1metal.com Металлургическая торговая площадка 1metal.com Краткая информация о Титан и его сплавы компаний Украины на металлоторгующей площадке 1metal.com 4.6 stars на основе 95

Титан и его сплавы

Титан широко распространен в земной коре, где его содержится около 6 %, а по распространенности он занимает четвертое место после алю-миния, железа и магния. Однако промышленный способ его извлечения был разработан лишь в 40-х годах ХХ века. Благодаря прогрессу в области самолето- и ракетостроения производство титана и его сплавов интенсивно развивалось. Это объясняется сочетанием таких ценных свойств титана, как малая плотность, высокая удельная прочность (s в /r × g ), коррозионная стойкость, технологичность при обработке давлением и свариваемость, хладостойкость, немагнитность и ряд других ценных физико-механических характеристик, приведенных ниже.

Характеристики физико-механических свойств титана (ВТ1-00)

Плотность r , кг/м 3	4,5 × 10 –3
Температура плавления Т пл , ° С	1668± 4
Коэффициент линейного расширения a × 10 –6 , град –1	8,9
Теплопроводность l , Вт/(м × град)	16,76
Предел прочности при растяжении s в, МПа	300–450
Условный предел текучести s 0,2 , МПа	250–380
Удельная прочность (s в /r × g )× 10 –3 , км	7–10
Относительное удлинение d , %	25–30
Относительное сужение Y , %	50–60
Модуль нормальной упругости Е´ 10 –3 , МПа	110,25
Модуль сдвига G´ 10 –3 , МПа	41
Коэффициент Пуассона m ,	0,32
Твердость НВ	103
Ударная вязкость KCU, Дж/см 2	120

Титан имеет две полиморфные модификации: a -титана с гексагональной плотноупакованной решеткой с периодами а = 0,296 нм, с = 0,472 нм и высокотемпературную модификацию b -титана с кубической объемно-центрированной решеткой с периодом а = 0,332 нм при 900 ° С. Температура полиморфного a « b -превращения составляет 882 ° С.

Механические свойства титана существенно зависят от содержания примесей в металле. Различают примеси внедрения - кислород, азот, углерод, водород и примеси замещения, к которым относятся железо и кремний. Хотя примеси повышают прочность, но одновременно резко снижают пластичность, причем наиболее сильное отрицательное действие оказывают примеси внедрения, особенно газы. При введении всего лишь 0,003 % Н, 0,02 % N или 0,7 % О титан полностью теряет способность к пластическому деформированию и хрупко разрушается.

Особенно вреден водород, вызывающий водородную хрупкость титановых сплавов. Водород попадает в металл при плавке и последующей обработке, в частности при травлении полуфабрикатов. Водород малорастворим в a -титане и образует пластинчатые частицы гидрида, снижающего ударную вязкость и особенно отрицательно проявляющегося в испытаниях на замедленное разрушение.

Промышленный способ производства титана состоит в обогащении и хлорировании титановой руды с последующим его восстановлением из четыреххлористого титана металлическим магнием (магнийтермический метод). Полученный этим методом титан губчатый (ГОСТ 17746–79) в зависимости от химического состава и механических свойств выпускают следующих марок:
ТГ-90, ТГ-100, ТГ-110, ТГ-120, ТГ-130, ТГ-150, ТГ-Т В (см. табл. 17.1). Цифры означают твердость по Бринеллю НВ, Т В - твердый.

Для получения монолитного титана губка размалывается в порошок, прессуется и спекается или переплавляется в дуговых печах в вакууме или атмосфере инертных газов.

Механические свойства титана характеризуются хорошим сочетанием прочности и пластичности. Например, технически чистый титан марки ВТ1-0 имеет: s в = 375–540 МПа, s 0,2 = 295–410 МПа, d ³ 20 %, и по этим характеристикам не уступает ряду углеродистых и Cr-Ni коррозионностойких сталей.

Высокая пластичность титана по сравнению с другими металлами, имеющими ГПУ- решетку (Zn, Mg, Cd), объясняется большим количеством систем скольжения и двойникования благодаря малому сотношению с /а = 1,587. По-видимому, с этим связана высокая хладостойкость титана и его сплавов (подробнее см. гл. 13).

При повышении температуры до 250 ° С прочность титана снижается почти в 2 раза. Однако жаропрочные Ti-сплавы по удельной прочности в интервале температур 300–600 ° С не имеют себе равных; при температурах выше 600 ° С сплавы титана уступают сплавам на основе железа и никеля.

Титан имеет низкий модуль нормальной упругости (Е = 110,25 ГПа) - почти в 2 раза меньше, чем у железа и никеля, что затрудняет изготовление жестких конструкций.

Титан относится к числу химически активных металлов, однако он обладает высокой коррозионной стойкостью, так как на его поверхности образуется стойкая пассивная пленка TiO 2 , прочно связанная с основным металлом и исключающая его непосредственный контакт с коррозионной средой. Толщина этой пленки обычно достигает 5–6 нм.

Благодаря оксидной пленке, титан и его сплавы не корродируют в атмосфере, в пресной и морской воде, устойчивы против кавитационной коррозии и коррозии под напряжением, а также в кислотах органического происхождения.

Производство изделий из титана и его сплавов имеет ряд технологических особенностей. Из-за высокой химической активности расплавленного титана его плавку, разливку и дуговую сварку производят в вакууме или в атмосфере инертных газов.

При технологических и эксплуатационных нагревах, особенно выше 550–600 ° С, необходимо принимать меры для защиты титана от окисления и газонасыщения (альфированный слой) (см. гл. 3).

Титан хорошо обрабатывается давлением в горячем состоянии и удовлетворительно в холодном. Он легко прокатывается, куется, штампуется. Титан и его сплавы хорошо свариваются контактной и аргонодуговой сваркой, обеспечивая высокую прочность и пластичность сварного соединения. Недостатком титана является плохая обрабатываемость резанием из-за склонности к налипанию, низкой теплопроводности и плохих антифрикционных свойств.

Основной целью легирования титановых сплавов является повышение прочности, жаропрочности и коррозионной стойкости. Широкое применение нашли сплавы титана с алюминием, хромом, молибденом, ванадием, марганцем, оловом и др. элементами. Легирующие элементы оказывают большое влияние на полиморфные превращения титана.

Таблица 17.1

Марки, химический состав (%) и твердость титана губчатого (ГОСТ 17746–79)

	Ti, не менее								Твердость НВ, 10/1500/30, не более

Таблица 17.2

Марки и химический состав (%) деформируемых титановых сплавов (ГОСТ 19807–91)

Обозначения марок

Примечание. Сумма прочих примесей во всех сплавах составляет 0,30 %, в сплаве ВТ1-00 - 0,10 %.

На формирование структуры и, следовательно, свойств титановых сплавов решающее влияние оказывают фазовые превращения, связанные с полиморфизмом титана. На рис. 17.1 представлены схемы диаграмм состояния «титан-легирующий элемент», отражающие подразделение легирующих элементов по характеру влияния на полиморфные превращения титана на четыре группы.

a -Стабилизаторы (Al, O, N), которые повышают температуру полиморфного превращения a « b и расширяют область твердых растворов на основе a -титана (рис. 17.1, а ). Учитывая охрупчивающее действия азота и кислорода, практическое значение для легирования титана имеет только алюминий. Он является основным легирующим элементом во всех промышленных титановых сплавах, уменьшает их плотность и склонность к водородной хрупкости, а также повышает прочность и модуль упругости. Сплавы с устойчивой a -структурой термической обработкой не упрочняются.

Изоморфные b -стабилизаторы (Mo, V, Ni, Ta и др.), которые понижают температуру a « b -пре-вращения и расширяют область твердых растворов на основе b -титана (рис. 17.1, б ).

Эвтектоидообразующие b -стабилизаторы (Cr, Mn, Cu и др.) могут образовывать с титаном интерметаллиды типа TiХ. В этом случае при охлаждении b -фаза претерпевает эвтектоидное превращение b ® a + TiХ (рис. 17.1, в ). Большинство
b -стабилизаторов повышает прочность, жаропрочность и термическую стабильность титановых сплавов, несколько снижая их пластичность (рис. 17.2.). Кроме того, сплавы с (a + b) и псевдо-b -структурой могут упрочняться термообработкой (закалка + старение).

Нейтральные элементы (Zr, Sn) не оказывают существенного влияния на температуру полиморфного превращения и не меняют фазового состава титановых сплавов (рис. 17.1, г ).

Полиморфное b ® a -превращение может происходить двумя путями. При медленном охлаждении и высокой подвижности атомов оно происходит по обычному диффузионному механизму с образованием полиэдрической структуры твердого a -раствора. При быстром охлаждении - по бездиффузионному мартенситному механизму с образованием игольчатой мартенситной структуры, обозначаемой a ¢ или при большей степени легированности - a ¢ ¢ . Кристаллическая структура a , a ¢ , a ¢ ¢ практически однотипная (ГПУ), однако решетка a ¢ и a ¢ ¢ более искажена, причем степень искаженности возрастает с увеличением концентрации легирующих элементов. Есть сведения [ 1] , что решетка a ¢ ¢ -фазы скорее ромбическая, чем гексагональная. При старении из фаз a ¢ и a ¢ ¢ выделяется b -фаза или интерметаллидная фаза.

Рис. 17.1. Диаграммы состояний систем «Тi-легирующий элемент» (схемы):
а ) «Тi-a -стабилизаторы»;
б ) «Тi-изоморфные b -стабилизаторы»;
в ) «Тi-эвтектоидообразующие b -стабилизаторы»;
г ) «Тi-нейтральные элементы»

Рис. 17.2. Влияние легирующих элементов на механические свойства титана

В отличие от мартенсита углеродистых сталей, являющегося раствором внедрения и характеризующегося высокой прочностью и хрупкостью, титановый мартенсит является раствором замещения, и закалка титановых сплавов на мартенсит a ¢ приводит к небольшому упрочнению и не сопровождается резким снижением пластичности.

Фазовые превращения, происходящие при медленном и быстром охлаждении титановых сплавов с различным содержанием b -стабилизаторов, а также получаемые структуры отражены на обобщенной диаграмме (рис. 17.3). Она справедлива для изоморфных b -стабилизаторов (рис. 17.1, б ) и, с некоторым приближением, для эвтектоидообразующих b -стабилизаторов (рис. 17.1, в ), так как эвтектоидный распад в этих сплавах происходит очень медленно, и им можно пренебречь.

Рис. 17.3. Схема изменения фазового состава сплавов «Ti-b -стабилизатор» в зависимости от скорости
охлаждения и закалки из b -области

При медленном охлаждении в титановых сплавах, в зависимости от концентрации b -стабилизаторов, могут быть получены структуры: a , a + b или b соответственно.

При закалке в результате мартенситного превращения в интервале температур М н –М к (на рис. 17.3 показаны пунктиром) следует различать четыре группы сплавов.

В первую группу входят сплавы с концентрацией b -стабилизирующих элементов до С 1 , т. е. сплавы, которые при закалке из b -области имеют исключительно a ¢ (a ¢ ¢)-структуру. После закалки этих сплавов с температур (a + b)-области в интервале от полиморфного превращения до Т 1 , их структура представляет собой смесь фаз a ¢ (a ¢ ¢), a и b , а после закалки с температур ниже Т кр они имеют (a + b)-структуру.

Вторую группу составляют сплавы с концентрацией легирующих элементов от С 1 до С кр, у которых при закалке из b -области мартенситное превращение не происходит до конца и они имеют структуру a ¢ (a ¢ ¢) и b . Сплавы этой группы после закалки с температур от полиморфного превращения до Т кр имеют структуру a ¢ (a ¢ ¢), a и b , а с температур ниже Т кр - структуру (a + b).

Закалка сплавов третьей группы с концентрацией b -стабилизирующих элементов от С кр до С 2 с температур b -области или с температур от полиморфного превращения до Т 2 сопровождается превращением части b -фазы в w -фазу, и сплавы этого типа после закалки имеют структуру (b + w). Сплавы третьей группы после закалки с температур ниже Т 2 имеют структуру (b + a).

Сплавы четвертой группы после закалки с температур выше полиморфного превращения имеют исключительно b -структуру, а с температур ниже полиморфного превращения - (b + a).

Необходимо отметить, что превращения b ® b + w может происходить как при закалке сплавов с концентрацией (С кр –С 2) , так и при старении сплавов с концентрацией более С 2 , имеющих метастабильную b -фазу. В любом случае, присутствие w -фазы нежелательно, так как она сильно охрупчивает титановые сплавы. Рекомендуемые режимы термообработки исключают ее присутствие в промышленных сплавах или появление в условиях эксплуатации.

Для титановых сплавов применяют следующие виды термообработки: отжиг, закалка и старение, а также химико-термическая обработка (азотирование, силицирование, оксидирование и др.).

Отжиг проводится для всех титановых сплавов с целью завершения формирования структуры, выравнивания структурной и концентрационной неоднородности, а также механических свойств. Температура отжига должна быть выше температуры рекрисаллизации, но ниже температуры перехода в b -состояние (Т пп) во избежание роста зерна. Применяют обычный отжиг, двойной или изотермический (для стабилизации структуры и свойств), неполный (для снятия внутренних напряжений).

Закалка и старение (упрочняющая термообработка) применима к титановым сплавам с (a + b)-структурой. Принцип упрочняющей термообработки заключается в получении при закалке метастабильных фаз b , a ¢ , a ¢ ¢ и последующем их распаде с выделением дисперсных частиц a - и b -фаз при искусственном старении. При этом эффект упрочнения зависит от типа, количества и состава метастабильных фаз, а также дисперсности образовавшихся после старения частиц a - и b -фаз.

Химико-термическая обработка проводится для повышения твердости и износостойкости, стойкости к «схватыванию» при работе в условиях трения, усталостной прочности, а также улучшения коррозионной стойкости, жаростойкости и жаропрочности. Практическое применение имеют азотирование, силицирование и некоторые виды диффузионной металлизации.

Титановые сплавы по сравнению с техническим титаном имеют более высокую прочность, в том числе и при высоких температурах, сохраняя при этом достаточно высокую пластичность и коррозионную стойкость.

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

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

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

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

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

Таблица 17.3

Классификация титановых сплавов по структуре

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

* Опытные сплавы.

Таблица 17.4

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

Марки титановых сплавов	Состояние образцов при испытаниях	Толщина листов, мм	Предел прочности, s в, МПа	Относительное удлинение, d , %
	Отожженное
		Св. 6,0–10,5
		Св. 6,0–10,5
	Отожженное
		Св. 6,0–10,5
		Св. 6,0–10,5
		Св. 6,0–10,5
			885 (885–1080)
	Отожженное		885 (885–1050)
		Св. 5,0–10,5	835 (835–1050)
	Закаленное и искусственно состаренное
		Св. 7,0–10,5
	Отожженное		930 (930–1180)
		Св. 4,0–10,5
	Отожженное и правленное		980 (980–1180)
		Св. 4,0–10,5

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

Таблица 17.5

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

Марка сплава	Состояние испытываемых образцов	Диаметр прутка,	Предел прочности s в, МПа	Относительное удлинение d , %	Относительное сужение y ,	Ударная вязкость KCU, Дж/см 2
	Отожженные
	Отожженные
	Отожженные		885 (905–1050)
			835 (835–1050)
	Закаленные и состаренные
	Отожженные
	Закаленные и состаренные
	Отожженные		930 (980–1230)
			930 (930–1180)
			980 (980–1230)
			930 (930–1180)
			980 (1030–1230)
			930 (980–1230)
	Отожженные		885 (885–1080)
			865 (865–1080)
	Закаленные и состаренные
	Отожженные		885 (930–1130)
			885 (885–1130)
			1030 (1080–1230)
			1030 (1080–1280)

Примечание. В скобках приведены данные для прутков повышенного качества.

Таблица 17.6

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

Марка сплава	Состояние материала	Толщина плит,	Предел прочности s в, МПа	Относительное удлинение d , %	Относительное сужение y , %	Ударная вязкость KCU, Дж/см 2
	Без термической обработки
	Отожженное
	Отожженное
	Закаленное и состаренное
	Отожженное
	Без термической обработки

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

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

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

Коррозионная стойкость данных сплавов высокая во многих средах (морская вода, хлориды, щелочи, органические кислоты и т. п.), кроме растворов HF, H 2 SO 4 , HCl и некоторых других.

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

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

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

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

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

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

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

Таблица 17.7

Режимы горячей обработки давлением титановых сплавов

Марка сплава

Режим ковки слитков

Режим ковки предварительно деформированных заготовок

Режим штамповки на прессе

Режим штамповки на молоте

Режим листовой штамповки

температура деформации, ° С

толщина, мм

температура деформации, ° С

температура деформации, ° С

температура деформации, ° С

температура деформации, ° С

окончание

окончание

окончание

окончание

Все толщины

40–70 40–70

40–70 40–70

40–50** 70***

40–50** 70***

850 900–850

40–50** 70***

Все толщины

* Степень деформации за один нагрев, %.

** Деформация в (a + b)-области.

*** Деформация в b -области.

Таблица 17.8

Режимы отжига титановых сплавов

Марка сплава	Температура отжига, ° С		Примечание
	Листы и детали из них	Прутки, поковки, штамповки, трубы, профили и детали из них
			445–585 ° С*
			445–585 ° С*
			480–520 ° С*
			520–560 ° С*
			545–585 ° С*
			Изотермический отжиг: нагрев до 870–920 ° С, выдержка, охлаждение до 600–650 ° С, охлаждение с печью или перенос в другую печь, выдержка 2 ч, охлаждение на воздухе
			Двойной отжиг, выдержка при 550–600 ° С 2–5 ч. Для силовых деталей допускается отжиг при 850 ° С, охлаждение на воздухе
			550–650 ° С*
			Допускается отжиг по режимам: 1) нагрев до 850 ° С, выдержка, охлаждение с печью до 750 ° С, выдержка 3,5 ч, охлаждение на воздухе; 2) нагрев до 800 ° С, выдержка 30 мин, охлаждение с печью до 500 ° С, далее на воздухе
			Двойной отжиг, выдержка при 570–600 ° С - 1 ч. Допускается изотермический отжиг: нагрев до 920–950 ° С, выдержка, охлаждение с печью или перенос в другую печь с температурой 570–600 ° С, выдержка 1 ч, охлаждение на воздухе
			Двойной отжиг, выдержка при 530–580 ° С - 2–12 ч. Допускается изотермический отжиг: нагрев до 950–980 ° С, выдержка, охлаждение с печью или перенос в другую печь с температурой 530–580 ° С, выдержка 2–12 ч, охлаждение на воздухе
			550–650 ° С*
			Допускается изотермический отжиг: нагрев до 790–810 ° С, выдержка, охлаждение с печью или перенос в другую печь до 640–660 ° С, выдержка 30 мин, охлаждение на воздухе
			Допускается отжиг листовых деталей при 650–750 ° С, (600–650 ° С)*
		(в зависимости от сечения и вида полуфабриката)	Охлаждение с печью со скоростью 2–4 ° С/мин до 450 ° С, затем на воздухе. Двойной отжиг, выдержка при 500–650 ° С 1–4 ч. Двойной отжиг допускается для деталей, работающих при температурах до 300 ° С и продолжительности до 2000 ч
			(545–585 ° С *)

* Температуры неполного отжига.

Таблица 17.9

Механические характеристики титановых сплавов при низких температурах

	s в (МПа) при температуре, ° С			d (%) при температуре, ° С			КСU, Дж/см 2 при температуре, ° С

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Таблица 17.10

Режимы упрочняющей термической обработки титановых сплавов

Марка сплава	Температура полиморфного превращения Т пп, ° С	Температура нагрева под закалку, ° С	Температура старения, ° С	Продолжительность старения, ч

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

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

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

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

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

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

– элемент 4 группы 4 периода. Переходный металл, проявляет и основные, и кислотные свойства, довольно широко распространен в природе – 10 место. Наиболее интересным для народного хозяйства является сочетание высокой твердости металла и легкости, что делает его незаменимым элементом для авиастроения. Данная статья расскажет вам о маркировке, легирующих и иных свойствах металла титана, даст общую характеристику и интересные факты о нем.

По внешнему виду металл больше всего напоминает сталь, однако механические его качества выше. При этом титан отличается малым весом – молекулярная масса 22. Физические свойства элемента изучены довольно хорошо, однако сильно зависят от чистоты металла, что приводит к существенным отклонениям.

Кроме того, имеет значение его специфические химические свойства. Титан устойчив к щелочам, азотной кислоте, и в то же время бурно взаимодействует с сухими галогенами, а при более высокой температуре – с кислородом и азотом. Хуже того, он начинает поглощать водород еще при комнатной температуре, если имеется активная поверхность. А в расплаве впитывает кислород и водород настолько интенсивно, что расплавление приходится проводить в вакууме.

Еще одна важная особенность, определяющая физические характеристики – существование 2 фаз состояния.

• Низкотемпературная – α-Ti имеет гексагональную плотноупакованную решетку, плотность вещества – 4,55 г/куб. см (при 20 С).
• Высокотемпературная – β-Ti характеризуется объемно-центрированный кубической решеткой, плотность фазы, соответственно, меньше – 4, 32 г/куб. см. (при 900С).

Температура фазового перехода – 883 С.

В обычных условиях металл покрывается защитной оксидной пленкой. При ее отсутствии титан представляет большую опасность. Так, титановая пыль может взрываться, температура такой вспышки 400С. Титановая стружка является пожароопасным материалом и хранится в специальной среде.

О структуре и свойствах титана рассказывает видео ниже:

Свойства и характеристики титана

Титан на сегодня является самым прочным среди всех существующих технических материалов, поэтому, несмотря на сложность получения и высокие требования по безопасности к , применяется достаточно широко. Физические характеристики элемента довольно необычны, однако очень сильно зависят от чистоты. Так, чистый титан и сплавы активно применяются в ракето- и авиастроении, а технический непригоден, так как из-за примесей теряет прочность при высоких температурах.

Плотность металла

Плотность вещества изменяется в зависимости от температуры и фазы.

• При температурах от 0 до температуры плавления уменьшается от 4,51 до 4,26 г/куб. см, причем во время фазового перехода повышаете на 0,15%, а затем вновь уменьшается.
• Плотность жидкого металла составляет 4,12 г/куб. см, а затем уменьшается с повышением температуры.

Температуры плавления и кипения

Фазовый переход разделяет все свойства металла на качества, которые может проявлять α- и β-фазы. Так, плотность до 883 С, относится к качествам α-фазы, а температуры плавления и кипения – к параметрам β-фазы.

• Температура плавления титана (в градусах) составляет 1668+/-5 С;
• Температура кипения достигает 3227 С.

Горение титана рассмотрено в этом видеоролике:

Механические особенности

Титан примерно в 2 раза прочнее железа и в 6 раз – алюминия, что и делает его столь ценным конструкционным материалом. Показатели относятся к свойствам α-фазы.

• Предел прочности вещества при растяжении составляет 300–450 МПа. Показатель можно увеличить до 2000 МПа, добавив некоторые элементы, а также прибегнув к специальной обработке – закалке и старению.

Интересно то, что высокую удельную прочность титан сохраняет и при самых низких температурах. Более того, при понижении температуры прочность на изгиб растет: при +20 С показатель составляет 700 МПа, а при -196 – 1100 МПа.

• Упругость металла относительно невелика, что является существенным недостатком вещества. Модуль упругости при нормальных условиях 110,25 ГПа. Кроме того, титану свойственна анизотропия: упругость по разным направлениям достигает разного значения.
• Твердость вещества по шкале НВ составляет 103. Причем показатель это усредненный. В зависимости от чистоты металла и характера примесей твердость может быть и выше.
• Условный предел текучести составляет 250–380 МПа. Чем выше этот показатель, тем лучше изделия из вещества противостоят нагрузкам и тем больше сопротивляются износу. Показатель титана превосходит показатель алюминия в 18 раз.

По сравнению с другими металлами, имеющими такую же решетку, металл обладает очень приличной пластичностью и ковкостью.

Теплоемкость

Металл отличается низкой теплопроводностью, поэтому в соответствующих областях – изготовление термоэлектродов, например, не применяется.

• Теплопроводность его составляет 16,76 l , Вт/(м × град). Это меньше чем у железа в 4 раза и в 12 раз меньше, чем у .
• Зато коэффициент термического расширения у титана ничтожен при нормальной температуре и возрастает при повышении температуры.
• Теплоемкость металла составляет 0,523 кдж/(кг·К).

Электрические характеристики

Как чаще всего и бывает, низкая теплопроводность обеспечивает и низкую электропроводность.

• Удельное электросопротивление металла весьма велико – 42,1·10 -6 ом·см в нормальных условиях. Если считать проводимость серебра равной 100%, то проводимость титана будет равна 3,8%.
• Титан является парамагнитом, то есть, его нельзя намагничивать в поле, как железо, но и выталкиваться из поля, как он не будет. Свойство это с понижением температуры линейно уменьшается, но, пройдя минимум, несколько увеличивается. Удельная магнитная восприимчивость составляет 3,2 10 -6 Г -1 . Стоит отметить, что восприимчивость, так же как и упругость образует анизотропию и изменяется в зависимости от направления.

При температуре 3,8 К титан становится сверхпроводником.

Коррозионная стойкость

В нормальных условиях титан отличается очень высокими антикоррозийными свойствами. На воздухе его покрывает слой оксида титана толщиной в 5–15 мкм, что и обеспечивает отличную химическую инертность. Металл не корродирует в воздухе, морском воздухе, морской воде, влажном хлоре, хлорной воде и многочисленных других технологических растворах и реагентах, что делает материал незаменимым в химической, бумагоделательной, нефтяной промышленности.

При повышении температуры или сильном измельчении металла картина резко меняется. Металл реагирует едва ли не со всеми газами, входящими в состав атмосферы, а в жидком состоянии еще и впитывает их.

Безопасность

Титан является одним из самых биологически инертных металлов. В медицине он применяется для изготовления протезов, так как отличается стойкостью к коррозии, легкостью и долговечностью.

Диоксид титана не столь безопасен, хотя используется куда чаще – в косметологической, пищевой промышленности, например. По некоторым данным – UCLA, исследования профессора патологии Роберта Шистла, наночастицы диоксида титана воздействуют на генетический аппарат и могут способствовать развитию рака. Причем через кожный покров вещество не проникает, поэтому применение солнцезащитных средств, в составе которых есть диоксид, опасности не представляет, а вот вещество, попадающее внутрь организма – с пищевыми красителями, биологическими биодобавками, может оказаться опасным.

Титан – уникально прочный, твердый и легкий металл с очень интересными химическими и физическими свойствами. Это сочетание настолько ценно, что даже сложности с выплавкой и очисткой титана производителей не останавливают.

О том, как отличить титан от стали, этот видеосюжет и расскажет:

Титан

Большой интерес, проявляемый к титану и титановым сплавам, основан на его ценных свойствах - малом удельном весе, высокой удельной прочности и хорошей сопротивляемости коррозии.
В последние годы в связи с разработкой более совершенных методов получения ковкого и деформируемого титана применение его в различных отраслях промышленности расширилось.
Титан существует в двух полиморфных модификациях; α-Ti, имеющий гексагональную плотноупакованную решетку и существующую при температурах ниже 885°, и β-Ti с кубической объемноцентрированной решеткой - при более высоких температурах. При α→β-превращении изменения объема составляют 5,5%.
Титан слабо реагирует с азотной и разбавленной соляной кислотой. но растворяется в концентрированных соляной и серной кислотах и в аарской водке. В щелочах, во многих солях даже при кипячении и в органических кислотах титан весьма устойчив. Энергично реагирует титан с кислородом, азотом, водородом, углеродом и со многими окислами металлов, что чрезвычайно затрудняет получение чистого титана и вызывает большие трудности при производстве из него полуфабрикатов.
Кислород в большинстве случаев отрицательно влияет на физико-химические и технологические свойства титана. Растворимость кислорода в титане составляет около 30% (атомн.), что отвечает составу ТiO0,42. При нагреве до 600° кислород практически еще не взаимодействует с титаном. При температурах выше 650° кислород воздуха начинает энергично диффундировать в титан, в результате чего образуется весьма твердый поверхностный слой. Скорость окисления титана при температурах от 650 до 800° показана на рис. 7.

Диаграмма состояния системы титан - кислород при содержании кислорода до 30% приведена на рис. 8. По характеру эта диаграмма перитектической системы. В твердом состоянии кислород образует ограниченные области растворов α и β.
В приведенном участке системы имеются две перитектики.
Максимальная растворимость кислорода в β-титане равна 1,8% при 1740°, в α-титане - 14,5% в интервале температур 800-1700°.

Наивысшей температурой плавления 1900° обладает сплав типа твердого раствора а, содержащий 10% кислорода.
Кислород, проникший в кристаллическую решетку титана, сильно искажает ее, поэтому значительно изменяются физические свойства и механическая прочность титана.
Влияние кислорода в пределах 0-1% (атомн.) на предел прочности, удлинение, твердость и удельное электрическое сопротивление йодидного титана приведено на рис. 9.
Титан при содержании 0,25% (атомн.) кислорода может быть прокатан на холоду без появления трещин до 95% обжатия. При большем содержании кислорода трещины появляются уже при 60-70% обжатия.
При ковке и волочении титана необходимо избегать образования трещин, так как они очень трудно затягиваются вследствие быстрого окисления поверхности.

Сплавы, содержащие 0,5-2,0% (атомн.) кислорода, сравнительно легко обрабатываются три сверлении и нарезке, а содержащие 2,5-3,0% (атомн.) кислорода удовлетворительно обрабатываются резанием, но тверды для сверления.
Сплавы с содержанием 3,5-5,0% (атомн.) кислорода чрезвычайно трудно поддаются обработке.
Азот сильно влияет на свойства титана уже при содержании сотых долей процента. Система титан - азот (рис. 10) характеризуется наличием двух перитектических реакций.

Азот значительно увеличивает твердость и прочность титана и резко снижает его пластичность. Сплавы азота с титаном очень трудно обрабатывать в холодном состоянии: при содержании азота свыше 0,5% (вес.) сплав становится хрупким и не поддается обработке.
Уже в небольших количествах азот приводит к образованию игольчатой структуры. Влияние азота на механические свойства и электрическое сопротивление титана приведено на рис. 11.
Изменение физических и прочностных свойств титана от примесей азота связано, по-видимому, с тем, что азот оказывает значительное влияние на параметры кристаллической решетки, главным образом на параметр с, что хорошо видно на рис. 12.
Азот, как и кислород, значительно повышает температуру начала и конца β⇔α-превращепия титана.

Водород в отличие от кислорода, азота и углерода оказывает незначительное влияние на механические свойства титана, но все же является весьма вредной примесью, так как под его влиянием разрушаются изделия из титана и его сплавав при прокатке, ковке или нагреве.
Из диаграммы состояния титан - водород (рис. 13) следует, что по мере увеличения содержания водорода температура фазового превращения снижается, а температурная область существования двухфазной структуры α+β расширяется.
Водород весьма энергично диффундирует в титан и образует растворы внедрения, подобно кислороду, азоту и углероду. При растворении водорода в титане выделяется тепло, при нагреве из сплавов выделяется водород.
При 20° α-титан, содержащий несколько десятитысячных долей процента избыточного водорода, будет иметь в структуре свободные гидриды, которые под микроскопом видны в виде тонких пластинок. Повышение хрупкости сплавов является следствием появления в их структуре увеличивающегося количества гидридов.
Водород в пределах 0,3-0,5% (атомн.), обычно содержащийся в техническом титане, существенно понижает поглощение энергии при ударе без изменения предела прочности на растяжение. На рис. 14 приведены кривые, иллюстрирующие влияние водорода на предел прочности при растяжении, удлинение, твердость и электрическое сопротивление титана.
Углерод сильно влияет на свойства титана. Система титан - углерод (рис. 15) по своему характеру относится к перитектическим системам с химическими соединениями. В этой системе наблюдается перитектический распад β-фазы при ограниченной растворимости углерода в β- и α-титане.

Углерод является α-стабилизатором, он повышает температуру аллотропического превращения титана с 882 до 920°.
При 0,48% углерода и 920° происходит перитектоидное превращение

При высоких температурах углерод энергично соединяется с титаном я образует тугоплавкий карбид титана TiC, который обладает высокой твердостью и высокой температурой плавления (свыше 3000°).
Карбид титана нашел широкое применение для многих целей: для изготовления жаростойких и жаропрочных материалов, как компонент твердых сплавов и как абразивный материал.
Расстворимость углерода в титане значительно уменьшается с понижением температуры. В результате незначительной растворимости углерода в α- и β-титане уже десятые доли процента углерода в сплавах титана с углеродом вызывают хрупкость, так как выделяется карбид титана.
Влияние углерода на механические свойства титана представлено на рис. 16. Как видно, прочность сплавов увеличивается линейно до 0,25% углерода, пластичность сплавов изменяется в обратном направлении.
Основными легирующими добавками в титановых сплавах в настоящее время служат марганец, хром, железо, ванадий, молибден, алюминий, олово. С большинством этих добавок титан образует эвтектоид.
Увеличение прочности титана в зависимости от легирующих добавок характеризуется кривыми, приведенными на рис. 17.

Сплавы титана могут состоять либо из α-фазы, либо из β-фазы или α+β-фазы. Однако широко применяются в промышленности только α+β-сплавы, α-сплавы имеют ограниченное применение, а β-сплавы вовсе не применяются.
Алюминий расширяет область α-фазы и вводится в жаропрочные сплавы. Ванадий не образует эвтектоида с титаном и незначительно повышает прочность сплавов титана. По некоторым данным сплавы титан-ванадий склонны к водородной хрупкости. Марганец сильно замедляет эвтектоидный распад, упрочняет β-фазу и способствует термообработке. Двойные сплавы типа Tl+8% Mn склонны к водородной хрупкости.
Молибден повышает твердость титановых сплавов, а вместе с алюминием придает сплавам жаропрочность. Олово также расширяет область α-фазы и хотя придает титану несколько меньшую жаропрочность, чем алюминий, но в меньшей мере снижает пластичность.
Хром в большинстве случаев вводится в титан в виде феррохрома. Хром замедляет эвтектоидный распад. Детали из сплавов титана с хромом мало пригодны для работы под напряжением и при повышенных температурах. Действие железа подобно хрому. Титан с железом дает сплавы, в которых эвтектоидный распад протекает относительно медленно; железо способствует повышению твердости и снижает прочность при высоких температурах.
Для упрочнения α-титана используются также цирконий и кремний, для упрочнения β-титана - ниобий и вольфрам.
По последним данным, медь, никель и кремний дают с титаном сплавы, в которых эвтектоидный распад протекает очень быстро. Этим сплавам можно придавать желаемые свойства, охлаждая их с различной скоростью.
Одновременная присадка в титан марганца, алюминия или кремния, бериллия и бора, дающих химические соединения, позволяет упрочнять сплавы термической обработкой.
Механические свойства титана в значительной степени зависят от чистоты его и способа получения.
В табл. 21 приведены механические свойства титана, полученного различными методами.

При нагревании прочность титана падает, но даже при 500° предел прочности еще остается около 28 кг/мм2 (рис. 18).
В России, согласно временным техническим условиям, выпускается губчатый титан пяти марок, химический состав и механические свойства которого приведены в табл. 22.

Титановые сплавы

Применяемые в промышленности стандартные титановые сплавы еще недостаточно разработаны, что следует объяснить сравнительной новизной технологии производства самого титана. Однако в настоящее время уже имеется довольно много сплавов на титановой основе с различными физико-механическими свойствами.

В табл. 23 приведены химический состав и механические свойства некоторых титановых сплавов.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:

Добавить

27.03.2019

В-первую очередь надо определиться сколько вы готовы потратить на покупку. Специалисты рекомендуют начинающим инвесторам сумму от 30 тысяч рублей до 100. Стоит...

27.03.2019

Металлопрокат в наше время активно используется в самых разных ситуациях. Действительно, на многих производствах просто не обойтись без него, так как металлопрокат...

27.03.2019

Стальные прокладки овального сечения предназначены для герметизации фланцевых соединений арматуры и трубопроводов, которые транспортируют агрессивные среды....

26.03.2019

Многие из нас слышали о такой должности как системный администратор, но далеко не каждый представляет себе, что конкретно имеется в виду под этой фразой....

26.03.2019

Каждый человек, который делает ремонт в своем помещении, должен задумываться о том, какие конструкции необходимо установить в межкомнатное пространство. На рынке...

26.03.2019

26.03.2019

На сегодняшний день газоанализаторы активно применяют в нефтяной и в газовой отраслях, в коммунальной сфере, в ходе осуществления анализов в лабораторных комплексах, для...

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/см 3 , 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 TiH 2 ) . 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, CH 4 ) 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 (HNO 3 , KMnO 4 , K 2 CrO 4 , 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.

/моль)

История

Открытие диоксида титана (TiO 2) сделали практически одновременно и независимо друг от друга англичанин У. Грегор и немецкий химик М. Г. Клапрот . У. Грегор, исследуя состав магнитного железистого песка (Крид, Корнуолл, Англия, ), выделил новую «землю» (оксид) неизвестного металла, которую назвал менакеновой. В 1795 году немецкий химик Клапрот открыл в минерале рутиле новый элемент и назвал его титаном. Спустя два года Клапрот установил, что рутил и менакеновая земля - оксиды одного и того же элемента, за которым и осталось название «титан», предложенное Клапротом. Через 10 лет открытие титана состоялось в третий раз: французский учёный Л. Воклен обнаружил титан в анатазе и доказал, что рутил и анатаз - идентичные оксиды титана.

Первый образец металлического титана получил в 1825 году швед Й. Я. Берцелиус . Из-за высокой химической активности титана и сложности его очистки чистый образец Ti получили голландцы А. ван Аркел и И. де Бур в 1925 году термическим разложением паров иодида титана TiI 4 .

Титан не находил промышленного применения, пока люксембуржец Г. Кролл (англ.) русск. в 1940 году не запатентовал простой магниетермический метод восстановления металлического титана из тетрахлорида ; этот метод (процесс Кролла (англ.) русск. ) до настоящего времени остаётся одним из основных в промышленном получении титана.

Происхождение названия

Металл получил своё название в честь титанов , персонажей древнегреческой мифологии, детей Геи . Название элементу дал Мартин Клапрот в соответствии со своими взглядами на химическую номенклатуру в противовес французской химической школе, где элемент старались называть по его химическим свойствам. Поскольку немецкий исследователь сам отметил невозможность определения свойств нового элемента только по его оксиду, он подобрал для него имя из мифологии, по аналогии с открытым им ранее ураном .

Нахождение в природе

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

Месторождения

Крупные коренные месторождения титана находятся на территории ЮАР, России, Украины, Канады, США, Китая, Норвегии, Швеции, Египта, Австралии, Индии, Южной Кореи, Казахстана; россыпные месторождения имеются в Бразилии, Индии, США, Сьерра-Леоне, Австралии . В странах СНГ ведущее место по разведанным запасам титановых руд занимает РФ (58,5 %) и Украина (40,2 %) . Крупнейшее месторождение в России - Ярегское .

Запасы и добыча

По данным на 2002 год, 90 % добываемого титана использовалось на производство диоксида титана TiO 2 . Мировое производство диоксида титана составляло 4,5 млн т. в год. Подтверждённые запасы диоксида титана (без России) составляют около 800 млн т. На 2006 год, по оценке Геологической службы США, в пересчёте на диоксид титана и без учёта России, запасы ильменитовых руд составляют 603-673 млн т., а рутиловых - 49,7-52,7 млн т . Таким образом, при нынешних темпах добычи мировых разведанных запасов титана (без учёта России) хватит более чем на 150 лет.

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

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

Получение

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

Концентрат титановых руд подвергают сернокислотной или пирометаллургической переработке. Продукт сернокислотной обработки - порошок диоксида титана TiO 2 . Пирометаллургическим методом руду спекают с коксом и обрабатывают хлором , получая пары тетрахлорида титана TiCl 4:

T i O 2 + 2 C + 2 C l 2 → T i C l 4 + 2 C O {\displaystyle {\mathsf {TiO_{2}+2C+2Cl_{2}\rightarrow TiCl_{4}+2CO}}}

Образующиеся пары TiCl 4 при 850 °C восстанавливают магнием :

T i C l 4 + 2 M g → 2 M g C l 2 + T i {\displaystyle {\mathsf {TiCl_{4}+2Mg\rightarrow 2MgCl_{2}+Ti}}}

Кроме этого, в настоящее время начинает получать популярность так называемый процесс FFC Cambridge, названный по именам его разработчиков Дерека Фрэя, Тома Фартинга и Джорджа Чена из Кембриджского университета , где он был создан. Этот электрохимический процесс позволяет осуществлять прямое непрерывное восстановление титана из оксида в расплаве смеси хлорида кальция и негашёной извести (оксида кальция). В этом процессе используется электролитическая ванна, наполненная смесью хлорида кальция и извести, с графитовым расходуемым (либо нейтральным) анодом и катодом, изготовленным из подлежащего восстановлению оксида. При пропускании через ванну тока температура быстро достигает ~1000-1100 °C, и расплав оксида кальция разлагается на аноде на кислород и металлический кальций :

2 C a O → 2 C a + O 2 {\displaystyle {\mathsf {2CaO\rightarrow 2Ca+O_{2}}}}

Полученный кислород окисляет анод (в случае использования графита), а кальций мигрирует в расплаве к катоду, где и восстанавливает титан из его оксида:

O 2 + C → C O 2 {\displaystyle {\mathsf {O_{2}+C\rightarrow CO_{2}}}} T i O 2 + 2 C a → T i + 2 C a O {\displaystyle {\mathsf {TiO_{2}+2Ca\rightarrow Ti+2CaO}}}

Образующийся оксид кальция вновь диссоциирует на кислород и металлический кальций, и процесс повторяется вплоть до полного преобразования катода в титановую губку либо исчерпания оксида кальция. Хлорид кальция в данном процессе используется как электролит для придания электропроводности расплаву и подвижности активным ионам кальция и кислорода. При использовании инертного анода (например, диоксида олова), вместо углекислого газа на аноде выделяется молекулярный кислород, что меньше загрязняет окружающую среду, однако процесс в таком случае становится менее стабильным, и, кроме того, в некоторых условиях более энергетически выгодным становится разложение хлорида, а не оксида кальция, что приводит к высвобождению молекулярного хлора .

Полученную титановую «губку» переплавляют и очищают. Рафинируют титан иодидным способом или электролизом , выделяя Ti из TiCl 4 . Для получения титановых слитков применяют дуговую, электронно-лучевую или плазменную переработку.

Физические свойства

Титан - лёгкий серебристо-белый металл . При нормальном давлении существует в двух кристаллических модификациях: низкотемпературный α -Ti с гексагональной плотноупакованной решёткой (гексагональная сингония , пространственная группа C 6mmc , параметры ячейки a = 0,2953 нм , c = 0,4729 нм , Z = 2 ) и высокотемпературный β -Ti с кубической объёмно-центрированной упаковкой (кубическая сингония , пространственная группа Im 3m , параметры ячейки a = 0,3269 нм , Z = 2 ), температура перехода α↔β 883 °C, теплота перехода ΔH =3,8 кДж/моль (87,4 кДж/кг ). Большинство металлов при растворении в титане стабилизируют β -фазу и снижают температуру перехода α↔β . При давлении выше 9 ГПа и температуре выше 900 °C титан переходит в гексагональную фазу (ω -Ti) . Плотность α -Ti и β -Ti соответственно равна 4,505 г/см³ (при 20 °C) и 4,32 г/см³ (при 900 °C) . Атомная плотность α-титана 5,67⋅10 22 ат/см³ .

Температура плавления титана при нормальном давлении равна 1670 ± 2 °C, или 1943 ± 2 К (принята в качестве одной из вторичных калибровочных точек температурной шкалы ITS-90 (англ.) русск. ) . Температура кипения 3287 °C . При достаточно низкой температуре (-80°C) , титан становится довольно хрупким. Молярная теплоёмкость при нормальных условиях C p = 25,060 кДж/(моль·K) , что соответствует удельной теплоёмкости 0,523 кДж/(кг·K) . Теплота плавления 15 кДж/моль , теплота испарения 410 кДж/моль . Характеристическая дебаевская температура 430 К . Теплопроводность 21,9 Вт/(м·К) при 20 °C . Температурный коэффициент линейного расширения 9,2·10 −6 К −1 в интервале от −120 до +860 °C . Молярная энтропия α -титана S 0 = 30,7 кДж/(моль·К) . Для титана в газовой фазе энтальпия формирования ΔH 0
f = 473,0 кДж/моль , энергия Гиббса ΔG 0
f = 428,4 кДж/моль , молярная энтропия S 0 = 180,3 кДж/(моль·К) , теплоёмкость при постоянном давлении C p = 24,4 кДж/(моль·K)

Пластичен, сваривается в инертной атмосфере. Прочностные характеристики мало зависят от температуры, однако сильно зависят от чистоты и предварительной обработки . Для технического титана твёрдость по Виккерсу составляет 790-800 МПа , модуль нормальной упругости 103 ГПа , модуль сдвига 39,2 ГПа . У высокочистого предварительно отожжённого в вакууме титана предел текучести 140-170 МПа, относительное удлинение 55-70%, твёрдость по Бринеллю 716 МПа .

Имеет высокую вязкость, при механической обработке склонен к налипанию на режущий инструмент, и поэтому требуется нанесение специальных покрытий на инструмент, различных смазок .

При обычной температуре покрывается защитной пассивирующей плёнкой оксида TiO 2 , благодаря этому коррозионностоек в большинстве сред (кроме щелочной).

Химические свойства

Легко реагирует даже со слабыми кислотами в присутствии комплексообразователей, например, с плавиковой кислотой он взаимодействует благодаря образованию комплексного аниона 2− . Титан наиболее подвержен коррозии в органических средах, так как в присутствии воды на поверхности титанового изделия образуется плотная пассивная пленка из оксидов и гидрида титана. Наиболее заметное повышение коррозионной стойкости титана заметно при повышении содержания воды в агрессивной среде с 0,5 до 8,0 %, что подтверждается электрохимическими исследованиями электродных потенциалов титана в растворах кислот и щелочей в смешанных водно-органических средах .

При нагревании на воздухе до 1200 °C Ti загорается ярким белым пламенем с образованием оксидных фаз переменного состава TiO x . Из растворов солей титана осаждается гидроксид TiO(OH) 2 ·xH 2 O, осторожным прокаливанием которого получают оксид TiO 2 . Гидроксид TiO(OH) 2 ·xH 2 O и диоксид TiO 2 амфотерны .

При взаимодействии титана с углеродом образуется карбид титана Ti x C x (x = Ti 20 C 9 - TiC.

• Титан в виде сплавов является важнейшим конструкционным материалом в авиа- и ракетостроении, в кораблестроении.
• Металл применяется в химической промышленности (реакторы , трубопроводы , насосы , трубопроводная арматура), военной промышленности (бронежилеты, броня и противопожарные перегородки в авиации, корпуса подводных лодок), промышленных процессах (опреснительных установках, процессах целлюлозы и бумаги), автомобильной промышленности, сельскохозяйственной промышленности, пищевой промышленности, спортивных товарах, ювелирных изделиях, мобильных телефонах, лёгких сплавах и т. д.
• Титан является физиологически инертным , благодаря чему применяется в медицине (протезы, остеопротезы, зубные имплантаты), в стоматологических и эндодонтических инструментах, украшениях для пирсинга .
• Титановое литьё выполняют в вакуумных печах в графитовые формы. Также используется вакуумное литьё по выплавляемым моделям. Из-за технологических трудностей в художественном литье используется ограниченно. Первой в мировой практике монументальной литой скульптурой из титана является памятник Юрию Гагарину на площади его имени в Москве .
• Титан является легирующей добавкой во многих легированных сталях и большинстве спецсплавов [каких? ] .
• Нитинол (никель-титан) - сплав, обладающий памятью формы, применяемый в медицине и технике.
• Алюминиды титана являются очень стойкими к окислению и жаропрочными, что, в свою очередь, определило их использование в авиации и автомобилестроении в качестве конструкционных материалов.
• Титан является одним из наиболее распространённых