ГЛАВА 2. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА И СТРУКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ТИТАНА И ЕГО СПЛАВОВ
2.1. Состав и специфика химических свойств
Титан и сплавы на его основе характеризуются весьма благоприятным сочетанием физико-механических и химических свойств, главными из которых являются высокая удельная прочность, тепло — и коррозионную стойкость .
Сплавы на основе титана, содержащие добавки легирующих элементов по химическому составу представляют собой двойные Ti-Al (BT-5), тройные Ti-Al-Cr (ВТ-3),Ti-Al-Mo (ВТ-8), Ti-Al-V (ВТ-6), Ti-Al-Mn (ОТ-4),Ti-Al-Sn (ВТ5-1), четверные Ti-Al-Cr-Mo (ВТ3-1, ВТ-15) и более сложные системы. Но так как сплавы титана содержат еще некоторое количество примесей Fe, Si, O 2 , N 2 , H 2 , то их следует рассматривать как весьма сложные многокомпонентные системы .
А сплавы характеризуются хорошими литейными свойствами и сопротивлением ползучести. Рисунок 2 Графики трансформаций фаз титана и фазовые стабилизирующие элементы. Поскольку диапазон α-фазы достигает высоких температур, это приводит к очень хорошей свариваемости сплава и его устойчивости к высоким температурам. Кроме того, среди этих сплавов можно выделить. «псевдо-α» сплавов, содержащих небольшие количества β-фазы.
Однако их свойства существенно не отличаются от свойств α-сплавов, хотя они обладают большей прочностью и удержанием тепла из-за более гетерогенного раствора α. Стабилизация фаз β-фазы. Стабилизирующими бета-фазой элементами являются в основном ванадий, молибден, железо, хром и марганец. Общее количество этих элементов составляет более 20%. Они уменьшают температуру альтропного превращения α → → β.
Таблица 3.
Химический состав титановых сплавов
| Марка Сплава | Содержание основных компонентов в % | Содержание примесей в % (не более) | |||||||||
| Al | Cr | Mo | V | Mn | Fe | Si | C | O | N | H | |
| α — сплавы | |||||||||||
| ВТ1-1 | — | — | — | — | — | 0,3 | 0,15 | 0,1 | 0,15 | 0,05 | 0,015 |
| ВТ1-2 | — | — | — | — | — | 0,3 | 0,15 | 0,1 | 0,15 | 0,05 | 0,015 |
| ВТ5 | 4-5,5 | — | — | — | — | 0,3 | 0,15 | 0,1 | 0,15 | 0,05 | 0,015 |
| ВТ5-1 | 4-5,5 | 2-3 | — | — | — | 0,3 | 0,15 | 0,1 | 0,2 | 0,05 | 0,015 |
| (α + β) — сплавы | |||||||||||
| ВТ3 | 4-6,2 | 2-3 | — | — | — | 0,8 | 0,4 | 0,1 | 0,2 | 0,05 | 0,015 |
| ВТ3-1 | 4,5-6,2 | 1-2,5 | 1-2,8 | — | — | 1,5 | 0,4 | 0,1 | 0,2 | 0,05 | 0,015 |
| ВТ6 | 4,5-6,5 | — | — | 3,5-4,5 | — | 0,3 | 0,15 | 0,1 | 0,15 | 0,05 | 0,015 |
| ВТ8 | 5,8-6,8 | — | 2,8-3,8 | — | — | 0,4 | 0,35 | 0,1 | 0,15 | 0,05 | 0,015 |
| ОТ4 | 2-3,5 | — | — | — | 0,8-2 | 0,4 | 0,15 | 0,1 | 0,15 | 0,05 | 0,015 |
| ВТ14 | 3,5-5,5 | — | 2,8-3,5 | 0,3 | 0,3 | 0,4 | 0,15 | 0,1 | 0,15 | 0,05 | 0,015 |
| β- сплавы | |||||||||||
| ВТ15 | 2,5-3,5 | 9,5-11,5 | 7-8 | — | — | 0,3 | 0,15 | 0,1 | 0,12 | 0,05 | 0,015 |
Отмечая высокую коррозионную стойкость титана и его сплавов на воздухе, в морской воде и ряде кислот, следует указать, что при повышенной температуре титан и его сплавы приобретают чрезвычайно высокую химическую активность. Они энергично взаимодействуют с водородом водяного пара, кислородом и азотом воздуха, а так же с галоидами, углеродом, серой и другими элементами. Интенсивное поглощение водорода начинается при 300 ° С, кислорода- при 500°С, азота-при 600°С.
С повышением температуры интенсивность поглощения этих газов резко возрастает . Изучение явления поглощения газов показало, что кислород, азот и водород не только образуют соединения на поверхности титана или его сплавов, но и проникают в кристаллическую решетку, образуя твердые растворы внедрения резко повышая твердость и хрупкость титана или сплава.
Таким образом, β-фазу можно легко стабилизировать до комнатной температуры. Β-сплавы обладают высокой прочностью и хорошей механической обрабатываемостью, поэтому они становятся все более популярными. Однако в случае материалов, содержащих большое количество легирующих элементов, они фактически непригодны для использования. Как правило, β метастабильные ноги используются для получения β-фазы путем быстрого охлаждения. Флуоресцентное азотирование — это термохимическая обработка титана и его сплавов для повышения их полезных свойств. устойчивость к коррозии и износу при трении и усталостной прочности.
Взаимодействие с газами, значительно ухудшает механические свойства сплавов. Уже при небольшом увеличении содержания кислорода и азота в титане резко возрастают его твердость и прочностные характеристики (σ в, σ 02) а пластические свойства (δ,α H ,ψ,) столь же резко падают, что приводит к охрупчиванию металла. Так, при увеличении содержания кислорода до 0,25% пластические свойства сплава резко снижаются, а при увеличении содержания кислорода до 0,35% наступает хрупкое разрушение. Уменьшается разность между пределом прочности и пределом текучести, что является показателем технологической пластичности. Наиболее интенсивное изменение указанных свойств вызывает азот, наименее углерод .
Этот метод имеет недостатки, препятствуя обработке элементов малого размера и сложной формы. Существует краевой эффект из-за накопления электрического заряда на краях заготовки, а также эффект катодного катетера и неравномерный нагрев объема материала с другим поперечным сечением. Явление катодного распыления в светящемся флуоресцентном эффекте также влияет на развитие микротопиографии поверхностей заготовки. Решение проблемы «традиционного» флуоресцентного азотирования является азотирующим флуоресцентным с активным скринингом.
Как уже отмечалось, на поверхности титановой заготовки при повышенной температуре в результате взаимодействия титана с различными атмосферными газами происходит интенсивное образование различных соединений. Возникает окалина, состоящая из ряда окислов титана (от простых TiO Ti 2 O 3 TiO 2 , до более сложных- Ti 3 O 2 Ti 3 O 5 Ti 7 O 12), а также включающая нитрид титана TiN. Окислы и нитриды титана имеют высокую твердость –8-9 единиц шкалы Мооса, а микротвердость-2160 кг/мм 2 .
Активный экран обеспечивает свободный поток реактивного газа в катодной системе и изготовлен из того же материала, что и заготовка. Элемент находится внутри экрана и изолирован от напряжения, приложенного к изолятору. В то же время из-за активации реактивного газа, протекающего внутри экрана, отрицательный заряд намного ниже активного экрана. Созданные слои являются диффузионными. Они образованы как диффузией азота в подложку, так и катодным распылением экрана. Определены различия в морфологии микроструктуры и более.
Титановые сплавы широко используются в медицине в качестве имплантатов для имплантатов бедра и колена. Они также используются в качестве имплантатов в виде стержней, гвоздей, наконечников, проводов, винтов и пластин. Однако довольно часто эти имплантаты используются только в течение определенного периода времени, поскольку они подвержены феномену металлолиза, т.е. проходу компонентов сплава в окружающие ткани. Именно поэтому они работают над улучшением свойств титановых сплавов путем обработки поверхности.
Кроме влияния на механические свойства, кислород и азот, растворенные в соответствующих количествах в поверхностном слое титанового сплава, вызывают в нем фазово-структурные превращения. Они заключаются в образовании характерной α-структурой, поскольку эти элементы являются стабилизаторами α-фазы. Возникновение такой α-фазы всегда в той или иной степени имеет место при различных способах горячей обработки на воздухе .
Известно, что материал, используемый на имплантатах, должен удовлетворять определенным условиям. Его присутствие должно хорошо переноситься организмом-реципиентом и не должно мешать общепринятым фармакологическим агентам. Имплантаты, предназначенные для контакта с кровью, должны обладать очень низкой восприимчивостью к скрещиванию клеток крови и отсутствием активации системы коагуляции и фибринолиза.
Содержание титана в этом сплаве составляет около 50% при. Тогда как никель составляет менее 30% при. Остальная часть сплава — медь. Эти сплавы, в зависимости от содержания меди, демонстрируют наличие одноступенчатой или двухступенчатой мартенситной трансформации. Особое внимание обращается на 25-процентную остановку. Мы вылили метод быстрого охлаждения из жидкой фазы с использованием одного охлаждающего холода. Это был пакетный материал для литейной ленты толщиной в несколько десятков микрометров.
Так как этот альфированный слой имеет низкие пластические характеристики, то его присутствие в готовой детали не допустимо и поэтому он должен полностью удаляться последующей механической обработкой. Однако из-за высокой твердости альфированного слоя его удаление при помощи режущих инструментов вызывает значительный износ инструмента и возможно только при низких значениях показателей резания.
Мы вылили метод быстрого охлаждения из жидкой фазы. Наблюдение поверхности, создаваемой лентой, проводилось с использованием электронного микроопределения. Двухфазные α β и псевдо-β сплавы являются самыми сильными. Увеличение спроса на титановые сплавы требует изменения их химического состава. Целью является увеличение прочности на растяжение, рабочей температуры и коррозионной стойкости. Самый сильный эффект арматуры заключается в том, что элементы хорошо растворимы в жидком титане и твердом состоянии в твердом состоянии.
Углерод в титановых сплавах является α-стабилизатором фазы. Добавление углерода в эти сплавы, подобно азоту и кислороду, ранее рассматривалось как загрязнение. В коммерческих сплавах его содержание не превышает 0, 1% по массе. При содержании углерода более 0, 2%. Их присутствие повышает твердость и прочностные свойства при комнатной температуре и повышает их.
Рассмотренное свойство титановых сплавов не может не сказаться и при осуществлении процесса резания, поскольку возникающие при этом высокие температуры значительно превышают те, при которых титан начинает активно реагировать с азотом и кислородом.
2.2. Механические свойства титановых сплавов
Титановые сплавы в отожженном состоянии по прочности в 2,5-3 раза превосходят алюминиевые сплавы, в 1,5-2 раза углеродистые и нержавеющие стали. В этом отношении они аналогичны лучшим маркам высоколегированных конструкционных (18Х2Н4ВА, 30ХГСА, 40ХНМА) и теплостойких (ЭИ891, 1Х12Н2ВМФ) сталей и жаропрочных сплавов на никелевой основе (ХН77ТЮР, ЭИ867) после термической обработки .
В то же время наблюдалось значительное снижение воздействия и восприимчивости к холодной пластической деформации. Он немного уменьшается до примерно 0, 1% массы. при большей температуре. Титановые сплавы, благодаря их высокой прочности на разрыв и коррозионной стойкости, широко используются в авиации, машинах, оборудовании и химических установках. Трибологические свойства зависят от состояния верхнего слоя, и их улучшение на компонентах титановой машины достигается за счет использования поверхности.
Обычные методы термообработки в некоторых случаях неблагоприятны — они уменьшают свойства титановых сплавов. Их хрупкость, особенно высокая дегидратация и темпы роста зерна, усиливаются стабильностью β-фазы. Поэтому они ищут эффективную технологию получения верхних слоев титановых сплавов с хорошими трибологическими свойствами и не вызывая ухудшения свойств поверхности. Одна из них — лазерная модификация верхнего слоя. Поверхность слоя расплавляется, что приводит к изменению микроструктуры без изменения химического состава.
Некоторые же сплавы титана, например, сплавы с β-структурой (ВТ15) в закаленном и подвергнутом старению состоянии превосходят по прочностным характеристикам указанные стали и сплавы.
Титановые сплавы по своей удельной прочности превосходят сплавы на основе алюминия, железа и никеля. Однако по своим пластическим свойствам титановые сплавы даже в отожженном состоянии не превосходят сплавы на основе железа и никеля. Предел прочности титановых сплавов незначительно превышает предел текучести. У сталей и сплавов на никелевой и алюминиевой основе этот предел значительно больше. Это свидетельствует о том, что пластическая деформация при растяжении титановых сплавов невелика.
Это также относится к легированию, которое вызывает изменения в химическом составе поверхностного слоя и микроструктуры. Образуются износостойкие металлокерамические композиционные слои с хорошими трибологическими свойствами. Усиливающими элементами обычно являются нитриды или карбиды титана, которые вводят в виде порошков в слой расплавленного сплава или на месте.
Использование лазерной технологии позволяет добавлять элементы сплава выбранных элементов в элементы сплава в зависимости от конструктивных или эксплуатационных требований. Лазерное плавление верхнего слоя подложки происходит за короткое время и более. Быстро развивающиеся аэрокосмические, автомобильные и энергетические отрасли все чаще требуют новых технических материалов, которые подходят для таких экстремальных условий эксплуатации, как высокие рабочие температуры, высокие рабочие температуры, большие нагрузки или коррозионная среда.
Данные исследований , позволяют предположить, что и в процессе резания титановых сплавов их пластические деформации вряд ли будут значительными.
2.3. Физические свойства
К особенностям физических свойств титана и его сплавов относят их низкий модуль упругости, низкую теплопроводность и высокую теплоемкость. Низкий модуль упругости, означая повышенную склонность титановых сплавов к упругому деформированию, обуславливает последнее при обработке материалов резанием. Сравнительно со сплавами на основе никеля, железа и алюминия теплопроводность сплавов на основе титана ниже в 4; 5 и 17 раз . Весьма низкие теплофизические свойства титановых сплавов представляют собой фактор, весьма негативно влияющий на обрабатываемость их резанием.
Ценными и желаемыми свойствами искомых материалов являются высокая твердость и долговечность, стойкость к коррозии, а также в среде химически агрессивных паров и, прежде всего, низкая плотность. Дуплексные ножки, содержащие обе эти фазы. Эти сплавы создают новое поколение металлических материалов, которые объединяют металлы и керамику и поэтому устойчивы к коррозии, жаропрочной и сверхпрочной, с высокой твердостью и низкой плотностью. Он характеризуется высокой температурой плавления, низкой плотностью, высокой относительной прочностью, хорошей устойчивостью к окислению и окислению и отсутствием пористости к спонтанному, титановому недостатку.
Физико-механические свойства титановых сплавов представлены в табл.2.
Таблица 4
Физико-механические свойства титановых сплавов
| Марка Сплава | Вид заготовки | σ в, кг/мм 2 при Температуре | σ 0,2 , кг/мм 2 | δ, % | ψ, % | ά н,% | НВ, кг/мм 2 | Е, кг/мм 2 | σ- 1 на базе 107 Циклов Он также демонстрирует высокую твердость и низкую пластичность. Его длина в испытании на растяжение при комнатной температуре составляет всего 1ч3%. Один из наиболее технически выгодных способов комбинирования этих все более используемых строительных материалов с выгодными, более специализированными. Титан относится к сегодняшним популярным металлам, главным образом из-за его хороших свойств, таких как высокая прочность при комнатной температуре и повышенная стойкость, коррозионная стойкость и низкая плотность. Он используется как строительный материал во многих современных и инновационных продуктах и устройствах. По сравнению с другими современными строительными материалами титан и его сплавы, как легкий материал, обладают высокой относительной прочностью в широком температурном диапазоне. Относительная прочность титановых сплавов примерно в 1, 5 раза выше, чем высокопрочных легированных сталей. Соединения титановых компонентов производятся сваркой, сваркой и пайкой. Жесткая пайка титана и его сплавов является одним из самых популярных и рекомендуемых способов склеивания этого металла, особенно когда паяные сборки не имеют тяжелых механических нагрузок. | ρ, Ом /мм² | γ, г/см 3 | λ, кал/смсек°С | С, кал/г°С | α10 -6 , 1/°С | ||
| 20 | 300 | 500 | ||||||||||||||
| ВТ3 ВТ-15 | Поковки, прутки Листы, прутки, поковки Поковки, прутки Листы, поковки, прутки Чтобы правильно производить паяные соединения с использованием новых вспомогательных материалов или технологии пайки, пайка материала должна определяться в новых материалах и технологических условиях. Определение титанового припоя и его сплавов в первую очередь связано с возможностью смачивания их поверхностей подходящим припоем при определенных условиях и получения более. Из коррозионно-стойких металлов и сплавов, наиболее часто используемых в конструкции химического аппарата, является титан. Он обладает хорошими прочными свойствами, низкой прочностью и низкой прочностью, низкой плотностью, а также устойчив к эрозии и усталости и имеет хорошие технологические свойства. Листы, полосы Прутки, проволока, поковки Листы, полосы, прутки Листы, прутки, поковки | 95-115 130-150 | 60-74 120 | 54-61 100 | 85-105 118-140 | 10-16 3-6 | 25-40 | 3-6 2,5-3,0 | 260-320 380-420 | 11000 11000 | 45 | 1,58 1,55 Электрохимическая коррозия во влажной среде хлора связана с электродными процессами, потому что коррозионным агентом является раствор электролита. Растворение металла является анодным процессом. В то же время следует проводить катодный процесс, сопровождаемый коррозионным компонентом, который обычно растворяется в атмосферном кислороде, ионах хлора или иногда ионах водорода. Процесс электрохимической коррозии включает образование локальных коррозионных элементов на поверхности металла. Важным компонентом этих клеток является раствор электролита. | 4,46 4,89 | 0,017 0.019 | — 0,12 | 8,4 9,1 |
2.4. Металлографическая структура и классификация титановых сплавов
Титан обладает полиморфизмом и существует в двух аллотропических модификациях. Низкотемпературная модификация, называемая α-титаном существует при температуре ниже 882,5°С и характеризуется гексагональной решеткой с параметрами, а=2,9504 Ǻ и с=4,6833 Ǻ при температуре 25°С. Высокотемпературная модификация, называемая β-титаном, существует при температуре выше 882,5°С и имеет кубическую объемноцентрированную решетку с параметром, а=3,3065±0,0001 Ǻ при 900°С .
Основными технологическими проблемами в формировании необходимых компонентов для коррозионно-стойкого химического аппарата были эллипсоидальные эллиптические элементы, прокатка элементов труб, термообработка металлических листов, плакированных перед пластиковой обработкой, и сварка компонентов. Эллипсоидальные эллиптические элементы требуют следующих условий для получения продуктов, которые будут удовлетворять больше. Большая рабочая проблема между рабочими поверхностями компонентов машины и двигателем — это трение.
Трение и одновременное потребление скоординированных компонентов можно уменьшить, используя, среди прочего, покрытия с низким коэффициентом трения. Снижение коэффициента трения повышает эффективность, снижает отказ системы смазки двигателя или даже частично устраняет масляную смазку. В результате он может снизить вес двигателя и повысить безопасность. Эти покрытия обладают исключительно хорошими трибологическими и механическими свойствами, характеризующимися низким коэффициентом трения и износом, хорошей устойчивостью к усталости, коррозии и эрозии и высокой твердостью.
Все легирующие элементы, применяемые при разработке титановых сплавов, делят на три группы:
- Элементы, стабилизирующие α — модификацию титана и называемые α — стабилизаторами, они повышают температуру аллотропического превращения титана и расширяют область α — фазы. К их числу относят алюминий, кислород, азот и углерод.
- Элементы, стабилизирующие β-модификацию титана и называемые β-стабилизаторами, они повышают температуру аллотропического превращения титана и расширяют область β–фазы. Ими являются хром, железо, молибден, ванадий, марганец, кремний и др.
- Элементы, слабо влияющие на фазовый состав титановых сплавов и составляющие группу нейтральных упрочнителей. К ним относят олово, цирконий и германий .
К сплавам с α- структурой относят сплавы ВТ5, ВТ5-1и другие. Сплавы характеризуются высокой термической стабильностью, хорошей свариваемостью аргонно-дуговой сваркой, более низкой пластичностью, чем сплавы с β- и (α+β)-сплавы, и неспособностью к упрочнению термической обработкой.
К β-сплавам относят ВТ15 и другие. Они сочетают в себе хорошую пластичность и свариваемость и потому находят широкое применение в промышленности .
ГЛАВА 3. ОБРАБАТЫВАЕМОСТЬ РЕЗАНИЕМ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ
В отличие от обычных конструкционных материалов, включая и высокопрочные, титановые сплавы сохраняют высокие прочностные свойства даже при повышенных температурах, что затрудняет их обработку резанием. Поэтому повышение скорости резания и, следовательно, температуры обработки не уменьшает сил резания, а усиливает абразивный и адгезионный износ инструмента вследствие его размягчения (самоотпуска).
Механическая обработка деталей из титановых сплавов существенно затруднена по сравнению, например, с алюминиевыми сплавами и конструкционными сталями. Это объясняется характерными свойствами титановых сплавов: высоким отношением предела текучести к пределу прочности (σ 0,2 /σ в), составляющим величину 0,85 -0,95 (для сталей 0,65-0,75); относительно низкой теплопроводностью; налипанием титана на инструмент; высокой химической активностью по отношению к газам при повышенных температурах; неоднородностью свойств срезаемого слоя вследствие ликвации легирующих элементов; особенностями процессов получения полуфабрикатов и т.д. Высокое отношение (σ 0,2 /σ в) вызывает повышенную наклепываемость сплавов, что снижает их пластические свойства и вызывает повышенный износ режущего инструмента. Этот фактор, а также низкая теплопроводность сплавов создают повышенную температуру в зоне резания, что в свою очередь, способствует загазованности сплава (особенно в тонких сечениях). Насыщение металла газами исключает возможность пластической деформации стружки и приводит к тому, что ее усадка становится отрицательной. Все это способствует быстрому износу режущего инструмента как по передней грани от трения о стружку, так и по задней — от трения об обработанную поверхность. Неоднородность свойств металла, и в частности поверхностного слоя детали, вносит свою лепту в износ инструмента, создавая даже при непрерывной обработке как бы условия прерывистого резания. Обрабатываемость титановых сплавов резанием, аналогична обрабатываемости нержавеющих сталей аустенитного класса. Между стружкой титана и инструментом имеется очень небольшая контактная поверхность в результате чего в зоне резания возникают высокие удельные давления и температуры. К тому же титан обладает очень низкой теплопроводностью, что затрудняет отвод тепла из зоны резания. В результате титан легко налипает на инструмент и быстро изнашивает его.
Все эти условия, снижая стойкость инструмента, приводят к необходимости применения для режущего инструмента более износостойких быстрорежущих сталей, чем для обработки сталей, и обильного охлаждения зоны резания. Но даже при принятии таких мер режимы резания, особенно скорости, должны быть снижены по сравнению с обработкой сталей в 3-4 раза для обеспечения приемлемой стойкости инструмента, особенно при обработке на станках с ЧПУ. Поэтому производительность при обработке резанием деталей из титановых сплавов существенно снижается по сравнению с обработкой сталей.
При обработке деталей из титановых сплавов образуется хрупкая стружка, которая легко схватывается с материалом инструмента и вызывает его интенсивное выкрашиваение и сколы. Упрочнение наклепом, а так же высокая склонность к окислению при повышенных температурах также затрудняют обработку резанием. Низкая теплопроводность вызывают увеличение адгезионного износа и наростообразования. Интенсивное наростообразование не снижается даже существенным уменьшением скорости резания, что особенно характерно при резании твердосплавным инструментом. Нарост образуется на передней поверхности инструмента в зоне схода стружки в условиях действия высоких температур и давлений. Процесс наростобразования усугубляется еще и тем, что обработка этих сплавов характеризуется небольшой площадкой контакта стружки с инструментом, в результате которого на режущей кромке создаются концентрации высоких напряжении.
Образующийся при резании нарост представляет собой наваренный на инструмент, окисленный и упрочненный абразивостойкий материал обрабатываемой детали из титанового сплава, причем прочность сцепления нароста с инструментом настолько высока, что в процессе резания периодический отрыв нароста сопровождается вырыванием материала инструмента и нарушением целостности режущей кромки.
Особенно отчетливо подобное схватывание наблюдается при фрезеровании, когда прочность сцепления обрабатываемого материала с инструментом настолько высока, что вызывает выкрашивание и вырывание отдельных участков инструмента, особенно твердосплавного. Вследствие этого чистота поверхности при обработке значительно ниже, чем для обычных конструкционных материалов, причем с повышением прочности чистота обработанной поверхности повышается.
Титан и сплавы на его основе широко используются в самых разных сферах. Прежде всего, титановые сплавы нашли широкое применение в строительстве различной техники благодаря своей высокой коррозийной стойкости, механической прочности, небольшой плотности, жаропрочности и множеству других характеристик. Рассматривая свойства и применение титана, нельзя не отметить его довольно высокую стоимость. Однако она в полной мере компенсируется характеристиками и долговечностью материала.
Титан имеет высокую прочность и температуру плавления, отличается от других металлов долговечностью.
Основные свойства титана
Титан находится в IV группе четвертого периода периодической системы химических элементов. В самых устойчивых и наиболее важных соединениях элемент является четырехвалентным. Внешне титан напоминает сталь. Является переходным элементом. Температура плавления достигает почти 1700°, а кипения – 3300°. Что касается такого свойства, как скрытая теплота плавления и испарения, то у титана она практически в 2 раза превышает аналогичный показатель для железа.
Имеет 2 аллотропические модификации:
- Низкотемпературную, которая способна существовать до температуры в 882,5°.
- Высокотемпературную, устойчивую от температуры в 882,5° до температуры плавления.
Такие свойства, как удельная теплоемкость и плотность, располагают титан между двумя материалами с наиболее широким конструкционным использованием: железом и алюминием. Механическая прочность титана почти в 2 раза превышает эту характеристику у чистого железа и практически в 6 раз у алюминия. Однако свойства титана таковы, что он способен поглощать в больших количествах водород, кислород и азот, что негативно отражается на пластических характеристиках материала.
Материал характеризуется очень низкой теплопроводностью. Для сравнения, у железа она выше в 4 раза, а у алюминия в 12. Что касается такого свойства, как коэффициент термического расширения, то при комнатной температуре он имеет относительно низкое значение и возрастает с увеличением температуры.
Титан имеет малые модули упругости. При повышении температуры до 350° они начинают уменьшаться практически по линейному закону. Именно этот момент является существенным недостатком материала.
Титан характеризуется довольно большим значением удельного электросопротивления. Оно может колебаться в достаточно широких пределах и зависит от содержания примесей.
Титан является парамагнитным материалом. Для таких веществ характерно снижение магнитной восприимчивости в процессе нагревания. Однако титан является исключением – при повышении температуры его магнитная восприимчивость значительно возрастает.
Сферы применения титана
Медицинские инструменты из титанового сплава отличаются высокой коррозионной прочностью, биологической стойкостью и пластичностью.
Свойства материала обеспечивают довольно широкий спектр сфер его применения. Так, в больших объемах сплавы титана используются в строении судов и различной техники. Налажено применение материала в качестве легирующей добавки к сталям высокого качества и в качестве раскислителя. Сплавы с никелем нашли применение в технике и медицине. Такие соединения имеют уникальные свойства, в частности, они обладают памятью формы.
Налажено применение компактного титана в производстве деталей электровакуумных приборов, использующихся в условиях высоких температур. Свойства технического титана позволяют использовать его в производстве клапанов, трубопроводов, насосов, арматуры и других изделий, создаваемых для эксплуатации в агрессивных условиях.
Сплавы характеризуются недостаточной теплопрочностью, однако имеют высокую коррозийную стойкость. Это позволяет использовать различные сплавы на основе титана в химической сфере. К примеру, материал применяется в изготовлении насосов для прокачки серной и соляной кислоты. На сегодняшний день только сплавы на основе этого материала можно использовать в производстве разного рода оборудования для хлорной промышленности.
Использование титана в транспортной промышленности
Сплавы на основе этого материала используются при изготовлении бронетанковой части. А замена разнообразных конструкционных элементов, которые используются в транспортной промышленности, позволяет снижать расход топлива, увеличивать полезную грузоподъемность, повышать предел усталости изделий и улучшать множество других характеристик.
При производстве оборудования для химической промышленности из титана самое важное свойство – коррозионная стойкость металла.
Материал хорошо подходит для использования в строительстве железнодорожного транспорта. Одна из главных задач, которую нужно решить на железных дорогах, связана со снижением мертвого груза. Использование прутков и листов из титана позволяет существенно снизить общую массу состава, уменьшить размеры букс и шеек, сэкономить в тяге.
Вес имеет довольно существенное значение и для прицепного транспорта. Использование титана вместо стали при производстве колес и осей тоже позволяет существенно повысить полезную грузоподъемность.
Свойства материала делают возможным его использование в автомобилестроении. Материал характеризуется оптимальным сочетанием прочностных и весовых свойств для систем отведения отработанных газов и витых пружин. Применение титана и его сплавов позволяет существенно снизить объем отработанных газов, уменьшить затраты топлива и расширить применение лома и производственных отходов путем их переплава. Материал и содержащие его сплавы имеет множество преимуществ по сравнению с прочими используемыми решениями.
Главной задачей разработки новых деталей и конструкций является уменьшение их массы, от которой в той или иной степени зависит движение самого транспортного средства. Снижение веса движущихся узлов и частей делает потенциально возможным сокращение затрат топлива. Детали из титана неоднократно доказывали свою надежность. Они довольно широко применяются в авиакосмической промышленности и конструкциях гоночных автомобилей.
Использование этого материала позволяет не только уменьшить вес деталей, но и решить вопрос снижения объема отработанных газов.
Использование титана и его сплавов в сфере строительства
В строительстве широко используется сплав титана с цинком. Этот сплав характеризуется высокими механическими показателями и устойчивостью к коррозии, отличается высокой жесткостью и пластичностью. В составе сплава содержится до 0,2% легирующих добавок, выполняющих функции модификаторов структуры. Благодаря алюминию и меди обеспечивается требуемая пластичность. Кроме того, использование меди позволяет повысить предельную прочность материала на растяжение, а сочетание химических элементов способствует снижению коэффициента расширения. Сплав применяется и для производства длинных лент и листов с хорошими эстетическими характеристиками.
Титан часто используется в космических технологиях благодаря его легкости, прочности и тугоплавкости.
Среди главных качеств сплава титана с цинком, важных конкретно для строительства, можно отметить такие химические и физические свойства, как высокая устойчивость к коррозии, хороший внешний вид и безопасность для человеческого здоровья и окружающей среды.
Материал отличается хорошей пластичностью, без проблем поддается глубокой вытяжке, что позволяет использовать его в кровельных работах. У сплава нет никаких проблем с пайкой. Именно поэтому различные объемные конструкции и нестандартные архитектурные элементы вроде куполов и шпилей изготавливаются из цинк-титана, а не меди или оцинкованной стали. В решении подобных задач данный сплав является незаменимым.
Сфера использования сплава очень широка. Его применяют в фасадных и кровельных работах, из него изготавливаются изделия различной конфигурации и практически любой сложности, он широко применяется в производстве разнообразных декоративных изделий типа водостоков, отливов, кровельных коньков и т.д.
Этот сплав отличается очень продолжительным сроком службы. Более столетия он не будет требовать покраски и частых текущих ремонтных работ. Также среди существенных преимуществ материала следует выделить его способность восстанавливаться. Несущественные повреждения в виде царапин от веток, птиц и т.п. через какое-то время устраняются сами по себе.
Требования к строительным материалам становятся все более серьезными и строгими. Исследовательские компании ряда стран изучали почву вокруг зданий, построенных с использованием сплава цинка и титана. Результаты исследований подтвердили, что материал является полностью безопасным. Он не имеет канцерогенных свойств и не вредит человеческому здоровью. Цинк-титан является негорючим стройматериалом, что дополнительно повышает безопасность.
С учетом всех перечисленных положительных характеристик такой строительный материал в эксплуатации приблизительно в 2 раза дешевле, чем кровельная медь.
У сплава две степени окисления. С течением времени он меняет цвет и теряет металлический блеск. Сначала цинк-титан становится светло-серым, а еще через некоторое время приобретает благородный темно-серый оттенок. В настоящее время материал намеренно подвергается химическому старению.
Использование титана и его сплавов в медицине
Титан отлично совместим с человеческой тканью, поэтому активно применяется в области эндопротезирования.
Титан нашел широкое применение и в медицинской сфере. Среди преимуществ, которые позволили ему стать таким популярным, нужно отметить высокую прочность и устойчивость к коррозии. Кроме того, ни у одного из пациентов не было выявлено аллергии на титан.
В медицине применяются коммерчески чистый титан и сплав Ti6-4Eli. С его использованием изготавливаются хирургические инструменты, разнообразные внешние и внутренние протезы, вплоть до сердечных клапанов. Из титана производятся инвалидные коляски, костыли и прочие приспособления.
Ряд исследований и экспериментов подтверждает отличную биологическую совместимость материала и его сплавов с живой человеческой тканью. Мягкие и костные ткани срастаются с этими материалами без проблем. А низкий модуль упругости и высокий показатель удельной прочности делают титан очень хорошим материалом для эндопротезирования. Он заметно легче, чем жесть, сталь и сплавы на основе кобальта.
Таким образом, свойства титана позволяют активно использовать его в самых разнообразных сферах – от изготовления труб и кровли до медицинского протезирования и построения космических аппаратов.