Титан и титановые сплавы для различных отраслей промышленности

Основным потребителем российского титана остается зарубежное авиа- и двигателестроение, но есть тенденция на увеличение спроса со стороны предприятий других отраслей промышленности. Перспективные отрасли, в которых целесообразно применение титана – это атомная энергетика, нефтегазодобывающий комплекс, цветная металлургия.

Титановые сплавы для атомной энергетики
Все шире титан используют в качестве конструкционного материала для строящихся объектов российской атомной энергетики: для изготовления конденсаторов и рабочих лопаток паровых турбин, теплообменного оборудования. Титан обеспечивает гарантированный ресурс работы на период до 60 лет, что сопоставимо с закладываемым ресурсом ядерного реактора. Подобное оборудование уже поставлено на Ростовскую АЭС, Белоярскую АЭС и запланировано на строящиеся блоки Нововоронежской и Ленинградской АЭС. Основным поставщиком тонкостенных сварных труб для этих объектов является ОАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА». Предприятие поставляет штампованную заготовку лопатки паровой турбины длиной 1200 мм, тонкостенные сварные трубы с толщиной стенки от 0,45 мм до 1,24 мм как по российским, так и по американским и европейским стандартам. Для российских атомных объектов поставка труб осуществляется по техническим условиям, согласованным с Федеральной службой по экологическому,технологическому и атомному надзору.

Титан для добычи нефти и газа на шельфе
Титан – незаменимый материал для строительства установок опреснения морской воды, в сооружении морских платформ для разведки месторождений, добычи нефти и природного газа на шельфе. Процесс освоения нефтедобычи на морском шельфе, несмотря на более жесткие природные условия, сложную ледовую обстановку, представляет особый интерес для российских нефтяников. В настоящий момент реализуются работы на Каспийском шельфе, интенсивно идут работы на объекте «Сахалин-2» – введен в эксплуатацию завод по производству СПГ. Практически закончены работы по переоснащению плавучей буровой станции для месторождения «Приразломное». Смещены сроки по реализации проекта освоения Штокмановского месторождения. Но возможно эта отсрочка во времени позволит еще раз проверить конструкторские решения, т.к. ошибка на стадии проектирования является наиболее дорогой.

Дальнейшие прогнозы по шельфовой добыче достаточно оптимистичны: применение титана в этой области будет расти вследствие запланированного перемещения промысла на более глубокие участки шельфа. Так, газоконденсатное месторождение Штокмановское в Баренцовом море находится на глубине от 280 до 380 метров, а пласты с газовым конденсатом находятся на глубине от 1800 до 2300 метров. В связи с этим основные принципы проектирования и строительства морских установок, выбор материалов для морского применения при бурении в тяжелых геологических условиях становятся сегодня основополагающим вопросом в первую очередь для генерального заказчика как эксплуатирующей организации.

Морское применение титановых сплавов перспективно для следующих систем и оборудования для освоения нефтегазовых месторождений на шельфе: глубоководные бурильные райзеры; обсадные трубы; добывающие райзеры; насосы и системы забортной, питьевой, буровой и попутной воды; трубопроводы циркуляционной системы технологических растворов; сепараторы жидкостные, теплообменное оборудование различного назначения; сосуды высокого давления; высокопрочные гибкие растяжки для фиксации платформы.

На сегодняшний день тысячи тонн титана эксплуатируются в атомной энергетике, в судовых и наземных объектах, в опреснительных системах, в сфере морского нефте-и газопромысла, что свидетельствует о целесообразности применения титана в этих отраслях. Титан обладает рядом уникальных свойств:

1. Прочностные и коррозионные свойства. Титан по прочностным характеристикам аналогичен традиционным конструкционным сталям, но при этом на 45% легче. По коррозионной устойчивости титан превосходит многие широко применяемые конструкционные стали.

2. Эксплуатация при низких температурах. Титан и его сплавы характеризуются низкой температурой перехода от пластичного поведения к хрупкому и отличаются благоприятными уровнями вязкости разрушения даже при температурах ниже нуля градусов, и все титановые сплавы являются механически надежными при низких температурах как минимум вплоть до -100°С.

3. Наводораживание. Поглощение водорода и результирующее охрупчивание является ообщепризнанной опасностью для многих металлов в условиях их применения в морском нефте- и газопромысле. Оксидная пленка на титане обычно служит отличной преградой для водорода. Существуют условия, при которых возникает проблема наводораживания титана, однако этого можно избежать при правильном подходе к проектированию.

4. Сопротивление эрозии и кавитации. С помощью титана можно легко обеспечивать перемещение морской воды, текущей со скоростью вплоть до 30 м/сек. Присутствие абразивных частиц в воде обуславливает снижение максимально допустимой скорости, но любой титановый сплав будет по своим рабочим характеристикам превосходить большинство других материалов в тех условиях, при которых его оксидная пленка в случае ее повреждения будет автоматически восстанавливаться благодаря эффекту «самозалечивания». В тех случаях, когда имеются насосы достаточной мощности, скорости потока в системе титановых труб можно безопасно увеличивать, тем самым позволяя проектировать трубопроводы с трубами меньшего диаметра и меньшими радиусами загиба нитки. Выгодными последствиями использования титана являются экономия веса, пространства и затрат. В случае с титаном никакой защиты от эрозии на входе или выходе из трубопровода или в местах загиба нитки трубопровода не требуется.
5. Подходы к оценке затрат проекта. Не следует планировать бюджет для проекта титанового оборудования, исходя из стоимости по весу, особенно по весу стали или медных сплавов. Например, на стальных трубопроводах закладывается припуск на коррозию в размере 6 мм на сторону, учитывая при этом разницу в удельном весе титана и стали, то масса 1 п.м. трубы на Ду200 из титана составит 12,2 кг, а из стали 09Г2С 51,78 кг. Если к этому добавить экономию на эксплуатационных затратах за счет малого веса титановой конструкции и гарантированного длительного срока эксплуатации, то преимущества титана очевидны.

ВСМПО-АВИСМА для российских проектов
Корпорация ВСМПО-АВИСМА участвовала в крупнейших нефте- и газодобывающих проектах страны: переоснащение буровой плавучей станции «Приразломное» и строительство нефтедобывающего объекта «Обский-1» (титан применяется для подогревателя флюида с трубным пучком). Для проекта морской ледостойкой стационарной платформы (МЛСП) «Приразломное» Корпорация поставила под проект около 180 тонн титана, из них порядка 120 тонн – оборудование и элементы трубопроводов. Блок фильтров, предназначен для удаления взвешенных твердых частиц и органических частиц из морской воды Корпуса фильтров станции тонкой очистки для МПСП Приразломная

При строительстве буровых платформ наибольшая доля титана задействована для организации трубопроводных систем различного назначения. Корпорация может полностью обеспечить весь сортамент труб, необходимый для этих целей. Трубное производство ВСМПО оснащено мощным комплексом оборудования: гидравлическими прессами (усилием 20 000, 12 500, 3 500 тонн) для производства труб из алюминиевых сплавов, гидравлическими прессами (усилием 3 150 и 660 тонн) для производства труб и трубных заготовок, станом поперечно-винтовой прокатки ПВП 40-80
для производства горячекатаных труб, станом холодной прокатки труб ХПТ и ХПТР, волочильным станом, трубосварочным станом, а так же современными средствами ультразвукового контроля, токовихревого контроля, гидро- и пневматическими испытательными стендами.

Современные и перспективные направления применения титана и титановых сплавов в России единственным производителем губчатого титана и титановых изделий является корпорация «ВСМПО-Ависма». Это крупнейшая в мире титановая компания. Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Титан расширяет сферы применения. Первый и основной потребитель титана — это авиация. Военная авиатехника широко использует титан, который рассматривается как стратегический материал. Однако сегодня отмечается положительная тенденция по расширению применения сплавов на основе титана в гражданских отраслях промышленности, таких как атомная и тепловая энергетика, шельфовая нефтедобыча и др. Сегодня предъявляются более жесткие требования к безопасности гражданских объектов.

Федеральные целевые программы предусматривают интенсивное развитие топливно-энергетического комплекса — предприятий по нефтедобыче, объектов использования атомной энергии. Поэтому очень важно при формировании программ освоения бюджетных средств в полной мере учесть существующий мировой и отечественный опыт в части конструктивных разработок и выборе современных конструкционных материалов.

СОВРЕМЕННЫЕ И ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПРИМЕНЕНИЯ ТИТАНА И ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

В РОССИИ ЕДИНСТВЕННЫМ ПРОИЗВОДИТЕЛЕМ ГУБЧАТОГО ТИТАНА И ТИТАНОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ЯВЛЯЕТСЯ КОРПОРАЦИЯ «ВСМПО-АВИСМА». ЭТО КРУПНЕЙШАЯ В МИРЕ ТИТАНОВАЯ КОМПАНИЯ.

КАКОЙ материал наиболее

ЭФФЕКТИВЕН ДЛЯ

НЕФТЕПРОМЫСЛОВОГО

ОБОРУДОВАНИЯ?

Российские нефтяники активно осваивают нефтедобычу на морских шельфах. Это проекты на Каспии, «Сахалин — 1», «Сахалин — 4,5». Отдельно стоит отметить строительство (а более точно — переоснащение) плавучей буровой станции для месторождения «Приразломное».

Ведутся работы по строительству станции для Обской губы, проектные работы по МЛСП для Штокмановского месторождения. Дальнейшие прогнозы по шельфовой добыче также достаточно оптимистичны.

Условия эксплуатации нефтепромыслового оборудования достаточно жесткие: высокая степень минерализации пластовой воды, наличие в рабочих средах сероводорода и углекислого газа, наличие аэробных и анаэробных (особенно сульфидообразующих) составляющих в продуктах добычи и окружающей среде, повышенные температуры и высокое давление рабочих сред, пониженные температуры атмосферы до -40-500С,

возможность солевых и парафиноообраз-ных отложений на поверхностях, наличие абразивных компонентов в транспортируемых продуктах.

В связи с этим разработка основных принципов проектирования и строительства морских установок, выбора материалов является сегодня основополагающим фактором как для проектных российских организаций, так и для машиностроительных. И в этом вопросе большую помощь окажет опыт зарубежных фирм.

А КАК У НИХ?

Наибольший опыт применения титановых сплавов в оффшорной промышленности накоплен в Норвегии и Великобритании. Более 30 лет опыту применения легированных нержавеющих сталей в оффшорной промышленности в Северном море (норвежский и британский сектор).

Первый опыт применения на норвежских ПБУ титановых сплавов относится к 1986 году, когда фирма Mobil Exploration Norway Inc. решила использовать титан взамен стали в системе балластной воды платформы Statfjord A (Норвегия). Срок эксплуатации составил 5,5 лет. В последующие годы

аналогичная замена выполнена для платформы Statfjord-B и Statfjord-C после 3-4 лет эксплуатации стальных конструкций.

На введенных в эксплуатацию в 1994-1995 гг. платформах Heidran и Troll используется 300 и 400 тонн титана соответственно. Расчетный срок эксплуатации платформы Troll составляет 70 лет. Этот выбор указывает на то, что, наконец-то, может быть установлено приемлемое соотношение между сроком эксплуатации платформ (месторождения) и сроком эксплуатации оборудования этих платформ.

ВСЁ ГЛУБЖЕ И ГЛУБЖЕ

Большинство компаний предсказывает достижение к 2010 году уровня глубин, где будет вестись нефтедобыча, до 2,5 км! По мере создания таких глубоководных систем морской нефтедобычи резко возрастает необходимость применения титановых сплавов для изготовления подводного оборудования. Причин этому несколько:

• ряд элементов подводного оборудования требует использования сплавов с высокой удельной прочностью и малым модулем упругости; ►

Панорама ВСМПО

ЭКСПОЗИЦИЯ 4/Н (69) август 2008 г.

ОБОРУДОВАНИЕ 31

• требуется экономия массы оборудования на платформе. По данным компании Shell Oil, снижение массы подводного оборудования на 1 тонну позволяет уменьшить массу опорного оборудования на 3 тонны;

• титан и его сплавы обладают высокой надежностью, в том числе и высокой коррозионной стойкостью в морской воде и в рабочих средах при нефтедобыче.

По мнению ведущих фирм, в глубоководной нефтедобыче титан и его сплавы должны стать одним из основных конструкционных материалов.

В СТОЙКОСТИ К КОРРОЗИИ ТИТАНУ НЕТ РАВНЫХ

Большой интерес представляют результаты исследований по коррозионной устойчивости различных материалов, полученные ведущим материаловедческим институтом Японии «КОБЭ СТИЛ, ЛТД».

Если сравнить скорость эрозионной коррозии медных сплавов и титана в морской воде с содержанием песка, то обнаружится, что скорость коррозии титана ничтожна мала.

Исключительно высока коррозионная стойкость титана даже в сильно загрязненной морской воде. Поверхности титана не подвержены коррозии и эрозии в тех условиях, которые вызывают быстрое разрушение других металлов и сплавов. Титан стоек к щелевой коррозии в морской воде при температурах до 800С, в то время как для некоторых нержавеющих сталей пределом является 100С.

Для нефтегазодобывающих систем континентального шельфа особо стоит отметить уникальную стойкость титана к разрушению в среде сероводорода, который в той или иной концентрации всегда присутствует в смеси нефтегазовых продуктов, получаемых из пласта.

Также следует отметить исключительную стойкость титановых сплавов в повышенных концентрациях хлор-иона (а в пластовой воде концентрация данного реагента в два раза выше, чем в забортной морской воде).

Все эти вопросы необходимо учитывать при разработке конструкторской документации и выдаче требований к применяемым материалам.

Для примера в таблице 1 приведены рекомендации проектной организации KBR в задании, выданном для реконструкции платформы «HUTTON» для МЛСП «При-разломная». Анализируя эти рекомендации, нельзя не обратить внимание, что на стальных трубопроводах закладывается припуск на коррозию в размере 6 мм на сторону. Если учесть разницу в удельном весе титана и стали, то обнаружится, что масса 1 п.м. трубы на Ду200 из титана составит 12,2 кг, а из стали 09Г2С — 51,78 кг

Отсюда краткий вывод: титан не требует припуска на коррозию, поэтому оборудование может быть спроектировано так, чтобы удовлетворялись минимальные требования к механической прочности и к возможности манипулирования им. Выбор с самого начала титана в сочетании с рациональным проектированием, изготовлением,

монтажом и эксплуатацией служит предпосылкой для безопасной и надежной работы оборудования. Это касается как судов, так и морских платформ с плановыми сроками службы до 70 лет

ПРИЧИНЫ И ПРЕДПОСЫЛКИ ПРИМЕНЕНИЯ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ В АТОМНОМ ЭНЕРГОМАШИНОСТРОЕНИИ

При строительстве и эксплуатации АЭС особое значение имеют вопросы технической и экологической безопасности. Следует учитывать также экономическую эффективность использования блоков АЭС на протяжении всего расчетного ресурса (не менее 60 лет), а также основного электрогенерирующего и теплофикационного оборудования (его ресурс работы должен быть не менее расчетного ресурса реактора).

После ввода в 1989 г. нового комплекса нормативов по безопасности начались масштабные мероприятия по реконструкции основного и вспомогательного оборудования действующих АЭС. Одно из мероприятий предусматривало реконструкцию теплообменного оборудования с применением титановых сплавов — это касается и парогенераторов, и конденсаторов.

Большой опыт применения титановых сплавов накоплен на атомных электроустановках (АЭУ) в отечественном судостроении. Изготовлено около 12 тысяч теплообменных аппаратов и 3 тысячи парогенераторов.

Трубные системы парогенераторов являются ответственнейшей частью транспортных АЭУ. Именно эта часть является самой уязвимой из-за коррозионного растрескивания под воздействием хлоридов и кислорода при применении сталей аусте-нитного класса. Если со стороны первого контура коррозионное растрескивание можно предотвратить применением чистой воды (бидистиллята) и надежной замкнутостью контура, то чистоту от хлоридов и кислорода второго контура, связанного с турбинной установкой, обеспечить очень трудно, тем более в условиях работы на морской воде или сильноминерализованной.

Водный режим второго контура при использовании сталей часто нарушался, несмотря на очистку воды по жестким режимам. Это приводило к течи и нарушению радиационного режима. Кроме того, очень трудно обеспечить герметичность труб из аустенитных сталей второго контура от гелиевых течей в местах сварки. Титановые сплавы, наоборот, принципиально

не склонны к коррозионному растрескиванию при наличии в контуре хлоридов и кислорода.

Это подтверждается и многолетней практикой использования титановых сплавов для строительства подводных лодок и судовых энергетических установок, а также опытом работы титана с 1956 года в составе опреснительных установок.

Титан марки ВТ1-0 (зарубежный аналог Gr2) прекрасно зарекомендовал себя при изготовлении конденсаторов АЭС. Он сочетает в себе высокую коррозионную стойкость с необходимыми физическими и механическими свойствами. Несмотря на большие различия в теплопроводности титана марки Вт1-0 и сплава МНЖ, высокая механическая прочность и коррозионная стойкость позволяют применять в конструкциях минимальные толщины.

Так, сегодня для изготовления конденсаторов на АЭС применяются титановые сварныетрубыстолщинойстенки0,4-0,5мм. Единственным в России производителем таких труб является корпорация «ВСМПО-АВИСМА.» Следует отметить, что высокой коррозионной устойчивостью характеризуется не только основной материал, но и сварные соединения, чего нельзя сказать про аустенитно-ферритные стали.

Еще одно уникальное свойство титана — низкая адгезия. Благодаря этому свойству не происходит образования накипи на поверхности теплообменных трубок и тем самым длительное время сохраняются первоначальные характеристики теплопроводности материала.

Медноникелевые же сплавы склонны к образованию отложений на поверхности. Однако самое опасное в этом случае — в местах отложений развивается точечная и щелевая коррозия с последующим образованием свищей.

При этих видах коррозии процессы износа конструктивных элементов происходят намного быстрее. Когда конструкторы делают теплотехнические расчеты, они вводят поправочный коэффициент, учитывающий образование отложений на тепло-обменных поверхностях.

Основная причина применения титана в конденсаторах — совершенно неудовлетворительная коррозионная стойкость конденсаторных труб, изготавливаемых традиционно из медных и медно-никелевых сплавов или из коррозионностойких сталей аустенитного класса. Особенно низкая коррозионная стойкость наблюдалась при их использовании в качестве охладителя морской воды. ►

Тип Назначение трубопровода Материал Российский эквивалент

Система забортной воды Хранение нефти Все трубопроводы Забортная вода Отгрузка нефти Титан сорт 2 Титан сорт 2 Углер. сталь +3мм на коррозию Титан Вт 1-0 Титан Вт 1-0 09Г2С

Обработка пластовой воды До гидроциклонов Углер. сталь +6мм на коррозию 09Г2С

Система противопожарного водоснабжения Все трубопроводы Титан сорт 2 Титан Вт 1-0

Табл. 1 Материалы для трубопроводов (рекомендации KBR для Приразломной)

Кроме высокой коррозионной стойкости (на уровне благородных металлов) титана в морской воде, его применение дает экономический эффект и за счет продления ресурса, сокращения ремонтных работ.

Очень важен и значительный экологический эффект. Сегодня большой проблемой практически для всех электростанций, использующих конденсаторы с латунными теплообменными трубками, является загрязнение технических и сбросных вод ионами меди. Применение титана снимает эту проблему.

Итак, в среде морской солоноватой воды химически подготовленной титан марки Вт1-0 демонстрирует прекрасные эксплуатационные свойства и гарантирует работоспособность конструкции на протяжении необходимого ресурса — не менее 40 лет.

РАБОТЫ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ЭФФЕКТИВНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ВСМПО-АВИСМЫ

На атомных станциях применяется ряд сложных химических растворов для проведения плановых технологических промывок. Специалисты ВСМПО-АВИСМЫ провели ряд экспериментальных работ по определению коррозионной стойкости листов из различных титановых сплавов в технологических промывных средах, используемых на АЭС.

Использовались титановые сплавы марок ВТ6, ВТ1-0, ОТ4, ВТ18у и ВТ9. Коррозионные испытания проводились при температуре 950С в различных средах при полном погружении. Были получены следующие результаты (таблица 2).

В результате коррозионных испытаний выявлено различие в стойкости в зависимости от состава кислотной среды, в которой находились образцы:

1. Показана высокая стойкость образцов титановых сплавов в средах №1А, №2А, №4Б, содержащих в своем составе окислители.

2. Образцы титановых сплавов показали низкую стойкость в растворах №1Б, №3, №4А, содержащих щавелевую кислоту при температуре 950С.

3. Сравнивая коррозионную стойкость титановых сплавов, в четырех композициях наибольшую стойкость показал сплав ВТ1-0, в двух композициях — сплав ВТ6, в одной композиции — сплав ВТ9.

В табл. 3 указана скорость коррозии титановых сплавов в различных композициях.

Таким образом, титан марки ВТ1-0, относящийся к технически чистым материалам, показал наиболее стабильные характеристики по коррозионной устойчивости за исключением сред, содержащих щавелевую кислоту.

ПРИЧИНЫ И ЦЕЛИ РАЗРАБОТКИ НОРМАТИВНОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ НА ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ ДЛЯ ОБЪЕКТОВ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

Сегодня многолетний опыт строительства и эксплуатации судовых энергоустановок с применением титановых сплавов, характеризующихся длительными жизненным циклом и межремонтным периодом,

Номер Характеристика Продолжительность

компо- композиции обработки оборудования выдержки

зиции на станции, час/год образца, час

1 А) 40г/л NaOH + 5 г/л КМп04 (40 г/л едкого натрия + 5г/л марганцовокислого калия) Б) 30г/л Н2С204 + 1и/к HNO3 (30г/л щавелевой кислоты + 1г/л азотной кислоты) До 10 часов в год каждым раствором 10

2 6г/л Н3В03 + 1 г/л КМп04 (6г/л борной кислоты + 1г/л марганцовокислого калия) До 5 часов в год 5

3 50г/л HNO3 + 5г/л Н2С204 (50 г/л азотной кислоты + 5г/л щавелевой кислоты) До 10 часов в год 10

4 А) 20г/л Н2С204 + Nh4 (20г/л щавелевой кислоты + аммиак до рН=2,0) Б) 5г/л Н202 (5г/л перекиси водорода) До 15 часов с периодичностью 1 раз в 2 года 15

6 5 г/л КМп04 + 5г/л HNO3 + 30г/л ОЭДФ (оксиэтилиденди-фосфоновая кислота) 1 час с периодичностью 10 раз в год. 22

Табл. 2 Результаты коррозионных испытаний

Марка сплава Скорость коррозии по композициям, мм/год 1А 1Б 2А 3 4А 4Б

ВТ6 0,0035 30,87 0,0301 0,346 15,035 0,0013

ВТ1-0 0,02 25,346 0,0083 0,07 14,036 0,01

ОТ4 0,0268 41,468 0,0121 0,154 16,347 0,011

ВТ18у 0,0258 58,679 0,0267 1,154 37,47 0,0179

ВТ9 0,0614 5,4319 0,048 0,651 28,312 0,026

Табл. 3 Скорость коррозии титановых сплавов в различных композициях

атомному надзору

используется при разработке наземных АЭС и плавучих атомных установок (ПАУ).

Но если при проектировании ПАУ проектные организации имеют возможность пользоваться широкой нормативной базой по титановым полуфабрикатам, накопленной в судостроении, то при проектировании оборудования для наземных АЭС такой нормативной базы по титановым полуфабрикатам, согласованной с Федеральной службой по экологическому, технологическому и атомному надзору, до 2006 года не существовало. Это сдерживало применение титановых сплавов в отечественном атомном энергомашиностроении.

Чтобы решить этот вопрос, корпорация «ВСМПО-АВИСМА» совместно с ФГУП ЦНИИ КМ «ПРОМЕТЕЙ» (ведущий матери-аловедческий институт в области судостроения и атомных энергоустановок), начиная с 1996 года, проводит аттестационные испытания титановых сплавов, разрабатывает технические условия и согласовывает их в надзорных органах.

Первым совместным результатом была аттестация трубосварочного производства титановых прямошовных сварных труб для изготовления конденсаторов. Работа нашла свое логическое завершение в виде технических условий ТУ 1825-489-07510017-2007 «Трубы сварные прямошовные повышенного качества из титана марок Вт1-00, Вт1-0» (первая версия выпущена в 1998 году). Эти трубы предназначены для оборудования и трубопроводов энергоблоков атомных станций, подведомственных Федеральной службе по экологическому,

технологическому и России.

На этом же производственном участке ВСМПО-АВИСМА производит трубы по АSTM В338 для своих зарубежных заказчиков. Общий объем реализации с 1999 г по 2006 г. составил 2800 тн сварной трубы.

Из последних поставок корпорации «ВСМПО-АВИСМА» следует отметить большую работу по изготовлению трубы 28*0,5*13400мм для проекта Волгодонской АЭС.

В последующем специалисты ВСМПО-АВИСМЫ продолжили работы по расширению нормативной базы и разработали еще 5 технических условий, которые практически полностью закрывают сортамент, необходимый для изготовления теплообменно-го оборудования из титановых сплавов для нужд атомного энергомашиностроения. ■ Ю. ШАШКОВА, начальник управления продаж в машиностроении

ОАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА» Россия 624760, Свердловская обл., г. Верхняя Салда, ул. Парковая, 1 т/ф (34345) 21795 [email protected]

Предпочтительные марки титана в стоматологии

Многочисленные фундаментальные и прикладные исследования заявляют, что лучшим материалом для изготовления дентальных имплантатов является титан.

В России для производства различных конструкций используется технически чистый титан марок BT 1-0 и BT 1-00 (ГОСТ 19807−91), а за рубежом применяют так называемый «коммерчески чистый» титан, который делят на 4 марки (Grade 1−4 ASTM, ISO). Также применяется титановый сплав Ti-6Al−4V (ASTM, ISO), являющийся аналогом отечественного сплава BT-6. Все эти вещества различны по химическому составу и механическим свойствам.

Титан марки Grade 1,2,3 – не используется в стоматологии, т.к. слишком мягкий.

Преимущества чистого титана марки Grade 4 (СP4)

• Лучшая биологическая совместимость
• Отсутствие в составе токсичного ванадия (V)
• Лучшая стойкость к коррозии
• 100% отсутствие аллергических рекаций

По данным исследования научных статей, методических и презентационных публикаций зарубежных компаний, стандартов ASTM, ISO, ГОСТ имеются сравнительные таблицы свойств и состава титана разных марок.

Таблица 1. Химический состав титана по ISO 5832/II и ASTM F 67−89.

Элемент	Grade 1, %	Grade 2, %	Grade 3, %	Grade 4, %	Ti-6Al−4V, %
Азот	0,03	0,03	0,05	0,05	(0,05)
Углерод	0,1	0,1	0,1	0,1	(0,1)
Водород	0,015	0,015	0,015	0,015	(0,015)
Железо	0,2	0,3	0,3	0,5	(0,4)
Кислород	0,18	0,25	0,35	0,5 (0,4)**	(0,2)
Алюминий	нет	нет	нет	нет	(5,5−6,75)
Ванадий	нет	нет	нет	нет	(3,5−4,5)
Титан	остальное	остальное	остальное	остальное	остальное

** — Данные ISO и ASTM совпадают во многих пунктах, при их расхождении показатели ASTM приведены в скобках.

Таблица 2. Механические свойства титана по ISO 5832/II и ASTM F 67−89.

	Grade 1, МПа	Grade 2, МПа	Grade 3, МПа	Grade 4, МПа	Ti-6Al−4V, МПа
Предел прочности на растяжение	240	345	450	550	(895)
Предел текучести	170	230 (275)	300 (380)	440 (483)	(830)

Таблица 3. Химический состав титановых сплавов по ГОСТ 19807−91.

Элемент	Титановый сплав ВТ 1−0, %	Титановый сплав ВТ 1−00, %	Титановый сплав ВТ-6, %
Азот	0,04	0,04	0,05
Углерод	0,07	0,05	0,1
Водород	0,01	0,008	0,015
Железо	0,25	0,15	0,6
Кислород	0,2	0,1	0,2
Алюминий	нет	нет	5,3−6,8
Ванадий	нет	нет	3,5−4,5
Цирконий	нет	нет	0,3
Другие примеси*	0,3	0,1	0,3

* В титане марки ВТ 1−00 допускается массовая доля алюминия не более 0,3%, в титане марки ВТ 1−0 — не более 0,7%.

Таблица 4. Механические свойства титановых сплавов по ГОСТ 19807−91.

Показатели механических свойств	Титановый сплав ВТ 1−0, МПа	Титановый сплав ВТ 1−00, МПа	Титановый сплав ВТ-6, МПа
Предел прочности на растяжение	200−400	400−550	850−1000***
Предел текучести	350	250	***

** Данные приведены по ОСТ 1 90 173−75.
*** В доступной литературе данных не обнаружено.

Самым прочным из рассмотренных материалов является сплав Ti-6Al−4V (отечественный аналог ВТ-6). Увеличение прочности достигается за счет введения в его состав алюминия и ванадия. Однако, данный сплав относится к биоматериалам первого поколения и, несмотря на отсутствие каких-либо клинических противопоказаний, он используется все реже. Это положение приведено в аспекте проблем эндопротезирования крупных суставов.

С точки зрения лучшей биологической совместимости, более перспективными представляются вещества, относящиеся к группе «чистого» титана.

Необходимо отметить, что когда говорят о «чистом» титане, имеют в виду одну из четырех марок титана, допущенных для введения в ткани организма в соответствии с международными стандартами. Как видно из приведенных выше данных, они различны по химическому составу, который, собственно, и определяет биологическую совместимость и механические свойства.

Важен также вопрос о прочности этих материалов. Лучшими характеристиками в этом отношении обладает титан класса 4.
При рассмотрении его химического состава можно отметить, что в титане этой марки увеличено содержание кислорода и железа. Принципиальным является вопрос: ухудшает ли это биологическую совместимость?

Увеличение кислорода, вероятно, не будет являться отрицательным. Увеличение содержания железа на 0,3% в титане Grade 4 (по сравнению с Grade 1) может вызвать некоторые опасения, так как, по экспериментальным данным, железно (так же как и алюминий) при имплантации в ткани организма приводит к образованию вокруг имплантата соединительно-тканной прослойки, что является признаком недостаточной биоинертности металла.

Кроме того, по тем же данным, железо подавляет рост органической культуры. Однако, как говорилось, приведенные выше данные касаются имплантации «чистых» металлов.

В данном случае важным является вопрос: возможен ли выход ионов железа через слой окиси титана в окружающие ткани, и если возможен, то с какой скоростью и каков из дальнейший метаболизм? В доступной литературе мы не встретили информации по этому поводу.

При сопоставлении зарубежных и отечественных стандартов можно отметить, что разрешенные для клинического применения в нашей стране титановые сплавы ВТ 1−0 и ВТ 1−00 практически соответствуют маркам «чистого» титана Grade 1 и 2. Пониженное содержание кислорода и железа в этих марках приводит к снижению их прочностных свойств, что не может считаться благоприятным. Хотя у титана марки ВТ 1−00 верхняя граница предела прочности на растяжение соответствует аналогичному показателю Grade 4, предел текучести при этом у отечественного сплава почти в два раза ниже. Кроме того, в его состав может входить алюминий, что, как указывалось выше, нежелательно.

При сопоставлении зарубежных стандартов можно отметить, что американский стандарт является более строгим, и стандарты ISO ссылаются на американские в ряде пунктов. Кроме того, делегация США выразила несогласие при утверждении стандарта ISO в отношении титана, используемого в хирургии.

Таким образом, можно утверждать, что:
Лучшим материалом для изготовления дентальных имплантатов, на сегодняшний день, является «чистый» титан класса 4 по стандарту ASTM, так как он:

• не содержит токсичного ванадия, как, например, сплав Ti-6Al−4V;
• наличие в его составе Fe (измеряемого в десятых долях %) не может считаться отрицательным, так как даже в случае возможного выхода ионов железа в окружающие ткани воздействие их на ткани не является токсичным, как у ванадия;
• титан класса 4 обладает лучшими прочностными свойствами по сравнению с другими материалами группы «чистого» титана;

Цены, распространение, добыча и использование титана

Титан — химический элемент с символом элемента Ti и атомным номером 22. Он относится к переходным металлам и находится в 4-й подгруппе (группа 4) или группе титана в периодической таблице. Металл блестящий, белый и металлический, легкий, прочный, гибкий, устойчивый к коррозии и температуре. Поэтому он особенно подходит для применений, требующих высокой коррозионной стойкости, прочности и небольшого веса. Из-за сложного производственного процесса титан в десять раз дороже обычной стали.

Титан был открыт в 1791 году в Англии священником и химиком-любителем Уильямом Грегором в титановом железе. В 1795 году немецкий химик Генрих Клапрот также обнаружил его в рутиловой руде и дал элементу его нынешнее название — в честь греческих богов титанов.

Однако только в 1831 году Юстусу фон Либиху удалось извлечь металлический титан из руды. Чистый металлический титан (99,9%) был впервые произведен Мэтью А. Хантером в 1910 году путем нагревания тетрахлорида титана с натрием до 700-800 ° C в стальной бомбе.

Только в 1940-х годах Уильяму Джастину Кроллу удалось открыть титан для коммерческого применения с помощью процесса Кролла, внедрив крупномасштабное восстановление тетрахлорида титана магнием.

Вхождение

Титан встречается в земной коре только в связи с кислородом в виде оксида. Это отнюдь не редкость, с содержанием 0,565% занимает 9 место по содержанию элементов в континентальной коре. Обычно он доступен только в низких концентрациях.

Важными минералами являются:

• Ильменит (титановая железная руда), FeTiO3
• Лейкоксен, ильменит с низким содержанием железа
• Перовскит, CaTiO3
• Рутил, TiO2
• Титанит (сфен), CaTi [SiO4] O
• Титанаты, такие как титанат бария (BaTiO3)
• Компаньон в железных рудах.

Основные месторождения находятся в Австралии, Скандинавии, Северной Америке, на Урале и в Малайзии. Месторождения были обнаружены в Парагвае в 2010 году, но их разработка только планируется.

Метеориты могут содержать титан. Титан обнаружен также на Солнце и в звездах спектрального класса М. Есть также месторождения на Луне Земли. Образцы горных пород из лунной миссии Apollo 17 содержали до 12,1% TiO. ₂. Есть соображения по добыче астероидов.

Он также содержится в угольной золе, растениях и в организме человека.

Производство титана в тысячах тонн

Позиция	Страна	2003	2004	2005
1	Австралия	1 300	2 110	2 230
2	ЮАР	1 070	1 130	1 130
3	Канада	810	870	870
4	Китай	400	840	820
5	Норвегия	380	370	420

восстановление 

Чистый титан почти не встречается на Земле. Титан получают из ильменита или рутила. Используемый производственный процесс очень сложен, что отражается в высокой цене на титан. В 2008 году тонна титановой губки стоила в среднем 12.000 XNUMX евро.

Производственный процесс практически не изменился с момента открытия процесса Кролла. Обычно на основе ильменита или рутила обогащенный диоксид титана превращается при нагревании с хлором и углеродом в хлорид титана (IV) и монооксид углерода. Затем происходит восстановление до титана с использованием жидкого магния. Для производства обрабатываемых сплавов полученную титановую губку необходимо переплавить в дуговой вакуумной печи.

Крупнейшим производителем титана и титановых сплавов является ВСМПО-АВИСМА со штаб-квартирой в Верхней Салде или Екатеринбурге на Урале, которая с 12 сентября 2006 года косвенно принадлежит российскому государству через холдинговую компанию «Рособоронэкспорт».

Чистейший титан получают с помощью процесса Ван Аркеля де Бура.

Eigenschaften 

На воздухе титан образует чрезвычайно стойкий оксидный защитный слой, который делает его коррозионно-стойким во многих средах. Замечательна высокая прочность при относительно низкой плотности. Однако выше температуры 400 ° C прочностные свойства быстро ухудшаются. Сверхчистый титан пластичен. При более высоких температурах он очень быстро становится хрупким из-за поглощения кислорода, азота и водорода. Также следует учитывать высокую реакционную способность титана со многими средами при повышенных температурах или повышенном давлении, если пассивный слой не способен противостоять химическому воздействию. Здесь скорость реакции может увеличиваться до взрыва. В чистом кислороде при 25 ° C и 25 бар титан полностью сгорает от свежеотрезанной кромки с образованием диоксида титана. Несмотря на пассивирующий слой, он реагирует с кислородом при температуре выше 880 ° C и с хлором при температуре выше 550 ° C. Титан также реагирует («горит») с чистым азотом, что необходимо учитывать при механической обработке, например, из-за выделяемого тепла.

Титан устойчив к разбавленной серной кислоте, соляной кислоте, растворам, содержащим хлорид, холодную азотную кислоту и большинство органических кислот и оснований, таких как гидроксид натрия. Напротив, он медленно растворяется в концентрированной серной кислоте с образованием фиолетового сульфата титана. Из-за опасности взрыва необходимо строго соблюдать условия эксплуатации при использовании газообразного хлора.

Механические свойства и коррозионное поведение можно значительно улучшить, добавляя в основном второстепенные сплавы алюминия, ванадия, марганца, молибдена, палладия, меди, циркония и олова.

Титан становится сверхпроводящим ниже температуры 0,4 К.

Ниже 880 ° C титан присутствует в плотнейшей гексагональной упаковке сфер. При температуре выше 880 ° C образуется объемноцентрированная кубическая структура решетки.

титановые сплавы 

Титановые сплавы часто используются в соответствии со стандартом США ASTM. Класс 1 в 35 характеризует. Класс 1–4 обозначают чистый титан различной степени чистоты.

Чистый титан имеет номер материала 3.7034; наиболее экономически важный используемый материал (также для лопаток турбокомпрессора) Ti-6Al-4V (6% алюминия, 4% ванадия, ASTM:Класс 5) имеет номера 3.

7165 (промышленное применение) и 3.7164 (аэрокосмическое применение).

Другие важные титановые сплавы, в основном используемые в аэрокосмической промышленности:

обозначение	химреагент состав	Модуль Юнга в ГПа	Плотность в г см-3
Ti6246	Ti-6Al 2Sn-4Zr-6Mo	125,4	4,51
Ti6242	Ti-6Al 2Sn-4Zr-2Mo		4,50

Нитинол (никель-титан) — это так называемый сплав с памятью формы.

Использовать 

Титан в основном используется в качестве микролегированного компонента стали. Он придает стали высокую вязкость, прочность и пластичность даже в концентрациях 0,01-0,1 процента по массе. В нержавеющих сталях титан предотвращает межкристаллитную коррозию.

Сплавы на основе титана значительно дороже суперсплавов — около 45 евро / кг. Поэтому они используются только для самых высоких требований:

Применения в морской воде и средах, содержащих хлорид

• Детали судового гребного винта, такие как валы и распорки для морского применения
• Встроенные детали в опреснительных установках морской воды
• Компоненты для испарения растворов хлорида калия
• Аноды подводных кабельных передач HVDC
• Аппаратура на предприятиях химии хлора

Уличные и спортивные товары

• для высококачественных велосипедов в сочетании с алюминием и ванадием в качестве материала рамы
• (Дайвинг) ножи с лезвиями из титана или титанового сплава, а также столовые приборы
• как колышки для палаток (высокая прочность, несмотря на небольшой вес)
• для клюшек в качестве головки клюшки
• с теннисными ракетками в раме
• в стрельбе из палки в качестве чрезвычайно стабильной палки с палкой для льда
• как особо легкий ледобур для альпинизма
• как голенище для лакросса для большей прочности и меньшего веса
• как твердый лидер при ловле хищной рыбы с острыми зубами

Использование в виде соединений

• Производство относительно мягких искусственных драгоценных камней
• Монокристаллы сапфира, легированного титаном, служат активной средой в титан-сапфировом лазере для ультракоротких импульсов фемтосекундного диапазона.
• как тетрахлорид титана для производства стеклянных зеркал и искусственного тумана
• Образование интерметаллических фаз (Ni₃Ti) в жаропрочных никелевых сплавах
• сверхпроводящие ниобий-титановые сплавы (например, в качестве сверхпроводящих кабелей в электромагнитах от HERA в DESY)
• в пиротехнике
• Более 90% производимой титановой руды в основном перерабатывается в диоксид титана с использованием хлорида и, в меньшей степени, сульфатного процесса.
• в качестве титановых титритов для покрытий индексируемых вставок и фрез в технологии производства

Титановые соединения

с бором, углеродом или азотом используются как твердые материалы. Соединения титана также используются для производства металлокерамики, композиционных материалов из керамики и металла.

строительные детали

• Изнашиваемые детали в системах пайки, прямой контакт с электрическим припоем до 500 ° C
• Пружины в шасси автомобилей
• в самолетах и ​​космических кораблях для особо нагруженных деталей, которые все еще должны быть легкими (внешняя обшивка на сверхзвуковых скоростях, лопатки компрессора и другие детали двигателя)
• в паровых турбин для наиболее нагруженной лопастей со стороны низкого давления
• в броне: некоторые типы подводных лодок бывшего Советского Союза имели прочный корпус из титанового сплава (например, класс Mike, класс Alfa, класс Papa или класс Sierra). Кроме того, в военной авиации титан используется чаще, чем в гражданской. В результате на пике производства советских вооружений большая часть титана, добываемого во всем мире, производилась в России и перестраивалась.
• из-за его низкой плотности при производстве указателей уровня и поплавков

Медицина

• В качестве биоматериала для имплантатов в медицинской технике и стоматологии (дентальные имплантаты, около 200.000 XNUMX штук в год только в Германии) из-за его очень хорошей коррозионной стойкости по сравнению с другими металлами. Нет иммунологической реакции отторжения (аллергия на имплант). Он также используется для изготовления зубных коронок и зубных мостов из-за его значительно более низкой стоимости по сравнению с сплавами золота. В хирургической ортопедии с металлическими протезами ног (протезы тазобедренного сустава) и заменой головки бедренной кости, заменой коленного сустава после остеоартроза применяется массово. Слой оксида титана позволяет костям прочно врастать в имплант (остеоинтеграция) и, таким образом, позволяет искусственному имплантату прочно закрепиться в теле человека.
• В хирургии среднего уха титан является предпочтительным материалом для протезов слуховых косточек и тимпаностомических трубок.
• В нейрохирургии титановые зажимы (для операций при аневризме) в значительной степени заменили зажимы из нержавеющей стали из-за их более благоприятных свойств ЯМР.

электроника

• В 2002 году Nokia выпустила мобильный телефон 8910, а годом позже — мобильный телефон 8910i в титановом корпусе.
• В апреле 2002 года Apple Inc. выпустила на рынок ноутбук PowerBook G4 Titanium. Крупные части корпуса были выполнены из титана, а версия с экраном 15,2 дюйма и толщиной 1 дюйм весила всего 2,4 кг.
• Некоторые ноутбуки серии ThinkPad от Lenovo (ранее IBM) имеют корпус из армированного титаном пластика или раму корпуса из титано-магниевого композита.

Другие приложения

• Ювелирные изделия, оправы для часов и очков из титана
• Монеты с титановым сердечником (например, австрийские монеты номиналом 200 шиллингов)
• Насос для сублимации титана для создания сверхвысокого вакуума
• Гальваника как опора для анодного окисления алюминия (ELOXAL)
• В составе пуленепробиваемых жилетов, стандартизированных по CRISAT

доказательство 

TiO²⁺ образует характерный желто-оранжевый комплекс с перекисью водорода (комплекс триаквогидроксооксотитана (IV)), который также подходит для фотоспектрометрического обнаружения.

Стандартизировать

Титан и титановые сплавы стандартизированы в:

• DIN 17850, издание: 1990-11 Титан; химический состав
• ASTM B 348: Стандартные спецификации для титана и титановых сплавов, прутков и заготовок
• ASTM B 265: Стандартные спецификации для титана и титанового сплава, листов и плит
• ASTM F 67: Стандартная спецификация для нелегированного титана, для применения в хирургических имплантатах
• ASTM F 136: Стандартная спецификация для деформируемого сплава титан-6Алюминий-4-ванадий ELI (сверхнизкий интерстициальный) для применения в хирургических имплантатах
• ASTM B 338: Стандартная спецификация для бесшовных и сварных труб из титана и титанового сплава для конденсаторов и теплообменников
• ASTM B 337: Технические условия на бесшовные и сварные трубы из титана и титановых сплавов

безопасности

Титан легко воспламеняется в виде порошка и безвреден. Большинство солей титана считаются безвредными. Несовместимые соединения, такие как трихлорид титана, очень агрессивны, поскольку они образуют соляную кислоту со следами воды.

Тетрахлорид титана используется в дымовых свечах и дымовых гранатах; он вступает в реакцию с влажностью и образует белый дым из диоксида титана, а также туман соляной кислоты.

Биологические недостатки титана в организме человека в настоящее время неизвестны. Таким образом, титановые тазобедренные суставы или челюстные имплантаты, в отличие от никеля, не вызывали аллергии.

Связи

В то время как металлический титан предназначен только для сложных технических применений из-за его высокой стоимости производства, относительно недорогой и нетоксичный цветной пигмент диоксид титана стал спутником в повседневной жизни. Практически все белые пластмассы и краски сегодня, включая пищевые красители, содержат диоксид титана (его можно найти в продуктах питания как E 171). Однако соединения титана также используются в электротехнике и технологиях материалов, а в последнее время при производстве высокоэффективных батарей для силовых установок транспортных средств (литий-титанатные батареи).

• Титанат бария, BaTiO₃
• титанат лития
• Хлорид титана (III), TiCl₃
• Борид титана, TiB
• Карбид титана, TiC
• Нитрид титана, TiN
• Хлорид титана (IV), TiCl₄
• Оксид титана (II) TiO
• Оксид титана (III) Ti₂O₃
• Оксид титана (IV) (титановый белила), TiO₂
• Субоксиды титана состава от TiO до Ti.₂O
• Оксид сульфата титана (IV) (титанилсульфат), TiOSO₄
• ферротитана
• Нитинол, металл с памятью
• Гидрид титана, TiH₂

Общий
Имя, символ, атомный номер	Титан, Ti, 22
серия	Переходные металлы
Группа, период, блок	4, 4, д
Внешний вид	серебристый металлик
номер CAS	7440-32-6
Массовая доля земной оболочки	0,41%
ядерной
атомная масса	47,867 XNUMX человека
Атомный радиус (рассчитанный)	140 (176) вечера
Ковалентный радиус	160 м.
электронная конфигурация	[Ar] 3d2 4s2
работа	4,33 eV
1. ионизация	658,8 кДж / моль
2. ионизация	1309,8 кДж / моль
3. ионизация	2652,5 кДж / моль
4. ионизация	4174,6 кДж / моль
физически
Физическое состояние	Праздник
кристаллическая структура	шестиугольный (до 882 ° C, выше короткий)
плотность	4,50 г / см3 (25 ° С)
твердость по Моосу	6
магнетизм	парамагнитный ( = 1,8 10-4)
точка плавления	1941 К (1668 ° С)
Температура кипения	3560 К (3287 ° С)
Молярный объем	10,64 · 10-6 m3/ моль
Теплота парообразования	425 кДж / моль
теплота плавления	18,7 кДж / моль
скорость звука	4140 м / с на 293,15 K
Удельная теплоемкость	523 Дж / (кг · К)
Электропроводность	2,5 · 106 А / (В · м)
теплопроводность	22 Вт / (м · К)
машинально
модуль	105 ГПа (= 105 кН / мм2)
Пуассон	0,34
Химический
состояния окисления	+ 2, + 3, +4
Оксиды (основность)	TiO2 (Амфотерные)
нормальный потенциал	−0,86 В (TiO2+ + 2 H. + + 4 е— → Ti + H2O)
электроотрицательность	1,54 (шкала Полинга)
Изотоп
изотоп NH t1/2 ZA ZE (МэВ) ZP 44Ti {Син.} 49 а ε 0,268 44Sc 45Ti {Син.} 184,8 мин ε 2,062 45Sc 46Ti 8,0% стабильный 47Ti 7,3% стабильный 48Ti 73,8 % стабильный 49Ti 5,5% стабильный 50Ti 5,4% стабильный 51Ti {Син. } 5,76 мин β— 2,471 51V 52Ti {Син.} 1,7 мин β— 1,973 52V
свойства ЯМР
Вращение γ в рад * Т-1· с-1 Er(1H) fL в W = 4,7 т в МГц 47Ti -5 / 2 1,508 · 107 0,00209 11,3 49Ti -7 / 2 1,508 · 107 0,00376 11,3
безопасности
СГС опасные вещества маркировки порошка

Фразы опасности H и P H: 250EUH: нет ставок EUHP: 222-231-422 Маркировка опасных веществ (порошок)Порошок

легкий легковоспламеняющийся	прекрасный
(F)	(Xi)

R- und S-SätzeR: 17-36/37/38S: 26 (Pulver)

Титан цены

 

Титан, его сплавы и 3D‑печать с помощью Ti6Al4V

Среди материалов, применяемых в 3D-печати металлами, особое место занимают титан и его сплавы, в особенности Ti6Al4V. Титан – это металл, который существует в природе в виде оксидов. Чаще всего встречаются рутил (TiO₂) и ильменит (FeTiO₃). Получение чистого титана производится методом Кролла.

Если не вдаваться в подробности, процесс выглядит следующим образом. Сначала хлорированием в присутствии оксида углерода при 1000 °C получают тетрахлорид титана (TiCl4). После этого с помощью магния или натрия оксид углерода удаляют в инертной атмосфере при 800–850 °C. В результате получается чистый титан. Абсолютно чистый титан добыть сложно из-за его высокой реакционной способности, поэтому на рынке за него принимаются образцы с чистотой 99,9%. По этой причине титан в основном используют в виде сплава с другими элементами.

 

Основными физико-химическими свойствами этого металла являются высокая механическая прочность, низкая плотность и высокая коррозионная стойкость. По этой причине титан и его сплавы – привлекательные материалы для различных отраслей, в том числе авиационной промышленности и медицины. Единственный существенный недостаток титана – дороговизна. Благодаря свойствам своих сплавов этот материал обладает огромным потенциалом для производства деталей и элементов аддитивным способом.

 

Классификация и группы титановых сплавов

В зависимости от микроструктуры и фазового состава титановые сплавы делятся на три группы: α, α + β и β. Что такое микроструктура и фаза? Микроструктура – строение материала, различимое под оптическим или электронным микроскопом. По ней можно определить размер, форму и ориентацию отдельных кристаллов и гранул, из которых состоит материал. Также она в значительной степени определяет его физико-химические свойства. Фаза, наоборот, представляет собой участок материала с одинаковыми физико-химическими свойствами. Каждая фаза отличается от других по своей микроструктуре и/или составу. Обе эти характеристики зависят от скорости, с которой материал при остывании переходит из жидкого состояния в твердое, а также от применения термической обработки.

Сплавы распределяются по группам в зависимости от элементов, входящих в их состав помимо титана. В сплавах группы α преобладают α-стабилизаторы (алюминий, углерод, кислород, азот). В сравнении с остальными титановыми сплавами такие сплавы обладают относительно низкими механическими свойствами и высокой коррозионной стойкостью. Наиболее широко из этой группы применяются Ti₃Al2.5V и Ti₅Al2.5V.

Сплавы группы β разрабатывались для повышения механических свойств материала. В их состав входят β-стабилизаторы (железо, молибден, ванадий). К этим сплавам относятся, в том числе, Ti10.2.3, Ti555.3 и Ti17.

Наконец, существуют сплавы группы α + β. Они лучше всего изучены и содержат стабилизаторы обеих групп, в результате чего обладают микроструктурой смешанного типа и хорошим набором свойств. Наиболее широко применяется Ti6Al4V. Благодаря оптимальному соотношению между механической прочностью, пластичностью, сопротивлению усталости и трещиностойкостью его доля составляет 56% от всего рынка титановых сплавов. В зависимости от группы рынок сплавов делится в следующих пропорциях: 26% (α), 4% (β) и 70% (α + β).

Слева изображена равноосная микроструктура сплава Ti6Al4V (без термической обработки). Справа – диаграмма фазового состава сплава Ti6Al4V © 3dnatives.com

 

Применение Ti6Al4V в аддитивном производстве

Если брать рынок в целом, сплав Ti6Al4V наиболее широко применяется в 3D-печати, поскольку обладает высокой прочностью, низкой плотностью, высокой коррозионной стойкостью и высокой биосовместимостью. Такой набор свойств делает его ценным материалом в таких отраслях, как автомобилестроение, авиакосмическая индустрия, медицина и биомедицина, химическая, оборонная промышленность и в других сферах.

Перед началом 3D-печати с использованием Ti6Al4V сплав необходимо превратить в порошок. Это делается с помощью двух основных технологий: плазменной и газовой атомизации.

Плазменная атомизация применяется для производства особо чистого металлического порошка (Ti6Al4V). Сплав в форме прутка подается в емкость атомайзера и плавится под воздействием плазматрона. Падая, расплавленный металл застывает в форме сферических частиц.

© 3dnatives.com

Чаще всего применяется технология газовой атомизации. Расплавленный материал подается в сопло и распыляется с помощью инертного газа (аргона или азота). В потоке газа расплавленный материал затвердевает и распадается на сферические частицы, которые скапливаются на дне камеры.

Выбор технологии производства металлического порошка (в данном случае – Ti6Al4V) чрезвычайно важен. От него зависят размер частиц и свойства порошка, что, в свою очередь, определяет характеристики конечного продукта. Сегодня на рынке представлены три промышленных сплава Ti6Al4V:

 

1. TC4, соответствующий стандарту GB/T 3620.1-2017;

2. Ti6Al4V класса 5;

3. Ti6Al4V класса 23, соответствующий стандарту ASTM B348-13.

 

Они отличаются друг от друга размером частиц, что ограничивает минимальную толщину печатного слоя. Чаще всего 3D-печать с помощью Ti6Al4V осуществляется по DMLS- или SLM-технологии. Выбор технологии зависит от типа детали и нужных характеристик.

 

---

Источник: 3dnatives.com

---

 

Bugatti оптимизирует гиперкар Bolide с помощью бионического дизайна и 3D-печати титаном

© bugatti.com

Производитель люксовых автомобилей Bugatti уже не первый год использует аддитивные технологии. Новые достижения 3D-печати были применены в разработке гиперкара Bolide, представленного в октябре 2020 года. Bolide оснащен восьмилитровым двигателем W16, весит всего 1240 кг и при этом способен разгоняться до более чем 500 км/ч.

Вдохновившись структурой кости, команда разработчиков создала на 3D-принтере автомобильные компоненты полой конструкции с тонкими стенками (до 0,4 мм) и мелкими разветвлениями. Использование бионического дизайна позволило придать деталям исключительную жесткость и в то же время значительно уменьшить их вес.

Из компонентов, произведенных для Bugatti Bolide аддитивным методом, особо выделяются штанги толкателя. Несмотря на легкий вес – всего 100 г – они могут выдерживать давление до 3,5 тонн.

Еще одна напечатанная деталь, которой особенно гордится Bugatti, – титановый кронштейн крепления заднего крыла гиперкара. При весе в 600 г кронштейн способен выдерживать аэродинамическую прижимную силу до 800 кг, при этом у него полая конструкция и толщина стенок 0,7 мм.

Титановый кронштейн крепления заднего крыла Bolide © bugatti.com

Ранее Bugatti создала тормозной суппорт из титана для гиперкара Chiron – он был первым, изготовленным на 3D-принтере, и самым большим в истории автомобильной промышленности. 3D-печать была выполнена на мощной 4-лазерной установке SLM 500. Титановый суппорт примерно на 40% легче и одновременно прочнее исходной алюминиевой детали.

 

Кронштейн для самолета стал легче на треть

S-образный кронштейн – элемент исполнительного механизма системы увеличения подъемной силы самолета, напечатанный из Ti6AI4V на установке SLM 280 компанией ASCO Industries. Его элегантная форма – результат жестких требований к распределению пространства и высоких нагрузок на посадочные поверхности. Изначальный проект предполагал изготовление кронштейна из высокопрочной нержавеющей стали и сложную механическую обработку.

S-образный кронштейн – элемент исполнительного механизма системы увеличения подъемной силы самолета

Конструкция изделия была переработана под аддитивное производство путем топологической оптимизации. Ее целью было минимизировать массу с сохранением необходимой прочности, позволяющей выдерживать аэродинамические нагрузки, оговоренные в проекте.

Результаты применения селективного лазерного плавления:

• cнижение массы на 31% и сокращение общего времени сборки;

• объединение трех деталей в одну;

• уменьшение коэффициента использования материала с 17 до 1,5;

• значительное сокращение времени механической обработки.

 

Результат топологической оптимизации кронштейна

 

Благодаря титановому протезу пациент смог вернуться к нормальной жизни

Биосовместимость титановых сплавов (таких, как Ti6Al4V ELI) делает их идеальным решением для 3D-печати протезов костей челюстно-лицевой области, межпозвоночных дисков, ключиц, коленных суставов, лопаток, тазобедренных костей, а также различных имплантатов. В стоматологии эти материалы применяются для изготовления цельных имплантатов, а также металлических основ коронок и мостов из титана, кобальт-хрома и других сплавов.

Пациент в возрасте 81 года страдал от дефекта вертлужной впадины типа 3B по классификации Paprosky. Предыдущие ревизионные восстановительные операции этого пациента были неудачными из-за расшатывания чашечки и смещения в заднюю краниальную область.

Для проведения операции был спроектирован протез тазобедренного сустава aMace, индивидуально выполненный на 3D-принтере в соответствии с дефектом. Именно благодаря этому протез помог достичь нужной степени восстановления и фиксации.

Индивидуальный протез aMace, использованный для операции

Протез aMace (разработка компании Materialise) позволяет учесть все медицинские особенности пациента и сложные механические требования к этой важной подвижной части человеческого тела. Сложная пористая структура задней части изделия, обеспечивающая врастание кости, – особенность, которую легко можно воспроизвести с помощью 3D-печати.

Протез помог восстановить центр вращения с учетом нужного расположения и ориентации, а также обеспечил достаточную поддержку, несмотря на ограниченное количество костного вещества (особенно в задней краниальной области).

Итак, наиболее важными особенностями протезов, созданных с помощью 3D-печати титаном, являются:

 

• отличная биосовместимость и идеальная геометрия, учитывающая индивидуальные особенности пациента;

• отсутствие побочных эффектов и осложнений после операции;

• уменьшение веса протеза, в том числе за счет возможности создания полой или пористой конструкции;

• более быстрое в изготовлении и экономичное решение по сравнению с традиционными методами.

 

Фото в заставке: деталь передней стойки шасси бизнес-джета, напечатанная компанией Safran на установке SLM 800 © slm-solutions.com

Автор Виктор Наумов

Источник

 

 

Теги: 

3D-печать металлами, титан и его сплавы, Ti6Al4V, металлический порошок (Ti6Al4V), высокая коррозионная стойкость, высокая биосовместимость, 3D-печать титаном, Bugatti, установка SLM 280, компания ASCO Industriesу, имплантат, 3D-печать протезов

Применение титановых сплавов

Титан широко распространен на земле. После Al, Fe и Mg он занимает четвертое место из присутствующих металлов в земной коре и является девятым элементом по распространенности на Земле. Титановые сплавы (ТС) обладают уникальным спектром свойств, благодаря сочетанию высокой прочности и жесткости, ударной вязкости и аникоррозионности, что обеспечивает широкий спектр применения для работы в средах, как с низкими, так и высокими температурами, позволяя снизить вес аэрокосмических конструкций и узлов крупногабаритной техники.

Общая характеристика свойств титана и его сплавов

Атомный вес Ti составляет 47.88. Он является упруго жестким, около 115 ГПа модуля Юнга, прочным, легким, устойчивым к коррозионным процессам. Ti и титановые сплавы обладают пределом прочности на разрыв в диапазоне 210-1380 МПа, что приближается к пределу прочности, характерному для многих сложных сталей.

Он имеет чрезвычайно низкую плотность примерно 60.0% от плотности Fe. Его можно упрочнить путем легирования растворенным веществом. Ti немагнитен и обладает отличными теплообменными способностями. Одним из его важных свойств титановых сплавов — высокая Т плавления – 1725.0 C, то есть почти на 200 C больше, чем у стали, и на 1000 C – чем у Al.

Ti пассивирован, и, следовательно, его сплавы имеют высокую степень устойчивости к воздействию большинства минеральных кислот. Он нетоксичен и совместим с биологическими тканями и минералами. Превосходная коррозионная устойчивость и биосовместимость совместно с превосходной прочностью сделали их полезными для химической промышленности и биоматериалов. Ti не является хорошим проводником электротока. Если проводимость Cu принять за 100.0%, то у Ti будет только 3.1%, из этого следует, что он довольно хороший резистор.

Слиток титана

Литье титана

Во время нагрева до температуры плавления титан активно реагирует с компонентами воздуха.

Чтобы этого не происходило, воздух в печах откачивали, создавали вакуум. Остатки воздуха стали вытеснять инертными газами: смесью аргона и гелия. На промышленных литейных установках остаточное давление инертных газов колеблется от 1,33 до 0,13 Па.

Разработано несколько технологий:

В вакуумной камере металл расплавляют, разливают по формам. Охлаждают до температуры, когда металл теряет химическую активность, образует кристаллическую структуру.

Метод вакуумного литья (МВЛ) по выплавляемым моделям заключается в использовании выплавляемых или выжигаемых форм. На поверхности модели создают огнеупорную оболочку. Отливки получаются максимально приближенной формы.

Технология оболочечного литья предусматривает использование тонкостенных разъемных форм. Их устанавливают на разогретую модельную плиту, чтобы покрыть термоактивной смолой. Заливка производится вертикально и горизонтально.

Специально разрабатывается температурный режим остывания отливок. Предусмотрено равномерное структурирование по всему объему, чтобы в литье не возникали внутренние напряжения.

Классификация групп

Сплавы Ti подразделяют на следующие группы:

1. Высокопрочные конструкционные — твердые растворы, с оптимальным соотношением прочностных характеристик и пластичности.
2. Жаропрочные титановые сплавы — твердые растворы с необходимым количеством присадок, обеспечивающих стойкость в зонах с высокими температурами при незначительном снижении пластичности.
3. ТС на базе химического соединения, способных конкурировать со сплавами Ni в определенном интервале температур.

Высокопрочные конструкционные ТС

Высокопрочные сплавы – ВТ-14, ВТ-22, ВТ-23, ВТ-15 (1000.0-1500.0 МПа).

ВТ-22 – свариваемый ТС с высокими прочностными характеристиками и прокаливаемостью. Он нашел широкое применение при изготовлении отечественных самолетов: Ил-76/ 86/ 96, Ан-72/ 74/124/224/148, Як-42, МиГ-29 и других. Из данного ТС изготовляются крупногабаритные детали для внутреннего силового набора, узлов шасси и сварных узлов, например, траверс и балок тележек основных шасси.

ВТ- 22И, полученный высокотехнологичным методом изотермического деформирования в условиях сверхпластичности, может обеспечить выпуск тонкостенных деталей сложной конфигурации и гарантирует надежную сварку титановых сплавов. Высокий и стабильный уровень механических свойств достигается однородной мелкозернистой структурой, что снижает трудоемкость мехобработки деталей на 35–40%.

Трубы из титанового сплава для теплообменников

Жаропрочные Ti-сплавы

Жаропрочные титановые сплавы – ВТ3 1, ВТ8-1,ВТ-9, ВТ8М-1, ВТ-18, ВТ-25 (1000.0-1500.0МПа).

ВТ8-1, ВТ8М-1 — эти марки титановых сплавов отличаются жаропрочностью, стойкостью от трещин и стабильностью при Т 400-550С. Они имеют низкую чувствительность к местным напряжениям и используются для авиационных двигателей, имеющих большой ресурс работы.

Отечественный сплав ВТ-25 с прочностным показателем до 1150.0 МПа, значительно превосходит зарубежные аналоги, обладает самыми высокими свойствами при Т до 550.0С.

ВТ-18 обладает самыми прочными свойствами при Т до 600.0С – лучший среди отечественных сплавов, используемых в промышленности.

Химические сплавы

Интерметаллические (химические) титановые сплавы основаны на так называемой интерметаллической фазе. Технический интерес представляют TiAl, Ti3Al, Al3Ti и Ti2AlNb. Свойства интерметаллидов находятся между керамикой и металлами. TiAl – жаропрочные титановые сплавы, демонстрируют превосходные свойства, такие как жаропрочность, стойкость к окислению и ползучести, низкую плотность и высокую усталостную прочность. При этом TiAl демонстрирует низкую пластичность. Это необходимо учитывать при проектировании компонентов, и это является основным препятствием для широкого использования во многих приложениях.

ТС используется для выпуска поковки, заготовки, пластины и листы из TiAl. Также доступны сложные отливки, потому что он применяется для некоторых высокотемпературных компонентов практически чистой формы. TiAl представляет интерес для таких применений, как лопасти реактивного двигателя, колеса компрессора для турбонагнетателей, автомобильных клапанов и другие жаростойких компонентов. Для высокотемпературного применения, требующего небольшого веса, это хорошая альтернатива суперсплавам до 850 C.

Плотность титановых сплавов и другие характеристики

Поскольку по составу титановые сплавы представляют собой сочетание карбида титана и стальных связок, то они проявляют свойства, промежуточные между свойствами составляющих компонентов. Промежуточное положение занимают такие свойства сплавов, как плотность, коэффициент линейного расширения, прочность, электропроводность. Твердые титановые сплавы благодаря наличию стальной связки в составе материалов сохраняют магнитные свойства сталей.

Безвольфрамовые сплавы характеризуются довольно высокой механической прочностью, которая при сжатии возрастает с увеличением содержания тугоплавкой составляющей и уменьшением количества стальной связки, а при сжатии закаленных образцов превышает эти же значения для отожженных образцов, что связано с упрочнением стальной связки Прочность при изгибе увеличивается с ростом содержания стали в составе сплавов.

Основные физико-механические свойства, в том числе и плотность, титановых сплавов в сравнении со свойствами стандартных наиболее распространенных сплавов ВК8, Т15К6 и Т5К10 приведены в табл. 16.

Для повышения износостойкости безвольфрамовых сплавов рекомендуется проводить азотирование после их закалки в атмосфере диссоциированного аммиака при температуре 500…600 °С. Глубина азотированного слоя может составлять 0,075…0,10 мм. Азотирование увеличивает твердость материалов на 5… 6 единиц по HRC и их износостойкость.

Новые маловольфрамовые металлокерамические твердые сплавы на основе карбида и нитрида титана условно названы сплавами типа Т.

В сплавах Т отсутствует кобальт, а вольфрама в 4 – 7 раз меньше, чем в сплавах типа ВК и ТК. Плотность новых сплавов составляет 7,8… 8,8 г/см3, пористость – 1,0…1,5 %, предел прочности при изгибе различных модификаций сплавов равен 900… 1400 МПа, твердость HRA 86,5… 91,0.

Отличительной особенностью сплава типа Т является стабильность его механических свойств.

Твердые сплавы типа ТП имеют твердость HRA 89… 90 и ?из = 500… 2700 МПа. Они подразделяются на две группы: содержащие в связке железо и не содержащие. Сплавы первой группы, несмотря на высокие механические свойства, очень быстро изнашиваются при обработке стали даже на низких скоростях. Очевидно, наличие железа в связке из-за химического сродства со сталью делает сплавы непригодными для обработки стали резанием.

Маркировка титановых сплавов

Существуют две кристаллографические формы титана, учитывающихся при маркировке:

• Альфа-титан, в котором атомы расположены в кристаллической решетке;
• бета-титан, в котором атомы расположены в кристаллической решетке с кубическим телом (BCC).

Чистый титан существует в форме альфа-фазы при температуре выше 883 C и в форме бета-фазы при температуре ниже 883 C.Температура аллотропического превращения альфа-титана в бета-титан называется температурой бета-трансуса. Легирующие элементы в ТС могут стабилизировать либо альфа-фазу, либо бета-фазу сплава.

Алюминий (Al), галлий (Ga), азот (N), кислород (O) стабилизируют альфа-фазу.

Молибден (Mo), ванадий (V), вольфрам (W), тантал (Ta), кремний (Si) стабилизируют вета-фазу.

Титановые сплавы подразделяются на четыре группы по фазовому составу:

1. Коммерчески чистые и низколегированные ТС. Он состоит из зерен-фазы и дисперсных сфероидных частиц бета-фазы. Небольшие количества железа, присутствующие в сплавах, стабилизируют бета-фазу и обладает относительно низкой механической прочностью и хорошей коррозионной стойкостью.
2. Титановые альфа сплавы состоят исключительно из альфа-фазы. Они содержат алюминий в качестве основного легирующего элемента, стабилизирующего альфа-фазу. Они имеют хорошую вязкость разрушения и сопротивление ползучести в сочетании с умеренной механической прочностью, которая сохраняется при повышенных температурах. Такие ТС легко свариваются, но их работоспособность в горячем состоянии оставляет желать лучшего.
3. Титановые альфа-бета сплавы, содержат 4-6% стабилизаторов вета-фазы, поэтому они состоят из смеси обеих фаз. Сплавы альфа-вета подвергаются термообработке. Они имеют высокую механическую прочность и хорошую горячую форму. Сопротивление ползучести таких ТС ниже, чем у альфа-сплавов.
4. Титановые бета-сплавы богаты вета-фазой. Они содержат значительное количество вета-фазных стабилизаторов, термически обрабатываемыедо очень высокой прочности и имеют хорошую форму в горячем состоянии. Пластичность и усталостная прочность этих ТС в условиях термообработки низкие.

Титановые сплавы обозначаются согласно их составам:

• Ti-5Al-2.5Sn идентифицирует титановый сплав, содержащий 5% алюминия и 2,5% олова.
• Ti-6Al-4V идентифицирует Ti-сплав, содержащий 6% алюминия и 4% ванадия.

Параллельно этой системе обозначений существуют и другие системы обозначения титановых сплавов (ASTM, IMI, военная система).

Виды титановых сплавов

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

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

Разновидности титановых сплавов

Марка	Ti	Аl	V	Мо	Zr	Si	Fe	O	N	C	Ост
ВТ1-00	осн.	0,08	0,15	0,1	0,04	0,05	0,1
ВТ1-0	осн.	0,1	0,3	0,2	0	0,1	0,3
ВТ1-2	осн.	0,15	1,5	0,3	0,15	0,1	0,3
ВТЗ-1	осн.	5,5-7,0	2,0-3,0	0,5	0,15-0,40	0,2-0,7	0,15	0,05	0,1	0,3
ОТ4	осн.	3,5-5.0	0,3	0,12	0,3	0,15	0,05	0,1	0,3
ОТ4-0	осн.	0,4-1,4	0,3	0,12	0,3	0,15	0,05	0,1	0,3
ОТ4-1	осн.	1,5-2,5	0,3	0,12	0,3	0,15	0,05	0,1	0,3
ВТ5	осн.	4,5-6,2	1,2	0,8	0,3	0,12	0,3	0,2	0,05	0,1	0,3
ВТ5-1	осн.	4.3-6,0	1	0,3	0,12	0,3	0,15	0,05	0,1	0,3
ВТ6	осн.	5,3-6,8	3,5-5,3	0,3	0,1	0,6	0,2	0,05	0,1	0,3
ВТ6С	осн.	5,3-6,5	3,5-4,5	0,3	0,15	0,25	0,15	0,04	0,1	0,3
ВТ8	осн.	5,8-7,0	2,8-3,8	0,5	0,20-0,40	0,3	0,15	0,05	0,1	0,3
ВТ9	осн.	5,8-7,0	2,8-3,8	1,0-2,0	0,20-0,35	0,25	0,15	0,05	0,1	0,3
ВТ14	осн.	3,5-6,3	0,9-1,9	2,5-3,8	0	0,2	0,3	0,2	0,1	0,1	0,3
ВТ15	осн.	2,3-3,6	6,8-8	0,15	0,3	0,12	0,05	0,1	0,3
ВТ16	осн.	1,8-3,8	4-5	4,5-5,5	0,3	0,15	0,25	0,15	0,05	0,1	0,3
ВТ18	осн.	7,2-8,2	0,2-1	10-12	0,05-0,18	0,15	0,14	0,05	0,1	0,3
ВТ20	осн.	5,5-7,0	0,8-2,5	0,5-2,0	1,5-2,5	0,15	0,25	0,15	0,05	0,1	0,3
ВТ22	осн.	4,4-5,7	4,0-5,5	4,0-5,5	0,3	0,15	0,5-1,5	0,18	0,05	0,1	0,3
ВТ23	осн.	4-6,3	4-5	1,5-2,5	0,3	0,15	0,4-0,1	0,15	0,05	0,1	0,3
ПТ3В	осн.	3,5-5,0	1,2-2,5	0,3	0,12	0,25	0,15	0,04	0,1	0,3
ПТ-1М	осн.	0,2-0,7	0,3	0,1	0,2	0,12	0,04	0,07	0,3
ПТ-7М	осн.	1,8-2,5	2,0-3,0	0,12	0,25	0,15	0,04	0,1	0,3

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Производство титана и его сплавов

Титан производится с использованием процесса Kroll. Основные стадии включают извлечение, очистку, производство губки, создание сплава, а также формование. В начале выплавки производитель получает титановые концентраты с рудников. Хотя рутил можно использовать в его естественной форме, ильменит обрабатывают для удаления железа, чтобы он содержал не менее 85% диоксида титана. Эти материалы помещаются в реактор с псевдоожиженным слоем вместе с газообразным хлором и углеродом. Материал нагревают до 900 C, и последующая химическая реакция приводит к образованию нечистого тетрахлорида титана (TiCl4) и оксида углерода. Далее различные нежелательные хлориды металлов, которые образуются, должны быть удалены.

Прореагировавший металл помещается в большие дистилляционные емкости и нагревается. На этом этапе примеси отделяются с помощью фракционной перегонки и осаждения. На этом этапе удаляются хлориды металлов, в том числе железо, ванадий, цирконий, кремний и магний.

Очищенный тетрахлорид титана переносится в виде жидкости в реакторную емкость из нержавеющей стали. Затем добавляют магний, и контейнер нагревают до температуры около 1100 C. Аргон закачивается в емкость для удаления воздуха и предотвращает загрязнение сплава кислородом или азотом. Магний реагирует с хлором с образованием жидкого хлорида магния. Это оставляет твердое титановое твердое вещество, так как температура плавления титана выше, чем в реакции.

Твердое титановое вещество удаляют из реактора путем бурения, а затем обрабатывают водой и соляной кислотой для удаления избытка магния. Полученное твердое вещество представляет собой пористый металл, называемый губкой. Чистая титановая губка может быть преобразована в пригодный для использования сплав с помощью дуговой печи с расходуемым электродом. В этот момент губка смешивается с различными добавками сплава. Точное соотношение материала губки к сплаву формулируется в лаборатории до производства. Затем эту массу прессуют в компакты и сваривают вместе, образуя губчатый электрод.

Губчатый электрод помещают в вакуумно-дуговую печь для плавления. В этом охлаждаемом водой медном контейнере электрическая дуга используется для плавления губчатого электрода с образованием слитка. Весь воздух в контейнере либо удаляется (образуя вакуум), либо атмосфера заполняется аргоном для предотвращения загрязнения.

После изготовления слитка его вынимают из печи и проверяют на наличие дефектов. Поверхность может быть кондиционирована по требованию заказчика. Затем слиток отправляется покупателю готовой продукции, где он может быть измельчен и изготовлен в различные продукты.

Производство титана

Термообработка титановых сплавов

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

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

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

Область применения

Титановый сплав, который имеет высокую коррозионную стойкость, высокую удельную прочность и хорошую термостойкость, используется для различных частей космического корабля, включая наружную оболочку топливного бака и крылья. Сочетая легкий вес с высокой прочностью, титан помогает усилить планеры и повысить производительность реактивных двигателей. В случае космического челнока, титан используется для многих критических частей, включая наружные панели топливного бака и детали крыла.

В самолетах используется большое количество титанового сплава, потому что он легкий и чрезвычайно прочный при высоких температурах. ТС применяется для укрепления каркасной конструкции и способствует техническому прогрессу реактивных двигателей.

Титановые сплавы применение:

• Установки для сжиженного природного газа;
• установки опреснения морской воды;
• нефтеперерабатывающие заводы;
• атомные электростанции;
• автоцистерны для химических реагентов, потому что ТС легок, устойчив к коррозии, и чрезвычайно сильный;
• теплообменники, которые используются в экстремальных условиях высокой температуры и высокого давления;
• биомедицинские приложения.

Огромными преимуществами титана являются его высокое отношение прочности к весу и антикоррозионность. В сочетании с нетоксичным состоянием и способностью эффективно противостоять коррозии от биологических жидкостей титан стал базовым металлом для имплантата в области медицины, со сроком службы более 20 лет.

Еще одним преимуществом Ti для применения в медицинской отрасли является его неферромагнитное свойство, позволяющее безопасно обследовать больных с применением МРТ и ЯМР.

Титановый протез сустава

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 аппаратов, 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».

Титановые гибриды имеют гораздо более высокую надежность благодаря меньшему количеству паяных соединений, а также имеют чрезвычайно точную калибровку активной цепи. Они работают в более широком диапазоне рабочих температур, очень компактны — вдвое 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 каких-либо 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, пожалуйста, свяжитесь с одним из наших сотрудников сегодня в [email protected] .

Самое интересное использование титана

В Titanium Industries мы работаем со многими производителями, инженерами и дизайнерами, которые используют титан в самых разных продуктах и ​​проектах. Титан чрезвычайно прочен, но при этом легок и может похвастаться самым высоким соотношением прочности к весу среди всех конструкционных металлов. Требуется гораздо меньше титана для создания структуры, которая соответствует той же прочности, что и другие металлы. Если бы отдельные пластины одинакового веса были изготовлены из титана, меди и нержавеющей стали, титановая пластина была бы в два раза больше меди и на 75% больше, чем нержавеющая сталь. И наоборот, вы можете купить вдвое меньше титана, чтобы выполнять ту же работу, что и медь, и чуть больше, чем вдвое меньше, чтобы выполнять ту же работу, что и нержавеющая сталь.

Оборудование и возможности на нашем складе дают нам гибкость для удовлетворения широкого спектра потребностей клиентов, и поэтому мы видим огромный спектр этих приложений от простого снижения веса до передовых имплантатов тела.

1. Титан на аэрокосмическом рынке

Военный самолет SR-71 «Blackbird» был первым самолетом, в конструкции и обшивке которого широко использовались титановые сплавы. Аэродинамическое трение, возникающее в результате высоких скоростей, на которые был способен самолет, создавало такое сильное аэродинамическое трение, что если бы использовался любой другой металл, он бы просто расплавился с неба. На самом деле, он был настолько быстрым, что если бы кто-то выстрелил в него ракетой земля-воздух – стандартная процедура уклонения заключалась в том, чтобы просто ускориться и обогнать его! Удерживая рекорд самого быстрого самолета в мире более 30 лет, Blackbird достиг скорости 3500 км в час, что в три раза превышает скорость звука. Сегодня около двух третей всего производимого металлического титана используется в авиационных двигателях и рамах. Например, в конструкции самолета Airbus A380 используется около 70 тонн титана для изготовления конструкции и фурнитуры.

2. Титан в медицинских изделиях.

Титан является одним из наиболее биосовместимых металлов – организм человека может безболезненно обрабатывать его в больших дозах. На самом деле, по оценкам, мы потребляем около 0,8 мг титана в день — большая часть проходит через нас, не всасываясь. Кроме того, его плотность очень похожа на человеческую кость, которая легко прилипает к ней. Эти качества делают титановый сплав 6Al-4V ELI Grade 23 идеальным для использования в хирургических имплантатах, таких как тазобедренные суставы, гильзы (заменители суставов), сердечные стенты и зубные имплантаты. Титановый круглый стержень со сроком службы более 20 лет без каких-либо последствий является очевидным выбором в области медицины. Его высокое соотношение прочности и веса также делает его идеальным выбором для хирургических инструментов и других медицинских устройств. Кресла-каталки, изготовленные из титана, имеют самый легкий вес, но при этом очень прочные, и детские кресла-коляски могут увеличиваться по мере взросления ребенка.

3. Титан в повседневных продуктах

Удивительно, но из всех добытых и синтетических минералов титана только 5% используется для производства металлического титана. Остальные 95% используются для производства чистых диоксидов титана — пигмента, который повышает яркость и непрозрачность красок и чернил, бумаги и пластика, и даже продуктов питания и косметики. Это также металл, используемый в корпусе линейки PowerBook от Apple, что помогает добиться легкости рамы.

4. Титан Искусство/Архитектура

Титан спонтанно образует твердую защитную оксидную пленку при контакте с любым кислородом. Именно эта пленка придает металлу фирменный блеск и мерцание, а вариации толщины пленки влияют на цвет, который излучает металл. Он также обладает замечательной эластичностью, что делает его предпочтительным металлом для художественных и архитектурных конструкций. Например, 40-метровый памятник Юрию Гагарину (первому человеку, побывавшему в космосе) в Москве сделан из титана из-за привлекательного цвета металла и ассоциации с ракетной техникой. Музей Гуггенхайма в Бильбао обшит панелями из титана. Его также можно использовать для структурного ремонта исторических зданий. Титан использовался в 2008 году при ремонте и стабилизации конструкции Пизанской башни в Италии.

Художник, выбравший титан для Котел олимпийского огня, сказал, что выбрал этот металл по двум причинам: его современное представление о превосходной технологии и его красивые цвета после термообработки.

Titanium Industries пожертвовала титановые панели, которые использовались в Мемориальном памятнике 11 сентября, чтобы почтить память всех тех, кто погиб в трагедии Башен-близнецов.

5. Титан в спортивных изделиях

Высокое соотношение прочности и веса титана делает его идеальным для использования в широком спектре спортивного оборудования. Титан является основным материалом компонентов самого легкого в мире велосипеда, который весит всего 6 фунтов! Учитывая, что средний взрослый велосипед весит 30 фунтов. и гоночные велосипеды весят около 15 фунтов, этот велосипед очень легкий благодаря своей конструкции из титана.

Основным потребителем титана для спортивных товаров является производство головок клюшек для гольфа. У большинства производителей, таких как Taylor Made, Cobra, Ping и Integra, есть линия Titanium.

Титан также естественно устойчив к коррозии и эрозии, что делает его отличным выбором для оборудования для обеспечения безопасности. Когда 6000 болтов, которыми крепилась смелая тропа для скалолазания в Тон Сай, впервые начали разрушаться, их заменили на нержавеющую сталь. Однако замены из нержавеющей стали продлились всего 9месяцев, после чего у них возникла проблема с коррозией, из-за которой болт сломался от простого заряда собственным весом. Металлурги обнаружили, что единственным металлом, которому альпинисты могут доверить свою жизнь, был титан. В среднем 2000 альпинистов используют эту трассу в неделю, и группа увлеченных альпинистов начала благотворительную деятельность по замене всех болтов на титановые по всей длине маршрута.

Увлекательные применения титана в повседневной жизни

Достаточно длинный список применений титана показывает, почему это один из самых востребованных металлов в различных отраслях промышленности. От изготовления ювелирных изделий и медицинского оборудования до авиационной и морской техники титан используется повсеместно.

Титан – это химический элемент, обычно характеризующийся в чистом виде блеском и металлически-белым цветом. Он получил свое название от греческого слова titanos по отношению к Титанам из греческой мифологии. Титан в изобилии присутствует на Солнце и в метеоритах и ​​является 9-м по распространенности элементом в земной коре.

В 1946 году, через 155 лет после его открытия, Уильям Джастин Кролл показал, что можно получить титан путем восстановления тетрахлорида титана магнием. За этот период этот элемент приобрел широкую известность, и большая часть заслуг в этом принадлежит его использованию, которое, кажется, со временем расширяется.

Свойства титана

Атомный номер: 22	Атомная масса: 47,867 (1)
Температура плавления: 3034 °F	Температура кипения: 5949 °F
Прочный и легкий	Стойкий к коррозии

Если титан сегодня считается таким полезным, то именно благодаря этим свойствам он может похвастаться. Он такой же прочный, как сталь, и при этом очень легкий. На самом деле, он известен своим превосходным соотношением прочности и веса. Металл устойчив к коррозии при более высоких температурах благодаря образующемуся на нем защитному оксидному покрытию.

Использование титана

Большинство применений этого элемента связано с его сплавами. Из общего количества титана, производимого в коммерческих целях, примерно 65 процентов используется для изготовления сплавов путем смешивания его со сталью. Благодаря превосходной прочности его добавляют в различные металлы, в том числе в сталь, для увеличения их прочности и придания им коррозионной стойкости. Также известно, что сплав легче. Например, сплав титана и стали будет весить меньше, чем вес чистой стали.

Титановые кольца

» Будучи прочным и устойчивым к вмятинам, титан довольно популярен в ювелирной промышленности. На самом деле, кольца и браслеты из титана в последнее время стали модными, уступив место своим золотым и серебряным аналогам. Металл также используется для производства небольших искусственных драгоценных камней, которые относительно мягче, чем настоящие драгоценные камни.

» Сплавы титана используются в оправах для очков, так как это делает их очень прочными, легкими и долговечными. Сегодня даже ноутбуки и целый ряд мобильных телефонов изготавливаются из титана.

» Будучи легким и прочным, титан также используется в производстве огнестрельного оружия, где он заменил сталь и алюминий в качестве наиболее предпочтительного металла.

Клюшки для гольфа

» В спорте титан используется для изготовления широкого спектра спортивного оборудования, такого как клюшки для гольфа, теннисные ракетки, биты для крикета, хоккейные клюшки, решетки для шлемов, велосипедные рамы и т. д. Помимо гоночных велосипедов, он также используется в гоночных велосипедах и автомобилях, так как обеспечивает прочность и долговечность, не увеличивая вес машины.

» Диоксид титана, одно из наиболее важных соединений этого элемента, преимущественно используется в производстве белой краски. Помимо этого, он также используется в производстве зубной пасты, бумаги и пластика.

» Относительно новым пунктом в длинном списке применений титана является титановая посуда и изделия из металла, которые со временем приобретают широкую популярность. В частности, титановая посуда — наряду с палатками и фонарями из этого металла — весьма популярна среди туристов.

» Благодаря своей непрозрачности он широко используется в промышленности, например, при ультразвуковой сварке и пайке волной припоя.

» Поскольку во влажном воздухе образуется густой дым, тетрахлорид титана используется для письма в небе, что делается путем выпуска соединения из самолета, а также для создания дымовых завес.

Тазобедренный сустав

Зубные имплантаты

» В области медицины титан используется для изготовления кардиостимуляторов, искусственных заменителей тазобедренного и коленного суставов, костылей, зубных имплантатов, хирургических инструментов, а также костных пластин и винтов. Человек, использующий титановые зубные имплантаты, может пройти МРТ-обследование, поскольку эти имплантаты не обладают магнитными свойствами.

» Титан также используется для изготовления самолетов и космических кораблей, т. е. компонентов корпуса и двигателя этих машин. Из первых применений титана в аэрокосмической технике наиболее популярным было его использование в производстве SR-71 «Blackbird» в 1960-х годах. Фактически, это был первый случай, когда он широко использовался в самолете. С течением времени его использование в этой области увеличилось во много раз, и недавние примеры самолетов, в которых широко использовался титан, включают такие компании, как Boeing и Airbus.

» Прочность этого металла и его способность противостоять соленой воде делают его чрезвычайно популярным компонентом морской техники. Он широко используется для изготовления гребных валов и других подобных компонентов корабля, которые длительное время подвергаются воздействию соленой воды. Эта коррозионная стойкость также делает титан важным компонентом опреснительных установок, в которых соленая вода превращается в пресную.

Архитектурные чудеса из титана

В последнее время титан также стал популярным в области архитектурного проектирования благодаря своей превосходной прочности и относительно меньшему весу. Интересно, что его металлически-белый цвет, тесно связанный с освоением космоса, способствовал его использованию в нескольких памятниках; один из самых ярких примеров — 350-метровый памятник Покорителям космоса в Москве.

Памятник «Покорителям космоса»

350-метровый титановый памятник «Покорителям космоса» был построен возле ВДНХ (ныне ВВЦ) в Москве в 1964 году, отметить выдающиеся достижения советского народа в области освоения космоса.

Памятник Юрию Гагарину

Мемориал Юрию Гагарину — 131-метровая титановая статуя советского космонавта, воздвигнутая в честь его первого полета человека в космос — еще одно архитектурное чудо, построенное из этого металла.

Как бы удивительно это ни звучало, в нашем организме также обнаруживается определяемое количество титана. Считается, что мы принимаем примерно 0,8 мг одного и того же каждый день, и то же самое проходит через тело, не всасываясь. В человеческом организме титан нетоксичен и нереактивен, а это значит, что он не причинил бы нам вреда, даже если бы существовал в относительно больших количествах; это также объясняет, почему он широко используется в ряде медицинских процедур.

История титана и его применения

Автор: admin на 19:21 | Оставить комментарий

История титана восходит к 1791 году, когда он был обнаружен пастором в Корнуолле, Англия. Однако только в 1910 году он стал известен на производственной сцене, когда металлург Мэтью А. Хантер начал производить его в Соединенных Штатах. Как девятый по распространенности элемент на Земле, его можно найти в таких минералах, как рутил и сфен.

Титановые сплавы, такие же прочные, как сталь, но вдвое менее тяжелые, широко используются в аэрокосмической и автомобильной промышленности не только из-за их легкости, но и потому, что титан долговечен и не подвержен коррозии. Этот универсальный металл также используется для фиксации костей, искусственных бедер и других медицинских имплантатов для человеческого тела.

История титана

Его не всегда называли титаном. Первоначально он был известен как грегорит — по имени преподобного Уильяма Грегора, открывшего его в 1791 году. Добрый пастор в свободное время был геологом-любителем и, анализируя какой-то магнитный черный песок, понял, что наткнулся на новый металл. Два года спустя он был снова «открыт», на этот раз немецким химиком, который назвал его титаном, отсылая к силе титанов из греческой мифологии. В 1797, он понял, что его титан был таким же, как и вышеупомянутый грегорит, но все же потребовалось более 100 лет, прежде чем титан был успешно выделен и использован во всех продуктах, в которых вы можете найти его сегодня. Теперь 22-й элемент в таблице Менделеева, титан используется в самых разных отраслях промышленности благодаря своей прочности, коррозионной стойкости и совместимости с человеческим телом.

Применение титана

Титан

популярен в любой ситуации, где важно поддерживать высокое соотношение прочности на разрыв к плотности, например, в автомобилях, самолетах, космических кораблях, военных кораблях и мотоциклах. Это также ценно в этих целях, потому что повышает долговечность, топливную экономичность и безопасность. Вы найдете титан в аэрокосмической, промышленной, медицинской и архитектурной отраслях, а также в различных потребительских товарах, таких как теннисные ракетки, клюшки для гольфа, решетки для шлемов, рукоятки для клюшек для лакросса и велосипедные рамы. Он используется в хирургических инструментах и ​​медицинских имплантатах, инвалидных колясках, костылях и многом другом в клинических условиях.

По сравнению со сталью титан имеет такую ​​же прочность, но легче по весу. По сравнению с алюминием титан несколько тяжелее, но вдвое прочнее. В зависимости от ситуации, это может быть идеальной альтернативой любому из этих материалов.

Давайте более подробно рассмотрим использование титана в двух основных отраслях: аэрокосмической и медицинской.

Титан в аэрокосмической и медицинской промышленности

В аэрокосмической промышленности титан обычно используется:

• Роторы
• Лезвия для сжатия
• Компоненты гидравлической системы
• Броня
• Военные корабли
• Космический корабль
• Ракеты
• Конструктивные детали
• Шасси
• Выхлопные трубы вертолета

Титановый сплав класса 5 или 6AL 4V (6% алюминия, 4% ванадия) используется почти в 50% всех авиационных устройств, от двигателей до рам, и ценится за его коррозионную стойкость, термостойкость, ремонтопригодность и легкую прочность.

Титан биологически совместим с человеческим телом, а это означает, что организм не пытается его отвергнуть. Он также обладает естественной способностью интегрироваться с костями тела, создавая постоянную структуру. Это делает его полезным для широкого спектра компонентов медицинского оборудования, включая медицинские и зубные имплантаты, медицинские инструменты и косметические принадлежности:

• Клапаны сердца
• Пластины, штифты, стержни и клетки, хирургически имплантированные в тело
• Эндопротезы тазобедренного и коленного суставов
• Иглы, хирургические пинцеты, ножницы, щипцы и т. д.
• Зубные имплантаты
• Слуховые аппараты
• Кейдж для спондилодеза

Узнайте больше о преимуществах титана в медицине.

Спросите Hudson Technologies о ваших потребностях в титане

В Hudson Technologies мы работаем с титаном и другими металлами в различных производственных процессах, обслуживая аэрокосмическую, оборонную, энергетическую, медицинскую, полупроводниковую и нефтегазовую отрасли. Мы предлагаем индивидуальные решения в рамках наших многочисленных возможностей:

• Глубокая вытяжка
• Неглубокий рисунок
• Штамповка
• Плашка прогрессивная
• Формование
• Фрезерные и токарные станки с ЧПУ
• Электроэрозионная проволока
• Проволока, грузило и дырокол
• Аппараты для точечной сварки
• Спиннинг
• Плоскошлифовальные станки

Наша квалифицированная команда имеет опыт работы со сложными процессами, предназначенными для предоставления вам высококачественных и экономичных металлических компонентов при соблюдении всех международных стандартов, сохранении нашего статуса экологически чистого производителя и обеспечении качественного обслуживания клиентов для всех ваших индивидуальных заказов. Мы работаем с первоклассными инструментами и оборудованием и стремимся к контролю качества от начала до конца в безопасной рабочей среде. От прототипов до крупносерийного производства, мы можем работать с вами, чтобы предоставить то, что вам нужно, и тогда, когда вам это нужно.

Запросите предложение, и в течение двух рабочих дней вы получите от нас дополнительную информацию и цены. Мы с нетерпением ждем возможности работать с вами над всеми вашими потребностями в титане.

Титан: полное руководство

Титан — химический элемент 4-й группы периодической таблицы с символом «Ti». Серебристо-серый металл с атомным номером 22 и атомным весом 47,867. Титан легкий, прочный и устойчивый к коррозии.

Титан имеет прочность, аналогичную стали, но менее плотную, и часто используется в качестве сплава в авиационной и аэрокосмической промышленности для самолетов и ракет, поскольку он может выдерживать экстремальные температуры.

Обычно титан используется в форме диоксида титана (TiO2), который используется в качестве ярко-белого пигмента в красках, эмалях, бумаге и художественных материалах. Диоксид титана увеличивает белизну, отражательную способность и непрозрачность красок и эмалей.

Производители сочетают определенное соотношение титана, смешанного с другими металлами, такими как алюминий, железо и молибден, для получения титановых сплавов с улучшенными свойствами. Международная классификация ASTM для титановых сплавов варьируется от класса 1, самого мягкого и наиболее пластичного, до класса 38, являющегося чрезвычайно твердым с очень высокой прочностью на растяжение.

Титан является 9-м наиболее распространенным элементом в земной коре, составляя 0,44% от общей массы земной коры. Двумя распространенными минералами, из которых извлекается титан, являются ильменит и рутил.

Наряду с прочностью и высокой коррозионной стойкостью титан обладает рядом других качеств.

    •    Титан имеет температуру плавления 1668°C.
    •    По шкале твердости Мооса это 6,5
    •    Точка кипения 3287°C.
    •    Титан имеет плотность 4,54 г/см³.
    •    Температура фазового превращения составляет 882°C.
    •    Атомный вес титана 47,88.
    •    Процентное содержание металлического титана в земной коре составляет 0,44%.
    •    Прочность титана в два раза выше, чем у стали, и в три раза выше, чем у алюминия.
    •    Существует 26 признанных изотопов титана. Ti-48 встречается чаще всего.
    •    Легкий титан
    •    Титан обладает исключительной устойчивостью к коррозии, особенно к морской и соленой воде.
    •    Он имеет низкое тепловое расширение и лишь незначительное изменение размеров при воздействии тепла.
    •    По своей природе он гибкий, а его модуль упругости составляет 116 ГПа.
    •    Его предел прочности при растяжении составляет 220 МПа.
    •    Значение модуля сдвига составляет 43,0 ГПа.
    •    Уровень твердости титана по шкале Виккерса равен 60.
    •    Коэффициент Пуассона равен 0,34
    •    Значение теплопроводности титана составляет 17 Вт/мК.

Титан используется в различных областях, где требуется высокая прочность на растяжение, долговечность, топливная экономичность и коррозионная стойкость. Некоторые свойства аналогичны стали и алюминию. Он легкий по сравнению со сталью, но имеет такую ​​же прочность. По сравнению с алюминием титан тяжелее и прочнее.

Титановые сплавы широко используются в аэрокосмической промышленности в роторах , компрессионных лопастях, деталях гидравлических систем, шасси, ракетах, выхлопных отверстиях самолетов и военно-морских кораблях.

Платиновый сплав марки 5 (Ti-6Al-4V) составляет 50% титана, используемого в самолетах, от двигателей до оконных рам. Он состоит из 6% алюминия и 4% ванадия.

Его основными характеристиками являются коррозионная стойкость, теплостойкость, легкость и прочность. Его называют «рабочим домом» титановых сплавов. Его основные приложения:

    •    Вращающиеся детали реактивного двигателя. Лопасти вентилятора из титана повышают эффективность и снижают уровень шума.
    •    Производство планера для уменьшения веса и повышения производительности.

Титановый сплав Grade 23 (Ti-6Al-4V ELI) также называют хирургическим титаном из-за его биосовместимости. Он широко используется в медицинских науках в качестве имплантатов тела, потому что он не вреден для человеческого организма и обладает большой инертностью. Из-за своей гибкости из него можно формовать катушки, проволоку, пряди и трубы. Его основными свойствами являются высокая коррозионная стойкость, высокая прочность, низкий модуль упругости, гибкость, легкость и отличная прочность.

Некоторые из применений титановых сплавов в биомедицинской промышленности:

• Хирурги-ортопеды используют титановые сплавы для искусственных тазобедренных и коленных суставов, костных пластин, винтов для фиксации переломов, сердечных протезов и кардиостимуляторов.
• В стоматологии марки чистого титана и сплава титана (марка 5) используются для изготовления зубных имплантатов, коронок, мостовидных протезов, зубных протезов и винтов для имплантации протезов.
•   Титановые покрытия используются для повышения эффективности медицинских устройств, снижения износа и повреждений.
•  Медицинские компоненты, такие как хирургические пинцеты, щипцы, ножницы, иглы, штифты, стержни и имплантационные пластины, в настоящее время изготавливаются из титана.

Благодаря легкому весу и меньшей плотности титан считается удобным металлом с точки зрения износостойкости.

Титан гипоаллергенен и устойчив к коррозии, поэтому кольца из титана могут носить люди с аллергией на другие металлы, отсюда его популярность для пирсинга и украшений для тела.

Титан стал очень модным для изготовления мужских обручальных колец, в частности обручальных колец из черного титана.

Титановые наручные часы таких брендов, как Seiko, Farer, Tissot, Breitling, Longines и Titanium Apple Watch 6, пользуются большим спросом благодаря полезным свойствам металла.

Черный титан создается с использованием особого сорта титана, который при нагревании образует черное покрытие. Однако со временем это черное покрытие сотрется.

Вопреки распространенному мнению, титановые кольца можно легко отрезать с помощью канцелярского ножа в больнице.

Какой титан используется в ювелирных изделиях?

Сплавы, используемые в ювелирных изделиях из титана, наряду с титаном состоят из 6% алюминия, 4% ванадия, 0,25% железа и 0,2% кислорода. Эти сплавы прочнее чистого титана.

Преимущества украшений из титана

• Дешевле, чем золото и платина, так как оба являются редкими элементами, тогда как титан встречается в изобилии.
• Не тускнеет
• Очень легкий
• Может окрашиваться электролитическим способом, этот процесс известен как анодирование. Это часто можно увидеть с украшениями для пирсинга.

Недостатки ювелирных украшений из титана

• Кольца настолько прочные, что их размер или регулировку трудно изменить.
• Из-за этого ювелиры считают, что с ним трудно иметь дело, и поэтому стоимость рабочей силы может быть высокой.
• Со временем он может потускнеть или оставить атласную патину.
• Черные кольца из титана не останутся черными навсегда, покрытие сотрется.

Работа с титаном для изготовления ювелирных изделий

Работа с титаном для изготовления ювелирных изделий является трудоемкой и довольно сложной задачей, поэтому большинство ювелиров будут работать с листами, стержнями или трубками в их исходном состоянии, поскольку их нельзя отлить или спаять.

1. Титан можно резать пильными дисками, но всегда используйте пчелиный воск или какую-либо смазку.
2. Титан можно подпиливать с помощью обычных стальных файлов Vallorbe, но регулярно чистите их, чтобы избежать засорения зубьев.
3. Титан можно просверливать с помощью сверл из карбида вольфрама на высоких скоростях.
4. Титан можно вырезать с помощью борфрез из карбида вольфрама. Это популярный выбор для оставления радужных следов после анодирования.

Полировка ювелирных изделий из титана

По шкале твердости Мооса это 6,5, поэтому украшения из титана будут царапаться и в конечном итоге оставят атласный блеск, но его можно очень легко отполировать.

Полиры, используемые для аналогичных твердых белых металлов, таких как платина, также используются для полировки титана. Они часто пропитаны алмазным абразивом или керамической связкой.

• Алмазные полиры Diapol: с алмазной пропиткой. В разобранном виде различных форм и размеров
• Diatwist Single: круги для радиальной полировки с алмазным зерном
• Алмазная полировальная паста: паста в готовых к использованию шприцах с различными микронными размерами
• Резиновые силиконовые полиры: абразивы на керамической связке, различных форм и размеров
• Полировальные пасты Dialux: блоки Green/Vert и Grey/Gris
• Алмазные абразивные полировальные салфетки: можно резать и склеивать или использовать как есть.
• Airflex Ненагревающиеся полировальные круги: охлаждающие абразивы с открытыми порами
• EVE Chrom Plus: абразивы на основе карбида кремния.
• Зеленые мягкие колеса: используйте зеленые мягкие колеса в качестве окончательной полировки после EVE Chrom plus.

• Гибридные печатные платы из титана более эффективны, чем традиционные печатные платы.
• Титановые контуры используются в различных приложениях для измерения расхода, давления жидкости и измерения температуры.
• Широко используется в жестких дисках.

Раньше в электронике использовался алюминий, но сейчас его заменил титан из-за его огромных преимуществ. Он сводит к минимуму помехи при обработке данных, обладает способностью выдерживать нагрев в процессе нанесения покрытия, а чистота титана увеличивает емкость диска.

Использование титана в автомобильной промышленности с момента обилия рынков гоночных автомобилей и франшиз. Благодаря своим свойствам, таким как коррозионная стойкость, долговечность, прочность, гибкость и термостойкость, титан стал идеальным материалом, главным образом, для использования в деталях двигателей транспортных средств.

• Соединительные стержни
• Клапаны и концерты клапанов
• Пелки на запястье
• РУКОВЫЕ РУКОВОДСТВО
• Спрингс
• Расчеты
• Турбокомпрессоры
    •    Выхлопные системы
    •    Рамы кузова

Другие применения титана

    •    Титановые тонкостенные трубы На электростанциях
      •    В химической промышленности титан используется для увеличения срока службы оборудования.
    •    Титановые трубы используются в нефтяной промышленности.
    •    Из-за своей прочности и высокого баллистического коэффициента титан используется для изготовления брони.
    •    Оправы для очков
    •    Рыболовные удочки
    •    Спортивный инвентарь: клюшки для гольфа, теннисные ракетки, лыжи, кии для снукера и бильярда, бейсбольные биты.
    •    Снаряжение для активного отдыха: палки для ходьбы и ледорубы
    •    Автоспорт и велосипеды.
    •    Часы
    •    Диоксид титана содержит ярко-белый пигмент и обладает отражающими свойствами — часто в красках, бумаге, пластике, резине, текстильной промышленности и керамике.

Как и все другие металлы и химические элементы, титан имеет некоторые преимущества и недостатки.

Преимущества

• Наиболее распространенным преимуществом титана является его прочность. Это один из самых прочных и долговечных металлов на Земле. Он имеет самое высокое отношение прочности к плотности в периодической таблице.
• Титан обладает естественной устойчивостью к коррозии и ржавчине даже в жесткой воде и суровых погодных условиях. В отличие от других металлов, титан не окисляется и сохраняет свои позиции годами.

Недостатки

• Металлический титан очень трудно отливать из-за его ударной вязкости и прочности.
• Титан обычно дороже по сравнению с другими типами металлов, такими как сталь, алюминий и железо, поскольку титан встречается реже, чем эти металлы.
• Для обработки требуется дорогостоящее оборудование.

Добыча титана  

Титан получают из нескольких руд, находящихся в земной коре, таких как рутил, ильменит и лейкоксен, открытым способом.
Рабочие месторождения титана распространены по всему миру, в основном в Австралии, США, Канаде, Южной Африке, Сьерра-Леоне, Украине, Малайзии, России, Норвегии и многих других регионах земного шара.

Обыкновенный минерал рутил содержит 95 % диоксида титана, ильменит содержит от 50 до 60 % TiO2, а лейкоксен содержит некоторые залежи железа.

Минералы титана образуются в аллювиальных и вулканических образованиях. Месторождения рутиловых минералов истощаются и их трудно найти, поэтому часто добываются месторождения ильменита.

Металлический титан из необработанных минералов производится с помощью процесса Кролла. Эта технология используется во всем мире для извлечения титана из руд. Этот процесс включает в себя множество этапов, таких как экстракция, очистка, производство губки, формирование сплава и придание формы.

Добыча

На производственной площадке обрабатываются минеральные руды, такие как рутил и ильменит. Рутил можно использовать естественным образом, тогда как ильменит перерабатывается для удаления железа и получения 85% диоксида титана. В результате химической реакции получают нечистый тетрахлорид титана (TiCl4) и монооксид углерода (СО).

Очистка

Полученный металл помещают в перегонные чаны и нагревают для удаления примесей, применяя фракционную перегонку и осаждение. Из концентрата выделяют хлориды металлов железа, кремния, ванадия и магния.

Производство губки

Очищенный тетрахлорид титана перемещают в реактор из нержавеющей стали. После добавления магния сосуд нагревают примерно до 1100°С. Для удаления воздуха и предотвращения загрязнения кислородом и хлором внутрь закачивается аргон. В результате получают жидкий хлорид магния и чистый твердый титан.

Через отверстие из реактора вынимают твердый титан, который затем подвергают реакции с водой и соляной кислотой для удаления остатков избыточного хлорида магния. Оставшийся элемент имеет форму пористого металла, называемого губкой.

Производство сплавов

Для изготовления сплава чистый металлический титан смешивают с различными элементами и металлическим ломом. Используемое соотношение губки и сплавов определяется в лаборатории до проведения процедуры. После смешивания все спрессовывается в дискообразную форму и сваривается вместе для создания титанового электрода.

Затем электрод помещают в вакуумную дуговую печь, где он плавится. В этом медном контейнере дуга используется для плавления губки и превращения ее в слиток. Весь лишний воздух удаляется из контейнера с помощью аргона. Затем слиток повторно нагревают и плавят пару раз, чтобы получить коммерчески приемлемый слиток, который отправляется производителям товаров, где он измельчается и формуется.

Переработка побочных продуктов

При производстве чистого титана получается хлорид магния, который перерабатывается в ячейке для переработки сразу после его производства. В этой ячейке сначала отделяют металлический магний, а затем производят газообразный хлор. Оба они повторно используются в производстве титана.
Global Titanium Reserves

Ильменит и рутил являются двумя наиболее важными источниками титана. По данным Геологической службы США (USGS), ильменит составляет 92% мирового титана. Общие запасы титана во всем мире составляют 750 миллионов тонн.

Китай обладает 20 млн тонн запасов, что составляет почти 29% мировых, является ведущей страной по добыче ильменита. На Австралию приходится 24 млн тонн запасов рутила, что составляет 50% от общемировых запасов. Это ведущая страна, имеющая в изобилии рутиловый минерал.

Ведущими странами по добыче титановых полезных ископаемых были Южная Африка, Австралия, США, Китай, Канада и Индия.

В 1791 году геолог по имени Уильям Грегор обнаружил неизвестный минерал при изучении черного песка в Корнуолле, затем в 1795 году химик по имени Мартин Генрих Клапрот из Германии заново открыл его в составе элемента рутила в Венгрии. Он понял, что минерал содержит оксид ранее открытого минерала в 1791 году и назвал его «Титан» в честь «Титанов» из греческой мифологии.

Чистый металлический титан был впервые изобретен Мэтью А. Хантером в 1910 году путем нагревания тетрахлорида титана (TiCl4) с натрием при высокой температуре. Тогда это было известно как процесс Хантера.

В 1932 году Уильям Джастин Кролл восстановил тетрахлорид титана кальцием, магнием и натрием и назвал этот метод процессом Кролла.

Затем, в 1960 году, металлический титан использовался Советским Союзом во время холодной войны для изготовления компонентов военного назначения и подводных лодок. После этого титан и титановые сплавы стали широко использоваться для многих целей во всем мире.

Типы титановых сплавов

Титан присутствует в двух типах кристаллографических форм. Чистый титан или нелегированный титан при комнатной температуре имеет гексагональную кристаллическую форму с закрытой упаковкой, известную как альфа (α) фаза. Когда тот же кристалл нагревается до 883°C, он превращается в объемно-центрированную кубическую структуру, называемую бета-(β)-фазой. Эксперименты с этими кристаллографическими структурами путем добавления различных сплавов в термохимический процесс привели к получению различных сплавов с разными свойствами. Основная классификация титановых сплавов на основе их фаз: α-сплавы, β-сплавы и α + β-сплавы.

Альфа-сплавы

Альфа-сплавы содержат такие металлы, как алюминий и олово. Эти металлы имеют α-стабилизаторы, которые выполняют свою функцию, ингибируя изменения при температуре фазового перехода. Альфа-сплавы
обладают более высоким сопротивлением ползучести, чем бета-сплавы, поэтому их предпочтительно использовать в высокотемпературных приборах и машинах. В отличие от бета-сплавов, в альфа-сплавах отсутствует пластично-хрупкая фаза, что делает их идеальными для криогенных применений.
Свойства альфа-сплавов включают промежуточную прочность, ударную вязкость и свариваемость. Альфа-сплавы нельзя упрочнить нагревом.

Альфа-бета-сплавы

Альфа- и бета-сплавы состоят из смеси альфа- и бета-фаз, имеющих 10-50% бета-фазы, достигаемой при комнатной температуре. Наиболее распространенным альфа-бета-сплавом является Ti-6Al-4V, который трудно формовать даже в кованом состоянии. Другие альфа-бета-сплавы обычно обладают хорошей формуемостью. Общие характеристики этих сплавов можно контролировать с помощью термической обработки, которая используется для определения и регулирования количества присутствующей в них бета-фазы. Процесс включает в себя обработку раствора и нагрев его до 480-650°C, закалку таким образом, что альфа-кристалл, альфа- и бета-кристалл должным образом смешиваются друг с другом.

Бета-сплавы

Третий класс — бета-сплавы. Когда к титану добавляются переходные или β-стабилизирующие элементы, можно изготавливать все типы бета-сплавов. Эти элементы содержат ванадий, ниобий и молибден. Эти элементы снижают температуру перехода α-фазы в β-фазу, образуя объемно-центрированную кубическую (ОЦК) β-фазу. Они, как правило, демонстрируют выдающуюся способность к штамповке в более широком диапазоне температур ковки по сравнению с α-сплавами.

Некоторыми полезными свойствами бета-сплавов являются их прокаливаемость и готовность к высоким температурам. Бета-сплавы более поддаются холодной обработке, чем альфа-бета-сплавы, и могут быть упрочнены за счет нагревания.

Некоторые β-сплавы обладают мощной коррозионной стойкостью до технически чистых марок. Обычная термическая обработка включает обработку на твердый раствор вместе с нагревом при температурах от 450°С до 650°С. В результате этой обработки в оставшихся β-частицах получают мелкодисперсные α-частицы.

Эта основная классификация далее подразделяется на международные классы ASTM. Чистый титан имеет классы 1, 2, 3 и 4. Титановые сплавы имеют классы 5, 7, 11, 12 и 23. Титан класса 5 или Ti-6AL-4V является наиболее часто используемым сплавом во всем мире благодаря своим многочисленным преимуществам. . Он широко используется в аэрокосмической и автомобильной промышленности, медицинских науках и на предприятиях химической промышленности.

Заключение

Титан — это металл, обладающий выдающимися свойствами и имеющий множество применений. Использование титана в качестве заменителя алюминия, стали или железа маловероятно из-за высокой стоимости, высокого энергопотребления и дорогостоящего оборудования для его обработки. Из-за этих недостатков титан нельзя рассматривать в качестве металла-заменителя в будущем, но там, где требуется высокопрочный, устойчивый к коррозии и гибкий металл, титан будет по-прежнему востребован.

Титан — идеальный металл для изготовления запасных частей человеческого тела

В ознаменование Международного года Периодической таблицы химических элементов мы рассмотрим, как исследователи изучают некоторые элементы в своей работе.

Сегодня это титан, металл, известный своей прочностью и легкостью, поэтому он идеально подходит для замены бедер, коленей и других частей нашего тела, но он также используется в других отраслях.

---

Титан получил свое название от титанов из древнегреческой мифологии, но этот вполне современный материал хорошо подходит для широкого круга высокотехнологичных применений.

С химическим символом Ti и атомным номером 22 титан представляет собой металл серебристого цвета, ценимый за его низкую плотность, высокую прочность и устойчивость к коррозии.

Впервые я изучал титан, получив степень магистра в Институте исследований металлов Китайской академии наук в 1999 году. Одним из моих проектов было исследование формирования титановых сплавов для обеспечения их высокопрочных характеристик.

---

Читать далее: От бронзового века до консервных банок: как олово изменило человечество

---

С тех пор применение этого металла росло в геометрической прогрессии: от его использования (в виде диоксида титана) в красках, бумаге, зубной пасте, солнцезащитном креме и косметике до его использования в качестве сплава в биомедицинских имплантатах и ​​аэрокосмических инновациях.

Особенно впечатляет идеальное сочетание титана и 3D-печати.

Индивидуальный дизайн с помощью 3D-печати

Титановые материалы дороги и могут создавать проблемы при использовании традиционных технологий обработки. Например, его высокая температура плавления (1670 ℃, намного выше, чем у стальных сплавов) представляет собой проблему.

Таким образом, относительно недорогая точность 3D-печати меняет правила игры для титана. 3D-печать — это когда объект строится слой за слоем, и дизайнеры могут создавать удивительные формы.

Это позволяет производить сложные формы, такие как замещающие части челюстной кости, пятки, бедра, зубные имплантаты или пластины для краниопластики в хирургии. Его также можно использовать для изготовления клюшек для гольфа и деталей самолетов.

Даже пивные контейнеры выигрывают от 3D-печати титаном.

CSIRO работает с промышленностью над разработкой новых технологий 3D-печати с использованием титана. (Они даже сделали дракона из титана.)

Достижения в области 3D-печати открывают новые возможности для дальнейшего улучшения функций индивидуальных имплантатов частей тела, изготовленных из титана.

Такие имплантаты могут быть пористыми, что делает их легче, но пропускает кровь, питательные вещества и нервы и даже может способствовать врастанию кости.

Безопасен для организма

Титан считается наиболее биосовместимым металлом – не вредным и не токсичным для живых тканей – благодаря его устойчивости к коррозии под воздействием телесных жидкостей. Эта способность выдерживать суровые условия окружающей среды является результатом защитной оксидной пленки, которая естественным образом образуется в присутствии кислорода.

---

Читать далее: Водород питает ракеты, но как насчет энергии для повседневной жизни? мы приближаемся

---

Его способность физически связываться с костью также дает титану преимущество перед другими материалами, которые требуют использования клея, чтобы оставаться прикрепленными. Титановые имплантаты служат дольше, и для разрыва связей, соединяющих их с телом, требуются гораздо большие усилия по сравнению с их альтернативами.

Титановые сплавы, обычно используемые в несущих имплантатах, значительно менее жесткие и по характеристикам ближе к человеческой кости, чем сплавы на основе нержавеющей стали или кобальта.

Применение в аэрокосмической отрасли

Титан весит примерно вдвое меньше стали, но на 30 % прочнее, что делает его идеально подходящим для аэрокосмической промышленности, где важен каждый грамм.

В конце 1940-х годов правительство США помогло наладить производство титана, так как увидело его потенциал для «самолетов, ракет, космических кораблей и других военных целей».

Титан становится все более популярным материалом для авиаконструкторов, стремящихся разработать более быстрые, легкие и эффективные самолеты.

Около 39% F22 Raptor ВВС США, одного из самых передовых истребителей в мире, изготовлено из титана.

Титановая 3D-печатная деталь (внизу) рядом с алюминиевой деталью (вверху), которую он заменит на F-22 Raptor: титановая деталь не подвержена коррозии, ее можно приобрести быстрее и она стоит дешевле. Фото ВВС США Р. Ниала Брэдшоу

Гражданская авиация двигалась в том же направлении, что и новый Boeing 787 Dreamliner, состоящий на 15% из титана, что значительно больше, чем в предыдущих моделях.

Две ключевые области, в которых титан используется в авиалайнерах, — это их шасси и реактивные двигатели. Шасси должно выдерживать огромную силу, воздействующую на него каждый раз, когда самолет ударяется о взлетно-посадочную полосу.

Прочность титана означает, что он может поглощать огромное количество энергии, выбрасываемой при посадке самолета, не ослабевая.

Термостойкость титана означает, что его можно использовать в современных реактивных двигателях, где температура может достигать 800 ℃. Сталь начинает размягчаться при температуре около 400 ℃, но титан может выдерживать сильный нагрев реактивного двигателя, не теряя своей прочности.

Где найти титан

В естественном состоянии титан всегда находится в связи с другими элементами, обычно в изверженных горных породах и образовавшихся из них отложениях.

Наиболее часто добываемыми материалами, содержащими титан, являются ильменит (железо-титановый оксид, FeTiO ₃ ) и рутил (титановый оксид, TiO ₂ ).