Титан, его свойства и сплавы

Титан. Химический элемент, символ Ti (лат. Titanium, открыт в 1795 году и назван в честь героя греческого эпоса Титана). Имеет порядковый номер 22, атомный вес 47, 90, плотность 4, 5 г/см3, температуру плавления 1668°С, температуру кипения 3300°С.

Титан входит в состав более чем 70 минералов и является одним из самых распространённых элементов — содержание его в земной коре составляет примерно 0, 6%. По внешнему виду титан похож на сталь. Чистый металл пластичен и легко поддаётся механической обработке давлением.

Титан существует в двух модификациях: до 882°С в виде модификации α с гексагональной плотно упакованной кристаллической решёткой, а выше 882°С устойчивостью является модификация β с объёмноцентрированной кубической решёткой.

Титан сочетает большую прочность с малой плотностью и высокой коррозионной стойкостью. Благодаря этому во многих случаях он обладает значительными преимуществами перед такими основными конструкционными материалами, как сталь и алюминий. Ряд титановых сплавов по прочности в два раза превосходит сталь при значительно меньшей плотности и лучшей коррозионной стойкости. Однако из-за низкой теплопроводности затрудняется его применение для конструкций и деталей, работающих в условиях больших температурных перепадов, и при работе на термическую усталость. К недостаткам титана как конструкционного материала следует отнести также относительно низкий модуль нормальной упругости.

Механические свойства сильно зависят от чистоты металла и предшествующей механической и термической обработки. Титан высокой чистоты обладает хорошими пластическими свойствами.

Характерное свойство титана — способность активно поглощать газы — кислород, азот и водород. Эти газы до известных пределов растворяются в титане. Уже небольшие примеси кислорода и азота снижают пластические свойства титана. Незначительная примесь водорода (0, 01-0, 005%) заметно повышает хрупкость титана.

На воздухе при обычной температуре титан устойчив. При нагревании до 400-550°С металл покрывается оксидно-нитридной плёнкой, которая прочно удерживается на металле и защищает его от дальнейшего окисления. При более высоких температурах возрастает скорость окисления и растворения кислорода в титане.

С азотом титан взаимодействует при температурах выше 600°С с образованием плёнки нитрида (TiN) и твёрдых растворов азота в титане. Нитрид титана имеет высокую твёрдость и плавится при 2950°С.

Титан поглощает водород с образованием твёрдых растворов и гибридов (TiH и TiH2). В отличие от кислорода и азота, почти весь поглощённый водород можно удалить из титана нагреванием его в вакууме при 1000-1200°С.

Углерод и углеродсодержащие газы (CO, CH4) реагируют с титаном при высокой температуре (более 1000°С) с образованием твёрдого и тугоплавкого карбида титана TiC (точка плавления 3140°С). Примесь углерода заметно влияет на механические свойства титана.

Фтор, хлор, бром и йод взаимодействуют с титаном при сравнительно низких температурах (100-200°С). При этом образуются легколетучие галогениды титана.

Механические свойства титана в значительно большей степени, чем у других металлов, зависят от скорости приложения нагрузки. Поэтому механические испытания титана следует проводить при более строго регламентированных и фиксированных условиях, чем испытания других конструкционных материалов.

Ударная вязкость титана существенно возрастает при отжиге в интервале 200-300°С, заметного изменения других свойств не наблюдается. Наибольшее повышение пластичности титана достигается после закалки с температур, превышающих температуру полиморфного превращения, и последующего отпуска.

Чистый титан не относится к жаропрочным материалам, так как прочность его резко уменьшается с повышением температуры.

Важной особенностью титана является его способность образовывать твёрдые растворы с атмосферными газами и водородом. При нагревании титана на воздухе на его поверхности, кроме обычной окалины, образуется слой, состоящий из твёрдого раствора на основе α-Ti (альфитированный слой), стабилизированного кислородом, толщина которого зависит от температуры и продолжительности нагрева. Этот слой имеет более высокую температуру превращения, чем основной слой металла, и его образование на поверхности деталей или полуфабрикатов может вызвать хрупкое разрушение.

Титан и сплавы на основе титана характеризуются высокой коррозионной стойкостью в атмосфере воздуха, в естественной холодной и горячей пресной воде, в морской воде (на пластинке из титана за 10 лет пребывания в морской воде не появилось и следа ржавчины), а также в растворах щелочей, неорганических солей, органических кислот и соединений даже при кипячении. По коррозионной стойкости титан подобен хромоникелевой нержавеющей стали. Он не подвергается коррозии в морской воде, находясь в контакте с нержавеющей сталью и медно-никелевыми сплавами. Высокая коррозионная стойкость титана объясняется образованием на его поверхности плотной однородной плёнки, которая защищает металл от дальнейшего взаимодействия с окружающей средой. Так, в разбавленной серной кислоте (до 5%) при комнатной температуре титан стоек. Скорость коррозии с повышением концентрации кислоты растёт, достигая максимума при 40%, затем снижается до минимума при 60%, достигает второго максимума при 80% и далее вновь понижается.

В разбавленной соляной кислоте (5-10%) при комнатной температуре титан достаточно стоек. При повышении концентрации кислоты и температуры скорость коррозии титана быстро увеличивается. Коррозию титана в соляной кислоте можно сильно уменьшить добавкой небольших количеств окислителей (HNO3, KMnO4, K2CrO4, соли меди, железа). Титан хорошо растворяется в плавиковой кислоте. В растворах щелочей (концентрации до 20%) на холоду и при нагревании титан стоек.

Как конструкционный материал титан наибольшее применение находит в авиации, ракетной технике, при сооружении морских судов, в приборостроении и машиностроении. Титан и его сплавы сохраняют высокие прочностные характеристики при высоких температурах и поэтому с успехом могут применяться для изготовления деталей, подвергающихся высокотемпературному нагреву. Так, из его сплавов изготовляют наружные части самолётов (мотогондолы, элероны, рули поворота) и многие другие узлы и детали — от двигателя до болтов и гаек. Например, если в одном из двигателей заменить стальные болты на титановые, то масса двигателя снизится почти на 100 кг.

Оксид титана используется для приготовления титановых белил. Такими белилами можно окрасить в несколько раз большую поверхность, чем тем же количеством свинцовых или цинковых белил. К тому же титановые белила не ядовиты. Титан широко применяют в металлургии, в том числе в качестве легирующего элемента в нержавеющих и жаростойких сталях. Добавки титана в сплавы алюминия, никеля и меди повышают их прочность. Он является составной частью твёрдых сплавов для режущих инструментов, также успехом пользуются хирургические инструменты из сплавов титана. Двуокись титана используют для обмазки сварочных электродов. Четырёххлористый титан (тетрахлорид) применяют в военном деле для создания дымовых завес, а в мирное время для окуривания растений во время весенних заморозков.

В электротехнике и радиотехнике используют порошкообразный титан в качестве поглотителя газов — при нагревании до 500°С титан энергично поглощает газы и тем самым обеспечивает в замкнутом объёме высокий вакуум.

Титан в ряде случаев является незаменимым материалом в химической промышленности и в судостроении. Из него изготовляют детали, предназначенные для перекачки агрессивных жидкостей, теплообменники, работающие в коррозионно активных средах, подвесные приспособления, используемые при анодировании различных деталей. Титан инертен в электролитах и других жидкостях, применяемых в гальваностегии, и поэтому пригоден для изготовления различных деталей гальванических ванн. Его широко используют при изготовлении гидрометаллургической аппаратуры для никелево-кобальтовых заводов, так как он обладает высокой стойкостью против коррозии и эрозии в контакте с никелевыми и кобальтовыми шламами при высоких температурах и давлениях.

Титан наиболее стоек в окислительных средах. В восстановительных средах титан корродирует довольно быстро вследствие разрушения защитной окисной плёнки.

Технический титан и его сплавы поддаются всем известным методам обработки давлением. Они могут прокатываться в холодном и горячем состояниях, штамповаться, обжиматься, поддаваться глубокой вытяжке, развальцовываться. Из титана и его сплавов получают стержни, прутки, полосы, различные профили проката, бесшовные трубы, проволоку и фольгу.

Сопротивление деформации у титана выше, чем у конструкционных сталей или медных и алюминиевых сплавов. Титан и его сплавы обрабатываются давлением примерно так же, как и нержавеющие стали аустенитового класса. Наиболее часто титан подвергают ковке при 800-1000°С. Чтобы предохранить титан от загрязнения газами, нагрев и обработку его давлением производят в возможно короткое время. Ввиду того, что при температурах >500°С водород диффундирует в титан и его сплавы с огромными скоростями, нагрев ведут в окислительной атмосфере.

Титан и его сплавы имеют пониженную обрабатываемость резанием подобно нержавеющим сталям аустенитного класса. При всех видах резания наиболее успешные результаты достигаются при небольших скоростях и большой глубине резания, а также при использовании режущего инструмента из быстрорежущих сталей или твёрдых сплавов. Из-за высокой химической активности титана при высоких температурах сварку его ведут в атмосфере инертных газов (гелия, аргона). При этом защищать от взаимодействия с атмосферой и газами необходимо не только расплавленный металл шва, но все сильно нагретые части свариваемых изделий.

Некоторые технологические трудности возникают при производстве из титана и его сплавов отливок.

КОНЕЦ

 

© П.М.В., 2017

SiteHeart
Химическая промышленность.Самолёт.

Титан и его сплавы — важнейшие конструкционные материалы в авиа-, ракето-, кораблестроении, в химической промышленности (реакторы, трубопроводы, насосы).