Узагальнення знань, пов'язаних з металевим титаном

Титан вперше був відкритий у 1791 році британським мінералогом-любителем на ім'я Грегор. У 1795 році німецький хімік Клапрус назвав цю невідому металеву речовину на честь грецького бога титанів. Китайсько-англійський переклад «титан». Титану на землі багато. Відомо понад 140 мінералів титану, але основними промисловими застосуваннями є ільменіт і рутил. Серед них запаси ільменіту Китаю складають 28% світових запасів, займаючи перше місце в світі.

Титан є нетоксичним елементом, визнаним у всьому світі, але витрати на його видобуток і виробництво високі та дорогі. Оскільки він має низку характеристик, таких як стійкість до високих і низьких температур, стійкість до сильних кислот і лугів, висока міцність і низька щільність, він став спеціальним матеріалом для моделей ракет і супутників НАСА. Його також використовували в моїй країні в Yutu, J-20, авіаносці Shandong та інших суперпроектах. Після виходу на цивільну сферу у 1980-х роках він став «почесним королем металу» в харчовій промисловості завдяки своїм природним антибактеріальним і біофільним властивостям.
Титанова промисловість моєї країни почалася в 1950-х роках. До середини-1960 минулого століття моя країна побудувала титанову губку та заводи з обробки та виробництва титану в Цзуньї та Баодзі відповідно, що означає, що моя країна стала однією зі світових держав у галузі виробництва титану. Вступаючи у 21 століття, титанова промисловість моєї країни вступила в новий період прискореного розвитку, а потужності виробництва титану є одними з найкращих у світі.

Чистий титан
Також відомий як промисловий чистий титан або комерційний чистий титан, він класифікується відповідно до вмісту домішок. Він має чудові характеристики процесу штампування та зварювання, не чутливий до термічної обробки та типу структури та має певну міцність за задовільних умов пластичності. Його міцність в основному залежить від вмісту міжтканинних елементів кисню та азоту. Властивості 99,5% промислового титану такі: щільність P=4.5g/cm3, температура плавлення 1800 градусів, теплопровідність λ=15.24W/(MK), міцність на розрив σb=539 МПа, подовження: δ=25%, усадка площі Швидкість ψ=25%, модуль пружності E=1.078×105MPa та твердість HB195.
Титановий сплав
Титановий сплав - це сплав на основі титану з додаванням інших елементів. Це порівняно молодий метал, йому лише шістдесят-сімдесят років з моменту відкриття. Матеріали з титанового сплаву мають легку вагу, високу міцність, низьку еластичність, стійкість до високих температур і стійкість до корозії. Вони в основному використовуються в аерокосмічних двигунах, ракетах, ракетах та інших компонентах. Титан має два ізоморфні кристали. Титан є ізомером з температурою плавлення 1720 градусів. Він має щільно упаковану структуру гексагональної решітки нижче 882 градусів і називається титаном; він має тілоцентровану структуру вище 882 градусів. Структура кубічної решітки, яка називається бета-титаном, використовує переваги різних характеристик двох вищевказаних структур титану, додає відповідні легуючі елементи та поступово змінює температуру фазового перетворення та вміст фази для отримання титанових сплавів (титанових сплавів) з різними структурами.
Елементи титанового сплаву можна розділити на три категорії відповідно до їх впливу на температуру фазового переходу: ① Елементи, які стабілізують фазу та підвищують температуру фазового переходу, є стабільними елементами, такими як алюміній, магній, кисень, азот тощо. Серед них, алюміній є основним легуючим елементом титанового сплаву. Це має очевидний вплив на поліпшення нормальної та високотемпературної міцності сплаву, зниження питомої ваги та підвищення еластичності. ②Елементи, які стабілізують фазу та знижують температуру фазового переходу, є -стабілізуючими елементами. Його можна розділити на два типи: ізоморфний і евтектоїдний. До перших належать молібден, ніобій, ванадій та ін.; останній включає хром, марганець, мідь, кремній тощо. ③ Елементи, які мало впливають на температуру фазового переходу, є нейтральними елементами, включаючи цирконій, олово тощо.

TA1 (американський стандарт Gr1)
Титан Gr1 є першим із чотирьох сортів промислово чистого титану. Це самий м'який і пластичний з цих сортів. Він забезпечує максимальну формувальність, чудову стійкість до корозії та високу ударну в'язкість. Клас 1 є матеріалом вибору для будь-якого застосування, яке потребує простоти формування, і зазвичай використовується як титанові пластини та титанові труби.
Клас TA2 (американський стандарт Gr2).
Титан класу 2 відомий як «робоча конячка» промисловості комерційного чистого титану завдяки своїй універсальності та широкій доступності. Він має багато тих самих якостей, що й титан 1 класу, але трохи міцніший. Обидва мають однакову стійкість до корозії. Цей сорт має хорошу зварюваність, міцність, пластичність і здатність формуватися. Це робить титанові стрижні та пластини Grade 2 першим вибором для багатьох застосувань, включаючи будівництво, виробництво електроенергії та медичну промисловість.
Клас TA3 (американський стандарт Gr3).
Для цього сорту використовується принаймні комерційно чистий титан, але це не робить його менш цінним. Марка Gr3 міцніша за марки Gr1 і Gr2 і має подібну пластичність, але лише незначну формувальність. Але він має вищі механічні властивості, ніж його попередник. Клас Gr3 використовується в сферах застосування, що вимагають помірної міцності та первинної корозійної стійкості, наприклад, аерокосмічна промисловість, хімічна промисловість, морська промисловість тощо.
Клас TA4 (американський стандарт Gr4).
Клас Gr4 вважається найміцнішим із чотирьох типів комерційно чистого титану. Він також відомий своєю чудовою стійкістю до корозії, хорошою формоздатністю та зварюваністю. Використовується в деяких компонентах планера, кріогенних резервуарах, теплообмінниках та інших додатках, що вимагають високої роздільної здатності.
Клас TA9 (американський стандарт Gr7).
Клас Gr7 механічно та фізично ідентичний класу 2, за винятком того, що додано проміжний елемент паладій, щоб зробити його сплавом. Ступінь 7 забезпечує відмінну зварюваність і продуктивність і є найбільш стійким до корозії з усіх титанових сплавів. Фактично, це найбільш стійка до корозії кислота-відновник. Рівень 7 використовується для компонентів хімічного процесу та виробничого обладнання. Gr7 надзвичайно стійкий до корозії, особливо у відновлюючих кислотних середовищах.
Клас TA9-1 (американський стандарт Gr11).
Марка Gr11 дуже схожа на марку Gr1, за винятком того, що додається невелика кількість паладію для підвищення стійкості до корозії, що робить його сплавом. Цю корозійну стійкість можна використовувати для запобігання щілинній корозії та зменшення кислот у хлоридних середовищах. Інші корисні властивості включають оптимальну пластичність, здатність до холодного формування, корисну міцність, ударну в'язкість і чудову зварюваність. Цей сплав можна використовувати в тих же сферах застосування, що й титан 1-го ступеня, особливо там, де потрібна корозія.
Ti 6Al-4V (національний стандарт TC4, американський стандарт Gr5).
Ti6Al-4V або титан класу 5 відомий як «робоча конячка» титанових сплавів і найчастіше використовується з усіх титанових сплавів. На нього припадає 50% загального світового споживання титану. Зручність використання полягає в його численних перевагах. Ti6Al-4V можна термічно обробити, щоб підвищити його міцність. Його можна використовувати на зварних конструкціях з робочою температурою до 600 градусів F. Сплав поєднує в собі високу міцність, малу вагу, хорошу формувальність і високу стійкість до корозії. Доступність Ti6AI-4V робить його найкращим сплавом для кількох галузей промисловості, включаючи аерокосмічну, медичну, морську та хімічну промисловість. Його можна використовувати для створення технічного вмісту, наприклад:

авіаційна турбіна
частини двигуна
конструктивні частини літака
Аерокосмічні кріплення
Високопродуктивні частини автоматизації
Морські програми
Спортивне обладнання
Рівень Ti 6AL-4V ELI (національний стандарт TC4ELI, американський стандарт Gr23)
Ti 6AL-4V ELI або клас Gr23 є більш чистою формою Ti 6Al-4V. З нього можна зробити котушки, нитки, дріт або плоский дріт. Це перший вибір для будь-яких випадків, коли потрібна висока міцність, мала вага, хороша стійкість до корозії та висока міцність. Має відмінну стійкість до пошкоджень інших сплавів. Ці переваги роблять марку Gr23 найкращою маркою титану для стоматології та медицини. Завдяки своїй біосумісності, хорошій втомній міцності та низькому модулю його можна використовувати в біомедичних цілях, таких як імплантовані компоненти. Його також можна використовувати для детальних хірургічних процедур, таких як:
Ортопедичний кабель
Ортопедичні штифти та гвинти
лігування
в хірургії заміни суглоба
кріогенний контейнер
Ортодонтичні апарати
хірургічні імплантати
пристрій для фіксації кісток
Клас TA10 (американський стандарт Gr12).
Титанові сплави класу Gr12 отримують оцінку «Відмінно» завдяки високій якості зварюваності. Це дуже міцний сплав, який забезпечує велику міцність при високих температурах. Титан класу Gr12 має такі ж властивості, як і нержавіюча сталь серії 300. Сплав можна формувати гарячим або холодним способом за допомогою пресування, гідроформування, розтягування або методом падіння ваги. Його здатність формуватися різними способами робить його корисним у багатьох сферах застосування. Висока корозійна стійкість сплаву також робить його безцінним для виробничого обладнання, де щілинна корозія є проблемою. Клас Gr12 можна використовувати в наступних галузях промисловості та застосуваннях:
Корпус і теплообмінник
Гідрометалургійне застосування
Високотемпературне хімічне виробництво
Морська та авіаційна складові
Титан 5Al-2.5Sn
Ti 5Al-2.5Sn – це сплав, який не піддається термічній обробці, що забезпечує хорошу зварюваність і стабільність. Він також має високу температурну стабільність, високу міцність, хорошу стійкість до корозії та хорошу стійкість до повзучості. Повзучість - це явище пластичної деформації, яке виникає при високих температурах протягом тривалого часу. Ti 5Al-2.5Sn в основному використовується в літаках і корпусах літаків, а також у кріогенних системах.

Хоча запаси титану та титанових сплавів у великій кількості, вони дуже дорогі. Це пояснюється тим, що титан має дуже низьку хімічну активність в умовах високої температури, а його технологія плавлення та робоче середовище дуже суворі. Його потрібно виплавляти в умовах високої температури та вакууму, і температура часто досягає вище 800 градусів, що набагато важче виплавити, ніж сталь. Тому, коли справа доходить до титанового сплаву, люди думають, що це металевий матеріал високого класу з низькою продуктивністю, високою ціною та невеликою кількістю застосувань.
В даний час завдяки чудовим властивостям титанових сплавів, таким як легка вага, висока міцність і стійкість до високих температур, титан і матеріали з титанових сплавів широко використовуються у виробництві найсучаснішої зброї та національної зброї в різних країнах, і особливо підходить для використання в аерокосмічній галузі. Приклади сфер застосування:

хімічна промисловість
⑴Промисловість кальцинованої соди
Поява титанових холодильників у промисловості виробництва лугів може ефективно вирішити проблему некваліфікованого газу хлору, спричиненого необґрунтованими традиційними процесами охолодження. У той же час це змінило виробниче обличчя хлорно-лужної промисловості. Термін служби інвестованого холодильника з титанового сплаву може досягати 20 років.
⑵ Соляна промисловість
В даний час більш досконалим процесом виробництва солі є вакуумне виробництво солі. Високотемпературний концентрований розсіл, який утворюється в результаті цього процесу, серйозно пошкодить структуру з вуглецевої сталі та спричинить капання з обладнання. Камера нагріву та камера випаровування мають композитну структуру з титанової сталі, яка може ефективно запобігати накипу солі та покращувати якість виробництва солі. У той же час це може зменшити корозію висококонцентрованої солоної води на стінці труби під час процесу випаровування та подовжити цикл обслуговування.
Аерокосмічна сфера
⑴Авіаційна промисловість
Застосування титанових сплавів в авіації поділяється на титанові сплави для конструкцій літаків і титанові сплави для конструкцій двигунів. Основні компоненти конструкцій з титанового сплаву літаків включають деталі шасі, рами, балки, обшивки фюзеляжу, теплозахисні екрани тощо. Для виготовлення ключів російський літак Іл{{0}} використовує високоміцний титановий сплав ВТ22 такі компоненти, як шасі та вантажопідйомна балка; матеріал балки трансмісії основної шасі Boeing 747 — Ti-6Al-4V. Довжина поковки 6,20 метра, ширина 0,95 метра, маса 1545 кілограмів; ключові частини валу горизонтального стабілізатора літака C-17 виготовлені з високоміцного та високоміцного титанового сплаву Ti-62222S. В аерокосмічних двигунах титанові сплави використовуються в компресорних дисках, лопатях, барабанах, роторах компресорів високого тиску, корпусах компресорів тощо. Передні кромки та наконечники лопатей вентилятора двигуна Boeing 747-8GENX мають захисні оболонки з титанового сплаву, який можна замінити лише тричі протягом 10-річного терміну служби.
⑵Аерокосмічна промисловість
Умови роботи аерокосмічних апаратів дуже екстремальні. На додаток до чудової технології, необхідної для структурного проектування матеріалів, також важливі чудові характеристики та функції самих матеріалів. Тому титанові сплави виділяються серед багатьох матеріалів. Що стосується аерокосмічного обладнання, у 1960-х роках подвійна кабіна та герметичні лонжерони кабіни й ребра крила американської програми Apollo виготовлялися з Ti-5Al-2.5Sn, а внутрішня обшивка виготовлялася з чистий титан; підготовлено німецькою аерокосмічною компанією MT. Паливний бак силової системи з високоміцного сплаву Ti-15V-3Cr використовується на гігантській платформі європейського супутника зв’язку Alpha; Російські титанові сплави мають багато застосувань в аерокосмічній техніці. Наприклад, енергетична ракета-носій використовує великі штампові поковки з титанового сплаву BT23 вагою 3,5 т і поковки. Крім того, титанові сплави також використовуються в паливних баках ракетних двигунів на рідкому паливі, резервуарах для зберігання кріогенних рідин, робочих колесах насосів перекачки рідкого водню тощо.
Так само в стрімкому розвитку вітчизняної аерокосмічної техніки широко використовувалися і титанові сплави. Від супутника «Восток-1» у 1970 році до сучасного космічного корабля серії «Шеньчжоу», зонда «Чан’е» тощо використовувалися титанові сплави. Крім того, титанові сплави використовуються в середовищах рідкого водню, розроблених у нашій країні. Низькотемпературні газові балони з титанового сплаву Ti-5Al-2.5Sn ELI використовувалися в серії ракет-носіїв «Довгий похід»; Харбінський технологічний інститут використовує титановий сплав Gr5 для виготовлення ободів місяцеходів; Крім того, моя країна також використовує високоміцні титанові сплави, такі як BT20, для виробництва корпусів ракетних двигунів, сопел, труб та інших компонентів.
Корабельне поле
Титан і титанові сплави широко використовуються в атомних підводних човнах, глибоководних апаратах, атомних криголамах, судах на підводних крилах, кораблях на повітряній подушці, тральщиках, гвинтах, штирових антенах, трубопроводах морської води, конденсаторах, теплообмінниках, акустичних пристроях, протипожежному обладнанні та ін. Переважає. Наприклад, американський глибоководний апарат «Хайя» оснащений кабіною огляду і кабіною управління з титанового сплаву, глибина занурення до 6100 м; повністю титановий швидкісний катер «Morris Sky 2», спільно побудований японською компанією Toho Titanium і Fuji New Shipbuilding. Деякий час він був дуже популярним у Сполучених Штатах; Перший у моїй країні власноруч сконструйований та самоінтегрований пілотований підводний апарат «Цзяолун» також використовував титановий сплав. Діяльність «Цзяолун» охоплює 99,8% площі світових морів.

Хоча титан і титанові сплави досягли значного прогресу, існуючі проблеми також були виявлені, і розробка титанових сплавів також стикається зі значними проблемами. В основному це відображається в наступних трьох аспектах:
1) З точки зору результату
Хоча наша країна є великою країною в титановій промисловості, вона не виробляє багато високоякісної продукції та має менше видів титанової продукції з особливими властивостями. По-друге, моя країна все ще не в змозі стабільно масово виробляти титанові стрічки та титанові екструдовані профілі, що обмежує використання титану та титанових сплавів в аерокосмічній сфері. , розробка та використання в морських та інших галузях. Ще дуже складно збільшити споживання титану в авіаційних двигунах приблизно до 50%.
2) Продуктивність
Оскільки металевий титан дуже хімічно активний і легко забруднюється іншими елементами, технологія обробки та виробництва титанових сплавів є дуже вимогливою. У той же час оброблені високопродуктивні продукти повинні комплексно враховувати їх механічні, фізичні, хімічні та технологічні властивості. Коли існуючі титанові сплави перевищують 600 градусів, їх стійкість до повзучості та стійкість до високотемпературного окислення різко падають, що є двома основними перешкодами, які обмежують розширене застосування титанових сплавів.
3) Вартісний аспект
В даний час різні країни наполегливо працюють над зниженням вартості застосування титанових сплавів і досягли багатьох результатів. Але судячи з нинішньої ситуації в нашій країні, наша держава ще не досягла ідеального рівня управління та техніки. Ціни на вітчизняну продукцію з титанового сплаву відносно конкурентоспроможні на міжнародному рівні. Поганий і не сприяє подальшому розширенню використання.
В даний час основними сферами застосування титанових сплавів є космонавтика та інші військові галузі. Розробка нових областей застосування, таких як автомобілі, поїзди, високошвидкісна залізниця та цивільні галузі, які зазвичай використовуються в повсякденному житті, все ще має широкі перспективи застосування. Крім того, важливими темами майбутніх досліджень титанових сплавів є заміна дорогих елементів зі сплавів на дешевші та зниження вартості деталей із титанових сплавів за допомогою технічних засобів. Після того, як у майбутньому буде досягнуто дешеве виробництво титанових сплавів для високотехнологічних застосувань, титанові сплави будуть використовуватися в різних областях.