Титан (Ti) — это металл, который по своим характеристикам сочетает в себе легкость и исключительную прочность, что делает его незаменимым материалом для множества промышленных применений. Это металл с серебристо-белым оттенком, который имеет ярко выраженный блеск. Его уникальные свойства — высокая удельная прочность, стойкость к коррозии и высокая температура плавления — открывают широкие возможности для его использования в самых разных отраслях, от авиации и космонавтики до медицины и производства электроники.
Несмотря на свое широкое применение, титан был использован человеком относительно недавно — массовое производство и использование начались только в середине 20 века. Причины этого кроются в сложностях работы с металлом, его высокой химической активности и трудности в обработке. Однако, благодаря своим выдающимся свойствам, титан быстро завоевал популярность в высокотехнологичных областях, и его производство продолжает расти.
Титан был открыт в 1791 году английским химиком Уильямом Грегором, однако его практическое применение началось лишь в середине XX века, после изобретения эффективных методов его получения и обработки. В 1948 году была налажена промышленная добыча титана в США, что стало значительным шагом к массовому использованию металла в различных областях. В отличие от других металлов, таких как алюминий и железо, титан требовал специфической технологии переработки из-за своей склонности к химическим реакциям с окружающей средой в расплавленном виде.
С того времени титановые сплавы стали основой для создания материалов для авиационной и космической промышленности. Во время холодной войны металл активно использовался в военных целях, в частности для создания деталей ракет и ядерных реакторов.
Молекулярная масса титана составляет всего 22, что указывает на его невысокую массу. В то же время титан обладает выдающимися прочностными характеристиками, и среди всех конструкционных материалов этот металл демонстрирует самую высокую удельную прочность.
Титан плавится при температуре 1668 °С и по плотности (4,5 г/см3) занимает промежуточное положение между алюминием и железом. Титановые сплавы по своим прочностным характеристикам практически не уступают сталям.
В земной коре титан занимает четвёртое место по распространённости, уступая алюминию, железу и магнию. Однако промышленное использование титана началось лишь в 1948 году, что связано с его высокой химической активностью, стойкостью к внешним воздействиям и значительными трудностями, возникающими при работе с ним в расплавленном состоянии.
С каждым годом мировое производство титана и его сплавов растёт, а благодаря своим исключительным характеристикам, таким как высокая удельная прочность и коррозионная стойкость, а также достаточная распространённость в природе, титан всё более активно используется в различных отраслях.
Чистый титан отличается высокой пластичностью, стойкостью к коррозии и хорошими механическими характеристиками. Однако он обладает низким модулем упругости, умеренной жаропрочностью и склонен к ползучести, что означает его способность со временем деформироваться под воздействием постоянных нагрузок. На прочностные характеристики титана серьёзно влияют такие примеси, как водород, азот, кислород и углерод.
Когда содержание водорода в титане достигает 0,01-0,005 %, это снижает его ударную вязкость и вызывает явление водородной хрупкости. Чтобы уменьшить такие эффекты, используются методы вакуумирования титана. Азот, кислород и углерод (при концентрации до 1 %) способствуют повышению твёрдости и прочности, но при этом уменьшают пластичность материала.
Из-за полиморфности титана, его свойства можно изменять с помощью термической обработки. Титан выпускается в различных марках, в зависимости от содержания примесей, такие как ВТ 1-00, где содержание примесей не превышает 0,398 %, и ВТ1-0 — с максимальной долей примесей 0,55 %. Для получения титана наивысшей чистоты используется метод термической диссоциации четырёхиодидного титана.
Таблица 1. Механические свойства титана
| Марка титана | Суммарное содержание примесей, % | σв | σ0,2 | δ | ψ | HB, МПа |
| МПа | % | |||||
| ВТ1-0 | 0,3 | 450…600 | 380…500 | 20…25 | 50 | 2070 |
| Иодидный | 0,093 | 250…300 | 100…150 | 50…60 | 70…80 | 1300 |
Титан можно обрабатывать как в холодном, так и в горячем состоянии. Его можно ковать, прокатывать, штамповать, а также перерабатывать в различные формы, такие как прутки, полосы, профили проката, бесшовные трубы, проволоку, жесть и фольгу.
Чистый титан находит применение в производстве электровакуумных устройств, где используется для изготовления анодов, сеток и других деталей. Также титан может быть сварен с помощью аргонодуговой или точечной сварки. Для защиты от коррозии титановые покрытия наносятся на стальные изделия.
Карбид титана является важным компонентом в производстве титановольфрамовых твердых сплавов, которые применяются для изготовления режущих инструментов, а также жаропрочных сплавов, используемых в газовых турбинах реактивных двигателей. Двуокись титана находит применение в производстве сегнетодиэлектриков, а также для создания эмалей и глазурей.
Рутил, или техническая двуокись титана, добавляется в состав обмазки сварочных электродов. Гидрид титана используется как источник чистого водорода.
Титановые сплавы характеризуются высокой механической прочностью и жаропрочностью, а также отличной коррозионной стойкостью в различных агрессивных средах. Многие из этих сплавов обладают хорошими свойствами для сварки.
Для повышения прочностных характеристик титановых сплавов в них добавляют такие элементы, как марганец, железо, алюминий, молибден, хром, ванадий и олово. Наибольшее распространение в титановых сплавах получил алюминий, который не только снижает удельную массу, но и повышает прочность, жаропрочность, а также уменьшает склонность титана к водородной хрупкости.
Титановые сплавы классифицируются по различным признакам:
- по технологии переработки (литейные и деформируемые);
- по механическим свойствам (нормальной прочности, жаропрочные, высокопрочные, повышенной пластичности);
- по термической обработке (упрочняемые и не упрочняемые);
- по структуре (α, псевдо- α, α+β, β, псевдо- β).
Основные характеристики литейных сплавов титана определяются двумя особенностями: малым температурным интервалом кристаллизации и высокой реакционной способностью расплавленного титана. Титан в расплавленном состоянии обладает высокой склонностью к поглощению газов из окружающей атмосферы и активно взаимодействует с огнеупорными и формовочными материалами. Поэтому плавка титана обычно происходит в вакууме или в среде инертных газов.
Заливка титановыми сплавами может осуществляться в графитовые, корундовые и магнезитовые формы. Крупные фасонные отливки массой до 300–500 кг заливаются в чугунные или стальные формы. Тем не менее, малый температурный интервал кристаллизации придаёт титановым сплавам хорошую жидкотекучесть, что способствует высокому качеству отливок.
Основным элементом для легирования титановых сплавов является алюминий. В целях улучшения литейных характеристик в сплавы добавляют такие элементы, как кремний (Si), цинк (Zn), ниобий (Nb), молибден (Mo), ванадий (V) в небольших количествах.
Для литейного производства используются сплавы титана, аналогичные тем, которые применяются для деформируемых сплавов. Титановые сплавы маркируются с использованием букв «ВТ» или «ОТ», за которыми следует условный номер. Если сплав литейный, то в конце маркировки добавляется буква «Л» (например, ВТ9Л). Отливки из этих сплавов характеризуются несколько меньшими механическими свойствами по сравнению с заготовками из аналогичных деформируемых сплавов, как показано в таблице 2.
Таблица 2. Состав и механические свойства деформируемых титановых сплавов
| Марка сплава | Содержание элементов (остальное Ti), % |
Структура | Механические свойства | |||||
| σв | σ0,2 | δ, % |
||||||
| Al | V | Mo | прочие | МПа | ||||
| ВТ5 | 4,3…6,2 | – | – | – | α-сплавы | 700…950 | 600…850 | 10…15 |
| ВТ5-1 | 4,0…6,0 | – | – | 2,0…3,0 Sn | 750…950 | 650…850 | 10…15 | |
| ОТ4-1 | 1,0…2,5 | – | – | 0,7…2,0 Mn | Псевдо- α-сплавы | 600…750 | 470…650 | 20…40 |
| ОТ4 | 3,5…5,0 | – | – | 0,8…2,0 Mn | 700…900 | 550…650 | 12…20 | |
| ВТ20 | 5,5…7,0 | 0,8…2,3 | 0,5…1,8 | 1,4…2,5 Zr | 950…1150 | 850…1000 | 8 | |
| ВТ6* | 5,3…6,8 | 3,5…5,3 | – | – | (α+β)- сплавы | 1100…1150 | 1000…1050 | 14…16 |
| ВТ14* | 3,5…6,3 | 0,8…1,9 | 2,5…3,8 | – | 1150… 1400 | 1080…1300 | 6…10 | |
| ВТ16* | 1,6…3,8 | 4,0…5,0 | 4,5…5,5 | – | 1250… 1450 | 1100… 1200 | 4…6 | |
| ВТ22 | 4,8…5,2 | 4,5…5,5 | 4,5…5,5 | 0,8…1,2 Cr 0,8…1,2 Fe |
1100… 1250 | – | 9 | |
| * Свойства этих сплавов приведены после закалки и старения, остальных — после отжига | ||||||||
К деформируемым титановых сплавам, согласно ГОСТ 19807–91, относятся те, которые имеют α-структуру, такие как сплавы с алюминием (например, ВТ5) и сплавы, легированные оловом (ВТ5-1) или цирконием. Эти сплавы демонстрируют среднюю прочность при 20 °С и отличные механические характеристики при высоких и низких температурах (например, 450–500°С).
Сплавы этой группы характеризуются высокой термической стабильностью, хорошей свариваемостью и недостаточной возможностью для термического упрочнения, а также низкой технологической пластичностью. Легированные оловом сплавы отличаются лучшими технологическими свойствами. Эти сплавы широко используются в виде поковок, труб, прутков и сортового проката.
Псевдо-α-сплавы содержат большую долю α-фазы и небольшое количество β-фазы (от 1 до 5 %), что позволяет сохранять преимущества α-сплавов, при этом добавление β-стабилизаторов, таких как марганец (Mn), ванадий (V), ниобий (Nb) или молибден (Mo), улучшает технологическую пластичность.
Сплавы, содержащие около 2-3 % алюминия, обычно обрабатываются давлением в холодном состоянии, и только для более сложных деталей требуется подогрев до 500–700 °С (например, ОТ4, ОТ4-1). Сплавы с более высоким содержанием алюминия требуют подогрева до 600–800 °С. Псевдо-α-сплавы с большим количеством алюминия, как, например, ВТ20, используются в условиях высоких температур, среди титановых сплавов.
Двухфазные (α+β)-сплавы имеют лучшие механические и технологические характеристики. Они получают улучшенные свойства благодаря легированию алюминием и β-стабилизаторами. Алюминий значительно повышает прочность α-фазы, особенно при комнатной и повышенной температуре, тогда как β-стабилизаторы не оказывают существенного влияния на α-фазу.
Эти сплавы могут быть упрочнены термической обработкой, такой как закалка и старение, в результате чего они обладают хорошей пластичностью в отожженном и закаленном состояниях, а после старения — высокой прочностью при температуре 20…25°С и выше. Упрочнение связано с содержанием β-фазы, чем больше β-фазы в структуре, тем выше прочность в отожженном состоянии и тем больше эффект от термической обработки.
По структуре после закалки, сплавы (α+β) подразделяются на мартенситные и переходные классы. Мартенситные сплавы, такие как ВТ6, высокопрочные сплавы (например, ВТ14, ВТ16), а также сплавы для работы при высоких температурах (например, ВТ25), содержат малую долю β-фазы (от 5 до 25 %). Переходные сплавы более легированы и имеют большую долю β-фазы (от 25 до 50 %).
Эти сплавы обрабатываются методом ковки и штамповки, и они легче прокатываются по сравнению с α-сплавами. Они поставляются в виде поковок, штампованных заготовок, прутков, листов и ленты.
Псевдо-β-сплавы характеризуются высоким содержанием β-стабилизаторов, таких как молибден (Mo), ванадий (V), хром (Cr), и реже — железо (Fe), цирконий (Zr) и олово (Sn). Эти сплавы обладают хорошей пластичностью и могут легко обрабатываться давлением. Они также отличаются высокой удельной прочностью и низкой склонностью к водородной хрупкости. Наибольшее распространение в промышленности получил сплав ВТ15, который используется в виде листов, полос, прутков и поковок, и рекомендован для длительного использования при температуре до 350 °С.
Интересные факты:
- Почти «невидимый» металл. Титан — один из немногих металлов, который практически не вызывает аллергических реакций у человека, что делает его идеальным для использования в медицине, например, в имплантатах и протезах.
- Молекулярная загадка. Несмотря на свою легкость, титан обладает уникальной прочностью, что делает его очень ценным для создания легких, но высокопрочных конструкций, таких как каркас самолета или космического корабля.
- Необычные реакции с водородом. При определенном содержании водорода титан может стать хрупким, что делает его нестабильным в условиях экстремальных температур и давления. Однако эта особенность используется в производстве источников водорода.
- Летучий металл. Титан обладает способностью поглощать кислород в расплавленном состоянии, что делает его склонным к образованию оксидов, а значит, трудным для сварки без использования инертных газов.
Заключение:
Титан — это металл с исключительными характеристиками, который нашел широкое применение в самых различных отраслях. Его прочность, легкость и стойкость к коррозии обеспечивают его лидерство в таких сферах, как авиация, космонавтика, медицина и химическая промышленность. Несмотря на сложности, связанные с его обработкой и переработкой, прогресс в технологиях получения титана позволяет расширять его использование. Современные титановые сплавы продолжают улучшаться, что открывает новые горизонты для инновационных применений этого уникального материала в будущем.
