТ-14,ВТ1-0, ВТ1-00, ОТ4-0, ОТ4-1, ОТ5-4, ВТ-4 (химический состав которых регулируется по Государственному стандарту 19807 или по отраслевому стандарту 1 90013) такой титановый лист применяется в основном для приминения с сфере народного хозяйства. Толщина листов регулируется номенклатурой:
— от 0,3 миллиметров до 10,5 миллиметров.
— при ширине от 600 миллиметров доступная толщина от 0,3-0,4 миллиметров до 400 миллиметров
— при ширине титанового листа 1200 миллиметров доступная толщина от 0,3÷0,6 миллиметров до 600 мм, а также от 0,8мм÷1,8мм до 1000 миллиметров.
Из такого же по составу сплава, химсостав которого регулирует отраслевой стандарт ОСТ 1 90013, изготавливается титановый лист для специализированных отраслей в промушленности. Данное производство регулирует отраслевой стандарт ОСТ 1 90218.

Кто и как открыл титан? Интересные факты. Характеристика и применение титана и сплавов на его основе Как добывают титан

Области применения титана

При существующих высоких ценах на титан его применяют преимущественно для производства военного оборудования, где главная роль принадлежит не стоимости, а техническим характеристикам. Тем не менее известны случаи использования уникальных свойств титана для гражданских нужд. По мере снижения цен на титан и роста его производства применение этого металла в военных и гражданских целях будет все больше расширяться.
Авиация. 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.
Титан получает все большее применение при постройке самолетов F-86 и F-100. 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.
В настоящее время титан применяется в конструкции самолетов военной авиации Дуглас Х-3 для обшивки, Рипаблик F-84F, Кертисс-Райт J-65 и Боинг В-52.
Применяется титан и при постройке гражданских самолетов DC-7. Фирма «Дуглас» заменой алюминиевых сплавов и нержавеющей стали титаном при изготовлении мотогондолы и противопожарных перегородок уже добилась экономии в весе конструкции самолета около 90 кг. В настоящее время вес титановых деталей в этом самолете составляет 2%, причем эту цифру предусматривается довести до 20% общего веса самолета.
Применение титана позволяет уменьшить вес геликоптеров. Листовой титан используется для полов и дверей. Значительное снижение веса геликоптера (около 30 кг) было достигнуто в результате замены легированной стали титаном для обшивки лопастей его несущих винтов.
Военно-морской флот. Коррозионная стойкость титана и его сплавов делает их весьма ценным материалом на море. Военно-морское министерство США обстоятельно исследует коррозионную стойкость титана против воздействия дымовых газов, пара, масла и морской воды. Почти такое же значение в военно-морском деле имеет и высокое значение удельной прочности титана.
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 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.
Артиллерия. По-видимому, наиболее крупным потенциальным потребителем титана может явиться артиллерия, где в настоящее время ведутся интенсивные исследования различных опытных образцов. Тем не менее в этой области стандартизовано производство лишь отдельных деталей и частей из титана. Весьма ограниченное использование титана в артиллерии при большом размахе исследований объясняется его высокой стоимостью.
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.
Проведенные первые исследования титана и его сплавов показали возможность изготовления из них броневых плит. Замена стальной брони (толщиной 12,7 мм) титановой броней одинаковой снарядостойкости (толщиной 16 мм) позволяет получить, по данным этих исследований, экономию в весе до 25%.
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.
Транспорт. Многие из тех выгод, которые сулит использование титана при производстве бронетанковой материальной части, относятся и к транспортным средствам.
Замена конструкционных материалов, потребляемых в настоящее время предприятиями транспортного машиностроения, титаном должна привести к снижению расхода топлива, росту полезной грузоподъемности, повышению предела усталости деталей кривошипно-шатунных механизмов и т. п. На железных дорогах исключительно важно снизить мертвый груз. Существенное уменьшение общего веса подвижного состава за счет применения титана позволит сэкономить в тяге, уменьшить габариты шеек и букс.
Важное значение вес имеет и для прицепных автотранспортных средств. Здесь замена стали титаном при производстве осей и колес также позволила бы увеличить полезную грузоподъемность.
Все эти возможности можно было бы реализовать при снижении цены титана с 15 до 2-3 долларов за фунт титановых полуфабрикатов.
Химическая промышленность. При производстве оборудования для химической промышленности самое важное значение имеет коррозионная стойкость металла. Существенно также снизить вес и повысить прочность оборудования. Логически следует предположить, что титан мог бы дать ряд выгод при производстве из него оборудования для транспортировки кислот, щелочей и неорганических солей. Дополнительные возможности применения титана открываются в производстве такого оборудования, как баки, колонны, фильтры и всевозможные баллоны высокого давления.
Применение трубопроводов из титана способно повысить коэффициент полезного действия нагревательных змеевиков в лабораторных автоклавах и теплообменниках. О применимости титана для производства баллонов, в которых длительно хранятся газы и жидкости под давлением, свидетельствует применяемая при микроанализе продуктов сгорания вместо более тяжелой трубки из стекла (показана в верхней части снимка). Благодаря малой толщине стенок и незначительному удельному весу эта трубка может взвешиваться на более чувствительных аналитических весах меньших размеров. Здесь сочетание легкости и коррозионной стойкости позволяет повысить точность химического анализа.
Прочие области применения. Применение титана целесообразно в пищевой, нефтяной и электротехнической промышленности, а также для изготовления хирургических инструментов и в самой хирургии.
Столы для подготовки пищи, пропарочные столы, изготовленные из титана, по качествам превосходят стальные изделия.
В нефте- и газобурильной областях серьезное значение имеет борьба с коррозией, поэтому применение титана позволит реже заменять корродирующие штанги оборудования. В каталитическом производстве и для изготовления нефтепроводов желательно применять титан, сохраняющий механические свойства при высокой температуре и обладающий хорошей коррозионной устойчивостью.
В электропромышленности титан можно применить для бронирования кабелей благодаря хорошей удельной прочности, высокому электрическому сопротивлению и немагнитным свойствам.
В различных отраслях промышленности начинают применять крепежные детали той или иной формы, изготовленные из титана. Дальнейшее расширение применения титана возможно для изготовления хирургических инструментов главным образом благодаря его коррозионной стойкости. Инструменты из титана в этом отношении превосходят обычные хирургические инструменты при многократном кипячении или обработке в автоклаве.
В области хирургии титан оказался лучше виталлиума и нержавеющих сталей. Присутствие титана в организме вполне допустимо. Пластинка и винты из титана для крепления костей находились в организме животного несколько месяцев, причем имело место прорастание кости в нитки резьбы винтов и в отверстие пластинки.
Преимущество титана заключается также в том, что на пластине образуется мышечная ткань.

Основная часть титана расходуется на нужды авиационной и ракетной техники и морского судостроения. Его, а также ферротитан используют как легирующую добавку к качественным сталям и как раскислитель. Технический титан идет на изготовление емкостей, химических реакторов, трубопроводов, арматуры, насосов, клапанов и других изделий, работающих в агрессивных средах. Из компактного титана изготавливают сетки и другие детали электровакуумных приборов, работающих при высоких температурах.

По использованию в качестве конструкционного материала Ti находится на 4-ом месте, уступая лишь Al, Fe и Mg. Алюминиды титана являются очень стойкими к окислению и жаропрочными, что в свою очередь определило их использование в авиации и автомобилестроении в качестве конструкционных материалов. Биологическая безвредность данного металла делает его превосходным материалом для пищевой промышленности и восстановительной хирургии.

Титан и его сплавы нашли широкое применение в технике ввиду своей высокой механической прочности, которая сохраняется при высоких температурах, коррозионной стойкости, жаропрочности, удельной прочности, малой плотности и прочих полезных свойств. Высокая стоимость данного металла и материалов на его основе во многих случаях компенсируется их большей работоспособностью, а в некоторых случаях они являются единственным сырьем, из которого можно изготовить оборудование или конструкции, способные работать в данных конкретных условиях.

Титановые сплавы играют большую роль в авиационной технике, где стремятся получить наиболее легкую конструкцию в сочетании с необходимой прочностью. Ti легок по сравнению с другими металлами, но в то же время может работать при высоких температурах. Из материалов на основе Ti изготавливают обшивку, детали крепления, силовой набор, детали шасси, различные агрегаты. Также данные материалы применяются в конструкциях авиационных реактивных двигателей. Это позволяет уменьшить их массу на 10-25%. Из титановых сплавов производят диски и лопатки компрессоров, детали воздухозаборников и направляющих в двигателях, различный крепеж.

Еще одной областью применения является ракетостроение. Ввиду кратковременной работы двигателей и быстрого прохождения плотных слоев атмосферы в ракетостроении в значительной мере снимаются проблемы усталостной прочности, статической выносливости и отчасти ползучести.

Технический титан из-за недостаточно высокой тепловой прочности не пригоден для применения в авиации, но благодаря исключительно высокому сопротивлению коррозии в ряде случаев незаменим в химической промышленности и судостроении. Так его применяют при изготовлении компрессоров и насосов для перекачки таких агрессивных сред, как серная и соляная кислота и их соли, трубопроводов, запорной арматуры, автоклав, различного рода емкостей, фильтров и т. п. Только Ti обладает коррозионной стойкостью в таких средах, как влажный хлор, водные и кислые растворы хлора, поэтому из данного металла изготовляют оборудование для хлорной промышленности. Также из него делают теплообменники, работающие в коррозионно активных средах, например в азотной кислоте (не дымящей). В судостроении титан используется для изготовления гребных винтов, обшивки морских судов, подводных лодок, торпед и т.д. На данный материал не налипают ракушки, которые резко повышают сопротивление судна при его движении.

Титановые сплавы перспективны для использования во многих других применениях, но их распространение в технике сдерживается высокой стоимостью и недостаточной распространенностью данного металла.

Соединения титана также получили широкое применение в различных отраслях промышленности. Карбид (TiC) обладает высокой твердостью и применяется в производстве режущих инструментов и абразивных материалов. Белый диоксид (TiO 2) используется в красках (например, титановые белила), а также при производстве бумаги и пластика. Титанорганические соединения (например, тетрабутоксититан) применяются в качестве катализатора и отвердителя в химической и лакокрасочной промышленности. Неорганические соединения Ti применяются в химической электронной, стекловолоконной промышленности в качестве добавки. Диборид (TiB 2)- важный компонент сверхтвердых материалов для обработки металлов. Нитрид (TiN) применяется для покрытия инструментов.

Является одним из важнейших конструкционных материалов, поскольку сочетает прочность, твердость и легкость. Однако другие свойства металла весьма специфичны, что делает процесс получения вещества тяжелым и дорогостоящим. И сегодня нами будет рассмотрена мировая технология производства титана, кратко упомянем и .

Существует металл в двух модификациях.

• α-Ti – существует до температуры в 883 С, обладает плотной гексагональной решеткой.
• β-Ti – имеет объемно-центрированную кубическую решетку.

Переход осуществляется с очень небольшим изменением плотности, поскольку последняя при нагревании постепенно уменьшается.

• Во время эксплуатации титановых изделий в большинстве случаев имеют дело с α-фазой. А вот при плавке и изготовлении сплавов металлурги работают с β-модификацией.
• Вторая особенность материала – анизотропия. Коэффициент упругости и магнитная восприимчивость вещества зависит от направления, причем разница довольно заметная.
• Третья черта – зависимость свойств металл от чистоты. Обычный технический титан не годится, например, для использования в ракетостроении, поскольку из-за примесей теряет свою жаростойкость. В этой области промышленности применяют только исключительно чистое вещество.

О составе титана поведает это видео:

Производство титана

Использовать металл начали только в 50-е годы прошлого века. Его добыча и производство являются сложным процессом, благодаря чему этот относительно распространенный элемент относили к условно редким. И далее мы рассмотрим технологию, оборудование цехов по производству титана.

Сырье

Титан занимает 7 место по распространенности в природе. Чаще всего это оксиды, титанаты и титаносиликаты. Максимальное количество вещества содержится в двуокисях – 94–99%.

• Рутил – самая устойчивая модификация, представляет собой минерал синеватого, буровато-желтого, красного цвета.
• Анатаз – довольно редкий минерал, при температуре в 800–900 С переходит в рутил.
• Брукит – кристалл ромбической системы, при 650 С необратимо переходит в рутил с уменьшением объема.

• Более распространены соединения металла с железом – ильменит (до 52,8% титана). Это гейкилит, пирофанит, кричтон – химический состав ильменита весьма сложен и колеблется в широких переделах.
• Используется в промышленных целях результат выветривания ильменита – лейкоксен . Здесь происходит довольно сложная химическая реакция, при которой из ильменитовой решетки удаляется часть железа. В результате объем титана в руде повышается – до 60%.
• Также используют руду, где металл связан не с закисным железом, как в ильмените, а выступает в виде титаната окисного железа – это аризонит, псевдобрукит .

Наибольшее значение имеют месторождения ильменита, рутила и титаномагнетита. Разделяют их на 3 группы:

• магматические – связаны с участками распространения ультраосновных и основных пород, проще говоря, с распространением магмы. Чаще всего это ильменитовые, титаномагнетитовые ильменит-гематитовые руды;
• экзогенные месторождения – россыпные и остаточные, аллювиальные, аллювиально-озерные месторождения ильменита и рутила. А также прибрежно-морские россыпи, титановые, анатазовые руды в корах выветривания. Наибольшее значение имеет прибрежно-морские россыпи;
• метаморфизированные месторождения – песчаники с лейкоксеном, ильменит-магнетитовые руды, сплошные и вкрапленные.

Экзогенные месторождения – остаточные или россыпные, разрабатываются открытым методом. Для этого используют драги и экскаваторы.

Разработка коренных месторождений связана с проходкой шахт. Полученную руду на месте дробят и обогащают. Применяют гравитационное обогащение, флотацию, магнитную сепарацию.

В качестве исходного сырья может использоваться титановый шлак. Он содержит до 85% диоксида металла.

Технология получения

Процесс производства металла из ильменитовых руд состоит из нескольких стадий:

• восстановительная плавка с целью получения титанового шлака;
• хлорирование шлака;
• производства металла восстановлением;
• рафинирование титана – как правило, проводится с целью улучшения свойств продукта.

Процесс это сложный, многоэтапный и дорогостоящий. В результате достаточно доступный металл оказывается весьма дорогим в производстве.

О производстве титана расскажет данный видеосюжет:

Получение шлака

Ильменит является ассоциацией оксида титана с закисным железом. Поэтому целью первого этапа производства является отделение диоксида от оксидов железа. Для этого оксиды железа восстанавливают.

Процесс осуществляют в электродуговых печах. Ильменитовый концентрат загружают в печь, затем вводят восстановитель – древесный уголь, антрацит, кокс, и прогревают до 1650 С. При этом железо восстанавливается из оксида. Из восстановленного и науглероживающегося железа получают чугун, а оксид титана переходит в шлак. Последний в итоге содержит 82–90% титана.

Чугун и шлак разливают по отдельным изложницам. Чугун используют в металлургическом производстве.

Хлорирование шлака

Целью процесса является получение тетрахлорида металла, для дальнейшего применения. Непосредственно хлорировать ильменитовый концентрат оказывается невозможным, из-за образования большого количества хлорного железа – соединение очень быстро разрушает оборудование. Поэтому без стадии предварительного удаления оксида железа обойтись нельзя. Хлорирование проводится в шахтных или солевых хлораторах. Процесс несколько отличается.

• Шахтный хлоратор – футерованное цилиндрическое сооружение высотой до 10 м и диаметром до 2 м. Сверху в хлоратор укладывают брикеты из измельченного шлака, а через фурмы подают газ магниевых электролизеров, содержащий 65–70% хлора. Реакция между титановых шлаком и хлором происходит с выделением тепла, что обеспечивает требуемый для процесса температурный режим. Газообразный тетрахлорид титана отводят через верх, а остатки шлака непрерывно удаляют снизу.
• Солевой хлоратор , камера, футерованная шамотом и наполовину заполненная электролитом магниевых электролизеров – отработанным. В расплаве содержаться хлориды металлов – натрия, калия, магния и кальция. В расплав сверху подают измельченный титановый шлак и кокс, снизу вдувают хлор. Поскольку реакция хлорирования экзотермична, температурный режим поддерживается самим процессом.

Тетрахлорид титана очищают, причем несколько раз. Газ может содержать углекислый газ, угарный газ, другие примеси, так что очистка производится в несколько этапов.

Отработанный электролит периодически заменяют.

Получение металла

Металл восстанавливают из тетрахлорида магнием или натрием. Восстановление происходит с выделением тепла, что позволяет проводить реакцию без дополнительного обогрева.

Для восстановления используют электрические печи сопротивления. Сначала в камеру помещают герметичную колбу из хромо- сплавов высотой в 2–3 м. После того как емкость прогреют до +750 С, в нее вводят магний. А затем подают тетрахлорид титана. Подача регулируется.

1 цикл восстановления длится 30–50 ч, чтобы температура не повышалась выше 800–900 С, реторту обдувают воздухом. В итоге получают от 1 до 4 тонн губчатой массы – металл осаждается в виде крошек, которые спекаются в пористую массу. Жидкий хлорид магния периодически сливают.

Пористая масса впитывает довольно много хлорида магния. Поэтому после восстановления осуществляют вакуумную отгонку. Для этого реторту прогревают до 1000 С, создают в ней вакуум и выдерживают 30–50 часов. За это время примеси испаряются.

Восстановление натрием протекает почти таким же образом. Разница наличествует только в последнем этапе. Чтобы удалить примеси хлорида натрия, титановую губку измельчают и выщелачивают из нее соль обычной водой.

Рафинирование

Полученный описанным выше образом технический титан вполне годится для производства оборудования и емкостей для химической промышленности. Однако для областей, где требуется высокая жаростойкость и однородность свойств, металл не годится. В этом случае прибегают к рафинированию.

Рафинирование производится в термостате, где поддерживается температура в 100–200 С. В камеру помещают реторту с титановой губкой, а затем с помощью специального устройства в закрытой камере разбивают капсулу с йодом. Йод реагирует с металлом, образуя йодид титана.

В реторте натянуты титановые проволоки, по которым пропускают электрический ток. Проволока раскаляется до 1300–1400 С, полученный йодид разлагается на проволоке, формируя кристаллы чистейшего титана. Йод освобождается, вступает в реакцию. С новой порцией титановой губки и процесс продолжается, пока не исчерпается металл. Получение останавливают, когда благодаря наращиванию титана диаметр проволоки становится равным 25–30 мм. В одном таком аппарате можно получить 10 кг металла с долей в 99,9–99,99%.

Если необходимо получить ковкий металл в слитках, поступают иначе. Для этого титановую губку переплавляют в вакуумной дуговой печи, поскольку металл при высокой температуре активно впитывает газы. Расходуемый электрод получают из титановых отходов и губки. Жидкий металл затвердевает в аппарате в кристаллизаторе, охлаждаемом водой.

Плавку, как правило, повторяют дважды, чтобы улучшить качество слитков.

Из-за особенностей вещества – реакции с кислородом, азотом и впитывание газов, получение всех титановых сплавов также возможно лишь в электрических дуговых вакуумных печах.

Про Россию и другие страны-производители титана читайте ниже.

Популярные изготовители

Рынок производства титана достаточно закрытый. Как правило, страны, производящие большое количество металла, сами же и являются его потребителями.

В России самой большой и едва ли не единственной компанией, занимающейся получением титана, является «ВСМПО-Ависма». Она считается крупнейшим изготовителем металла, но это не совсем верно. Компания производит пятую часть титана, однако мировое потребление его выглядит иначе: около 5% расходуется на изделия и приготовление сплавов, а 95% – на получение диоксида.

Итак, производство титана в мире по странам:

• Ведущей страной-производителем является Китай. Страна обладает максимальными запасами титановых руд. Из 18 известных заводов по получению титановой губки 9 расположены в Китае.
• Второе место занимает Япония. Интересно, что в стране на авиакосмический сектор уходит только 2–3% металла, а остальной используется в химической промышленности.
• Третье место в мире по производству титана занимает Россия и ее многочисленные заводы. Затем следует Казахстан.
• США – следующая в списке страна-производитель, расходует титан традиционным образом: 60–75% титана использует авиакосмическая промышленность.

Производство титана – процесс технологически сложный, дорогостоящий и длительный. Однако потребности в этом материале настолько велики, что прогнозируется изрядное увеличение выплавки металла.

О том, как происходит резка титана на одном из производств в России, расскажет это видео:

НАПИШИТЕ НАМ СЕЙЧАС!

ЖМИТЕ НА КНОПКУ В ПРАВОМ НИЖНЕМ УГЛУ ЭКРАНА, ПИШИТЕ И ПОЛУЧИТЕ ЕЩЕ ЛУЧШУЮ ЦЕНУ!

Компания «ПерфектМеталл» закупает, наряду с другими металлами, лом титана. Любые пункты приема металлолома компании примут у вас титан, изделия из сплавов титана, титановую стружку и т.п. Откуда титан попадает в пункты сдачи металлолома? Все очень просто, этот металл нашел очень широкое применение как в промышленных целях, так и в быту человека. Сегодня этот металл используется при строительстве космических и военных ракет, много его используется и в самолетостроении. Из титана строят прочные и легкие морские суда. Химическая промышленность, ювелирное дело, не говоря уже об очень широком применении титана в медицинской промышленности. И все это из за того, что титан и его сплавы обладают рядом уникальных свойств.

Титан – описание и свойства

Земная кора, как известно, насыщенна многочисленным рядом химических элементов. Среди часто встречающихся среди них — титан. Можно сказать, что он находится на 10-м месте ТОПа самых распространенных хим элементов Земли. Титан — металл серебристо-белого цвета, стоек ко многим агрессивным средам, не подвержен окислению в ряде мощнейших кислот, исключениями являются лишь плавиковая, ортофосфорная серная кислота в высокой концентрации. Титан в чистом виде относительно молод, его получили лишь в 1925 году.

Пленка оксида, которая покрывает титан в чистом виде, служит весьма надежной защитой этого металла от коррозии. Ценится титан и за его низкую теплопроводность, для сравнения — титан в 13 раз хуже проводит тепло чем алюминий, а вот с проводимостью электричества обратная картина — титан обладает гораздо большим сопротивлением. Все же самой главная отличительная черта титана — его колоссальная прочность. Опять же если сравнить ее теперь с чистым железом, то титан в два раза превышает его прочность!

Сплавы титана

Сплавы из титана обладают так же выдающимися свойствами, среди которых на первом месте, как вы уже могли догадаться — прочность. Как конструкционный материал, титан уступает в прочности лишь бериллиевым сплавам. Однако неоспоримым преимуществом сплавов титана является их высокая стойкость к истиранию, износу и в то же время достаточная пластичность.

Титановые сплавы устойчивы к воздействию целого ряда активных кислот, солей, гидроксидов. Эти сплавы не боятся и высокотемпературных воздействий, именно поэтому из титана и его сплавов изготавливают турбины реактивных двигателей, да и вообще широко используются в ракетостроении и авиационной промышленности.

Где используется титан

Титан используется там, где необходим очень прочный материал, обладающий максимальной стойкостью к различным видам негативного воздействия. Например, в химической промышленности титановые сплавы применяются для производства насосов, емкостей и трубопроводов для транспортировки агрессивных жидкостей. В медицине титан служит для протезирования и обладает отличной биологической совместимостью с организмом человека. Кроме того, сплав титана и никеля – нитинол – обладает “памятью”, что позволяет использовать его в ортопедической хирургии. В металлургии титан служит легирующим элементом, который вводят в состав некоторых видов стали.

Благодаря сохранению пластичности и прочности под воздействием низких температур, металл используют в криогенной технике. В авиа- и ракетостроении титан ценится за свою жаропрочность, а наиболее широкое распространение здесь получил его сплав с алюминием и ванадием: именно из него изготавливают детали для корпусов летательных аппаратов и реактивных двигателей.

В свою очередь, в судостроении титановые сплавы применяют для изготовления металлических изделий с повышенной коррозийной устойчивостью. Но, помимо промышленного использования, титан служит сырьем для создания украшений и аксессуаров, так как он хорошо поддается таким методам обработки, как полировка или анодирование. В частности, из него отливают корпуса наручных часов и ювелирные украшения.

Титан получил широкое применение в составе различных соединений. Например, диоксид титана входит в состав красок, используется в процессе производства бумаги и пластика, а нитрид титана выступает в роли защитного покрытия инструментов. Несмотря на то, что титан называют металлом будущего, на данном этапе сфера его применения серьезно ограничена высокой стоимостью получения.

Таблица 1

Химический состав промышленных титановых сплавов.
Тип сплава	Марка сплава	Химический состав, % (остальное Ti)
		Аl	V	Mo	Mn	Cr	Si	Другие элементы
a	ВТ5 ВТ5-1	4,3-6,2 4,5-6,0	— —	— —	— —	— —	— —	— 2-3Sn
Псевдо-a	ОТ4-0 ОТ4-1 ОТ4 ВТ20 ВТ18	0,2-1,4 1,0-2,5 3,5-5,0 6,0-7,5 7,2-8,2	— — — 0,8-1,8 —	— — — 0,5-2,0 0,2-1,0	0,2-1,3 0,7-2,0 0,8-2,0 — —	— — — — —	— — — — 0,18-0,5	— — — 1,5-2,5Zr 0,5-1,5Nb 10-12Zr
a + b	ВТ6С ВТ6 ВТ8 ВТ9 ВТ3-1 ВТ14 ВТ16 ВТ22	5,0-6,5 5,5-7,0 6,0-7,3 5,8-7,0 5,5-7,0 4,5-6,3 1,6-3,0 4,0-5,7	3,5-4,5 4,2-6,0 — — — 0,9-1,9 4,0-5,0 4,0-5,5	— — 2,8-3,8 2,8-3,8 2,0-3,0 2,5-3,8 4,5-5,5 4,5-5,0	— — — — — — — —	— — — — 1,0-2,5 — — 0,5-2,0	— — 0,20-0,40 0,20-0,36 0,15-0,40 — — —	— — — 0,8-2,5Zr 0,2-0,7Fe — — 0,5-1,5Fe
b	ВТ15	2,3-3,6	—	6,8-8,0	—	9,5-11,0	—	1,0Zr

Физические и химические свойства титана, получение титана

Применение титана в чистом виде и в виде сплавов, применение титана в виде соединений, физиологическое действие титана

Раздел 1. История и нахождение в природе титана.

Титан — это элемент побочной подгруппы четвёртой группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 22. Простое вещество титан (CAS-номер: 7440-32-6) — лёгкий металл серебристо-белого цвета. Существует в двух кристаллических модификациях: α-Ti с гексагональной плотноупакованной решёткой, β-Ti с кубической объёмно-центрированной упаковкой, температура полиморфного превращения α↔β 883 °C. Температура плавления 1660±20 °C.

История и нахождение в природе титана

Титан был назван так в честь древнегреческих персонажей Титанов. Назвал его так немецкий химик Мартин Клапрот по своим личным соображениями в отличии от французов которые старались давать названия в соответствии с химическими особенностями элемента, но так как тогда свойства элемента были неизвестны, было выбрано такое название.

Титан является 10 элементов по кол-ву его на нашей планете. Кол-во титана в земной коре равно 0.57 % по массе и 0.001 миллиграмм на 1 литр морской воды. Месторождения титана находятся на территории: Южно Африканской Республики, Украины, России, Казахстана, Японии, Австралии, Индии, Цейлона, Бразилии и Южной Кореи.

По физическим свойствам титан легкий серебристый металл, кроме того характерна высокая вязкость при механической обработке и склонен к прилипанию к режущему инструменту, поэтому используют специальные смазки или напыление для устранения этого эффекта. При комнатной температуре покрывается лассивирующей пленкой оксида TiO2, благодаря этому имеет стойкость к коррозии в большинстве агрессивных сред, кроме щелочей. Титановая пыль имеет свойство взрываться, при этом температура вспышки равна 400 °C. Титановая стружка пожароопасна.

Чтобы произвести титан в чистом виде или его сплавы в большинстве случаев используют диоксид титана с небольшим кол-вом соединений входящих в него. Например, рутиловый концентрат, получаемый при обогащении титановых руд. Но запасы рутила крайне малы и в связи с этим используют так называемый синтетический рутил или титановый шлак, получаемый при обработке ильменитовых концентратов.

Первооткрывателем титана считается 28-летний английский монах Уильям Грегор. 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 крупицы черного блестящего минерала, притягивающегося обыкновенным магнитом. Полученный в 1925 г. Ван Аркелем и де Буром иодидным методом чистейший титан оказался пластичным и технологичным металлом со многими ценными свойствами, которые привлекли к нему внимание широкого круга конструкторов и инженеров. В 1940 г. Кролль предложил магниетермический способ извлечения титана из руд, который является основным и в настоящее время. В 1947 г. были выпущены первые 45 кг технически чистого титана.

В периодической системе элементов Менделеева титан имеет порядковый номер 22. Атомная масса природного титана, вычисленная по результатам исследований его изотопов, составляет 47,926. Итак, ядро нейтрального атома титана содержит 22 протона. Количество же нейтронов, т. е. нейтральных незаряженных частиц, различно: чаще 26, но может колебаться от 24 до 28. Поэтому и число изотопов титана различно. Всего сейчас известно 13 изотопов элемента № 22. Природный титан состоит из смеси пяти стабильных изотопов, наиболее широко представлен титан-48, его доля в природных рудах 73,99%. Титан и другие элементы подгруппы IVВ очень близки по свойствам к элементам подгруппы IIIВ (группы скандия), хотя и отличаются от последних способностью проявлять большую валентность. Сходство титана со скандием, иттрием, а также с элементами подгруппы VВ – ванадием и ниобием выражается и в том, что в природных минералах титан часто встречается вместе с этими элементами. С одновалентными галогенами (фтором, бромом, хлором и йодом) он может образовывать ди- три- и, тетрасоединения, с серой и элементами ее группы (селеном, теллуром) – моно- и дисульфиды, с кислородом – оксиды, диоксиды и триоксиды.

Титан образует также соединения с водородом (гидриды), азотом (нитриды), углеродом (карбиды), фосфором (фосфиды), мышьяком (арсиды), а также соединения со многими металлами – интерметаллиды. Образует титан не только простые, но и многочисленные комплексные соединения, известно немало его соединений с органическими веществами. Как видно из перечня соединений, в которых может участвовать титан, он химически весьма активен. И в то же время титан является одним из немногих металлов с исключительно высокой коррозионной стойкостью: он практически вечен в атмосфере воздуха, в холодной и кипящей воде, весьма стоек в морской воде, в растворах многих солей, неорганических и органических кислотах. По своей коррозионной стойкости в морской воде он превосходит все металлы, за исключением благородных – золота, платины и т. п., большинство видов нержавеющей стали, никелевые, медные и другие сплавы. В воде, во многих агрессивных средах чистый титан не подвержен коррозии. Противостоит титан и эрозионной коррозии, происходящей в результате сочетания химического и механического воздействия на металл. В этом отношении он не уступает лучшим маркам нержавеющих сталей, сплавам на основе меди и другим конструкционным материалам. Хорошо противостоит титан и усталостной коррозии, проявляющейся часто в виде нарушений целостности и прочности металла (растрескивание, локальные очаги коррозии и т. п.). Поведение титана во многих агрессивных средах, в таких, как азотная, соляная, серная, «царская водка» и другие кислоты и щелочи, вызывает удивление и восхищение этим металлом.

Титан весьма тугоплавкий металл. Долгое время считалось, что он плавится при 1800° С, однако в середине 50-х гг. английские ученые Диардорф и Хейс установили температуру плавления для чистого элементарного 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. Главное же, что эти свойства не меняются существенно при высоких температурах.

Титан – легкий металл, его плотность при 0° С составляет всего 4,517 г/см8, а при 100° С – 4,506 г/см3. Титан относится к группе металлов с удельной массой менее 5 г/см3. Сюда входят все щелочные металлы (натрий, кадий, литий, рубидий, цезий) с удельной массой 0,9–1,5 г/см3, магний (1,7 г/см3), алюминий (2,7 г/см3) и др. Титан более чем в 1,5 раза тяжелее алюминия, и в этом он, конечно, ему проигрывает, но зато в 1,5 раза легче железа (7,8 г/см3). Однако, занимая по удельной плотности промежуточное положение между алюминием и железом, титан по своим механическим свойствам во много раз их превосходит.). Титан обладает значительной твердостью: он в 12 раз тверже алюминия, в 4 раза–железа и меди. Еще одна важная характеристика металла – предел текучести. Чем он выше тем лучше детали из этого металла сопротивляются эксплуатационным нагрузкам. Предел текучести у титана почти в 18 раз выше, чем у алюминия. 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. 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.

В отличие от большинства металлов титан обладает значительным электрическим сопротивлением: если электропроводность серебра принять за 100, то электропроводность меди равна 94, алюминия – 60, железа и платины –15, а титана–всего 3,8. Титан – парамагнитный металл, он не намагничивается, как железо, в магнитном поле, но и не выталкивается из него, как медь. Его магнитная восприимчивость очень слаба, это свойство можно использовать при строительстве. Титан обладает сравнительно низкой теплопроводностью, всего 22,07 Вт/(мК), что приблизительно в 3 раза ниже теплопроводности железа, в 7 раз–магния, в 17–20 раз–алюминия и меди. Соответственно и коэффициент линейного термического расширения у титана ниже, чем у других конструкционных материалов: при 20 С он в 1,5 раза ниже чем у железа, в 2 — у меди и почти в 3 — у алюминия. Таким образом, титан – плохой проводник электричества и тепла.

Сегодня титановые сплавы широко применяют в авиационной технике. Титановые сплавы в промышленном масштабе впервые были использованы в конструкциях авиационных реактивных двигателей. Применение титана в конструкции реактивных двигателей позволяет уменьшить их массу на 10…25%. В частности, из титановых сплавов изготавливают диски и лопатки компрессора, детали воздухозаборника, направляющего аппарата и крепежные изделия. Титановые сплавы незаменимы для сверхзвуковых самолетов. Рост скоростей полета летательных аппаратов привел к повышению температуры обшивки, в результате чего алюминиевые сплавы перестали удовлетворять требованиям, которые предъявляются авиационной техникой сверхзвуковых скоростей. Температура обшивки в этом случае достигает 246…316 °С. В этих условиях наиболее приемлемым материалом оказались титановые сплавы. В 70-х годах существенно возросло применение титановых сплавов для планера гражданских самолетов. В среднемагистральном самолете ТУ-204 общая масса деталей из титановых сплавов составляет 2570 кг. Постепенно расширяется применение титана в вертолетах, главным образом, для деталей системы несущего винта, привода, а также системы управления. Важное место занимают титановые сплавы в ракетостроении.

Благодаря высокой коррозионной стойкости в морской воде титан и его сплавы находят применение в судостроении для изготовления гребных винтов, обшивки морских судов, подводных лодок, торпед и т.д. На титан и его сплавы не налипают ракушки, которые резко повышают сопротивление судна при его движении. Постепенно области применения титана расширяются. Титан и его сплавы применяют в химической, нефтехимической, целлюлозно-бумажной и пищевой промышленности, цветной металлургии, энергомашиностроении, электронике, ядерной технике, гальванотехнике, при производстве вооружения, для изготовления броневых плит, хирургического инструмента, хирургических имплантатов, опреснительных установок, деталей гоночных автомобилей, спортинвентаря (клюшки для гольфа, снаряжение альпинистов), деталей ручных часов и даже украшений. Азотирование титана приводит к образованию на его поверхности золотистой пленки, по красоте не уступающей настоящему золоту.

Открытие TiO2 сделали практически одновременно и независимо друг от друга англичанин У. Грегор и немецкий химик М. Г. Клапрот. У. Грегор, исследуя состав магнитного железистого песка (Крид, Корнуолл, Англия, 1791), выделил новую «землю» (оксид) неизвестного металла, которую назвал менакеновой. В 1795 г. немецкий химик Клапрот открыл в минерале рутиле новый элемент и назвал его титаном. Спустя два года Клапрот установил, что рутил и менакеновая земля — оксиды одного и того же элемента, за которым и осталось название «титан», предложенное Клапротом. Через 10 лет открытие титана состоялось в третий раз. Французский учёный Л. Воклен обнаружил титан в анатазе и доказал, что рутил и анатаз — идентичные оксиды титана.

Первый образец металлического титана получил в 1825 году Й. Я. Берцелиус. Из-за высокой химической активности титана и сложности его очистки чистый образец Ti получили голландцы А. ван Аркел и И. де Бур в 1925 году термическим разложением паров иодида титана TiI4.

Титан находится на 10-м месте по распространённости в природе. Содержание в земной коре 0,57 % по массе, в морской воде 0,001 мг/л. В ультраосновных породах 300 г/т, в основных — 9 кг/т, в кислых 2,3 кг/т, в глинах и сланцах 4,5 кг/т. В земной коре титан почти всегда четырёхвалентен и присутствует только в кислородных соединениях. В свободном виде не встречается. Титан в условиях выветривания и осаждения имеет геохимическое сродство с Al2O3. Он концентрируется в бокситах коры выветривания и в морских глинистых осадках. Перенос титана осуществляется в виде механических обломков минералов и в виде коллоидов. До 30 % TiO2 по весу накапливается в некоторых глинах. Минералы титана устойчивы к выветриванию и образуют крупные концентрации в россыпях. Известно более 100 минералов, содержащих титан. Важнейшие из них: рутил TiO2, ильменит FeTiO3, титаномагнетит FeTiO3 + Fe3O4, перовскит CaTiO3, титанит CaTiSiO5. Различают коренные руды титана — ильменит-титаномагнетитовые и россыпные — рутил-ильменит-цирконовые.

Основные руды: ильменит (FeTiO3), рутил (TiO2), титанит (CaTiSiO5).

На 2002 год, 90 % добываемого титана использовалось на производство диоксида титана TiO2. Мировое производство диоксида титана составляло 4,5 млн т. в год. Подтверждённые запасы диоксида титана (без России) составляют около 800 млн т. На 2006 год, по оценке Геологической службы США, в пересчёте на диоксид титана и без учёта России, запасы ильменитовых руд составляют 603-673 млн т., а рутиловых — 49.7-52.7 млн т. Таким образом, при нынешних темпах добычи мировых разведанных запасов титана (без учёта России) хватит более, чем на 150 лет.

Россия обладает вторыми в мире, после Китая, запасами титана. Минерально-сырьевую базу титана России составляют 20 месторождений (из них 11 коренных и 9 россыпных), достаточно равномерно рассредоточенных по территории страны. Самое крупное из разведанных месторождений (Ярегское) находится в 25 км от города Ухта (Республика Коми). Запасы месторождения оцениваются в 2 миллиарда тонн руды со средним содержанием диоксида титана около 10 %.

Крупнейший в мире производитель титана — российская компания «ВСМПО-АВИСМА».

Как правило, исходным материалом для производства титана и его соединений служит диоксид титана со сравнительно небольшим количеством примесей. В частности, это может быть рутиловый концентрат, получаемый при обогащении титановых руд. Однако запасы рутила в мире весьма ограничены, и чаще применяют так называемый синтетический рутил или титановый шлак, получаемые при переработке ильменитовых концентратов. Для получения титанового шлака ильменитовый концентрат восстанавливают в электродуговой печи, при этом железо отделяется в металлическую фазу (чугун), а не восстановленные оксиды титана и примесей образуют шлаковую фазу. Богатый шлак перерабатывают хлоридным или сернокислотным способом.

В чистом виде и в виде сплавов

Титановый памятник Гагарину на Ленинском проспекте в Москве

Металл применяется в: химической промышленности (реакторы, трубопроводы, насосы, трубопроводная арматура), военной промышленности (бронежилеты, броня и противопожарные перегородки в авиации, корпуса подводных лодок), промышленных процессах (опреснительных установках, процессах целлюлозы и бумаги), автомобильной промышленности, сельскохозяйственной промышленности, пищевой промышленности, украшениях для пирсинга, медицинской промышленности (протезы, остеопротезы), стоматологических и эндодонтических инструментах, зубных имплантатах, спортивных товарах, ювелирных изделиях (Александр Хомов), мобильных телефонах, лёгких сплавах и т. д. Является важнейшим конструкционным материалом в авиа-, ракето-, кораблестроении.

Титановое литье выполняют в вакуумных печах в графитовые формы. Также используется вакуумное литье по выплавляемым моделям. Из-за технологических трудностей, в художественном литье используется ограниченно. Первой в мировой практике монументальной литой скульптурой из титана является памятник Юрию Гагарину на площади его имени в Москве.

Титан является легирующей добавкой во многих легированных сталях и большинстве спецсплавов.

Нитинол (никель-титан) — сплав, обладающий памятью формы, применяемый в медицине и технике.

Алюминиды титана являются очень стойкими к окислению и жаропрочными, что в свою очередь определило их использование в авиации и автомобилестроении в качестве конструкционных материалов.

Титан является одним из наиболее распространённых геттерных материалов, используемых в высоковакуумных насосах.

Белый диоксид титана (TiO2) используется в красках (например, титановые белила), а также при производстве бумаги и пластика. Пищевая добавка E171.

Титанорганические соединения (напр. тетрабутоксититан) применяются в качестве катализатора и отвердителя в химической и лакокрасочной промышленности.

Неорганические соединения титана применяются в химической электронной, стекловолоконной промышленности в качестве добавки или покрытий.

Карбид титана, диборид титана, карбонитрид титана — важные компоненты сверхтвёрдых материалов для обработки металлов.

Нитрид титана применяется для покрытия инструментов, куполов церквей и при производстве бижутерии, т.к. имеет цвет, похожий на золото.

Титанат бария BaTiO3, титанат свинца PbTiO3 и ряд других титанатов — сегнетоэлектрики.

Существует множество титановых сплавов с различными металлами. Легирующие элементы разделяют на три группы, в зависимости от их влияния на температуру полиморфного превращения: на бета-стабилизаторы, альфа-стабилизаторы и нейтральные упрочнители. Первые понижают температуру превращения, вторые повышают, третьи не влияют на неё, но приводят к растворному упрочнению матрицы. Примеры альфа-стабилизаторов: алюминий, кислород, углерод, азот. Бета-стабилизаторы: молибден, ванадий, железо, хром, никель. Нейтральные упрочнители: цирконий, олово, кремний. Бета-стабилизаторы, в свою очередь, делятся на бета-изоморфные и бета-эвтектоидообразующие. Самым распространённым титановым сплавом является сплав Ti-6Al-4V (в российской классификации — ВТ6).

60 % — краска;

20 % — пластик;

13 % — бумага;

7 % — машиностроение.

15-25 $ за килограмм, в зависимости от чистоты.

Чистота и марка чернового титана (титановой губки) обычно определяется по её твёрдости, которая зависит от содержания примесей. Наиболее распространены марки ТГ100 и ТГ110.

Цена ферротитана (минимум 70 % титана) на 22.12.2010 $6,82 за килограмм. На 01.01.2010 цена была на уровне $5,00 за килограмм.

В России цены на титан на начало 2012 года составляли 1200-1500 руб/кг.

Достоинства:

малая плотность (4500 кг/м3) способствует уменьшению массы используемого материала;

высокая механическая прочность. Стоит отметить, что при повышенных температурах (250-500 °С) титановые сплавы по прочности превосходят высокопрочные сплавы алюминия и магния;

необычайнао высокая коррозионная стойкость, обусловленная способностью титана образовывать на поверхности тонкие (5-15 мкм) сплошные пленки оксида ТiO2, прочно связанные с массой металла;

удельная прочность (отношение прочности и плотности) лучших титановых сплавов достигает 30-35 и более, что почти вдвое превышает удельную прочность легированных сталей.

Недостатки:

высокая стоимость производства, титан значительно дороже железа, алюминия, меди, магния;

активное взаимодействие при высоких температурах, особенно в жидком состоянии, со всеми газами, составляющими атмосферу, в результате чего титан и его сплавы можно плавить лишь в вакууме или в среде инертных газов;

трудности вовлечения в производство титановых отходов;

плохие антифрикционные свойства, обусловленные налипанием титана на многие материалы, титан в паре с титаном не может работать на трение;

высокая склонность титана и многих его сплавов к водородной хрупкости и солевой коррозии;

плохая обрабатываемость резанием, аналогичная обрабатываемости нержавеющих сталей аустенитного класса;

большая химическая активность, склонность к росту зерна при высокой температуре и фазовые превращения при сварочном цикле вызывают трудности при сварке титана.

Основная часть титана расходуется на нужды авиационной и ракетной техникии и морского судостроения. Титан (ферротитан) используют в качестве лигирующей добавки к качественным сталям и как раскислитель. Технический титан идет на изготовление емкостей, химических реакторов, трубопроводов, арматуры, насосов, клапанов и других изделий, работающих в агрессивных средах. Из компактного титана изготавливают сетки и другие детали элетктровакуумных приборов, работающих при высоких температурах.

По использованию в качестве конструкционного материала титан находится на 4-ом месте, уступая лишь Al, Fe и Mg. Алюминиды титана являются очень стойкими к окислению и жаропрочными, что в свою очередь определило их использование в авиации и автомобилестроении в качестве конструкционных материалов. Биологическая безвредность титана делает его превосходным материалом для пищевой промышленности и восстановительной хирургии.

Титан и его сплавы нашли широкое применеие в технике ввиду своей высокой мехнической прочности, которая сохраняется при высоких температурах, коррозионной стойкости, жаропрочности, удельной прочности, малой плотности и прочих полезных свойств. Высокая стоимость титана и его сплавов во многих случаях компенсируется их большей работоспособностью, а в некоторых случаях они являются единственным материалом, из которого можно изготовить оборудование или конструкции, способные работать в данных конкретных условиях.

Титановые сплавы играют большую роль в авиационной технике, где стремятся получить наиболее легкую конструкцию в сочетании с необходимой прочностью. Титан легок по сравнению с другими металлами, но в то же время может работать при высоких температурах. Из титановых сплавов изготовляют обшивку, детали крепления, силовой набор, детали шасси, различные агрегаты. Также данные материалы применяются в конструкциях авиационных реактивных двигателей. Это позволяет уменьшить их массу на 10-25%. Из титановых сплавов производят диски и лопатки компрессора, детали воздухозаборника и направляющего аппарата, крепеж.

Также титан и его сплавы используют в ракетостроении. Ввиду кратковременной работы двигателей и быстрого прохождения плотных слоев атмосферы в ракетостроении в значительной мере снимаются проблемы усталостной прочности, статической выносливости и отчасти ползучести.

Технический титан из-за недостаточно высокой теплопрочности не пригоден для применення в авиации, но благодаря исключительно высокому сопротивлению коррозии в ряде случаев незаменим в химической промышленности и судостроении. Так его применяют при изготовлении компрессоров и насосов для перекачки таких агрессивных сред, как серная и соляная кислота и их соли, трубопроводов, запорной арматуры, автоклав, различного рода емкостей, фильтров и т. п. Только титан обладает коррозионной стойкостью в таких средах, как влажный хлор, водные и кислые растворы хлора, поэтому из данного металла изготовляют оборудование для хлорной промышленности. Из титана делают теплообменникн, работающие в коррозионно активных средах, например в азотной кислоте (не дымящей). В судостоении титан используется для изготовления гребных винтов, обшивки морских судов, подводных лодок, торпед и т.д. На титан и его сплавы не налипают ракушки, которые резко повышают сопротивление судна при его движении.

Титановые сплавы перспективны для использования во многих других применениях, но их распространение в технике сдерживается высокой стоимостью и дефицитностью титана.

Соединения титана также получили широкое применение в различных отраслях промышленности. Карбид титана обладает высокой твердостью и применяется в производстве режущих инструментов и абразивных материалов. Белый диоксид титана (TiO2) используется в красках (например, титановые белила), а также при производстве бумаги и пластика. Титанорганические соединения (напр. тетрабутоксититан) применяются в качестве катализатора и отвердителя в химической и лакокрасочной промышленности. Неорганические соединения титана применяются в химической электронной, стекловолоконной промышленности в качестве добавки. Диборид титана — важный компонент сверхтвердых материалов для обработки металлов. Нитрид титана применяется для покрытия инструментов.

При существующих высоких ценах на титан его применяют преимущественно для производства военного оборудования, где главная роль принадлежит не стоимости, а техническим характеристикам. Тем не менее известны случаи использования уникальных свойств титана для гражданских нужд. По мере снижения цен на титан и роста его производства применение этого металла в военных и гражданских целях будет все больше расширяться.

Авиация. 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.

Титан получает все большее применение при постройке самолетов F-86 и F-100. 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.

В настоящее время титан применяется в конструкции самолетов военной авиации Дуглас Х-3 для обшивки, Рипаблик F-84F, Кертисс-Райт J-65 и Боинг В-52.

Применяется титан и при постройке гражданских самолетов DC-7. Фирма «Дуглас» заменой алюминиевых сплавов и нержавеющей стали титаном при изготовлении мотогондолы и противопожарных перегородок уже добилась экономии в весе конструкции самолета около 90 кг. В настоящее время вес титановых деталей в этом самолете составляет 2%, причем эту цифру предусматривается довести до 20% общего веса самолета.

Применение титана позволяет уменьшить вес геликоптеров. Листовой титан используется для полов и дверей. Значительное снижение веса геликоптера (около 30 кг) было достигнуто в результате замены легированной стали титаном для обшивки лопастей его несущих винтов.

Военно-морской флот. Коррозионная стойкость титана и его сплавов делает их весьма ценным материалом на море. Военно-морское министерство США обстоятельно исследует коррозионную стойкость титана против воздействия дымовых газов, пара, масла и морской воды. Почти такое же значение в военно-морском деле имеет и высокое значение удельной прочности титана.

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 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.

Артиллерия. По-видимому, наиболее крупным потенциальным потребителем титана может явиться артиллерия, где в настоящее время ведутся интенсивные исследования различных опытных образцов. Тем не менее в этой области стандартизовано производство лишь отдельных деталей и частей из титана. Весьма ограниченное использование титана в артиллерии при большом размахе исследований объясняется его высокой стоимостью.

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.

Проведенные первые исследования титана и его сплавов показали возможность изготовления из них броневых плит. Замена стальной брони (толщиной 12,7 мм) титановой броней одинаковой снарядостойкости (толщиной 16 мм) позволяет получить, по данным этих исследований, экономию в весе до 25%.

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.

Транспорт. Многие из тех выгод, которые сулит использование титана при производстве бронетанковой материальной части, относятся и к транспортным средствам.

Замена конструкционных материалов, потребляемых в настоящее время предприятиями транспортного машиностроения, титаном должна привести к снижению расхода топлива, росту полезной грузоподъемности, повышению предела усталости деталей кривошипно-шатунных механизмов и т. п. На железных дорогах исключительно важно снизить мертвый груз. Существенное уменьшение общего веса подвижного состава за счет применения титана позволит сэкономить в тяге, уменьшить габариты шеек и букс.

Важное значение вес имеет и для прицепных автотранспортных средств. Здесь замена стали титаном при производстве осей и колес также позволила бы увеличить полезную грузоподъемность.

Все эти возможности можно было бы реализовать при снижении цены титана с 15 до 2-3 долларов за фунт титановых полуфабрикатов.

Химическая промышленность. При производстве оборудования для химической промышленности самое важное значение имеет коррозионная стойкость металла. Существенно также снизить вес и повысить прочность оборудования. Логически следует предположить, что титан мог бы дать ряд выгод при производстве из него оборудования для транспортировки кислот, щелочей и неорганических солей. Дополнительные возможности применения титана открываются в производстве такого оборудования, как баки, колонны, фильтры и всевозможные баллоны высокого давления.

Применение трубопроводов из титана способно повысить коэффициент полезного действия нагревательных змеевиков в лабораторных автоклавах и теплообменниках. О применимости титана для производства баллонов, в которых длительно хранятся газы и жидкости под давлением, свидетельствует применяемая при микроанализе продуктов сгорания вместо более тяжелой трубки из стекла (показана в верхней части снимка). Благодаря малой толщине стенок и незначительному удельному весу эта трубка может взвешиваться на более чувствительных аналитических весах меньших размеров. Здесь сочетание легкости и коррозионной стойкости позволяет повысить точность химического анализа.

Прочие области применения. Применение титана целесообразно в пищевой, нефтяной и электротехнической промышленности, а также для изготовления хирургических инструментов и в самой хирургии.

Столы для подготовки пищи, пропарочные столы, изготовленные из титана, по качествам превосходят стальные изделия.

В нефте- и газобурильной областях серьезное значение имеет борьба с коррозией, поэтому применение титана позволит реже заменять корродирующие штанги оборудования. В каталитическом производстве и для изготовления нефтепроводов желательно применять титан, сохраняющий механические свойства при высокой температуре и обладающий хорошей коррозионной устойчивостью.

В электропромышленности титан можно применить для бронирования кабелей благодаря хорошей удельной прочности, высокому электрическому сопротивлению и немагнитным свойствам.

В различных отраслях промышленности начинают применять крепежные детали той или иной формы, изготовленные из титана. Дальнейшее расширение применения титана возможно для изготовления хирургических инструментов главным образом благодаря его коррозионной стойкости. Инструменты из титана в этом отношении превосходят обычные хирургические инструменты при многократном кипячении или обработке в автоклаве.

В области хирургии титан оказался лучше виталлиума и нержавеющих сталей. Присутствие титана в организме вполне допустимо. Пластинка и винты из титана для крепления костей находились в организме животного несколько месяцев, причем имело место прорастание кости в нитки резьбы винтов и в отверстие пластинки.

Преимущество титана заключается также в том, что на пластине образуется мышечная ткань.

Примерно половина производимой в мире титановой продукции направляется обычно в гражданское авиастроение, но его спад после известных трагических событий вынуждает многих участников отрасли искать новые области применения титана. Данный материал представляет первую часть подборки публикаций в зарубежной металлургической прессе, посвященных перспективам титана в современных условиях. По оценкам одного из ведущих американских производителей титана RТ1, из общего объма производства титана в мировом масштабе на уровне 50-60 тыс. тонн в год на долю аэрокосмического сегмента приходится до 40 потребления, на долю промышленных применений и приложений приходится 34, на военную область 16, и около 10 приходится на применение титана в потребительских продуктов. Промышленное применение титана включает в себя химические процессы, энергетику, нефтегазовую отрасль, опреснительные установки. Военное не авиационное применение включает, прежде всего, использование в артиллерии и боевых машинах. Секторами со значительными объмами применения титана являются автомобилестроение, архитектура и строительство, спортивные товары, ювелирные изделия. Практически весь титан в слитках производится в США, Японии и СНГ — на долю Европы приходится всего 3,6 от общемирового объма. Региональные рынки конечного применения титана весьма различаются — наиболее ярким примером своеобразия является Япония, где на гражданский авиакосмический сектор приходится всего 2-3 при использовании 30 от общего потребления титана в оборудовании и конструкционных элементах химических заводов. Примерно 20 от общего спроса в Японии приходится на атомную энергетику и на электростанции на тврдом топливе, остальная доля приходится на архитектуру, медицину и спорт. Противоположная картина наблюдается в США и Европе, где исключительно большое значение имеет потреблениев аэрокосмическом секторе — 60-75 и 50-60 для каждого региона соответственно. В США традиционно сильными конечными рынками являются химическая промышленность, медицинское оборудование, промышленное оборудование, в то время как в Европе наибольшая доля приходится на нефтегазовую промышленность и строительную промышленность. Сильная зависимость от аэрокосмической отрасли была давним предметом беспокойства титановой промышленности, которая пытается расширить области применения титана, что особенно актуально в условиях текущего спада в гражданской авиации в мировом масштабе. По данным Геологической службы США в первом квартале 2003 года произошл значительный спад импорта титановой губки — всего лишь 1319 тонн, что на 62 меньше 3431 тонн за аналогичный период 2002 года. Как считает директор по развитию рынка гигантского американского производителя и поставщика титановой продукции Типе Джон Барбер, аэрокосмический сектор всегда будет одним из ведущих рынков для титана, но мы титановая промышленность должны принять вызов и сделать вс, чтобы быть уверенными, что наша промышленность не будет следовать за циклами развития и спадов в аэрокосмическом секторе. Некоторые из ведущих производителей титановой промышленности видят рост возможностей на уже существующих рынках, одним из которых является рынок оборудования и материалов для подводных работ. Как говорит Мартин Проко, менеджер по продажам и дистрибуции RТ1, титан достаточно давно, с начала 1980-х годов используется в энергетике и при подводных работах, но только в последние пять лет эти направления стали устойчиво развивающимися с соответствующим ростом ниши на рынке. Что касается подводных работ, то здесь рост, прежде всего, обусловлен бурильными работами на большей глубине, где титан является наиболее подходящим материалом. Его, так сказать, подводный жизненный цикл составляет пятьдесят лет, что соответствует обычной продолжительности подводных проектов. Выше уже перечислялись области, в которых вероятен рост применения титана. Как отмечает менеджер по продажам американской компании Howmet Ti-Cast Боб Фаннелл, текущее состояние рынка можно рассматривать, как рост возможностей в новых областях, таких как вращающиеся части устройств турбонадува у грузовиков, ракеты и насосы.

Одним из наших текущих проектов является развитие лгких артиллерийских систем ВАЕ Ноwitzer ХМ777 калибром 155 мм. Ноwmet поставит 17 из 28 узлов структурного титанового литья для каждой орудийной установки, поставки которых в части морской пехоты США должны начаться в августе 2004 года. При общем весе орудия 9800 фунтов приблизительно 4,44 тонн в его конструкции на долю титана приходится около 2600 фунтов приблизительно 1,18 тонн — используется сплав 6А14У с большим количеством отливок, говорит Фрэнк Хрстер, руководитель систем огневой поддержки ВАЕ 8у81ет8. Эта система ХМ777 должна заменить находящуюся на вооружение систему М198 Ноwitzег, которая весит около 17000 фунтов приблизительно 7,71 тонн. Массовое производство запланировано на период с 2006 по 2010 год — первоначально расписаны поставки в США, Великобританию и Италию, но возможно расширение программы для поставок в страны-члены НАТО. Джон Барбер из Timet указывает, что примерами военной техники, в конструкции которой используются значительные объмы титана, являются танк Абраме и боевая машина Брэдли. В течение уже двух лет выполняется совместная программа НАТО, США и Великобритании по интенсификации использования титана в системах вооружений и обороны. Как уже не раз отмечалось, титан очень подходит к использованию в автомобилестроении, правда, доля этого направления довольно скромна — примерно 1 от общего объма потребляемого титана, или 500 тонн в год, по данным итальянской компании Роggipolini, производителя титановых узлов и деталей для Формулы-1 и гоночных мотоциклов. Руководитель отдела исследований и развития этой фирмы Даниеле Стопполини считает, что текущий спрос на титан в этом сегменте рынка на уровне 500 тонн при массовом использовании этого материала в конструкциях клапанов, пружин, выхлопных систем, передаточных валов, болтов может в потенциале подняться на уровень чуть ли не 16000 тонн в год Он добавил, что его компания только начинает развитие автоматизированного производства титановых болтов с целью снижения производственных затрат. По его мнению, сдерживающими факторами, из-за которых использование титана не расширяется значительно в автомобилестроении, являются непредсказуемость спроса и неопределнность с поставками сырья. При этом в автомобилестроении сохраняется большая потенциальная ниша для титана, соединяющего оптимальные весовые и прочностные характеристики для витых пружин и систем вывода отработанных газов. К сожалению, на американском рынке широким использованием титана в этих системах отмечена только достаточно эксклюзивная полуспортивная модель Шевроле-Корветт Z06, которая никак не может претендовать на роль массового автомобиля. Однако вследствие постоянных задач экономии топлива и коррозийной стойкости перспективы для титана в этой области сохраняются. Для утверждения на рынках не авиакосмического и не военного применения недавно было создано совместное предприятие UNITI в его названии обыгрывается слово unity — единство и Тi — обозначение титана в периодической таблице в составе ведущих мировых производителей титана — американской Allegheny Technologies и российской ВСМПО-Ависма. Как сказал президент новой компании Карл Мултон, эти рынки были преднамеренно исключены — мы намерены сделать новую компанию ведущим поставщиком для отраслей промышленности, использующих детали и сборочные узлы из титана, в первую очередь нефтехимической и энергетической. Кроме того, мы намерены вести активный маркетинг в области опресняющих устройств, транспортных средств, потребительских товаров и электроники. Считаю, что наши производства хорошо дополняют друг друга — у ВСМПО выдающиеся возможности для производства конечной продукции, у Allegheny отличные традиции по производству холодного и горячего титанового проката. Как ожидается, доля продукции UNITI на глобальном рынке титановой продукции составит 45 млн. фунтов приблизительно 20411 тонн. Устойчиво развивающимся рынком можно считать рынок медицинского оборудования — по данным английской Titanium International Group ежегодно содержание титана по всему миру в различных имплантантах и протезах составляет около 1000 тонн, и эта цифра будет возрастать, так как растут возможности хирургии по замене человеческих суставов после несчастных случаев или травм. Кроме очевидных преимуществ гибкости, прочности, легкости, титан в высшей степени совместим с организмом в биологическом смысле благодаря отсутствию коррозии к тканям и жидкостям в человеческом теле. В стоматологии также резко увеличивается использование протезов и имплантантов — по данным Американской ассоциации стоматологов, за последние десять лет в три раза, во многом благодаря характеристикам титана. Хотя применение титана в архитектуре насчитывает более 25 лет, его широкое распространение в этой области началось только в последние годы. В работах по расширению аэропорта Абу-Даби в ОАЭ, завершение которых запланировано на 2006 год, будет использовано до 1.5 млн. фунтов приблизительно 680 тонн титана. Достаточно много различных архитектурно-строительных проектов с использованием титана планируется осуществить не только в развитых странах США, Канада, Великобритания, Германия, Швейцария, Бельгия, Сингапур, но и в Египте и Перу.

Сегмент рынка потребительских товаров в настоящее время является наиболее быстро растущим сегментом титанового рынка. В то время как 10 лет назад этот сегмент составлял только 1-2 титанового рынка, сегодня он вырос до 8-10 рынка. В целом потребление титана в производстве потребительских товаров росло примерно в два раза быстрее, чем весь титановый рынок. Использование титана в спорте является наиболее долговременным и занимает наибольшую долю в применении титана в потребительских товарах. Причина популярности использования титана в спортивном инвентаре проста — он позволяет получить превосходящее любой другой металл соотношение веса и прочности. Использование титана в велосипедах началось примерно 25-30 лет назад и было первым применением титана в спортивном инвентаре. В основном используются трубы из сплава Тi3Аl-2.5V АSТМ Grade 9. Другие части производимые из титановых сплавов включают в себя тормоза, звздочки и пружины сидений. Использование титана в производстве клюшек для гольфа впервые началось в конце 80-х — самом начале 90-х годов производителями клюшек в Японии. До 1994-1995 годов это применение титана было практически неизвестно в США и в Европе. Ситуация изменилась, когда компания Callaway представила на рынок свою титановую клюшку, производимую компанией Ruger Titanium и названную Great Big Bertha. В связи с очевидными преимуществами и с помощью хорошо продуманного компанией Callaway маркетинга, титановые клюшки моментально приобрели огромную популярность. В течение короткого периода времени титановые клюшки прошли путь от эксклюзивного и дорогого инвентаря небольшой группы игроков до широкого использования большинством гольфистов по прежнему оставаясь более дорогими по сравнению со стальными клюшками. Хотелось бы привести основные, по моему мнению, тенденции развития гольфого рынка он прошел путь от высокотехнологичного до массового производства в короткий период 4-5 лет следуя путем других производств с высокими трудозатратами таких как производство одежды, игрушек и потребительской электроники, производство гольфовых клюшек ушло в страны с наиболее дешевой рабочей силой сначала на Тайвань, затем в Китай, и сейчас заводы строятся в странах с еще более дешевым трудом, таких как Вьетнам и Таиланд титан определенно используется для драйверов drivers, где его превосходные качества дают очевидное преимущество и оправдывают более высокую цену. Однако, титан пока еще не нашел очень широкого потребления на последующих клюшках, так как значительное увеличение затрат не подкрепляется соответствующим улучшением игры в настоящее время драйверы в основном производятся с кованой ударной поверхностью, кованым или литым верхом и литым низом недавно Профессиональная Гольфовая Ассоциация РОА разрешила увеличить верхний предел так называемого коэффициента возврата, в связи с чем все производители клюшек будут стараться увеличить пружинящие свойства ударной поверхности. Для этого приходится уменьшить толщину ударной поверхности и использовать для нее более прочные сплавы, такие как SР700, 15-3-3-3 и ВТ-23. Теперь остановимся на применении титана и его сплавов на другом спортивном оборудовании. Трубы для гоночных велосипедов и другие детали изготавливают из сплава АSТМ Grade 9 Тi3Аl-2.5V. На удивление значительное количество титанового листа используется при производстве ножей для подводного плавания. Большинство производителей используют сплав Тi6Аl-4V, но этот сплав не обеспечивает долговечность кромки лезвия, как другие более прочные сплавы. Некоторые производители переключаются на использование сплава ВТ23.

Розничная цена титановых ножей для подводного плавания составляет примерно 70-80 долларов. Литые титановые подковы дают значительное уменьшение веса по сравнению со стальными, при этом обеспечивая необходимую прочность. К сожалению, это применение титана не вошло в жизнь, потому что титановые подковы искрили и пугали лошадей. Немногие согласятся использовать титановые подковы после первых неудачных опытов. Компания Titanium Beach, расположенная в Ньюпорт Бич, Калифорния Newport Beach, Саlifornia, разработала лезвия для коньков из сплава Тi6Аl-4V. К сожалению, здесь опять проблема долговечности кромки лезвий. Я думаю, что у этого продукта есть шанс на жизнь при условии использования производителями более прочных сплавов, таких как 15-3-3-3 или ВТ-23. Титан очень широко используется в альпинизме и туризме, практически для всех предметов, которые альпинисты и туристы несут в своих рюкзаках бутылки, чашки розничная цена 20-30 долларов, наборы для приготовления пищи розничная цена примерно 50 долларов, столовая посуда, в основном сделанные из коммерчески чистого титана Grade 1 и 2. Другими примерами альпинистского и туристского снаряжения являются компактные печки, стойки и крепления палаток, ледорубы и ледобуры. Производители вооружения недавно начали производить титановые пистолеты как для спортивной стрельбы, так и для правоохранительных органов.

Потребительская электроника является достаточно новым и быстро растущим рынком для титана. Во многих случаях применение титана в потребительской электронике вызвано не только его великолепными свойствами, но также и привлекательным внешним видом изделий. Коммерчески чистый титан Grade 1 используется для производства корпусов портативных компьютеров, мобильных телефонов, плазменных телевизоров с плоским экраном и другого электронного оборудования. Использование титана в производстве динамиков обеспечивает лучшие акустические свойства в связи с легкостью титана по сравнению со сталью, приводящей к увеличению акустической чувствительности. Титановые часы, впервые внедренные на рынок японскими производителями, сейчас являются одним из наиболее доступных и признанных потребительских титановых продуктов. Мировое потребление титана в производстве традиционных и, так называемых, нательных ювелирных изделий измеряется несколькими десятками тонн. Все чаще можно встретить титановые обручальные кольца, и уж конечно, люди носящие украшения на теле, просто обязаны использовать титан. Титан широко используется в производстве морского крепежа и фурнитуры, где очень важно сочетание высокой коррозионной стойкости и прочности. Компания Atlas Ti, базирующаяся в Лос-Анджелесе, производит широкий ассортимент этих продуктов из сплава ВТЗ-1. Использование титана в производстве инструмента впервые началось в Советском Союзе в начале 80-х годов, когда по заданию правительства были изготовлены легкие и удобные инструменты для облегчения труда рабочих. Советский гигант титанового производства Верхне-Салдинское Металлоперерабатывающее Производственное Объединение производило в то время титановые лопаты, гвоздодеры, монтировки, топорики и ключи.

Позднее японские и американские производители инструмента начали использовать титан в своей продукции. Не так давно ВСМПО заключило контракт с Боингом на поставку титановых плит. Этот контракт, несомненно, очень благотворно сказался на развитии титанового производства России. Титан широко используется в медицине уже в течение многих лет. Преимущества — прочность, сопротивление коррозии, и главное то, что у некоторых людей возникает аллергия на никель обязательный компонент нержавеющих сталей, в то время как ни у кого не обнаружена аллергия на титан. Используемые сплавы — коммерчески чистый титан и Тi6-4Eli. Титан используется в производстве хирургического инструмента, внутренних и внешних протезов, включая такие критические, как сердечный клапан. Из титана изготовляют костыли и инвалидные коляски. Применение титана в искусстве относится к 1967 году, когда в Москве был поставлен первый титановый монумент.

В настоящий момент значительное число титановых монументов и зданий возведено практически на всех континентах, включая такие знаменитые, как музей Гугенхайма, построенный архитектором Френком Гери в Бильбао. Материал очень нравится людям искусства за цвет, внешний вид, прочность и сопротивление коррозии. По этим причинам титан применяют в сувенирах и бижутериигалантерее, где он успешно соперничает с такими драгоценными металлами, как серебро и даже золото Как уже отмечалось в одной из публикаций по титану, одной из главных причин, сдерживающих титановый прорыв на широкие рынки, является его высокая стоимость. Как отмечает Мартин Проко из RTi, в США средняя цена титановой губки составляет 3.80 за фунт, в России 3,20 за фунт. Кроме того, цена на метал сильно зависит от цикличности аэрокосмической промышленности коммерческого назначения. Развитие очень многих проектов может резко ускориться, если удастся найти пути снижения затрат на процессы получения и обработки титана, переработки ломов и технологий выплавки, отмечает Маркус Хольц, управляющий директор немецкой Deutshe Titan. Представитель British Titanium согласен, что расширение производства титановой продукции сдерживается высокими производственными издержками, и до внедрения титана в массовое производство необходимо провести много усовершенствований современных технологий.

Одним из шагов в этом направлении является разработка так называемого FFС-процесса, представляющего новый электролитический процесс получения металлического титана и сплавов, стоимость которого существенно ниже. По мнению Даниеле Стопполини общая стратегия в титановой промышленности требует разработки наиболее подходящих сплавов, технологии производства для каждого нового рынка и области применения титана.

Источники

Википедия – Свободная энциклопедия, WikiPedia

metotech.ru — Метотехника

housetop.ru — House Top

atomsteel.com – Атом технологии

domremstroy.ru — ДомРемСтрой

Титан и сплавы — СНГ ЭКСПОРТ

Титан (Titan) — относится к категории лёгких металлов. Внешний вид — серебристо-белый или белый цвет.

Титан входит в число металлов, относящихся к категории химически активных металлов или коррозионностойких сплавов (АКР).

Области применения титана

Развитие титановой отрасли в современной металлургии совершило настоящий технологический переворот во многих областях человеческой деятельности.

 Отличные химические свойства, лёгкая обрабатываемость давлением и хорошая свариваемость — сделали титан любимым материалом инженеров — конструкторов. Титан часто выбирают конструкционным материалом для технологического оборудования в химической, нефтехимической, нефтяной и газовой промышленности, и в других промышленных производствах в сложных условиях.

По степени популярности среди конструкционных материалов, титан – занимает четвертое место в мире после железа, магния и алюминия. Именно благодаря титану стало возможным конструирование сверхзвуковых самолётов и свехглубоководных подводных лодок. Титан также прекрасно подходит для изготовления бронированных автомобилей, сейфов, танков и военной амуниции.

Сейчас титан (titan) самый перспективный и востребованный материал в мировой металлургии и применяется во многих сферах деятельности человека, особенно в областях, где агрессивная среда (солёная морская вода, хим.среда) вызывает быструю коррозию других металлов: конструирование морских кораблей, химическая промышленность, военная техника, нефтеперерабатывающее заводы, буровые вышки и скважины.

 Титану принадлежит ведущая роль в аэрокосмической промышленности. За счёт лёгкости материала можно значительно снизить вес изделия, что позволяет значительно экономить топливо.

Титан и титановые сплавы — также активно используются в производстве медицинского оборудования и медицинском протезировании, где значение имеет прочность имплантата и его биологическая совместимость с протезируемым органом (хирургия и стоматология), из него также изготавливаются недорогие ювелирные украшения и разнообразный спортивный инвентарь. Нашёл он своё применение и высокотехнологичном производстве, титан (titan) один из составляющих элементов компьютерных плат, мобильных телефонов и т.д.

Виды продукции из европейского титана:

• Титановые листы;
• Титановые плиты;
• Титановые прутки,
• Круги и проволока;
• Титановые трубы;
• Титановые бруски;
• Поковки титановые;
• Лента титановая;
• Отводы титановые;
• Переходники титановые.

Классификация титановых сплавов

 Титановые сплавы условно можно разделить на пять групп:

• Высокопрочные и конструкционные титановые сплавы.
• Твердые растворы, обладающие оптимальным характеристиками соотношения прочности и пластичности.
• Жаропрочные титановые сплавы.
• Твердые растворы повышенной жаропрочности при небольшом снижении пластичности.
• Титановые сплавы на основе химического соединения.

Жаропрочный материал с низкой плотностью способен заменить жаропрочный никелевый сплав в некоторых температурных режимах.

Производство титановых сплавов

 Для придания титану того или иного свойства металл легируется самыми разнообразными элементами. Многообразие легирующих элементов обусловлено таким свойством титана как полиморфизм — способность взаимодействовать с разными веществами и элементами. Элементом, который присутствует в легирование титановых сплавов в обязательном порядке, является алюминий (AL).

Элементы легирования титана для получения титановых сплавов:

V — ванадий (16*), Mo — молибден (30*), Mn — марганец (8*), Sn — олово(13*), Zr — цирконий (10*), Cr — хром (10*), Cu — медь (3*), Fe — железо(5*), W — вольфрам (5*), Ni — никель (3,2*) и Si -кремний (0,5*).

Иногда, для получения особой устойчивости титанового сплава к кислотосодержащим средам его легируют с Nb — ниобием (2*) и Та — танталом (5*).

* максимальная концентрация легирующей добавки в % по массе для промышленных сплавов.

Сплавы Титана

Титан в крови: исследования в лаборатории KDLmed

Определение концентрации титана в крови, используемое для оценки состояния имплантатов из титанового сплава.

Для чего используется этот анализ?

• Для оценки состояния имплантатов из титанового сплава.

Когда назначается анализ?

• При контрольном обследовании пациента с имплантатом, содержащим титан;
• при подозрении на изнашивание или плохое качество имплантата, содержащего титан.

Синонимы английские

Titanium (Ti), Blood.

Метод исследования

Атомно-адсорбционная спектрометрия (ААС).

Единицы измерения

Мкг/л (микрограмм на литр).

Какой биоматериал можно использовать для исследования?

Венозную кровь.

Как правильно подготовиться к исследованию?

• Не принимать пищу в течение 2-3 часов до анализа, можно пить чистую негазированную воду.
• Не курить в течение 30 минут до анализа.

Общая информация об исследовании

Титан – это широко распространенный в природе металл. Почва, вода и воздух содержат небольшое количество титана, присутствующего в форме различных оксидов. Он не относится к эссенциальным, то есть жизненно необходимым элементам (в отличие, например, от железа) и не считается токсичным для человека металлом (как, например, ртуть). Титан широко применяется в качестве пищевой добавки. Продукты, подвергнутые технологической обработке, содержат гораздо более высокие концентрации титана, чем натуральные.

99 % титана поступает в организм человека с пищей, в сутки взрослый человек употребляет 0,1-1,0 мг титана. Абсорбция титана в пищеварительном тракте низкая (всего около 3 %), и большая его часть быстро выводится с калом и мочой. Всего в организме человека содержится 9-15 мг титана, при этом значительная часть находится в легких. В легкие он поступает в виде титановой пыли, которая, однако, не является токсичной и не приводит к развитию фиброза.

Титановые сплавы используются для производства искусственных суставов, протезов и имплантатов, в частности при переломах костей, а также в стоматологии. Хорошо известно, что протезы могут подвергаться коррозии и изнашиваться, выделяя в окружающие ткани ионы металлов и продукты деградации поверхности протезов. Ионы металлов при изнашивании протезов могут способствовать развитию канцерогенеза, аллергии и остеолиза (разрушения костной ткани). Кроме того, титановые сплавы могут стимулировать продукцию простагландинов и интерлейкина. Таким образом, влияние избытка титана на здоровье человека является предметом исследований современной токсикологии.

В норме большая часть титана находится внутри клеток, а его концентрация в крови при отсутствии титановых имплантатов составляет менее 1 нг/мл. При имплантации титансодержащего протеза она умеренно повышается, но при хорошем состоянии протеза не превышает 1,0-3,0 нг/мл. Изнашивание протезов может сопровождаться значительным повышением уровня титана в крови – более 10 нг/мл. Чтобы оценить значение такого воздействия, необходимо точно измерить нормальные уровни титана в кровотоке и количественно определить повышенные уровни титана у пациентов с имплантатами.

Следует отметить, что изолированное повышение уровня титана в крови без каких-либо дополнительных клинических признаков не всегда указывает на изнашивание протеза или его несостоятельность.

Другими компонентами сплавов, используемых в медицине, являются ванадий и алюминий. В отличие от титана, токсичность этих элементов для организма человека доказана. По этой причине анализ на титан целесообразно дополнить анализами на алюминий и ванадий.

Для чего используется исследование?

• Для оценки состояния имплантатов из титанового сплава.

Когда назначается исследование?

• При контрольном обследовании пациента с имплантатом, содержащим титан;
• при подозрении на изнашивание или неисправность имплантата, содержащего титан.

Что означают результаты?

Референсные значения: 0 — 2 мкг/л.

Причины повышения уровня титана в крови:

• изнашивание или несостоятельность искусственного сустава, имплантата или протеза, содержащего титан.

Понижение уровня титана в крови не имеет диагностической значимости.

Что может влиять на результат?

• Состояние титансодержащего имплантата – концентрация титана при его изнашивании может превышать 10 нг/мл.

Важные замечания

• Изолированное повышение уровня титана в крови при отсутствии каких-либо дополнительных клинических признаков не всегда указывает на изнашивание протеза или его несостоятельность.
• Результат исследования следует оценивать с учетом дополнительных анамнестических, лабораторных и инструментальных данных.

Также рекомендуется

• Алюминий в крови
• Алюминий в моче
• Алюминий в волосах
• Комплексный анализ на наличие тяжёлых металлов и микроэлементов (23 показателя)
• Токсические микроэлементы и тяжелые металлы (Hg, Cd, As, Li, Pb, Al)
• Расширенный комплексный анализ на наличие тяжёлых металлов и микроэлементов (40 показателей)

Кто назначает исследование?

Хирург, ортопед, врач общей практики.

Литература

• Ipach I, Schäfer R, Mittag F, Leichtle C, Wolf P, Kluba T. The development of whole blood titanium levels after instrumented spinal fusion – is there a correlation between the number of fused segments and titanium levels? BMC Musculoskelet Disord. 2012 Aug 27;13:159.
• Rylander LS, Milbrandt JC, Armington E, Wilson M, Olysav DJ. Trace metal analysis following locked volar plating for unstable fractures of the distal radius. Iowa Orthop J. 2010;30:89-93.
• Engh CA Jr, MacDonald SJ, Sritulanondha S, Thompson A, Naudie D, Engh CA. 2008 John Charnley award: metal ion levels after metal-on-metal total hip arthroplasty: a randomized trial. Clin Orthop Relat Res. 2009 Jan;467(1):101-11. doi: 10.1007/s11999-008-0540-9. Epub 2008 Oct 15.

Агрессивные среды титан и сплавы

    Титан применяют для изготовления аппаратов, работающих в таких агрессивных средах, как азотная кислота любой концентрации, влажный хлор, разбавленная серная кислота и т. д. Имея небольшую плотность, титан и его сплавы по прочности превосходят лучшие марки стали. Временное сопротивление разрыву титана марки ВТ1-2 доходит до 750 МН/м . [c.34]
    Широкое применение платиновые металлы и сплавы нашли как коррозионно-стойкие материалы. Добавка 10% иридия к платине повышает ее химическую стойкость и твердость втрое. Такие сплавы обладают исключительной коррозионной стойкостью, из них делают жаростойкие тигли, выдерживающие сильный нагрев в агрессивных средах, в них выращивают кристаллы для лазерной техники. Эти сплавы применяют также для изготовления хирургических инструментов и эталонов. Малые добавки иридия к титану и хрому резко повышают стойкость их к действию кислот. [c.410]

    Применение сУ-металлов четвертого периоде. Титан и его сплавы, устойчивые к коррозии, являются важными конструкционными материалами новой техники. По удельной прочности титан превосходит все другие металлы. Различают а-сплавы титана (с А1 и Сг), предназначенные для эксплуатации при температурах ниже 800 и Р-сплавы (с Мо и V) — для работы в высокотемпературных условиях. Получаемый сплав титана с железом (ферротитан) используется как добавка к сталям, повышающая их прочность. Титаном покрывают внутри емкости, предназначенные в пищевых производствах для особо агрессивных сред, например для получения пектина из плодов. [c.420]

    Титан и его сплавы благодаря высокой коррозионной стойкости в большинстве агрессивных сред все больше вытесняют традиционные стали и сплавы в различных отраслях промышленности и прежде всего в химической, нефтяной, металлургической, пищевой и транспортном машиностроении. [c.70]

    Прм Титан вдвое легче стали, а титановые сплавы в три раза прочнее алюминиевых, в 5 раз прочнее магниевых сплавов и превосходят некоторые специальные стали, в то время как их плотности значительно меньще, чем последних. Поэтому титан используется как основа сплавов с А1, V, Мо, Мп, Сг, Si, Fe, Sn, Zr, Nb, Та и др. для авиационной и ракетной техники, морского судостроения. Титан является конструкционным материалом для изготовления оборудования для химической, текстильной, бумажной, пищевой промышленности, а также художественных изделий, является геттером. Фазы внедрения на основе титана и циркония (бориды, карбиды, нитриды) являются основой жаропрочных материалов, применяемых для футеровки ответственных деталей узлов и механизмов, работающих в жестких условиях в агрессивных средах. Карбиды титана в сочетании с карбидами кобальта и вольфрама применяются для получения [c.121]

    Титан и его сплавы находят все большее применение как конструкционные или облицовочные материалы, обладающие высокой коррозионной стойкостью во многих сильных агрессивных средах (азотной кислоты, нитритов, нитратов, хлоридов, сульфидов, фосфорной и хромовой кислот, органических кислот и мочевины). Однако титан разрушается в серной, соляной и плавиковой кислотах, а также в азотной кислоте, содержащей оксиды азота. [c.13]

    Титан и его сплавы (ГОСТ 19807-91) отличаются высокой прочностью и коррозионной стойкостью в агрессивных средах. Находит применение в пищевой и химической промышленности для изготовления емкостной аппаратуры, наиболее ответственных узлов и деталей оборудования (фильтров, центрифуг, сушилок, насосов и т.д.). Широкое применение титана сдерживает его высокая стоимость. [c.87]

    Цветные металлы и их сплавы. В химической промышленности помимо стали и чугуна применяют алюминий, медь, титан, тантал, никель, свинец, а также сплавы на их основе — латуни, бронзы. Химическая стойкость цветных металлов к воздействию агрессивных сред зависит от их чистоты. Примеси других металлов значительно снижают химическую сопротивляемость цветных металлов, но повышают их механическую прочность. [c.22]

    Одной из важнейших причин, ограничивающих применение высоких и сверхвысоких температур в химической технике, яв-ляется трудность подбора конструктивных материалов, устойчивых при этих температурах и одновременно к действию различных химических реагентов. Обычные углеродистые стали легко деформируются уже при температурах выше 00 °С, а пластмассы даже при температурах ниже 250 °С. Жаропрочные стали устойчивы при температурах до 700°С. Специальные сплавы железа с никелем, хромом, молибденом, кобальтом, титаном и другими тугоплавкими металлами, применяемые в химической промышленности, устойчивы до 800—900 °С. Для осуществления процессов при температурах выше 900—1000 °С в металлургии, в стекловарении, в производстве цемента, карбидов и многих других применяют неметаллические огнеупорные материалы (см. гл. XV). Наиболее распространенные огнеупоры (шамот, динас и другие) применимы для футеровки аппаратов, кладки печей, топок и т. п. при температурах не более 1400—1600 °С. Применение огнеупоров ограничено также их коррозией при действии расплавленных м-е-таллов и шлаков. При температурах до 2000 °С в основной среде используются магнезитовые огнеупоры. Графитовые изделия стойки в восстановительной среде при температурах до 3000 °С. Отсутствие доступных конструктивных материалов, стойких в различных агрессивных средах при температурах выше 1600—2000°С, является основным препятствием для осуществления многих эндотермических высокотемпературных процессов. [c.146]

    Титан и его сплавы отличаются высокой коррозионной стойкостью в большинстве нейтральных водных растворов минеральных солей и в некоторых агрессивных средах, в том числе окислительных и хлорсодержащих. [c.187]

    По способности сопротивляться различным агрессивным средам наиболее универсальными свойствами обладают сплавы хастеллой (N1 — Мо — Си — Ре — Сг — 51), медноникелевые сплавы, титан, фосфористые бронзы и нержавеющие стали. Последние ввиду своей технологичности и экономичности получили наиболее широкое применение. Однако и при выборе нержавеющих сталей надо соблюдать известную осторожность, имея в виду, что понятие нержавеющая сталь еще не означает абсолютную стойкость во всех случаях. Покажем это на примере серной кислоты, являющейся, наряду с соляной, наиболее агрессивной. На рис. 207 представлены диаграммы, на которых очерчены области кон центраций и температур, в которых нержавеющие стали различных марок обладают удовлетворительной коррозионной стойкостью и могут применяться для химической аппаратуры [7]. [c.380]

    Технический титан марок ВТ1-00, ВТ1-0, ВТМ и титановые сплавы марок ОТ4, ОТ4-0, ОТ4-1, ВТЗ-1, ВТ4, ВТб, ВТ5-1 обладают высокой коррозионной стойкостью во многих сильных агрессивных средах, в частности в растворах хлоридов и хлористых солей. Титан и титановые сплавы хорошо используются в качестве коррозионно-стойкого материала для химической аппаратуры, применяемой в производстве мочевины, хлора, хлористого аммония, азотной кислоты, синтетического волокна, отбеливающих средств, в нефтехимической промышленности и во многих других производствах [c.148]

    Другим способом снижения потерь металлов и сплавов от коррозии является применение новых металлических (титан, молибден, тантал и др.) и неметаллических материалов, стойких к воздействию агрессивных среды, высоких температур и давления. [c.7]

    Сочетание высоких прочностных свойств и коррозионной стойкости обусловили широкое применение титана и его сплавов. Как конструкционный материал титан и его сплавы применяют в авиации, ракетной технике, при строительстве морских судов, в химической промышленности, при изготовлении гидрометаллургической аппаратуры, различных деталей гальванических ванн, в приборостроении и др. Поскольку титан и его сплавы жаростойки, их широко используют для изготовления деталей, подвергающихся высокотемпературному нагреванию. Листовой титан применяют для футеровки стальных аппаратов от воздействия агрессивных сред. В качестве конструкционного материала титан и его сплавы рекомендуются для работы более чем в 130 агрессивных средах. [c.66]

    В производстве катализаторов для дегидрирования углеводородов применяются самые разнообразные агрессивные среды, вызывающие значительную коррозию сталей. Продукты коррозии либо снижают активность катализаторов, либо полностью их отравляют. В связи с этим в данном производстве необходимо применять стойкие конструкционные и защитные материалы, из которых можно выделить хромоникелевые стали, титан ВТ-1 и его сплав ОТ-4, винипласт, полиэтилен, обкладочные резины, эмали и лаки. [c.5]

    Применение титана и его сплавов в качестве конструкционных материалов объясняется высоким отношением его прочности к весу, отличной коррозионной стойкостью во многих агрессивных средах и повышенной жаропрочностью. Большим преимуществом титана является сочетание. хорошей пластичности с высокой прочностью, В крупногабаритных конструкциях титан и его сплавы могут применяться как плакировочный материал толщиной не более 1—2 [c.34]

    Коррозионная стойкость титана и его сплавов. Чистый титан относится к химически активным металлам. Его высокая коррозионная стойкость в ряде агрессивных сред объясняется образованием поверхностной защитной пленки, состав, которой зависит от того, в какой среде и при каких условиях она образуется. [c.36]

    Окисная пленка удерживает некоторые металлы (нацример,тантал или ниобий) в пассивном состоянии в большинстве агрессивных сред, но на ряд технических металлов (железо, никель, хром, титан и их сплавы) такого действия не оказывает. [c.18]

    Титан и сплавы на его основе сочетают высокие физико-механические свойства, высокую коррозионную стойкость в агрессивных средах и удовлетворительную технологичность при переработке в изделия. При правильном использовании титана и его сплавов в соответствующих средах не только увеличивается срок безаварийной работы аппаратуры, но и резко сокращаются простои, поддерживаются оптимальные параметры технологического процесса. [c.5]

    Коррозионные процессы протекают в самых различных средах в атмосфере, морской и речной воде, почве, при воздействии газов, высокой температуры, кислот, щелочей и т. д. Поэтому одной из первостепенных задач снижения потерь металлов и сплавов от коррозии является применение новых металлических (титан, молибден, тантал и др.) и неметаллических материалов, стойких к воздействию агрессивных сред, высоким температурам, давлению. [c.8]

    Контакт со сталью, хотя и менее опасен, чем контакт с медью или свинцом, также может ускорять коррозию алюминия. Вместе с гем в некоторых естественных водных средах и в ряде других случаев алюминий может быть защищен за счет черных металлов. Нержавеющие стали способны усиливать разрушение алюминия, особенно в морской воде и в морской атмосфере, в то же время высокое. электрическое сопротивление поверхностных окис-ных пленок обоих материалов заметно ослабляет контактные явления в менее агрессивных средах. Титан ведет себя в эгом от юшении аналогично стали. Сплавы алюминий- цннк, используемые в качестве расходуемых анодов для защиты стальных конструкции, содержат также небольшие добавки олова, индия или ртути, улучшающие характеристики растворения и смещающие потенциал к более отрицательным значениям. [c.83]

    Титан характеризуется небольшой плотностью, высокой прочностью и коррозиоцной устойчивостью ко многим агрессивным средам (в частности, к морской воде, поэтому титан и сплавы на его основе широко используют в качестве конструкционного материала. [c.239]

    Первые два сплава иногда легируют титаном или ниобием для повышения допустимого содержания углерода и азота. Все эти сплавы можно закалять от 925 °С без ухудшения коррозионных свойств. Благодаря тому, что они сохраняют пассивность в агрессивных средах, их коррозионная стойкость обычно выше, чем у обычных ферритных и некоторых аустенитных нержавеющих сталей, представленных в табл. 18.2. Они более устойчивы, например в растворах Na l, HNO3 и различных органических кислот. Если по какой-либо причине происходит локальная или общая депассивация этих сталей, то они корродируют с большей скоростью, чем активированные никельсодержащие аустенитные нержавеющие стали, имеющие в своем составе такие же количества хрома и молибдена [8, 9]. [c.301]

    Титан применяют для изготовления аширатов, работаюпщх в таких агрессивных средах, как азотная кислота любой концентрации, влажный хлор, разбавленная серная кислота и т. д. Имея небольшую плотность, титан и его сплавы по прочности превосходят стали лучших марок. Титан хорошо куется, штампуется, прокатывается, сваривается, удовлетворительно обрабатывается на металлорежущих станках. Эги свойства делают его перспективным конструкщюнным материалом для изготовления оборудования, работающего в сильноагрессивных средах. В настоящее время промьппленностью вьшускается оборудование из титана, однако стоимость титана пока очень велика, поэтому его применяют лишь для изготовления небольших аппаратов, а также в качестве плакирующего слоя в стальных аппаратах. Сплавы титана являются надежным материалом для изготовления труб конденсационно-холодильного оборудования, а также деталей машин, соприкасающихся с сильноагрессивными средами и подверженных эрозии. Титановые сплавы рекомендуется применять для изготовления аппаратов, работающих при температуре не вьшге 350 °С. [c.16]

    Титан и его сплавы обладают высокими механическими свойствами, малой плотностью, а также коррозионной стойкостью. Титан практически коррозионностоек в таких агрессивных средах, как влажный хлор. [c.75]

    Биметаллические материалы. Состоят из двух (иногда более) разнородных, прочно соединенных между собой металлов или сплавов. Их коррозионная стойкость определяется св-вами защитного (плакирующего) слоя. Примерами таких материалов могут служить биметаллы медь-сталь, нержавеющая сталь-конструкционная сталь, титан-сталь. Применяют их обычно для изготовления труб, листов и плит, работающих в условиях агрессивных сред. Известны также биметаллы хромистая-хромо-никелевая сталь и трнметаллы хромистая — хромоникелевая-конструкционная сталь, в к-рых наружный плакирующий слой выполняет роль долгоживущего протектора для слоя хромоникелсвой стали. [c.479]

    Та ким условиям удовлетворяют технически чистый титан марки ВТ1-1 и низколегированные сплавы 0Т4 и 0Т4-У. Для пластин, работающих в агрессивной среде (углекислотные компрессоры), целесообразно использование технически чистого титана ВТ1-1, обладающего чрезвычайно высокими антикоррозионными свойствами. Этот же материал может быть использован для изготовления клапанных пластин П1—IV ступеней азото-водородных компрессоров. Для V— VI ступейей целесообразно использование более прочных материалов — титановых сплавов марок 0Т4 и 0Т4-У. Высокопрочные титановые сплавы марок ТС5, ТС5-1, группы АТ не пригодны для использования в качестве материала клапанных пластин, так как имеют весьма низкую пластичность и ударную вязкость. [c.243]

    Некоторые металлы, потребность в которых в связи с развитие.м новой техники непрерывно возрастает, вообще могут быть получены только три применении вакуума, как, например, ниобий и таитал [274]. Эти металлы, как и титан, являются самыми перспективными для химического аппаратостроения, так как они обладают превосходной коррозионной устойчивостью по отношению к действию многих агрессивных сред и прежде всего слот. Ниобий, тантал, их сплавы и некоторые соединения могут быть применены для изготовления нагревателей, конденсаторов, реакторов, аэраторов, адсорберов, мешалок, клапанов, трубопроводов, сит, проволочных фильтров. На ниобий практически не действуют применяемые в качестве жидко-металлических охладителей в ядерных реакторах жидкие расплавы натрия и его сплава с калием, лития, висмута, свинца, ртути, олова. Химическая устойчивость обусловлена наличием окисной пленки на поверхности металла. Эти металлы тугоплавки, имеют низкую упругость пара при высоких температурах  [c.340]

    Титан. В последнее время в химическом машиностроении и на химических предприятиях все шире начинают применять новый коррозионностойкий конструкционный материал — титан. По механическим свойствам титан не уступает углеродистым сталям, а по химической стойкости намного превосходит их. Применяемый для титановых труб и арматуры сплав ВТ1 имеет предел прочности при растяжении 450—600 МПа (45—60 кгс/мм ) и относительное удлинение 25%. Плотность этого сплава равна всёго 4500 кг/м . Титан является отличным материалом для оборудования, работающего в агрессивных средах в присутствии следов окислителей. Кроме того, он стоек к действию азотной кислоты. Верхний температурный предел применения титанового сплава ВТ1 достигает 350°С. [c.9]

    В промышленности широко используют литые изделия, так как некоторые сплавы (например, Ре81), имеющие высокую коррозионную стойкость во многих агрессивных средах, отличаются повышенной твердостью и хрупкостью и могут применяться только в литом состоянии. Увеличение выпуска литья из коррознонностойких сталей требует упрощения технологии изготовления, особенно для усложненных конфигураций, химического оборудования, эксплуатируемого в агрессивных средах. Доля отливок из легированных сталей все время значительно возрастает по сравнению с общим объемом литых изделий, применяемых в химической промышленности. В настоящее время в создании новых марок литых коррозионностойких сталей наблюдается та же тенденция, что и для деформируемых сталей, т. е. стремление к понижению содержания никеля, повышению прочности сплавов и коррозионной стойкости специальным легированием. Литые коррозионностойкие стали могут подвергаться межкристаллитной коррозии, поэтому для ее предупреждения стали легируют также титаном или ниобием. Однако титан ухудшает литейные свойства металла, вследствие его добавок получаются пористые отливки. Литейные свойства аустенитных сталей типа 12Х18Н9ТЛ ниже углеродистых. [c.216]

    В табл. 27, составленной по ряду литературных источников, сопоставлены значения коррозионной устойчивости титана (ВТ-1) и сплава Ti0,2Pd в ряде характерных агрессивных сред. Из этих данных следует, что сплав TiO,2Pd имеет большое преимущество перед чистым титаном в кислых неокислительных средах. В окислительных средах (HNO3, Fe la, хромовая кислота, влажный хлор), а также в нейтральных хлоридах (растворы Na l, морская вода) сплав TiO,2Pd и чистый титан имеют примерно одинаковую стойкость. В концентрированных кислотах и, особенно, при повышенных температурах, сплав TiO,2Pd, хотя и имеет некоторое преимущество перед титаном, но также оказывается недостаточно стойким. [c.249]

    Важность проблемы создания и применеяия Н0 вых химически стойких металлических материалов в различных отраслях нашей промышленности, особенно в химическом машиностроении, подчеркнута в Программе КПСС. За последние два десятилетия в связи с интенсификацией и разработкой новых технологических процессов, протекающих в агрессивных средах при высоких температурах и давлениях, значительно возрос интерес к использованию новых конструкционных материалов на основе тугоплавких и редких металлов, таких как титан, ниобий, ванадий, молибден. Эти металлы и их сплавы обладают весьма ценными физико-химическими и механическими свойствами, а по коррозионной стойкости во многих случаях значительно превосходят сплавы на основе железа и цветных металлов, которые являются до настоящего времени основными конструкционными материалами в химическом аппарато-строении. По сырьевым ресурсам и возможностям металлургической промышленности такие металлы, как титан и ниобий (а также и другие из числа тугоплавких), могли бы уже сейчас широко использоваться в химическом машиностроении. Однако их внедрение в эту отрасль промышленности идет сравнительно медленно. Одна из причин отставания — отсутствие необходимых сведений о свойствах этих металлов и их сплавов, в особенности об их химической стойкости и характере поведения в различных агрессивных средах. [c.65]

    Многие металлы находятся в пассивном состоянии в некоторых агрессивных средах. Хром, никель, титан, цирконий легко переходят в пассивное состояние и устойчиво его сохраняют. Часто легирование металла, менее склонного к пассивации, металлом, пассивирующимся легче, приводит к образованию достаточно хорошо пассивирующихся сплавов. Примером могут служить разновидности сплавов Ре—Сг, представляющие собой различные нержавеющие и кислотоупорные стали, стойкие, например, в пресной воде, атмосфере, азотной кислоте и т. д. Для практического использования пассивности нужно такое сочетание свойств металла и среды, при котором последняя обеспечивает значение стационарного потенциала, лежащего в области Афп. Подобное использование пассивности в технике защиты от коррозии известно давно и имеет огромное практическое значение. [c.250]

    Большое значение для промышленности СК имеет применение титана. С помощью этого металла могут быть успешно решены острые коррозионные проблемы в производстве таких каучуков, как наириты, тиоколы, бутилкаучук, где встречаются хлороргани-ческие соединения, склонные к гидролизу с образованием соляной кислоты. С большим экономическим эффектом титан можно использовать и в тех цехах, где в перерабатываемых средах содержатся агрессивные хлористые соли, например хлористый аммоний или хлорное железо. Среди многочисленных сплавов титана особенно высокой коррозионной стойкостью в солянокислых средах [c.9]

    Установлено, что сплавы титана при испытаниях во влажном воздухе и в водном 3%-ном растворе Na l склонны к коррозионной усталости. Это выражается в отсутствии истинного предела выносливости при испытании гладких образцов. Коррозионная среда снижает время до разрушения всех исследуемых сплавов (за исключением технически чистого титана) при высоких циклических нагрузках, т. е. уменьшает ограниченную выносливость. В общем же титан и его сплавы обладают высоким сопротивлением коррозионной усталости в различных агрессивных средах [438 455]. Установлено, что малая чувствительность к коррозионной среде (т. е. коррозионно-усталостная прочность при jV=10 циклов одинакова при испытании на воздухе и в 3%-ном Na l) технически чистого титана и сплавов титана сохраняется при различных термообработке, структуре и текстуре, частоте и виде нагружения [438]. [c.177]

    Условия эксплуатации оборудования в химической промышленности иногда оказываются слишком жесткими даже для высоколегированных сталей. В этом случае для изготовления требуется применение дефицитных металлов и их сплавов. Интенсификация отдельных процессов является также предпосылкой необходимости применения таких материалов, например, для ответственных частей аппарата, где в результате наиболее острой фазы реакции имеют место максихмальная температура и химическая активность, а также в условиях резких колебаний температур и теплообмена в агрес-сивиых средах. Здесь особенно применимы титан, тантал, цирконий и ниобий, которые обладают исключительно высокой коррозионной стойкостью в большинстве агрессивных сред в широком диапазоне концентраций и температур. Высокая надежность аппаратуры из титана, тантала, циркония и ниобия при длительной эксплуатации в значительной мере компенсируют их относительно большую стоимость. [c.51]

    Анодная защита в отличие от катодной применяется только в тех случаях, когда металл или сплав изделия легко переходит в пассивное состояние, которое должно сохраняться в окислительных средах. К легко пассивирующим металлам относятся хром, никель, титан, цирконий и другие и сплавы системы железо — цементит, содержащие эти металлы. Анодная защита осуществляется присоединением к конструкции положительного полюса источника постоянного тока (анода), а катоды помещаются около поверхности изделия. При анодной защите резко снижается скорость коррозии при минимальном расходе энергии, так как сила тока очень. мала. Анодную защиту применяют для предохранения изделий, соприкасающихся с сильно агрессивной средой. Очень часто защищают изделия, изготовленные из титана, циркония, легированных сталей, например 10Х18Н9Т (рис. 31), углеродистых сталей. При таком методе увеличивается срок службы аппаратуры. Анодную защиту также часто используют с целью снижения загрязнений агрессивной среды продуктами коррозии. [c.130]

---

Где сегодня используется титан – Применение титана – Материалы и инженерные ресурсы

Титан, один из самых распространенных элементов на Земле, все чаще используется в современном обществе. Он встречается в минералах ильмените, сфене и рутиле, а также в титанатах и ​​многочисленных железных рудах. Такой же прочный, как сталь, но гораздо менее плотный, титан является важным легирующим агентом многих металлов, таких как железо, молибден и алюминий.

Одной из ключевых особенностей титановых сплавов является их способность выдерживать экстремальные условия.Благодаря своей живучести титан широко используется и связан с аэрокосмической, медицинской, энергетической, нефтяной и газовой промышленностью. Некоторые отрасли промышленности, для которых также используется титан, менее популярны, чем автомобилестроение, электроэнергетика и опреснительная промышленность.

Аэрокосмическая промышленность

Почти две трети всего производимого металлического титана используется в рамах и двигателях самолетов — например, Airbus A380 использует около 70 тонн. Военные самолеты, такие как вертолет UH-60 Black Hawk и F-22, F/A-18, C-17 и F-35, также используют большое количество титана.

Металл используется в шасси, планере, креплении и двигателях. Детали двигателя, изготовленные из титана, включают валы, лопасти, диски и кожухи от переднего вентилятора до задней части двигателя. Одним из примеров экстремальных условий, с которыми приходится сталкиваться некоторым из этих деталей, является диапазон температур от минусовой отметки до 600 градусов по Цельсию.

Титан также идеально подходит для космических кораблей, для которых требуются материалы высокой прочности, коррозионной стойкости и легкости. Этот материал активно использовался при строительстве космических кораблей и международной космической станции.

Автомобильная промышленность

В прошлом титан использовался в автомобильной промышленности в основном для гонок. Однако в начале 2000-х Volkswagen первым применил титановый сплав в серийном автомобиле — Lupo. В частности, они использовали титановые пружины вместо стальных. Сегодня Tesla использует титановые листы для защиты днища своего седана Model S. Он разработан для существенного повышения безопасности, поскольку помогает защитить чувствительные передние компоненты днища от повреждения.

Для более широкого использования в автомобильной промышленности требуются дополнительные разработки для улучшения экономических показателей титана; эти разработки можно найти в новых методах производства.

Электронная промышленность

Гибриды печатных плат из титана обещают новую эру в производстве печатных плат. Они могут делать больше, чем традиционные печатные платы или печатные платы, выносливы и хорошо работают в агрессивных средах.

Электронная печатная плата из титана изготавливается путем точной трафаретной печати и обжига проводников, диэлектриков и резисторов на металлическом титане.Затем добавляются другие электронные и неэлектронные компоненты для создания электронной схемы, которую можно «прикрутить».

Гибриды Titanium обладают гораздо более высокой надежностью благодаря меньшему количеству паяных соединений, а также имеют чрезвычайно точную калибровку активной цепи. Они работают в более широком диапазоне рабочих температур, очень компактны (в два раза меньше самых сложных печатных плат) и полностью закрыты для полной защиты от окружающей среды.

Титановые контуры также могут использоваться в приложениях, включающих нагревательные элементы, взвешивание, тензодатчики и измерение силы, а также могут использоваться для измерения расхода, давления и температуры жидкости, а также в тензодатчиках.

Биомедицинская инженерия

Титан является одним из наиболее биосовместимых металлов – человеческий организм может обрабатывать его без вредных последствий. Его механические свойства включают повышенную устойчивость к износу, высокую эластичность и хорошую формуемость в горячем и холодном состоянии, что делает его идеальным для использования в хирургических имплантатах, таких как тазобедренные суставы, заменители суставов, сердечные стенты и зубные имплантаты.

Откройте для себя следующую большую возможность роста. Загрузите нашу белую книгу бесплатно, чтобы узнать о новых и будущих возможностях для поставщиков титана и о простом способе найти новых покупателей в Интернете.

От хирургических титановых инструментов до ортопедических титановых стержней, пластин и штифтов, медицинский и стоматологический титан стал предпочтительным материалом. Титан 6AL4V и 6AL4V ELI, сплавы, содержащие 4% ванадия и 6% алюминия, являются наиболее распространенными типами титана, используемыми в медицине, и при использовании в качестве зубных имплантатов они обеспечивают большую устойчивость к разрушению. Титан также нетоксичен и обладает способностью противостоять коррозии от телесных жидкостей.

Титан не только невероятно прочен, но и долговечен, и когда титановые клетки, стержни, пластины и штифты вставлены в корпус, они могут прослужить двадцать и более лет.Что еще более удивительно, так это то, что титановые зубные имплантаты и штифты служат еще дольше.

Благодаря неферромагнитным свойствам титана пациентов с титановыми имплантатами можно безопасно обследовать с помощью МРТ и ЯМР. Кости и ткани тела также соединяются с искусственным титановым имплантатом в процессе, известном как остеоинтеграция, который прочно закрепляет титановый имплантат на месте.

---

Титан обладает множеством преимуществ, и в будущем его можно будет использовать по-новому.Здесь, в Matmatch, мы внимательно следим за новыми разработками. Если вы хотите узнать больше, свяжитесь с одним из наших сотрудников сегодня по телефону [email protected] .

7 удивительных способов применения титана

Титан — немагнитный металл, плохо проводящий электричество. Тем не менее, несмотря на это, он остается востребованным металлом, отвечающим требованиям различных отраслей промышленности, а возможности использования титана безграничны.

Но что делает его таким особенным?

Титан

в чистом виде является 9 ^th  наиболее распространенным металлом, который можно найти в земной коре, и его название происходит от титанов из греческой мифологии.

Одним из наиболее желательных свойств металла является его высокое соотношение прочности и веса. Он такой же прочный, как сталь, но почти на 45% легче и обладает устойчивостью к коррозии при высоких температурах. В отличие от других металлов, титан имеет оксидное покрытие, которое обеспечивает защитный слой от экстремальных температур и коррозии.

Найти титан в периодической таблице несложно. С атомным символом Ti он прилегает к переходным металлам, имеет атомный номер 22, температуру плавления 3034°F и точку кипения 5949°F.

Являясь ведущим поставщиком титана в Великобритании, мы предлагаем этот блестящий материал, который легко узнать по белому металлическому цвету.

Здесь мы рассмотрим 7 захватывающих применений титана , в том числе то, как металл используется в повседневных приложениях:

1. Производство самолетов

Авиакосмическая промышленность является крупнейшим потребителем изделий из титана, будь то титановые листы, прутки, трубы и т. д.

Есть несколько причин для расширения использования титана на аэрокосмическом рынке.Тем не менее, высокое соотношение прочности и веса металла делает его идеальным для производства самолетов, особенно рам, двигателей и крепежных деталей.

Boeing и Airbus — это всего лишь два примера самолетов, в которых титан использовался на протяжении всего процесса проектирования для повышения их надежности и производительности.

2. Автомобильная промышленность

Одно из наиболее распространенных применений титана включает выхлопные системы.

Он используется в автомобилестроении с начала 1980-х годов и сегодня встречается в глушителях супермотоциклов и некоторых моделях высокопроизводительных автомобилей.

Титановый выхлоп гарантированно повысит производительность вашего автомобиля, позволяя вам быстрее разгоняться и издавать более плавный металлический звук. Это также повысит эстетические качества вашего автомобиля или мотоцикла.

Можете ли вы сегодня позволить себе не инвестировать в один из Ti-Tek?

3. Предметы домашнего обихода

Возможно, более удивительное использование металла включает бытовые и электрические предметы.

Диоксид титана представляет собой соединение переходного металла, обычно используемое для производства белых красок.Однако это вещество также используется для производства зубной пасты, бумаги и пластика, не говоря уже о солнцезащитном креме и кухонной посуде, придавая им блестящую белизну.

Титаниум присутствует в почти все! Его низкая плотность делает его идеальным для часов, ноутбуков, компьютеров и мобильных телефонов.

4. Область медицины

Список титановых сплавов , использующих , очень длинный. А благодаря устойчивости металла к коррозии и врожденной способности соединяться с человеческой костью (биосовместимость) он является основным продуктом в области медицины.

От заменителей суставов и ортопедических стержней, штифтов и пластин до хирургических инструментов, кардиостимуляторов и костылей — вы удивитесь, для чего можно использовать титан. Фактически, он также стал основным материалом, используемым в стоматологии, идеально подходящим для зубных имплантатов и замены отсутствующих зубов.

5. Ювелирное дело

Учитывая долговечность и устойчивость к вмятинам титана, это популярный выбор для производителей ювелирных изделий.

Листы титана

можно использовать для создания потрясающих модных и обручальных колец, которые быстро обгоняют такие изделия, как золото и серебро.Они также отлично подходят для оправ для очков. Титановые слитки можно использовать даже в производстве ювелирных изделий, особенно застежек, придающих блеск любому изделию.

6. Судостроение

В результате его устойчивости к коррозии использование титана значительно увеличилось за последние годы.

Титан

отвечает всем требованиям для применения в морской инженерии, и его можно найти в:

.

• атомные ледоколы
• суда на воздушной подушке
• суда на подводных крыльях
• тральщики
• пропеллеры
• подводных лодок

Здесь, в Ti-Tek, мы поставляем изготовленные на заказ титановые трубы и листы, которые идеально подходят для оборудования, которое подвергается воздействию морской или соленой воды.

7. Спортивное снаряжение

Мы быстро находим более широкое применение титана , включая спортивное оборудование, такое как велосипеды, клюшки для гольфа, теннисные ракетки, биты для крикета и хоккейные клюшки. Несмотря на то, что титановые стержни прочные и легкие, они невероятно универсальны и могут использоваться для решеток шлема.

Если вы хотите обеспечить прочность без ущерба для качества или увеличения общего веса, наша титановая проволока, стержни и листы гарантируют привлекательную альтернативу.

Свяжитесь с Ti-Tek сегодня

Здесь, в Ti-Tek, мы специализируемся на всех вещах из титана, поэтому, если у вас есть какие-либо вопросы о нашей продукции, вы хотели бы узнать больше об использовании титана или подробно обсудить ваши требования, пожалуйста, не стесняйтесь обращаться к нам. нас.

Мы поставляем титановые стержни, листы, трубы и выхлопные трубы различной длины и размеров и стремимся удовлетворить самые разнообразные требования, предоставляя вам высокопроизводительный металл, который идеально соответствует потребностям вашего проекта.

Для получения дополнительной информации позвоните нам по телефону 0121 382 4121 или напишите по адресу [email protected].

Как титан используется в автомобилях? — Титановый металл

Благодаря легкому весу и высокой прочности титан используется в качестве детали двигателя внутреннего сгорания для улучшения его характеристик, поэтому он уже давно привлекает внимание людей.

В последние годы из-за экологических проблем строго регулировались не только четырехколесные транспортные средства (седаны), но и двухколесные транспортные средства (мотоциклы или разносчики), и существует все более высокий спрос на технологии с низким уровнем выбросов выхлопных газов и низким расходом топлива. стоимость техники автомобиля.С обеих сторон спектра технология, необходимая для улучшения характеристик движения и снижения стоимости топлива, требует, чтобы детали были из титана.

При использовании в качестве автозапчастей титан обладает многими превосходными свойствами, такими как высокая прочность на растяжение и предел текучести, высокая усталостная прочность, низкая плотность и низкий коэффициент теплового расширения и т. д. Кроме того, использование титана в автомобильной промышленности может значительно уменьшить вес автомобиля, снизить расход топлива, защитить окружающую среду и снизить уровень шума.

Клапан двигателя

В последние годы различные автомобильные компании разрабатывают дешевый титан для клапанов двигателей, и некоторые из них достигли массовой количественной оценки. Более одной трети себестоимости титановых материалов составляет цена губчатого титана. Если такое же количество титана используется для производства переработанных материалов, цена, естественно, снизится. В этом случае был разработан дешевый сплав на основе Ti-6Al-4V.

Клапан двигателя

Выхлопная труба и глушитель

До сих пор выхлопная труба и глушитель в основном изготавливались из обычной стали, нержавеющей стали, алюминиевого сплава, FRP (пластика, армированного волокном) и т. д.Эти детали представляют собой большие конструктивные части кузова транспортного средства, которые позволяют легко реализовать легкий вес транспортного средства и важны для снижения стоимости топлива, выходной мощности двигателя и повышения безопасности вождения.

При высокой температуре выше 400 ℃ титан обладает лучшей термостойкостью, чем алюминий, и его удельная прочность выше, чем у стали, а также легко добиться легкости. Коэффициент теплового расширения титана и модуль Юнга меньше, чем у ферритной стали, а напряжение, создаваемое тепловым расширением и сжатием, уменьшается вдвое, что положительно влияет на усталостные характеристики при термическом цикле.

Кроме того, глушитель — это внешняя часть кузова автомобиля, которая более нова и модна, если используется титан. В частности, уникальная текстура поверхности титана пользуется наибольшей популярностью на рынке. При использовании титан может менять дифракционные цвета на разные цвета, что невозможно для стали. С облегчением двухколесного транспортного средства звук использования титана для выхлопной трубы и глушителя, который оказывает большое влияние на выходную мощность и безопасность вождения, становится выше. Однако все эти детали являются крупными частями кузова автомобиля, и повышенный вес материалов неизбежно повлияет на цену готовой продукции, поэтому цена должна быть ниже цены двигателя.

Титановый глушитель

Разработка новых сплавов для автозапчастей

Все вышеперечисленное представляет собой разработанный титановый сплав, используемый в автомобильных деталях. С другой стороны, разработка недорогого титанового сплава также более активна, одним из которых является разработка сплава серии Super-TIX. Серия Super-TIX включает серии сплавов Ti-Al-Fe и Ti-Fe-O-N. Группа сплавов Ti-Al-Fe чаще всего используется в известных сплавах без ванадия и молибдена и заменяется дешевым железом, пригодным для использования в процессе повышения температуры.

Пожалуйста, посетите http://www.samaterials.com для получения дополнительной информации.

Титана: Это легкий ли Толстая Подъемный в Metals Industry

Выберите страну / регион *

Выберите страну / regionUnited StatesCanadaAfghanistanAlbaniaAlgeriaAmerican SamoaAndorraAngolaAnguillaAntarcticaAntigua и BarbudaArgentinaArmeniaArubaAustraliaAustriaAzerbaijanBahamasBahrainBangladeshBarbadosBelarusBelgiumBelizeBeninBermudaBhutanBoliviaBosnia и HerzegovinaBotswanaBouvet IslandBrazilBritish Индийского океан TerritoryBrunei DarussalamBulgariaBurkina FasoBurundiCambodiaCameroonCape VerdeCayman IslandsCentral африканского RepublicChadChileChinaChristmas IslandCocos (Килинг) IslandsColombiaComorosCongoCongo, Демократический Республика Острова КукаКоста-РикаКот-Д’ИвуарХорватияКубаКипрЧехияДанияДжибутиДоминикаДоминиканская РеспубликаВосточный ТиморЭквадорЕгипетЭль-СальвадорЭкваториальная ГвинеяЭритреяЭстонияЭфиопияФолклендские (Мальвинские) островаФарерские островаФиджиФинляндияПремьер Югославская Республика МакедонияФранцияФранцузская ГвианаФранцузская ПолинезияФранцузские Южные ТерриторииФранцузские Южные Территории biaGeorgiaGermanyGhanaGibraltarGreeceGreenlandGrenadaGuadeloupeGuamGuatemalaGuineaGuinea-BissauGuyanaHaitiHeard и McDonald IslandsHoly Престол (Ватикан) HondurasHong KongHungaryIcelandIndiaIndonesiaIran (Исламская Республика) IraqIrelandIsraelItalyJamaicaJapanJordanKazakstanKenyaKiribatiKorea, Корейские Народно-Демократической RepKorea, Республика ofKuwaitKyrgyzstanLao Народный Демократической RepLatviaLebanonLesothoLiberiaLibyan Arab JamahiriyaLiechtensteinLithuaniaLuxembourgMacauMadagascarMalawiMalaysiaMaldivesMaliMaltaMarshall IslandsMartiniqueMauritaniaMauritiusMayotteMexicoMicronesia, Федеративные StatesMoldova, Республика ofMonacoMongoliaMontserratMoroccoMozambiqueMyanmarNamibiaNauruNepalNetherlandsNetherlands AntillesNew CaledoniaNew ZealandNicaraguaNigerNigeriaNiueNorfolk IslandNorthern Mariana IslandsNorwayOmanPakistanPalauPanamaPapua Нового GuineaParaguayPeruPhilippinesPitcairnPolandPortugalPuerto RicoQatarReunionRomaniaRussian FederationRwandaSaint HelenaSaint Китс и НевисСент-ЛюсияСент-Пьер е и MiquelonSamoaSan MarinoSao Томе и PrincipeSaudi ArabiaSenegalSeychellesSierra LeoneSingaporeSlovakiaSloveniaSolomon IslandsSomaliaSouth AfricaSpainSri LankaSth Georgia & Sth Sandwich Институт социальных Винсент и GrenadinesSudanSurinameSvalbard и Ян MayenSwazilandSwedenSwitzerlandSyrian Arab RepublicTaiwan, провинция ChinaTajikistanTanzania, Объединенная Республика ofThailandTogoTokelauTongaTrinidad и TobagoTunisiaTurkeyTurkmenistanTurks и Кайкос IslandsTuvaluUgandaUkraineUnited арабских EmiratesUnited KingdomUruguayUS Экваторияльная IslandsUzbekistanVanuatuVenezuelaVietnamVirgin острова (Британские) Виргинские острова (У.S.)Острова Уоллис и ФутунаЗападная СахараЙеменЮгославияЗамбияЗимбабве

Титан

Титан и его сплавы имеют очень благоприятное соотношение прочности и массы. Они также устойчивы к коррозии, поскольку на их поверхности образуется тонкий, но очень прочный оксидный слой. Таким образом, они используются там, где важны прочность, легкость и устойчивость к коррозии. Хотя использование титана ограничено его высокой стоимостью, появляются новые процессы, которые, вероятно, значительно снизят затраты, что позволит более широко использовать титан и его сплавы.

 

Использование титана

Рисунок 1 Использование титана.

Почти весь титан используется в виде сплава с другими металлами. К наиболее важным легирующим металлам относятся алюминий, ванадий, молибден, марганец, железо, олово, хром и цирконий. Один из наиболее часто используемых имеет состав 90% титана, 6% алюминия, 4% ванадия, который часто представляется как Ti-6AI-4V.

Крупнейшим потребителем титановых сплавов является аэрокосмическая промышленность, использующая их в основном планере (корпусе) самолетов, а также в различных частях двигателей, шасси и гидравлических трубках (рис. 2).

 

Рис. 2. Вентилятор этого двигателя International Aero Engines IAE V2500, установленного на самолете Airbus A320 компании Thomas Cook Airlines, изготовлен из титана. С любезного разрешения SempreVolando (Wikimedia Commons)

 

Из-за своей прочности и стойкости к химическому воздействию металл и сплавы используются там, где другие материалы (даже нержавеющая сталь) могут быстро испортиться, например, в морской воде.Они используются в судовых гребных винтах и ​​на опреснительных установках, а также в реакторах и трубопроводах химических заводов.

Ежегодно в мире используется более 1000 тонн титановых сплавов для изготовления имплантатов для хирургии, включая детали для замены тазобедренного и коленного суставов (рис. 3). Они также используются в зубных имплантатах в качестве корней для сменных зубов и в случае кардиостимуляторов.

Рисунок 3. Это искусственный тазобедренный сустав.Титановая чашка ввинчивается титановыми винтами в таз. Показана внешняя сторона чашки (сторона кости), покрытая гидроксиаппитом. На внутренней стороне чаши есть пластиковый вкладыш из полиэтилена, который помогает уменьшить трение. Мяч сидит в чашке. Гидроксиапатит представляет собой природную форму фосфата кальция, сходную с природной костью. Это способствует связыванию между титаном и естественной костью, к которой он примыкает. Используемый титан представляет собой сплав Ti-6Al-4V.Ежегодно в мире заменяется около 1 миллиона суставов (коленных и тазобедренных). С любезного разрешения Национального центра технологий металлов.

 

Недавно некоторые здания были облицованы листами из чистого титана, что дало впечатляющий эффект (рис. 4).

Рис. 4. Музей Гуггенхайма в Бильбао, Испания, — одно из самых ярких современных зданий в мире. Он был спроектирован американским архитектором Фрэнком Гери и был открыт в октябре 1997 года. Одной из его особенностей является то, что он облицован металлическим титаном. С любезного разрешения доктора Рода Гринхоу.

 

Годовое производство титана

Мир	171 000 тонн
Китай	80 000 тонн
Россия	42 000 тонн
Япония	30 000 тонн
Казахстан	9 000 тонн
Украина	9 000 тонн

Данные из:
У.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summarys, 2016.
Данные США недоступны.

 

Производство титана

Титан составляет 0,63% земной коры и является четвертым по распространенности конструкционным металлом после алюминия, железа и магния.

Месторождения титана, добыча которых экономически выгодна, находятся по всему миру. Основными рудами являются рутил (TiO ₂ ) и ильменит (FeTiO ₃ ) в месторождениях пляжного песка (Западная Австралия), ильменит-гематит (Канада) и ильменит-магнетит (Украина) в месторождениях твердых пород (рис. 5). .Хотя рутил встречается реже и дороже, чем ильменит, он используется чаще, поскольку не содержит соединений железа и, следовательно, его легче обрабатывать. Однако ильменит иногда обрабатывают для удаления железа и получения «синтетического» рутила.

Рисунок 5 Складирование тяжелого минерального концентрата, содержащего рутил, ильменит и
циркон, а также других тяжелых минералов, не представляющих ценности. Затем он будет дополнительно обработан
для отделения рутила перед началом процесса извлечения титана.
С любезного разрешения Iluka Resources.

Процесс Кролла

Большая часть титана производится из руд, содержащих диоксид титана, с использованием длительного четырехстадийного процесса:
а) хлорирование руды до хлорида титана(IV)
б) очистка хлорида титана(IV)
в) восстановление титана(IV) из хлорида в титановую губку
d) переработка титановой губки

(a) Хлорирование руды до хлорида титана(IV)

Диоксид титана термически стабилен и очень устойчив к химическому воздействию.Его нельзя восстановить с помощью углерода, монооксида углерода или водорода, а восстановление более электроположительными металлами является неполным. Однако, если оксид превращается в хлорид титана (IV), путь к титану становится жизнеспособным, поскольку хлорид легче восстанавливается.
Сухая руда вместе с коксом подается в хлоратор, образуя псевдоожиженный слой. После предварительного нагрева слоя теплоты реакции с хлором достаточно для поддержания температуры на уровне 1300 К:

(b) Очистка хлорида титана(IV)

Неочищенный хлорид титана(IV) очищают перегонкой после химической обработки сероводородом или минеральным маслом для удаления оксихлорида ванадия, VOCl ₃ , который кипит при той же температуре, что и хлорид титана(IV).Конечным продуктом является чистый (> 99,9%) хлорид титана (IV), который можно использовать либо для получения титана, либо окисляя для получения диоксида титана для пигментов.

Резервуары для хранения должны быть полностью сухими, поскольку продукт подвергается быстрому гидролизу в присутствии воды с образованием плотных белых паров хлороводорода:

(c) Восстановление хлорида титана(IV) до губчатого титана

Хлорид титана(IV) представляет собой летучую жидкость. Его нагревают для получения пара, который подают в реактор из нержавеющей стали, содержащий расплавленный магний (в избытке), предварительно нагретый примерно до 800 К в атмосфере аргона.Экзотермические реакции с образованием хлоридов титана (III) и титана (II) вызывают быстрое повышение температуры примерно до 1100 К. Эти хлориды медленно восстанавливаются, поэтому для завершения процесса восстановления температуру повышают до 1300 К. Тем не менее, это длительный процесс:

Через 36-50 часов реактор вынимают из печи и оставляют охлаждаться не менее чем на четыре дня.

Непрореагировавший магний и смесь хлорида/титана выделяют, измельчают и выщелачивают разбавленной соляной кислотой для удаления хлорида магния.В альтернативном методе, используемом в Японии, хлорид магния вместе с непрореагировавшим магнием удаляют из титана путем высокотемпературной вакуумной перегонки.
Хлорид магния электролизуется для получения магния для стадии восстановления, а хлор рециркулируется для стадии хлорирования руды.

Титан очищается высокотемпературной вакуумной перегонкой. Металл представляет собой пористую гранулу, называемую губкой. Его можно перерабатывать на месте или продавать другим компаниям для преобразования в титановые изделия.

Рисунок 6. Краткая информация о преобразовании титановой руды в полезные продукты.

(d) Обработка губчатого титана

Так как титановая губка легко реагирует с азотом и кислородом при высоких температурах, губку необходимо обрабатывать в вакууме или в инертной атмосфере, такой как аргон. На этом этапе может быть включен лом титана, а также могут быть добавлены другие металлы, если требуется титановый сплав. Обычный метод заключается в сжатии материалов вместе для создания большого блока, который затем становится электродом в тигле для электродуговой плавки.Между тиглем и электродом образуется дуга, в результате чего электрод вплавляется в тигель, где он охлаждается и образует большой слиток. Это может быть повторено для получения слитка «второй плавки» более высокого качества.

ИТП Армстронг Процесс

Титан и его сплавы могут быть получены из хлорида титана (IV) с использованием натрия вместо магния. Хотя химия не нова, в настоящее время разработан непрерывный, а не периодический процесс, что значительно снижает затраты.

Рисунок 7. Непрерывный процесс восстановления хлорида титана(IV).

Пары хлорида титана(IV) вводят в поток расплавленного натрия и хлорид восстанавливают до металла. Титан и хлорид натрия образуются в виде твердых веществ и извлекаются из потока натрия путем фильтрации. После удаления остаточного натрия металлический титан можно отделить от соли простой промывкой. Хлорид натрия сушат, нагревают до расплавления и подвергают электролизу, получая натрий для повторного использования и хлор для начальной стадии хлорирования.

Если исходный хлорид титана (IV) тщательно смешать с правильными пропорциями других хлоридов металлов перед подачей в поток жидкого натрия, в результате получится порошок титанового сплава очень высокого качества, что является одним из основных преимуществ этого процесса.Например, Ti-6Al-4V получают путем включения в сырье хлорида алюминия и хлорида ванадия(IV) в правильных пропорциях.

FFC Кембриджский процесс

Исследования в Кембридже (Великобритания) привели к разработке электролитического метода восстановления диоксида титана непосредственно до титана.

Диоксид итания

(обычно рутил) измельчают в порошок, а затем превращают в гранулы, которые действуют как катод. Их помещают в ванну с расплавленным хлоридом кальция и соединяют с металлическим стержнем, выполняющим роль проводника.Ячейка укомплектована угольным анодом. При подаче напряжения оксид титана восстанавливается до титана, и ионы оксида притягиваются к

Угольный анод

, который окисляется до монооксида углерода и диоксида углерода (рис. 8).

Рисунок 8. Электролитическое восстановление оксида титана (IV).

Если подается гораздо более высокое напряжение, механизм будет другим. Кальций осаждается на катоде и реагирует с диоксидом титана с образованием титана, а ионы кальция регенерируются.

Этот процесс намного проще, чем существующие методы, работает при более низких температурах (экономия затрат на энергию) и оказывает меньшее воздействие на окружающую среду. Он может значительно снизить производственные затраты, позволяя применить преимущества металлического титана к более широкому спектру конечных продуктов.

Процесс также рассматривается для производства других металлов, например, тантала.

 

 

Дата последнего изменения: 5 октября 2016 г.

Биосовместимость современных титановых имплантатов — обзор материалов

(Базель).2014 декабрь; 7(12): 8168–8188.

Юнг Квон О, внешний редактор

Группа биоинженерии и медицинских технологий, Школа клинической стоматологии, Университет Шеффилда, 19 Claremont Crescent, Шеффилд S10 2TA, Великобритания; Электронная почта: [email protected]; Тел.: +44-114-271-7890; Факс: +44-114-279-7050

Поступила в редакцию 25 августа 2014 г.; Пересмотрено 5 октября 2014 г.; Принято 8 декабря 2014 г.

Эта статья была процитирована другими статьями в PMC.

Abstract

Титан (Ti) и его сплавы могут быть переработаны с помощью передовых способов производства порошка, таких как изготовление аддитивного слоя (или 3D-печать) или литье под давлением.Эта область получает повышенное внимание со стороны различных производственных секторов, включая сектор медицинских устройств. Вполне возможно, что передовые технологии производства смогут заменить механическую обработку или литье металлических сплавов при изготовлении устройств из-за сопутствующих преимуществ, включающих гибкость конструкции, снижение затрат на обработку, сокращение отходов и возможность более легкого изготовления сложных имплантатов или имплантатов нестандартной формы. . Появляющиеся передовые производственные подходы к литью металлов под давлением и производству аддитивных слоев привлекают особое внимание в отрасли изготовления имплантатов, поскольку они могут преодолеть некоторые трудности, связанные с традиционными методами изготовления имплантатов, такими как литье из титана.Используя передовое производство, также можно производить более сложные пористые структуры с улучшенными механическими характеристиками, потенциально соответствующие модулю упругости местной кости. В то время как экономический и технический потенциал передового производства скелетно-мышечных имплантатов очевиден, влияние на биосовместимость материалов изучено меньше. В этом обзоре оцениваются возможности передовых способов производства порошков для производства компонентов, подходящих для применения в биомедицинских имплантатах, с акцентом на отделку поверхности и пористую структуру.Учитывая, что биосовместимость и реакция кости хозяина являются критическими факторами, определяющими клиническую эффективность, были тщательно рассмотрены опубликованные исследования in vitro и in vivo . Обзор завершается перспективой на будущее передового производства титана для биомедицинских имплантатов с использованием порошковой металлургии.

Ключевые слова: CP-Ti, Ti6Al4V, титан, биосовместимость, порошковая металлургия, литье металлов под давлением, аддитивное производство, 3-D печать, цитотоксичность, имплантаты

1.Введение

Материалы, используемые в биомедицинских целях, существуют в различных формах, и для выполнения этой роли они должны обладать определенными свойствами [1]. Такие материалы, как металлы, обычно используются в качестве имплантатов, и такие металлы должны обладать свойствами, которые позволят им функционировать внутри тела человека или животного [2]. Биоматериалы, как их еще называют, должны обладать биомеханическими свойствами, сравнимыми со свойствами аутогенных тканей, без побочных эффектов. Свойства, которые определяют, подходит ли материал для биомедицинских имплантатов, включают биосовместимость, биоадгезию, биофункциональность и коррозионную стойкость [2].Чтобы обеспечить безопасность и получить желаемые результаты, имплантаты и другие устройства, предназначенные для биомедицинского использования, регулируются различными органами во всем мире, такими как Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) и Международная организация по стандартизации (ISO) [3]. Основными металлическими биоматериалами являются нержавеющие стали, кобальтовые сплавы, титан и титановые сплавы [1]. Этот обзор был ограничен изучением титана и его сплавов, поскольку это металл, широкое использование которого ограничено его высокой стоимостью из-за многоступенчатого процесса Кролла для извлечения титанового сырья [4].Усовершенствованные способы производства порошка, такие как литье под давлением (MIM), появились как методы, которые могут минимизировать стоимость производства титановых имплантатов.

2. Титан как материал для имплантатов

Титан и титановые сплавы обладают высокой удельной прочностью [5], что делает титан отличным выбором для биомедицинских применений [6]. Кроме того, титан считается биосовместимым, поскольку он имеет низкую электропроводность, которая способствует электрохимическому окислению титана, приводящему к образованию тонкого пассивного оксидного слоя [7].Оксидный слой, в свою очередь, обеспечивает высокую коррозионную стойкость. Этот защитно-пассивный слой сохраняется при значениях рН тела человека [8] благодаря титану, имеющему изоэлектрическую точку оксида 5–6 [1]. В водных средах Ti и его оксиды имеют низкую склонность к ионообразованию и низкую реакционную способность с макромолекулами [9]. Титановые сплавы используются в биомедицинских имплантатах, которые заменяют поврежденные твердые ткани. Некоторыми примерами использования Ti в биомедицинских целях являются зубные и ортопедические имплантаты, искусственные сердца, кардиостимуляторы, искусственные коленные суставы, костные пластины, протезы сердечных клапанов, винты для фиксации переломов, искусственные тазобедренные суставы [1] и опорные пластины роговицы [10].Поэтому титан и титановые сплавы широко используются в качестве материалов для биомедицинских имплантатов с начала 1970-х годов, а имплантаты доступны в виде механически обработанных и литых компонентов. Предпочтительными сплавами для изготовления титановых имплантатов являются технически чистый титан (CP-Ti) и титановый сплав Ti6Al4V (Ti-64). CP-Ti обладает более высокой коррозионной стойкостью и считается наиболее биосовместимым металлом из-за стабильного и инертного оксидного слоя, который самопроизвольно образуется при воздействии на его поверхность окисляющей среды [1].Почти все коммерчески доступные пермукозальные зубные имплантаты изготовлены из CP-Ti в результате новаторских исследований Бранемарка и его сотрудников [11].

CP-Ti и Ti-64, изготовленные традиционными способами (такие как полосы, листы, плиты, стержни, заготовки, поковки и проволока), согласно Американскому обществу испытаний и материалов (ASTM) имеют классы от 1 до 5. Классы от 1 до 4 — это нелегированный CP-Ti, а класс 5 — это легированный Ti-64. обобщает механические свойства титана в соответствии со стандартами ASTM F67 [12] и F136 [13] для прутков, заготовок и поковок.Титан класса 2 является основным нелегированным титаном, используемым в зубных имплантатах. Ti класса 2 имеет минимальный предел текучести 275 МПа, что эквивалентно пределу текучести термообработанных аустенитных нержавеющих сталей. Ti-64 класса 5 — наиболее широко используемый титановый сплав в биомедицинских имплантатах, где требуется высокая прочность [1]. Как видно из формы, CP-Ti имеет более низкую прочность, в то время как Ti-64 представляет собой сплав α + β, который обеспечивает более высокую прочность [14].

Таблица 1

Отдельные механические свойства титанового стержня для имплантата [1].

9

Материал	Спецификация	Прочность на растяжение (MPA)	0,2% Доказательство напряжения (MPA)	Удлинение (%)	Эластичный модуль (GPA)
ASTM F67 класс 1	240	240	240	24	103-107
—		—		3	295	275	20	103-107
—	ASTM F67 класс 3	450	450	18	18	103-107
—
—		550	493	15	103-107
Ti6al4v	ASTM F136 Grade 5	860	795	10	114–120

Как и CP-Ti, так и Ti-64 имеют ряд преимуществ, которые уже отмечались. Как указано выше, они, тем не менее, имеют некоторые недостатки в том, что касается применения имплантатов, поскольку они оба имеют низкую износостойкость.Также были опасения, что ванадий, содержащийся в сплаве Ti-64, является цитотоксичным [2], что означает, что этот сплав ограничен определенными соответствующими приложениями и устройствами [13]. CP-Ti и Ti-64 имеют модуль упругости, который считается высоким по сравнению с костью [2]. Таким образом, эти факторы ограничивают применение CP-Ti и Ti-64 из-за несоответствия модуля упругости (или модуля Юнга) между имплантатом и костью [15]. Для имплантатов желателен низкий модуль упругости, поскольку он помогает избежать экранирования напряжения и связанной с этим резорбции кости [16].В результате были разработаны новые составы титановых сплавов, специально предназначенные для биомедицинских применений. Первое поколение этих сплавов биомедицинских имплантатов включало Ti-6Al-7Nb и Ti-5Al-2,5Fe, два сплава со свойствами, аналогичными Ti-64, которые были разработаны для решения проблем, связанных с цитотоксичностью ванадия [2]. Титановые сплавы, содержащие Nb, Ta и Zr (β-стабилизирующие элементы) с низким модулем, высокой прочностью, устойчивостью к коррозии и биосовместимостью, также были разработаны для применения в биомедицинских имплантатах.

Другим решением проблем, связанных с высоким модулем упругости титана, было использование передовых производственных процессов, таких как производство аддитивных слоев (ALM), для изготовления высокопористых титановых структур из CP-Ti и Ti-64. Эти пористые структуры могут быть адаптированы для получения превосходных механических свойств, подобных свойствам человеческой кости, и обычно предназначены для облегчения врастания кости [17]. Модуль упругости титана составляет около 114 ГПа, в то время как модуль губчатой ​​и кортикальной кости колеблется от 0.5 ГПа до максимум 20 ГПа [18]. Механические свойства и поведение титановых имплантатов можно варьировать за счет объемной доли и распределения размеров пористых структур [19], и было показано, что модуль упругости пористого титана уменьшается с увеличением размера пор под действием сжимающей силы [18].

Повышенный интерес к передовому производству титана привел к последующей потребности в правилах и стандартах, и в ответ ASTM и Международная организация по стандартизации (ISO) недавно опубликовали новые стандарты для титана ALM и MIM.показаны требования к химическому составу для титана MIM и ALM в соответствии со стандартами ASTM F2989, F2885 [20], F2924 [21], F3001 [22] и стандартами ISO 22068 [23]. Титан ASTM F2989 «MIM 1» имеет самую высокую чистоту с максимальным содержанием железа 0,20% по массе, что ниже, чем у «MIM 2» и «MIM 3» (максимум 0,30% по массе). По сравнению с химическими свойствами ASTM F67, химические требования не изменились, за исключением кислорода в классе MIM 3, который установлен на максимальном уровне 0,3 мас.%, тогда как в ASTM F67 он составляет 0,35 мас.%.При сравнении стандартов ASTM с легированным Ti-64 максимальный уровень кислорода установлен на уровне 0,13 мас.% сверхнизкого междоузлия (ELI) для прутков, заготовок и поковок (ASTM F136). В MIM максимальный уровень кислорода составляет 0,2 мас. %, потому что при обработке MIM всегда происходит поглощение кислорода во время спекания.

Таблица 2

Требования к химическому составу для литья под давлением (MIM) и производства аддитивного слоя (ALM) титана в соответствии со стандартами Американского общества по испытаниям и материалам (ASTM).

6
Спецификация	Химический состав (WT%)

9 Fe C N 9 H Y ASTM F2989 MIM 1 — — — — <0.2 <0,08 <0,03 <0,018 <0,015 — — ASTM F2989 MIM 2 — — <0.3 <0,08 <0.03 <0.25 <0.25 <0,25 — ASTM F2989 MIM 3 — — <0,08 <0,05 <0.30 <0.015 — ISO 22068 MIM Ti-400 — — —4 — <0.2 <0,1 <0 0,1 — — ASTM F2885 5 класс 5.5-6.75 3.5-4.5 3.5-4.5 <0.30 <0,08 <0,05 <0.05 <0.0.02 <0,015 <0,015 ISO 22068 MIM-TI6AL4V-600 5.0-7.0 3.0-5.0 — — <0.2 <0.1 <0,4 — — ASTM F2924 ALM TI6AL4V 5.5-6.5 3.5-4.5 <0,08 <0.05 <0.0244 <0.02 <0,015 — ASTM F3001 ALM TI6AL4V (ELI) 5.5-6.5 3.5-6.5 <0.25 <0,08 <0,05 <0.13 <0,012 <0,005

Как видно, в настоящее время компания ALM выпускает два сплава титана, которые входят в стандарты и могут использоваться для хирургических имплантатов. Стандарты ASTM F2924-14 [21] и F3001-14 [22] распространяются на компоненты Ti6Al4V, изготовленные аддитивным способом с использованием плавления в слое порошка в полном расплаве, такого как электронно-лучевая плавка и лазерная плавка [22].показывает минимальные механические свойства титана производства ALM и MIM в соответствии с ASTM F2924-14, ASTM F3001-14, ASTM F2989-11, F2885-11 и ISO 22068.

Таблица 3

Механические свойства CP-Ti MIM, Ти-64 МИМ и АЛМ.

9

	Спецификация		Прочность на растяжение (MPA)	0,2% Доказательство напряжения (МПа)	Удлинение (%)	r * (%)
MIM CP-Ti	ASTM F2989 MIM 1	370244	3	3	29	9
—	ASTM F2989 MIM 2	420	360	17	20
—	ASTM F2989 MIM 3	495	495	390	10	15
—	ISO 22068 MIM Ti-400	500	400	5
MIM TI6AL4V	ASTM F2885 класс 5	780	680	9	9
—		—	ISO 22068 MIM-Ti6al4v-600	800	600	3	—
УАП Ti6Al4V	ASTM F2924 УАП Ti6Al4V	895	825	10	15
УАП Ti6Al4V	ASTM F3001 УАП Ti6Al4V (Eli)	860	795	8	25

По сравнению с требованиями к нелегированным титановым пруткам, заготовкам и поковкам, требования к прочности на растяжение и пределу текучести в ASTM F2989 MIM выше, тогда как требования к удлинению ниже.Это связано с тем, что в спеченном состоянии Ti MIM имеет некоторую остаточную пористость [24]. Требования к пределу прочности при растяжении и пределе текучести для МИМ из Ti-64 ниже, чем для прутков, заготовок и поковок, тогда как для АЛМ из Ti-64 они такие же. Требования к удлинению ниже для Ti-64 ALM.

3. Усовершенствованная порошковая обработка титана

Как уже упоминалось ранее, производство титана затруднено из-за высокой стоимости традиционных производственных процессов и плохой технологичности для производства сложной формы.Это привело к многочисленным исследованиям различных потенциально более дешевых процессов [4]. Хотя существуют различные методы порошковой металлургии обработки титана, перечисленные Фроэсом [25], этот обзор ограничен относительно новыми областями АЛМ и МИМ титана.

Усовершенствованные производственные маршруты, такие как ALM и Ti MIM, представляют собой процессы, обеспечивающие гибкость проектирования и экономию средств соответственно для изготовления изделий сложной формы с очень высокой точностью размеров.ALM и MIM отличаются от традиционных методов обработки, которые в основном основаны на удалении материала такими методами, как резка или сверление (субтрактивное производство) [26]. Таким образом, ALM и MIM все чаще используются в качестве процессов для изготовления хирургических имплантатов, включая ортопедические и зубные имплантаты. С ростом спроса на медицинскую имплантацию растет потребность в имплантатах, которые обеспечивают надежность, адекватные механические свойства и обладают уникальными свойствами (такими как имплантаты, специфичные для пациента), а также комфортом.MIM — это технологический маршрут, который предлагает снижение затрат с дополнительным преимуществом изготовления почти чистой формы, как сообщает Ferri et al. [27] и Ebel et al. [28]. С другой стороны, ALM используется для изготовления специфичных для пациента, сложных, клеточных и функциональных сетчатых массивов имплантатов или костных заменителей [29].

Целью данного обзора является обобщение существующей литературы и отчет об использовании передового производства для изготовления имплантатов из титанового сплава. Особое внимание уделяется отделке поверхности, пористой структуре и различным исследованиям биосовместимости in vitro и in vivo , которые были проведены на имплантатах усовершенствованного производства.Разработка новых процессов и материалов обычно не включает испытания на биосовместимость до тех пор, пока не будет достигнута стадия прототипа. Регулирующие органы, такие как Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) в США, требуют проведения испытаний на биосовместимость в соответствии с ISO 10993 или ASTM F748 до утверждения устройства [30]. Поэтому необходимо проводить испытания на биосовместимость любого материала или нового метода обработки материала [30].

3.1. Аддитивное производство слоев

Аддитивное производство слоев охватывает группу технологий, появившихся в последнее десятилетие.В ALM материал добавляется по одному слою поперечного сечения за раз для создания объекта [31]. ALM использует аддитивный метод для создания трехмерного твердотельного объекта практически любой формы из модели автоматизированного проектирования (САПР). Модель файла САПР, которая представляет собой геометрию детали, создается и после оптимизации файл САПР затем «численно нарезается» на толщину слоя, которую будет строить машина. После этого он передается в программное обеспечение машины ALM и загружается в машину ALM. позволяя начать сборку на основе файлов.Слои материала укладываются последовательно, причем каждый слой соответствует разной форме. иллюстрирует блок-схему системы ALM от файла CAD до производства компонентов.

Блок-схема системы ALM от файла системы автоматизированного проектирования (САПР) до изготовления компонентов.

Технологии ALM включают моделирование наплавления, лазерное микроспекание, прямое лазерное спекание металлов (DMLS), трехмерную (3-D) лазерную наплавку, электронно-лучевое плавление (EBM) и электронно-лучевое спекание (EBS) [26] .В этом обзоре подробно рассматриваются две системы, способные производить Ti, а именно EBM и DMLS, а также кратко рассматриваются другие методы ALM.

3.1.1. Электронно-лучевая плавка (ЭЛП)

Электронно-лучевая плавка (ЭЛП) — это одна из технологий аддитивного производства, в основном используемая для металлических биоматериалов. В системе EBM детали изготавливаются путем послойного плавления металлического порошка магнитонаправленным электронным пучком (мощностью до 3 кВт) в атмосфере высокого вакуума [32].Именно по этой причине EBM особенно подходит для изготовления имплантатов из титана и титановых сплавов. представляет собой схематический чертеж системы электронно-лучевой плавки.

Схематический чертеж системы электронно-лучевой плавки.

Одной из проблем использования EBM в производстве хирургических имплантатов является оптимизация обработки поверхности конечных компонентов. Это сильно зависит от параметров обработки EBM, таких как ток луча, ориентация детали и размер частиц порошка.Широко известно и принято считать, что топография поверхности биомедицинских имплантатов влияет на биосовместимость, поскольку влияет на прикрепление, пролиферацию и дифференцировку клеток. Эффективность биомедицинских имплантатов и их биосовместимость во многом зависят от начального взаимодействия между поверхностями имплантатов и биологической средой [33]. В связи с этим был проведен ряд исследований для определения биосовместимости титановых имплантатов, изготовленных методом ДМ.

Понадер и др. [33] изготовили компоненты Ti-64 с различной поверхностью и пористостью с использованием EBM, а затем они оценили in vitro поверхностные матрицы для прикрепления, пролиферации и дифференцировки клеток с использованием остеобластов плода человека (hFOB 1.19). В этом исследовании было обнаружено, что пролиферация клеток более выражена в компактных образцах Ti-64, чем в пористых образцах. Эти компакты Ti-64 состояли из прилипших к поверхности частично расплавленных частиц титана, что приводило к шероховатости поверхности (Ra) ≤24.9 мкм. В пористых образцах с сильно шероховатой поверхностью (Ra ≥ 56,9 мкм) пролиферация клеток hFOB была снижена. Авторы обнаружили, что шероховатость поверхности не влияла на маркеры дифференцировки клеток. Поверхностные характеристики титана могут быть легко изменены с помощью EBM для дальнейшего улучшения пролиферации [33]. Это исследование также пришло к выводу, что износостойкость должна быть оптимизирована и что необходимы дальнейшие исследования, чтобы выяснить, может ли наблюдаемая биосовместимость in vitro также наблюдаться in vivo , когда костная ткань может врастать в структуры EBM.Затем авторы провели следующее исследование, в котором они оценили гладкие прессовки EBM и пористые структуры Ti-64 в качестве каркасов для формирования кости, in vivo [17]. Имплантаты были установлены в дефекты лобной части черепа 15 домашних свиней. После операции были сделаны рентгеновские снимки для анализа микроскопической структуры прямого контакта между костью и поверхностями имплантата с интервалами 14, 30 и 60 дней. Результаты показали, что врастание кости увеличивалось со следующими интервалами: около 14% через 14 дней, 30% через 30 дней и 46% через 60 дней как для гладких компактных, так и для шероховатых пористых имплантатов.Через 60 дней контакт кости с имплантатом был меньше вокруг компактных образцов (6%), чем вокруг пористых образцов (9%). В исследовании авторам удалось продемонстрировать пригодность высокопористых титановых имплантатов в качестве каркасов для врастания кости, особенно в ортопедических и челюстно-лицевых применениях [17].

В то время как Ponader и др. [17] Исследование in vivo показало относительно низкую остеоинтеграцию в течение первых 60 дней, другое исследование in vivo , в котором изучался контакт кости с имплантатом имплантатов EBM Ti-64, было проведено Thomsen et al. [34], и это показало, что контакт кости с имплантатом составляет 29–41% через 6 недель у кроликов. После изготовления имплантатов EBM Ti-64 с повышенной шероховатостью поверхности авторы обработали выбранное количество образцов, а также включили в свое исследование объемный материал Ti-64, изготовленный традиционным способом. Результаты ранней реакции кости у кроликов показали, что имплантаты as-EBM Ti-64 не показали существенной разницы в реакции ткани по сравнению с обычными имплантатами из деформируемого титанового сплава и механически обработанными имплантатами EBM Ti-64.Образцы имплантата as-EBM Ti-64 имели шероховатость поверхности ( S _и ) более 15 мкм. В этом исследовании также были выявлены результаты химических и механических свойств материала Ti-64, расплавленного электронным лучом, которые соответствовали спецификациям ASTM F136. Это исследование было проведено до выпуска стандарта ASTM 3001.

Биосовместимость полированного, неполированного и пористого EBM Ti-64 также изучалась Haslauer et al. [29] с использованием культуры клеток in vitro .Авторы сравнили клеточный ответ в дисках, которые были засеяны 20 000 взрослых стволовых клеток, полученных из жировой ткани человека (hASC). Оценки показали, что hASC были живыми на всех дисках через 8 дней, что клеточная пролиферация на пористых дисках EBM Ti-64 была увеличена по сравнению с твердыми полированными и неполированными дисками EBM и что высвобождение провоспалительных цитокинов (IL-6 и IL-8) была ниже для пористых дисков ЭЛМ, чем для других дисков. Кроме того, выбросы IL-6 и IL-8 на 7-й день были ниже для пористых EBM-дисков, чем для других дисков.Авторы были удовлетворены тем, что биосовместимость дисков EBM Ti-64 была сравнима с биосовместимостью коммерческих типов имплантатов.

В исследовании, посвященном модификации поверхности имплантатов с помощью покрытия, Li et al. [35] изготовили имплантаты из пористого Ti-64 с помощью процесса EBM, после чего они использовали биомиметический подход для покрытия поверхностей. Биосовместимость in vitro и in vivo оценивали для имплантатов с биомиметическим апатитовым покрытием и без него.Результаты in vitro биосовместимости пористого титана EBM были положительными в отношении прикрепления клеток, пролиферации и морфологии клеток. Сравнение имплантатов с биомиметическим покрытием и без него показало, что пролиферация клеток в пористых имплантатах EBM Ti-64 может соответствовать таковой в имплантатах с покрытием. Аналогично, гистологический анализ in vivo показал сравнимую скорость врастания и формирования кости между EBM Ti-64 и Ti-64 с покрытием через 12 недель. Анализ механических свойств показал, что пористый Ti-64 ЭЛМ имеет модуль Юнга, аналогичный кортикальной кости (14.от 5 до 38,5 ГПа).

В исследовании, которое включало еще один долгосрочный эксперимент in vivo с , Palmquist et al. [36] оценивали остеоинтеграцию пористых EBM Ti-64 и цельных EBM цилиндрических и дискообразных имплантатов Ti-64, обработанных методом EBM. Ti-64 имплантировали овцам билатерально в бедренную кость и подкожно в спину. После извлечения через 26 недель результаты показали, что как пористые, так и твердые имплантаты были остеоинтегрированы, а высокий контакт кости с имплантатом на уровне 57% наблюдался по всему объему пористого имплантата.Однако при обсуждении эффектов топографии поверхности авторы предположили, что не всегда можно с уверенностью отнести конкретные биологические эффекты к конкретным свойствам поверхности.

Приведенное выше утверждение Palmquist et al. [36], подтверждается тем, что, хотя они и взаимосвязаны, результаты биосовместимости ЭЛМ титановых сплавов, перечисленные выше, разнятся. Было показано, что пролиферация клеток более выражена в компактных образцах с меньшей шероховатостью поверхности, тогда как в другом случае авторы утверждают, что EBM Ti-64 обладает свойствами биосовместимости, соответствующими эталонным образцам [35], а в другом случае авторы обнаружили большую пролиферацию в более грубых образцах по сравнению с эталонными образцами [29].Тем не менее, обзор литературы показал, что в определенной степени EBM титана может быть использован для изготовления индивидуальных ортопедических имплантатов. Этот процесс можно использовать при разработке имплантатов с определенной шероховатостью поверхности и пористостью. Исследования биосовместимости показали, как гибкость конструкции может быть связана, например, с врастанием кости и пролиферацией клеток. Полученные результаты открывают возможности более широкого применения ЭЛМ титана для реконструкции специфических костных дефектов.

3.1.2. Прямое лазерное спекание металлов (DMLS), селективное лазерное плавление/агломерирование

Прямое лазерное спекание металлов (DMLS) — это технология аддитивного производства металлов, разработанная компанией EOS, базирующейся в Мюнхене, Германия. DMLS часто также называют селективным лазерным спеканием (SLS) или селективным лазерным плавлением (SLM).

В системе DMLS мощный оптический лазер мощностью от 200 Вт до 400 Вт используется для вплавления металлического порошка в твердый компонент на основе файла 3D CAD.Подобно системе EBM, компоненты строятся от слоя к следующему слою с использованием аддитивного метода, при этом толщина слоя обычно составляет 20 мкм. показывает схематический обзор формы SLM цикла DMLS.

Схематический обзор цикла селективного лазерного плавления (SLM).

Таким образом, DMLS решает задачи изготовления биомедицинских имплантатов с желаемой обработкой поверхности без необходимости последующей обработки путем полировки и т. д. , как в системе EBM.Hollander et al. представили одно из исследований, проведенных с целью изучения пригодности титанового DMLS для изготовления биомедицинских имплантатов. [37]. Они представили результаты, демонстрирующие влияние различных свойств поверхности на «заменители кости» Ti-64, изготовленные с помощью SLM. В частности, была изучена биосовместимость материала SLM Ti-64 с использованием клеток первичных остеобластов человека (HOB). Сравнивали поверхности SLM с коммерческим Thermanox ^® (Nalge Nunc Int., Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США) контрольный и обычный объемный титан. Результаты показали, что культивируемые клетки прикреплялись и пролиферировали на субстратах SLM, а активность щелочной фосфатазы (ЩФ) также увеличивалась через 7 дней, но снижалась через 14 дней [37]. Авторы пришли к выводу, что повышенная метаболическая активность остеобластов на дисках SLM по сравнению с контролем могла быть связана с большей площадью поверхности материала SLM, для покрытия которой клетками требовалось больше времени. показан пример точной компьютерной томографии (КТ) на основе сложного человеческого позвонка, обработанного авторами с помощью SLM.

Пример точной КТ части сложного человеческого позвонка, обработанной SLM с использованием аддитивного производства [37].

Используя вариант DMLS, называемый методом селективного лазерного спекания (SLS), Hollister et al. [38] изготовил каркасы для черепно-лицевого и височно-нижнечелюстного суставов (ВНЧС) для черепно-лицевой реконструкции. Авторы разработали две конструкции взаимосвязанной пористой архитектуры, одна из которых представляет собой взаимосвязанные сферические поры, а другая представляет собой взаимосвязанные цилиндрические поры, пористость которых составляет от 50% до 70%.Они использовали различные биоматериалы, которые включали неуказанный сорт титана и представили в исходных результатах in vitro и данные испытаний in vivo , показывающие значительное врастание кости (от 40% до 50% через 6 недель, от 70% до 80% через 6 недель). 18 недель) для всех каркасов. Результаты испытаний in vivo показали, что каркасы, в том числе титановые, способны поддерживать регенерацию кости за счет доставки трансдуцированных BMP-7 фибробластов десны человека на мышиной модели.Кроме того, титановые каркасы имели значения механических свойств, лежащие между свойствами кортикальной и трабекулярной костей, а также поддерживали регенерацию костей и хрящей, необходимую для реконструкции черепно-лицевых структур.

Поэтому в имплантологии с использованием металлических биоматериалов, таких как Ti, важно понимать роль конкретных свойств поверхности, когда кость находится в контакте с имплантатом. Именно по этой причине также были проведены исследования, чтобы понять раннюю реакцию кости человека на титановые имплантаты, а в более поздних исследованиях рассматривались передовые производственные технологии, такие как DMLS.О ранней реакции кости человека на поверхность имплантата DMLS Ti-64 сообщили Mangano et al. [39] после того, как они провели исследование, в котором микроимплантат был вставлен в передний отдел нижней челюсти пациента во время обычной имплантации челюсти в рамках исследования in vivo . После двух месяцев заживления без нагрузки в этом исследовании микроимплантат и окружающие ткани были извлечены, а структура ткани была изучена под микроскопом. Гистология показала, что периимплантатная кость находится в тесном контакте с поверхностью имплантата.Среднее значение контакта кости с имплантатом составило 69,51%. Авторы пришли к выводу, что DMLS Ti-64 является многообещающей альтернативой традиционной топографии поверхности имплантата [39].

При использовании исследований in vitro для демонстрации остеоинтеграции титана DMLS Warnke et al. [40] культивировали остеобласты человека на изготовленных SLM сетчатых каркасах из Ti-64. Проведена оценка окклюзии клеткой пор различной ширины (от 0,45 до 1,2 мм). Результаты биосовместимости показали, что остеобласты имели хорошо распространенную морфологию, а также имели множественные точки контакта.Было обнаружено, что разрастание пор увеличилось через 6 недель культивирования при ширине пор 0,45 и 0,5 мм и в течение 3 недель при ширине пор 0,55, 0,6 и 0,7 мм. На порах шириной 0,9–1,2 мм закрытие пор не наблюдалось. Авторы также обнаружили, что пористость и максимальная сжимающая нагрузка при разрушении увеличиваются и уменьшаются с увеличением ширины пор соответственно. Таким образом, их каркасы были биосовместимы, а ширина пор влияла на разрастание пор и устойчивость к сжимающей силе [40].

Обзор литературы в определенной степени показал, что DMLS титана можно использовать для изготовления индивидуальных ортопедических имплантатов. Результаты испытаний in vivo показали, что каркасы DMLS с неполированной и немодифицированной поверхностью способны поддерживать регенерацию кости и что DMLS из титана как передовая технология производства является многообещающей альтернативой традиционным топографиям поверхности имплантатов. С другой стороны, исследование показало, что пористые каркасы Ti DMLS биосовместимы, и что ширина пор может влиять на рост вокруг пор и устойчивость к сжимающей силе.

3.2. Литье металлов под давлением

Литье металлов под давлением — это технологический процесс, который обеспечивает снижение затрат на титановые биоматериалы и имплантаты с дополнительным преимуществом компонентов, близких к сетчатой ​​форме. Компоненты малого и среднего размера со сложной геометрией, которые могут быть изготовлены с помощью MIM, могут быть полностью использованы в индустрии имплантатов.

Цикл MIM начинается с подготовки исходного сырья, которая состоит из смешивания мелкодисперсного металлического порошка и связующего материала.Полученное сырье затем гранулируют и используют машину для литья под давлением для впрыскивания сырья в полость пресс-формы при повышенной температуре (<200 °C) и давлении. Попав в форму, расплавленное сырье охлаждается и затвердевает, образуя сырую деталь. Затем связующее удаляется, и остается очень пористая коричневая часть. Коричневая часть затем спекается и сжимается, как правило, до> 95% плотности без пор (PFD) [24]. Более подробная информация о MIM опубликована в другом месте [41], а блок-схема процесса MIM показана на .

Технологическая схема литья металлов под давлением.

MIM в производстве хорошо зарекомендовал себя, но обработка титана и титановых сплавов в этой области все еще находится в зачаточном состоянии, потому что процесс должен был зависеть от высококачественных исходных порошков, безуглеродных связующих и усовершенствованных печей для спекания, чтобы уменьшить загрязнение из титана. Благодаря необходимым усовершенствованиям интерес к производству титана для биомедицинских применений в последние годы возрос.Одной из проблем в титановой MIM является производство компонентов с желаемой отделкой поверхности, механическими и химическими свойствами. В MIM качество отделки поверхности в значительной степени зависит от параметров обработки, таких как качество обработки пресс-формы и распределение частиц исходного порошка по размерам.

Среди исследований, показавших биосовместимость имплантируемого MIM Ti, есть публикация Sago et al. [42]. В исследовании авторы изготовили устройства Ti-64 с помощью MIM и представили результаты по формуемости, микроструктуре сплава, механическим свойствам, а также биосовместимости.Их результаты показали, что MIM может производить сплавы Ti-64, которые соответствуют требованиям спецификации имплантируемых ASTM F1472 в условиях горячего изостатического прессования (HIPped). Было показано, что образцы прошли серию испытаний на биосовместимость, сравнимые с деформируемым сортом. Тестирование биосовместимости MIM Ti-64 проводили на гемосовместимость (ISO 10993-4), цитотоксичность (ISO 10993-5), сенсибилизацию (ISO-10993-10), раздражение (ISO 10993-10), системную токсичность (ISO 10992-10). 11) и имплантации (ISO 10993-6) [42].

В более позднем исследовании Sago et al. [43] также обнаружил, что химические, металлургические и механические свойства MIM Ti-64 соответствуют недавно опубликованным спецификациям свойств ASTM F2885 для имплантируемых марок MIM. Изготовленные ими образцы были отправлены в коммерческую лабораторию для испытаний на биосовместимость, где они прошли серию испытаний на биосовместимость и показали, что работают на эквивалентном уровне и без существенных различий в биосовместимости по сравнению с имплантируемым деформируемым сплавом той же марки.

По мере того, как все больше деталей изготавливается из титановых сплавов с помощью MIM, исследователи все чаще производят детали с превосходными свойствами при растяжении. Однако информации, содержащей информацию об усталостных свойствах, которая могла бы быть полезна для применения в биомедицинских имплантатах, недостаточно. Так, в исследовании, целью которого было производство MIM-титана с улучшенными усталостными свойствами, Ebel et al. [28] изучали механические, биологические и коррозионные свойства образцов, изготовленных из Ti-6Al-4V-0.сплав 5Б. Были опасения, что из-за содержания бора в окружающей среде организма могут возникнуть неизвестные реакции. Поэтому были проведены испытания на коррозию и биосовместимость. Клетки линии клеток остеосаркомы человека MG-63 культивировали для проведения экспериментов по адгезии, пролиферации и жизнеспособности, и результаты показали, что сплав Ti-6Al-4V-0,5B удовлетворяет требованиям материала постоянного имплантата, производимого MIM [28].

Дополнительные исследования пригодности титана MIM для применения в биомедицинских имплантатах были проведены Auzene et al. [44]. В их исследовании представлены результаты качества поверхности MIM CP-Ti и MIM Ti-64 и его влияние на биосовместимость. Сравнение проводилось между обработанным CP-Ti класса 4, CP-Ti класса 4 MIM и CP-Ti класса 4 MIM с тремя различными коммерческими покрытиями медицинских имплантатов (BIOCOAT ^® , BIODIZE ^® и BIOCER ^® : Steiger Galvanotechnique). SA., Шатель-Сен-Дени, Швейцария). В качестве контрольного образца использовали Thermanox ^® . Результаты показали, что по сравнению с обработанным CP-Ti MIM CP-Ti имеет специфическую шероховатость поверхности, которая демонстрирует превосходную биологическую реакцию.Адгезия клеток культивированных костных эксплантатов была плохой на контроле Thermanox ^® и значительно улучшилась на MIM-Ti, BIODIZE ^® и BIOCOAT ^® , но значительно увеличилась на BIOCER ^® . Химические и механические свойства соответствовали стандартам ASTM F67 для MIM CP-Ti и стандартам ASTM F136 и F2885 для MIM Ti-64 [44].

Дополнительные результаты упомянутого выше исследования были опубликованы Demangel et al. [45]. В их отчете опубликованы результаты биосовместимости MIM CP-Ti с различными последующими обработками анодного окисления, как сообщает Auzene et al. [44]. Было показано, что MIM-Ti по сравнению с обработанным CP-Ti демонстрирует специфическую топографию поверхности с более высокой шероховатостью. Образцы MIM-Ti и BIOCER ^® значительно усиливали клеточную пролиферацию, клеточную адгезию и клеточную дифференцировку костных эксплантатов по сравнению с CP-Ti. Кроме того, в этом исследовании авторы выполнили некоторую последующую обработку анодированием, которая продемонстрировала способность улучшать остеоинтеграцию посредством обработки анионной модификацией. показан топографический трехмерный вид обработанных поверхностей CP-Ti (a) и MIM CP-Ti (b) размером 1 × 1 мм, изученный Demangel et al. [45].

Топографический 3D-вид обработанных поверхностей CP-Ti ( a ) и MIM CP-Ti ( b ), 1 × 1 мм [45].

Еще больше исследований, связанных с изучением биосовместимости MIM Ti-64, было проведено Ibrahim et al. [46]. Во-первых, in vitro цитотоксичность MIM Ti-64 была проведена с использованием клеточных линий мышиных фибробластов L929. Было обнаружено, что часть MIM Ti-64 не токсична для клеточных линий мышиных фибробластов L929. Большинство клеток пролиферировали многочисленными филоподиями и были прикреплены к части MIM Ti-64 [46].Во-вторых, Ибрагим и др. [46] провел тест in vivo MIM Ti-64, поместив имплантат в нижнюю челюсть Macaca fascicularis. Результаты показали непрерывный контакт между окружающей тканью и имплантатом Ti-64, как показано в [46].

Микрофотография окружающей ткани имплантата MIM Ti-64, показывающая непрерывный контакт [46].

3.3. Другие передовые технологии производства

Существует ряд вариантов аддитивного производства, которые использовались исследователями для изготовления имплантатов.Одним из таких методов является лазерное формирование сетки или LENS ^TM , технология, разработанная Sandia National Laboratories. Подобно EBM и DSLM, LENS ^TM используется для изготовления металлических деталей непосредственно из твердотельной модели автоматизированного проектирования (CAD). Отличие заключается в том, что в LENS ^TM металлический порошок впрыскивается в расплавленную ванну, которая создается сфокусированным мощным лазерным лучом. представляет собой схематическое изображение процесса LENS ^TM .

Схематическое изображение процесса LENS.

LENS ^TM Изготовленные из титана детали имеют шероховатую поверхность с макропористой структурой, и именно это свойство позволило Xue et al. [47], чтобы использовать этот метод для изготовления пористых имплантатов из CP-Ti. Влияние пористой структуры на реакции костных клеток оценивали 90–112 in vitro 90–113 с использованием клеток остеобластов человека (OPC1). В результате было обнаружено, что клетки хорошо распределяются по поверхности пористого Ti и образуют сильную локальную адгезию, при этом анализы показывают, что пористая поверхность CP-Ti способствует пролиферации костных клеток.Также было показано, что пористые имплантаты CP-Ti LENS ^TM стимулируют более быструю дифференцировку клеток OPC1 по сравнению с полированным листом CP-Ti. Было заявлено, что это связано с изменением морфологии клеток в порах образцов имплантатов из CP-Ti. Результаты также показали, что критический размер пор >200 мкм имеет решающее значение для врастания клеток в поры. Было обнаружено, что при размере пор <150 мкм клетки располагаются непосредственно поперек пор [47].

Влияние пористости на титан, изготовленный LENS ^TM , также изучалось Bandyopadhyay et al. [48]. После изготовления пористых структур Ti-64 с использованием технологии LENS ^TM авторы попытались продемонстрировать, что передовые технологии производства, такие как LENS ^TM , могут использоваться для изготовления низкомодульных имплантатов с заданной пористостью, которые способны достичь долгосрочная стабильность in vivo . При пористости 23–32 об. % соответствующий эффективный модуль упругости был подобран в пределах от 7 до 60 ГПа, что эквивалентно кортикальной кости человека. Тесты in vivo , проведенные на самцах крыс Sprague-Dawley в течение 16 недель, показали значительное увеличение содержания кальция в имплантатах, что является показателем превосходного врастания биологической ткани через взаимосвязанную пористость.Результаты также показали, что общая пористость влияет на роль врастания тканей [47]. показывает СЭМ-микрофотографии клеток OPC1 и Ti после 3 дней культивирования на: (a, b) пористом Ti (пористость 27%), демонстрирующем уплощенную и хорошо распределенную морфологию; (c) Титановая пластина более округлой формы.

СЭМ-микрофотографии клеток OPC1 через 3 дня культивирования на: ( a , b ) пористом титане (пористость 27%), демонстрируя уплощенную и хорошо распределенную морфологию; ( c ) Титановая пластина более округлой формы [47].

В аддитивном производстве есть еще один метод, который широко используется с полимерными материалами. Этот метод известен как моделирование наплавленного осаждения (FDM). В FDM материал экструдируется при построении детали слой за слоем из файла САПР. Схема FDM показана на . Этот метод также дает возможность гибкости в дизайне, и это, несомненно, выгодно для изготовления имплантатов, поскольку размер и форма имплантата могут быть адаптированы, что позволяет изготавливать имплантаты для конкретного пациента.

Схема моделирования наплавления.

Wiria и др. [49] изготовили прототипы титановых имплантатов, используя эту технику 3D-печати в сочетании с обработкой удаления связующего и консолидацией (спеканием), которая выполняется в MIM. В их исследовании 3D-принтер, обычно используемый для гипсового материала, использовался для изготовления зеленых частей прототипа титанового имплантата. Порошок CP-Ti (325 меш) смешивали со связующим материалом на основе поли(винилового спирта) (ПВС) для получения сырья.После 3D-печати сырые детали сначала отделяли от связующего ПВА, а затем спекали. Последующее исследование клеточной культуры, проведенное с использованием клеток фибробластов L929, показало, что пористый имплантат из CP-Ti обладает превосходной биосовместимостью из-за прикрепления и пролиферации костных клеток. Исследование in vitro также выявило повышенную остеогенную дифференцировку с небольшой цитотоксичностью. показано сравнение цитотоксичности каркасов из CP-Ti и контрольного цилиндра.Образцы отрицательного контроля, используемые для тестов на цитотоксичность, были в форме цилиндров из агарозного геля того же размера, что и титановые имплантаты, тогда как образцы фенола использовались в качестве положительного контроля.

Сравнение цитотоксичности титановых каркасов и контрольного цилиндра [49].

4. Выводы и перспективы на будущее

Титан и его сплавы хорошо зарекомендовали себя в качестве биомедицинских имплантатов благодаря своей превосходной биосовместимости. Это связано с наличием оксидного слоя, который обычно присутствует на поверхности материала в окислительной среде.Обработка титана с помощью передовых технологий производства ALM и MIM до недавнего времени сдерживалась относительно высокими затратами и необходимостью продемонстрировать, что полученные поверхности имеют эквивалентную биосовместимость имплантатов, изготовленных с использованием традиционных методов. Этот обзор продемонстрировал, что передовое и аддитивное производство может быть успешно использовано для производства безопасных биосовместимых структур из титанового сплава для использования в качестве медицинских устройств в некоторых приложениях. Этот вывод подтверждается рядом исследований in vitro и in vivo .В исследованиях использовались культивированные фибробласты и остеобласты для наблюдения за клеточными реакциями на поверхности, а также на людей и животных. Здесь также было показано несколько передовых производственных маршрутов, обеспечивающих благоприятные условия для производства имплантатов с нестандартными поверхностями, пористостью и каркасами. Например, это особенность, которая использовалась при изготовлении титановых имплантатов, где модуль упругости соответствует модулю упругости костной ткани. и обобщить методы и результаты обработки ALM и MIM.Обработка титановых сплавов, изготовленных с использованием передовых методов производства порошков, таких как производство аддитивного слоя (или 3D-печать) и литье под давлением металла, явно привлекает повышенное внимание и принимается в качестве альтернативы механической обработке и литью. Это является результатом связанных ключевых преимуществ, которые включают гибкость конструкции, снижение затрат на обработку, сокращение отходов, энергоэффективность и улучшенную функциональность, как было продемонстрировано в нескольких из вышеупомянутых исследований.Таким образом, передовые производственные маршруты в совокупности представляют собой значительную возможность преобразовать отрасль медицинского оборудования. С другой стороны, в то время как ALM предлагает гибкость дизайна, полномасштабному внедрению в производство имплантатов может препятствовать высокая стоимость машин с возможностью 3D-печати металлом и затраты, связанные с обучением навыкам. Сфера передового производства быстро развивается, новые технологии и открытия появляются почти постоянно и вносят свой вклад в очень динамичную область.Кроме того, было показано, что ALM может производить имплантаты с индивидуальной шероховатой поверхностью, но в некоторых случаях имплантатов, например, в суставах, требуется гладкая поверхность, и ALM и MIM в настоящее время не могут производить детали с очень гладкой поверхностью. Это означает, что в некоторых случаях имплантаты ALM и MIM Ti могут нуждаться в последующей обработке или покрытии для получения достаточно гладких поверхностей. Существуют также дополнительные сложности, связанные с тем, что прикрепление клеток или врастание кости, например, может быть неравномерным в пределах одной части имплантата из титана.

Таблица 4

Сводка методов и результатов обработки ALM.

in vitro

Обработка	Сплав	Тест биосовместимости		Другие комментарии и ссылки
EBM
	in vitro	Человеческий	Снижение пролиферации клеток в очень грубых поверхностях [33]
EBM	TI6AL4V	in vivo	фронтальный череп домашней свиньи	больше костей контакт в более пористых образцах [17]
EBM	Ti6al4v	5	in vivo				As-Tibia	As-Ebm Implant	As-Ebm Implant Implant, сопоставимый с обработкой [34]
EBM	TI6AL4V	in vitro	человек для взрослых клетки (hASC)	Повышенная пролиферация на пористых по сравнению с полированными и неполированными ISHED EBM дисков [29]
EBM	TI6AL4V	in vitro и in vivo	Остеобласты, извлеченные из Calvaria кроликов, Calvaria кроликов	пролиферация в пористых имплантатах EBM TI-64 Соответствующие покрытые имплантаты [35]
EBM	Ti6al4v	in vivo	Овцы	Высокий костно-имплантатный контакт в пористом имплантате [36]
DMLS	Ti6al4v	in vitro	человек osteoblasts клетки (плита)	культивируемые клетки прикреплены и пролиферированы на SLM подложки [37]
DMLS	Unspecified Ti	in vitro и в in vivo 4	BMP-7 трансдуцированные человеческие дезонные фибробласты	In vitro и данные испытаний in vivo , показывающие значительное врастание кости [38]
DMLS	TI6AL4V		in vivo	человек передней нижней челюсти, мини-мандибулярные	Peri-Immant Bone в тесном контакте с поверхностью имплантата [39]
DMLS	Ti6al4v	in vitro	Человеческие остеобласты	остеобласты хорошо распространяются и с несколькими контактными точками [40]
объектив	CP-Ti	9122 in vitro	in vitro	человек остеобластные клетки человека (OPC1)	клетки скважины 47]
Линнс	Ti6al4v	in vivo	Мужской Sprague-Dawley Rats	Увеличение кальция (кость) в пределах имплантаты [48]
Модифицированный FDM	CP-Ti	CP-Ti	In vitro	Фибробласт мыши L929	Отличное прикрепление и пролиферация костных клеток [49]

Таблица 5

Сводка результатов обработки и выводов MIM.

Обработка	Сплав	Тест на биосовместимость	4	Другие комментарии и рекомендации
MIM	Ti6al4v	in vitro	L929 (ISO 10993)	Прохождение результатов для тестов ISO10993 [42]
MIM	Ti6al4v0.5b		in vitro	MG63 клетки	MG63	сплав удовлетворены требованиями имплантата MIM [28]
MIM	CP-TI и Ti6al4v	in vitro	MC-3T3-E1 Pre-Osteoblasts	клеточная адгезия Многое улучшена на MIM-TI, биоразвод ® и Biocoat ® [44] ® [44]
MIM	CP -Ti	In vitro	Преостеобласты MC-3T3-E1	MIM-Ti и BIOCER ® имели усиленную пролиферацию клеток, ВКЛ и дифференцирование [45]
MIM	MIM	Ti6al4v	in vitro и in vivo и in vivo	L929 FIBROBLAST и нижняя чемодана макака фасака	клетки пролиферированы с филоподией и прикреплены к MIM TI-64 [46]

Опубликованная литература ясно показывает, что передовые методы производства порошков позволяют производить имплантаты, подходящие для биомедицинских применений, и в этом обзоре показано, что область исследований биосовместимости и клинических характеристик металлических имплантатов ALM и MIM расширяется.Тем не менее, по сравнению с биомедицинской промышленностью и исследованиями, исследования биосовместимости in vitro , реакции тканей in vivo и клинических характеристик передовых производственных поверхностей можно считать ограниченными. Кроме того, есть возможности для расширения масштабов этих исследований благодаря постоянным инновациям в передовых производственных технологиях. Подводя итог, можно сказать, что имеющиеся данные обнадеживают, даже если они не всегда основаны на систематических лабораторных или подробных клинических исследованиях.Нет никаких сомнений в том, что необходимы дополнительные исследования биосовместимости и функциональности медицинских устройств, изготовленных с использованием всего спектра аддитивных и передовых производственных технологий, доступных сегодня.

Благодарности

Автор хотел бы поблагодарить Wellcome Trust за предоставление финансовой поддержки через Институциональный фонд стратегической поддержки (ISSF) Университету Шеффилда для проведения настоящего исследования.

Конфликт интересов

Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.

Ссылки

1. Элиас С.Н., Лима Дж.Х.С., Валиев Р., Мейерс М.А. Биомедицинские применения титана и его сплавов. ДЖОМ. 2008; 60:46–49. [Google Академия]2. БомБач Д., Броян М., Файфар П., Козел Ф., Турк Р. Обзор материалов для медицинского применения. РМЗ Матер. Геосреда. 2007; 54: 471–499. [Google Академия]3. Мюллер Э., Каммула Р., Марлоу Д. Регулирование биоматериалов и медицинских устройств. Миссис Бык. 1991; 16:39–41. doi: 10.1557/S0883769400056037. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]4. Фрос Ф.H. Металлургия порошка титана: обзор — часть 1. Adv. Матер. Процесс. 2012; 170:16–22. [Google Академия]5. Guo S., Qu X., He X., Zhou T., Duan B. Литье порошка сплава Ti-6Al-4V под давлением. Дж. Матер. Процесс. Технол. 2006; 173:310–314. doi: 10.1016/j.jmatprotec.2005.12.001. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 6. Сидамбе А.Т., Фигероа И.А., Гамильтон Х.Г.К., Тодд И. Литье металлов под давлением компонентов CP-Ti для биомедицинских применений. Дж. Матер. Процесс. Технол. 2012; 212:1591–1597. doi: 10.1016/j.jmatprotec.2012.03.001. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 7. Куинн Р.К., Армстронг Н.Р. Электрохимическая и поверхностно-аналитическая характеристика окисления тонкопленочных электродов из титана и гидрида титана. Дж. Электрохим. соц. 1978; 125: 1790–1796. дои: 10.1149/1.2131295. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]8. Шифф Н., Гросгогеат Б., Лиссак М., Далард Ф. Влияние содержания фтора и рН на коррозионную стойкость титана и его сплавов. Биоматериалы. 2002; 23:1995–2002. doi: 10.1016/S0142-9612(01)00328-3. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]9.Тенгвалл П., Лундстрем И. Физико-химические аспекты титана как биоматериала. клин. Матер. 1992; 9: 115–134. doi: 10.1016/0267-6605(92)

-Y. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 10. Пасхалис Э.И., Ходош Дж., Спурр-Мишо С., Круз А., Таубер А., Белау И., Гипсон И., Долман С.Х. In vitro и in vivo оценка модификации поверхности титана для окрашивания задней пластины бостонского кератопротеза. расследование Офтальмол. Вис. науч. 2013;54:3863–3873. дои: 10.1167/иовс.13-11714. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 11. Аделл Р., Лекхольм У., Роклер Б., Бранемарк П.И. 15-летнее исследование остеоинтегрированных имплантатов при лечении беззубых челюстей. Междунар. Дж. Орал Максиллоф. 1981; 10: 387–416. [PubMed] [Google Scholar] 12. Стандартные технические условия на нелегированный титан для хирургических имплантатов (UNS R50250, UNS R50400, UNS R50550, UNS R50700) Американское общество по тестированию материалов; Западный Коншохокен, Пенсильвания, США: 2013 г. ASTM F67–13. [Google Академия] 13. Стандартные технические условия на кованый титан-6, алюминий-4, ванадиевый сплав ELI (со сверхнизким междоузлием) для применения в хирургических имплантатах (UNS R56401) Американское общество по испытанию материалов; Уэст-Коншохокен, Пенсильвания, США: 2013 г.ASTM F136–13. [Google Академия] 14. Сидамбе А.Т., Чунг В.Л., Гамильтон Х.Г.К., Тодд И. Корреляция предела текучести Ti6Al4V, полученного литьем под давлением, с измерениями резонансной частоты (PCRT). Матер. науч. англ. Структура. 2013; 568: 220–227. doi: 10.1016/j.msea.2013.01.040. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 15. Чжао С., Чен Л., Синь Л., Хуанг В. Исследование микроструктуры и механических свойств лазерного быстрого формования Inconel 718. Матер. науч. англ. Структура. 2008; 478:119–124. doi: 10.1016/j.msea.2007.05.079.[Перекрестная ссылка] [Академия Google] 16. Бидо Дж. Э., Клосюит К., Родригес-Арбайсар М., Зуфферей Д., Каррено-Морелли Э. Литье под давлением низкомодульных сплавов Ti-Nb для биомедицинских применений. Порошковый металл. 2013; 56: 263–266. doi: 10.1179/0032589913Z.000000000118. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 17. Ponader S., von Wilmowsky C., Widenmayer M., Lutz R., Heinl P., Körner C., Singer R.F., Nkenke E., Neukam F.W., Schlegel K.A. In vivo характеристики селективного электронно-лучевого плавления структур Ti-6Al-4V.Дж. Био. Матер. Рез. А. 2009; 92: 56–62. [PubMed] [Google Scholar] 18. Parthasarathy J., Starly B., Raman S., Christensen A. Механическая оценка структур пористого титана (Ti6Al4V) методом электронно-лучевой плавки (EBM) J. Mech. Поведение Биомед. Матер. 2010;3:249–259. doi: 10.1016/j.jmbbm.2009.10.006. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 19. Murr LE, Amato KN, Li SJ, Tian YX, Cheng XY, Gaytan SM, Martinez E., Shindo PW, Medina F., Wicker RB Микроструктура и механические свойства прототипов открытоклеточных биоматериалов для имплантатов для полной замены коленного сустава, изготовленных с помощью электронного луча плавление.Дж. Мех. Поведение Биомед. Матер. 2011;4:1396–1411. doi: 10.1016/j.jmbbm.2011.05.010. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 20. Стандартные технические условия на литые под давлением металлические компоненты из титана-6алюминия-4-ванадия для применения в хирургических имплантатах. Американское общество тестирования материалов; Западный Коншохокен, Пенсильвания, США: 2011 г. ASTM F2885–11. [Google Академия] 21. Стандартные технические условия для аддитивного производства Титан-6 Алюминий-4 Ванадий ELI с порошковой сваркой. Американское общество тестирования материалов; Уэст-Коншохокен, Пенсильвания, США: 2014 г.ASTM F2924–14. [Google Академия] 22. Стандартные технические условия для аддитивного производства Титан-6, алюминий-4, ванадий ELI (со сверхнизким промежуточным содержанием) с плавлением в порошковом слое. Американское общество тестирования материалов; Западный Коншохокен, Пенсильвания, США: 2014 г. ASTM F3001–14. [Google Академия] 23. Материалы из спеченного металла, полученные литьем под давлением — технические характеристики. Международная организация по стандартизации ИСО; Женева, Швейцария: 2014 г. ISO 22068-14. [Google Академия] 24. Сидамбе А.Т., Фигероа И.А., Гамильтон Х.Г.К., Тодд И.Оптимизация Тагучи спекания титана MIM. Междунар. Дж. Порошковый металл. 2011;47:21–28. [Google Академия] 25. Фроэс Ф. Х. Металлургия порошка титана: обзор — часть 2. Adv. Матер. Процесс. 2012; 170:26–29. [Google Академия] 26. Ван Ноорт Р. Будущее стоматологических устройств за цифровыми технологиями. Вмятина. Матер. 2012; 28:3–12. doi: 10.1016/j.dental.2011.10.014. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 27. Ферри О.М., Эбель Т., Борманн Р. Усталостные характеристики сплава Ti-6Al-4V, изготовленного методом литья под давлением при многократных циклах. Мат.науч. англ. Структура. 2009; 504:107–113. doi: 10.1016/j.msea.2008.10.039. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 28. Ebel T., Blawert C., Willumeit R., Luthringer B.J.C., Ferri O.M., Feyerabend F. Ti-6Al-4V-0,5B: модифицированный сплав для имплантатов, изготовленных методом литья под давлением. Доп. англ. Матер. 2011;13:B440–B453. doi: 10.1002/адем.201180017. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 29. Haslauer C.M., Springer J.C., Harrysson O.L.A., Loboa E.G., Monteiro-Riviere N.A., Marcellin-Little D.J. Биосовместимость in vitro дисков из титанового сплава, изготовленных с использованием прямого изготовления металла.Мед. англ. физ. 2010; 32: 645–652. doi: 10.1016/j.medengphy.2010.04.003. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 30. Чен Х., Саго А., Уэст С., Фарина Дж., Эккерт Дж., Бродли М. Биосовместимость металлических сплавов , полученных литьем под давлением, по сравнению с деформируемыми сплавами кобальта ASTM F562 (MP35N) и ASTM F1537 (CCM). биомед. Матер. англ. 2011; 21:1–7. [PubMed] [Google Scholar] 31. Иванова О., Уильямс С., Кэмпбелл Т. Аддитивное производство (АП) и нанотехнологии: перспективы и проблемы. Быстрый прототип. Дж. 2013; 19: 353–364.doi: 10.1108/RPJ-12-2011-0127. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 32. Аль-Бермани С.С., Блэкмор М.Л., Чжан В., Тодд И. Происхождение микроструктурного разнообразия, текстуры и механических свойств в электронно-лучевом расплаве Ti-6Al-4V. Металл. Матер. Транс. А. 2010; 41А: 3422–3434. doi: 10.1007/s11661-010-0397-x. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 33. Ponader S., Vairaktaris E., Heinl P., Wilmowsky C.V., Rottmair A., ​​Körner C., Singer R.F., Holst S., Schlegel K.A., Neukam F.W., et al. Влияние топографических модификаций поверхности расплавленного электронным лучом титана Ti-6Al-4V на остеобласты плода человека.Дж. Биомед. Матер. Рез. А. 2008; 84А: 1111–1119. doi: 10.1002/jbm.a.31540. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 34. Томсен П., Мальмстрем Дж., Эмануэльссон Л., Рене М., Снис А. Электронно-лучевые имплантаты произвольной формы из титанового сплава: характеристика поверхности материала и ранняя реакция кости у кроликов. Дж. Биомед. Матер. Рез. Б. 2009; 90Б:35–44. [PubMed] [Google Scholar] 35. Li X., Feng Y.F., Wang C.T., Li G.C., Lei W., Zhang Z.Y., Wang L. Оценка биологических свойств расплавленного электронным лучом имплантата Ti6Al4V с биомиметическим покрытием in vitro и in vivo .ПЛос Один. 2012;7:e52049. doi: 10.1371/journal.pone.0052049. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]36. Палмквист А., Снис А., Эмануэльссон Л., Браун М., Томсен П. Долгосрочная биосовместимость и остеоинтеграция расплавленного электронным лучом твердого и пористого титанового сплава произвольной формы: экспериментальные исследования на овцах. Дж. БиоМатер. заявл. 2013; 27:1003–1016. doi: 10.1177/0885328211431857. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 37. Холландер Д.А., Виртц Т., Уолтер М.В., Линкер Р., Шультейс А., Паар О. Разработка индивидуальных трехмерных заменителей кости с использованием «селективного лазерного плавления» Eur. Дж. Травма. 2003; 4: 228–234. doi: 10.1007/s00068-003-1332-2. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 38. Холлистер С.Дж., Лин С.Ю., Сайто Э., Лин С.Ю., Шек Р.Д., Табоас Дж.М., Уильямс Дж.М., Парти Б., Фланаган С.Л., Диггс А. и др. Инженерные черепно-лицевые каркасы. Ортод. Краниофак. Рез. 2005; 8: 162–173. doi: 10.1111/j.1601-6343.2005.00329.x. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 39. Мангано К., Пиаттелли А., д’Авила С., Иецци Г., Мангано Ф., Онума Т., Шибли Дж.А. Ранняя реакция костей человека на топографию поверхности лазерного спекания металла: гистологический отчет. Дж. Оральный имплантат. 2010; 36:91–96. doi: 10.1563/AAID-JOI-D-09-00003. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]40. Warnke PH, Douglas T., Wollny P., Sherry E., Steiner M., Galonska S., Becker ST, Springer IN, Wiltfang J., Sivananthan S. Быстрое прототипирование: каркасы из пористого титанового сплава, изготовленные путем селективного лазерного плавления кости тканевая инженерия.Ткань англ. Методы части С. 2009; 15:115–124. doi: 10.1089/ten.tec.2008.0288. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]41. Тодд И., Сидамбе А.Т. Разработки в области литья металлов под давлением (MIM). В: Исаак Чанг Ю.З., редактор. Достижения в порошковой металлургии: свойства, обработка и применение. Вудхед Паблишинг Лимитед; Соустон, Великобритания: 2013. стр. 109–146. [Google Академия]42. Саго Дж. А., Бродли М. В., Эккерт Дж. К., Чен Х. Производство имплантируемых биомедицинских устройств методом литья под давлением. Доп. Порошковый металл.Часть Матер. 2010; 4:89–99. [Google Академия]43. Саго Дж.А., Бродли М.В., Эккерт Дж.К. Литье металлов под давлением из сплавов для имплантируемых медицинских изделий. 2012; 48:41–49. [Google Академия]44. Auzene D., Mallejac C., Demangel C., Lebel F., Duval J.L., Vigneron P., Puippe J.C. Влияние аспектов поверхности и свойств титановых сплавов MIM для медицинских применений. ПИМ Интерн. 2012; 6: 57–61. [Google Академия] 45. Демангель К., Озен Д., Вайссад М., Дюваль Ж.-Л., Виньерон П., Нагель М.-Д., Пюип Ж.-К. Цитосовместимость литья под давлением металлического титана с различными последующими обработками анодного окисления.мэтр наук. англ. С. 2012; 32:1919–1925. doi: 10.1016/j.msec.2012.05.037. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 46. Ибрагим Р., Азмирруддин М., Джабир М., Мухамад Н., Рафик М., Хаяти Н., Касим А., Мухамад С., Ханада К., Симидзу Т. и др. Доклиническое исследование челюстно-лицевых (OMF) имплантатов из титанового сплава, изготовленных методом литья под давлением (MIM) с использованием связующей системы на основе пальмового масла. Конгресс и выставка Euro PM и EPMA; Гётеборг, Швеция: 2013. [Google Scholar]47. Сюэ В., Кришна Б.В., Бандйопадхьяй А., Бозе С. Обработка и оценка биосовместимости пористого титана, обработанного лазером. Акта Биоматер. 2007;3:1007–1018. doi: 10.1016/j.actbio.2007.05.009. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]48. Bandyopadhyay A., Espana F., Balla V.K., Bose S., Ohgami Y., Davies N.M. Влияние пористости на механические свойства и реакцию in vivo имплантатов Ti6Al4V. Акта Биоматер. 2010;6:1640–1648. doi: 10.1016/j.actbio.2009.11.011. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]49. Вирия Ф.E., Shyan JYM, Lim P.N., Wen FGC, Yeo JF, Cao T. Печать прототипа титанового имплантата. Матер. Дес. 2010;31:S101–S105. doi: 10.1016/j.matdes.2009.12.050. [CrossRef] [Google Scholar]

Для чего используется титан?

Попросите любого составить список первых 5 металлов, которые приходят на ум, и, скорее всего, это будет титан. Небольшой сюрприз, учитывая, что это металл с широким спектром применения и обладающий многими полезными свойствами.

Но каковы эти области применения и какое место в повседневной жизни занимает титан? Вот специалисты Special Metals, познакомьтесь поближе…

В воздухе и на море

Титан очень прочен и может выдерживать самые высокие температуры, не плавясь, что делает его отличным выбором для аэрокосмической промышленности, где мощные машины используются в течение длительных периодов времени.Поэтому он используется раньше, чем, например, ниобий, который используется в ювелирных изделиях, а не когда рядом мощные машины!

Прочность титана также делает его полезным в море. Морская вода обладает высокой коррозионной активностью и со временем может ослабить материалы, но именно здесь титан превосходит другие металлы, обладая высокой устойчивостью к коррозии. Использование титана в море включает широкое использование на подводных военных кораблях, а также в системах пожаротушения, которые обеспечивают безопасность морских условий как для дикой природы, так и для людей.

Применение в медицине

Титан полезен не только в море, но и в больницах. Опять же, из-за его устойчивости к коррозии и превосходной прочности на него полагаются в медицинских процедурах и хирургии, которые меняют жизнь.

Например, его нетоксичные свойства делают его идеальным для замены суставов и кардиостимуляторов. Медицинские инструменты также изготавливаются из металла, чтобы предложить безопасное и эффективное хирургическое оборудование.

Хотя вольфрам во многих аспектах имеет сходные свойства с титаном, именно последний широко используется в медицинской практике.Наиболее очевидной причиной этого является стоимость, поскольку титан дешевле в производстве, чем его вольфрамовый аналог.

Использование титана в спорте

Чтобы получить дополнительное преимущество в спортивном соревновании, часто может быть использовано оборудование, которое имеет значение и позволяет вам первым преодолеть линию. Вот почему титан считается очень важным материалом в различных видах спорта. Благодаря своему выигрышному сочетанию легкости и высокого уровня долговечности и прочности, он обеспечивает идеальное сочетание легкости, комфорта и мощности.

Вот почему титан используется во многих видах спорта, включая теннис, лыжи, бейсбол, бильярд и гольф. Вышеупомянутое использование титана в море также делает его популярным в рыболовном снаряжении.

Хотите узнать больше о титане?

Даже при беглом взгляде становится ясно, что существует множество способов использования титана в повседневной жизни. Но их гораздо больше — на самом деле так много, что мы не смогли бы перечислить их все в этом посте блога!

Если вам интересно, сможете ли вы извлечь выгоду из титана, обязательно свяжитесь с нашими экспертами, чтобы более подробно обсудить ваши требования.

Или, если вы хотите узнать о любых других тугоплавких металлах, таких как молибден или цирконий, свяжитесь с нашей командой сегодня.

Вы можете позвонить нам по телефону 01268 820409, отправить нам электронное письмо по адресу [email protected] или использовать нашу контактную форму, и мы свяжемся с вами как можно скорее.

Опубликовано: 04 октября 2021 г.

.