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.
Если вы в состоянии использовать возможности в начале, графен достигнет больших успехов в достижении этих свойств. Фактически, этот материал может позволить производить гораздо более легкие, тонкие и надежные продукты и потенциально может быть использован для любых от строительства сверхлегких самолетов до строительства опреснительных установок и суперкомпьютеров.
До сих пор производство графена в количествах, отличных от тех, которые обычно использовались для исследований, по-прежнему чрезвычайно дорого и коммерческие продукты еще не были сделаны для выхода на рынок. Однако компании и правительства во всем мире инвестируют сотни миллионов долларов в исследования.
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.
Процесс, требующий времени
Использование новых материалов для серийного производства может занять десятилетия. Изобретение из углеродного волокна, например, относится к более пятидесяти лет назад. Титановые сплавы получают путем объединения титана с другими химическими элементами. Они прочные, легкие и устойчивы к коррозии и высоким температурам. Производство дорогое, поэтому их использование ограничено. Например, они используются для строительства самолетов, спортивных автомобилей и других военных применений, а также для имплантации зубов и ортопедических имплантатов.
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.
Монокристаллы представляют собой материалы, характеризующиеся непрерывной и непрерывной кристаллической решеткой без краев зерен. Отсутствие дефектов дает им уникальные свойства. Эти материалы используются для производства полупроводников и лазерных прицелов или высокопрочных малоточных продуктов, таких как лопатки турбин.
Они являются прочными и устойчивыми к разрыву, с хорошей устойчивостью к поверхности, устойчивыми к коррозии и окислению. Это очень трудные материалы для работы, используемые для изготовления многих компонентов авиационных двигателей, таких как компрессоры, системы сжигания и турбина.
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.
Графен является более тонким, прочным и жаропрочным материалом среди всех перечисленных здесь, но все еще изучается. Он представлен как углеродные листы толщины атома. Атомы образуют сотовую структуру. Отрасли всех видов надеются, что этот материал поможет радикально улучшить производительность продуктов.
Укрепление иммунной системы организма. Насыщение Стимуляция оксигенации тканей. Улучшение функционального состояния центральной нервной системы. Повышение эффективности и скорости восстановления после тяжелых упражнений. Нормализация эластичность и тонус сосудов, и в их повышенной скорости кровотока.
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.
Активированный общее улучшение свертываемости крови и заживление системы кровообращения. Ученые обнаружили, что кровь Германии подобное поведение как гемоглобин. Изучение биологической функции германии, японские ученые создают первый препарат с содержанием органического Германия – «Германий – 132», в применении к улучшению иммунитета разностных заболеваний у людей. Богатая экспериментальная работа д-ра Асаи позволяет ему предложить следующую теорию механизма действия в организме. Он говорит о том, что кровь у Германии есть поведение, аналогичного тому, что гемоглобин.
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.
Она несет в себе отрицательный заряд и, как гемоглобин участвует в переносе кислорода к тканям организма. Таким образом, предотвращая развитие дефицита кислорода в ткани. Органический германий предотвращает развитие так называемой крови гипоксии, возникающей из уменьшенного количества гемоглобина, который способен соединять кислород. Он эффективен при отравлении окисью углерода и радиационных эффектах. Наиболее чувствительны к кислородной недостаточности и центральной нервной системы, сердечной мышцы, ткани почек, печени.
В результате медицинских экспериментов было установлено, что органический германий способствует индукции гамма-интерферона ингибировать процессы быстро делящихся клеток усиливается, специфические клетки, называемые Т-киллеров. Основными направлениями деятельности интерферонов является их антивирусная и противоопухолевая защита, иммуномодулирующие и радиозащитные функции лимфатической системы. В процессе изучения патологических тканей и тканей с первичными признаками болезни было обнаружено, что они всегда характеризуются недостатком кислорода и присутствием положительно заряженных радикалов водорода.
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.
Ионы кислорода, обладающие способностью связывать ион водорода, позволяют выборочно и локально компенсировать поврежденные клетки и ткани ионов водорода. Эксплуатация германии с относительно ионов водорода за счет его органической формы – полуторный. Несвязанный водород является чрезвычайно активным и агрессивным, поэтому он легко вступает в реакцию с атомами кислорода соединений германии – полуторного. Гарантирует нормальное функционирование всех органов и системы организма должна быть гладкой транспортировкой кислорода в тканях.
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.
Органический германий обладает выраженной способностью к доставке кислорода в любой точке тела и обеспечить его связь с ионами водорода. Органический германий является своим родом внутреннего тела ионизатора. Область предназначена для наиболее широко используемых алюминиевых и медных сплавов, реже используемых сплавов, таких как магний, титан, сплавы золота и серебра. Каждый сплав имеет свою технологию производства, его распределение в соответствии с его различными аспектами и его свойствами. В конце каждой главы вы можете увидеть примеры использования сплавов на практике.
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.
Ключевые слова цветные сплавы, литейные свойства, технологические свойства, механические свойства, технология производства, автомобильная промышленность. Аннотация Данная работа знакомит нас с сплавами цветных металлов и их применением в промышленности. Область относится к наиболее широко используемым медно-алюминиевым сплавам, менее используемым сплавам, таким как магний, титан, сплавы золота и серебра. Для каждого сплава дается технология его изготовления, распределение по разным перспективам и их свойствам.
В конце каждой главы вы можете найти примеры использования сплавов на практике. Ключевые слова Цветные сплавы, литейные свойства, технологические свойства, механические свойства, технологические свойства, автомобильная промышленность. Сплавы цветных металлов и их использование на практике. Брно: Технологический университет Брно, Факультет машиностроения, с. Супервизор Инж.
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.
Самыми распространенными из них являются алюминиевые сплавы. Их доля составляет более 90 мас.% От всех отливок из цветных сплавов. Причиной является выгодное соотношение между весом и механическими свойствами, выгодной ценой, относительно легкой технологией производства и хорошими технологическими свойствами. Другая технически значимая группа – отливки из магниевых сплавов. Причиной их использования является, в частности, малый вес с механическими свойствами, сравнимыми с механическими свойствами алюминиевых сплавов.
Другими важными материальными группами являются медные сплавы и цинковые сплавы. Используется в основном для хорошей отливки и коррозионной стойкости. Никелевые сплавы обладают отличными механическими свойствами при высоких температурах и коррозионной стойкости. Они в основном используются в аэрокосмической и автомобильной промышленности, таких как детали двигателей, воздуходувки и турбины для горения. Титановые сплавы, обладающие чрезвычайно высокими механическими свойствами при нормальных и повышенных температурах, являются особенно технически совершенными материалами и, благодаря своей относительно низкой плотности, особенно полезны в аэрокосмической, автомобильной и автомобильной промышленности.
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.
Другая отдельная группа – благородные металлы, в том числе серебро, золото, платина и другие. Не интересно, что алюминий также применяется для сварки из-за высокой теплоотдачи. Основными преимуществами алюминиевых сплавов являются, в частности, низкий удельный вес и относительно хорошая прочность, а это означает, что удельные характеристики некоторых алюминиевых сплавов сопоставимы с аналогичными характеристиками сталей или даже лучше. Алюминиевые сплавы, если они не содержат меди, очень устойчивы к коррозии и кислотным веществам.
Сопротивление сплавов щелочным веществам невелико. Алюминиевые сплавы хорошо сварены в защитной атмосфере, они обладают хорошей электропроводностью. Обратный отход относительно прост в обработке. И наоборот, недостатком алюминия является их низкая твердость, сложная механическая обработка и механическая полировка мягких сплавов. Алюминиевые сплавы могут подвергаться воздействию электрохимической коррозии, если они находятся в проводящем контакте с другими металлами, за исключением цинка и кадмия.
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.
Алюминий является одним из самых распространенных металлов в природе. В земной коре содержится около 8% алюминия, связанного в соединениях, таких как бокситы, криолиты, корунды, шпинели, каолин и т.д. основным сырьем для производства алюминия является боксит. Из бокситов алюминий извлекается электролизом. Весь производственный процесс относительно сложный и энергоемкий.
Полученный алюминий имеет чистоту до 99, 9%. Они в основном используются для средне-напряженных декоративных отливок. Они менее агрессивны и подходят для литья в песчаные формы в случае формованных отливок. Для тех сплавов, где первичные алюминиевые дендриты преобладают в структуре, механические свойства зависят в первую очередь от их морфологии. В этих сплавах первичная кристаллизация может зависеть от вакцинации. Это приводит к рафинированию зерна первичного альфа-твердого раствора. Эвтектика Эти сплавы используются для отличной обработки отлитых форм отливок, тонкостенных отливок, поршневых и компрессорных поршней, колес колесных дисков и многих других компонентов в автомобильной и авиационной промышленности.
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.
Они широко используются при литье под давлением и литьем. В этих сплавах структура формируется эвтектикой, и для достижения максимальных полезных свойств отливок необходимо влиять на морфологию хрупких частиц эвтектического кремния. Это может быть улучшено за счет применения так называемых модифицирующих добавок. С точки зрения морфологии частиц эвтектического кремния можно выделить три основных структурных типа эвтектики. И этот эвтектический гранулированный, пластинчатый, модифицированный. Структура этих сплавов состоит из эвтектической матрицы и первичных кристаллов кремния.
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.
Реферат по дисциплине: «Физические основы коррозии»
Выполнила ст. гр. ФМ – 505 Каримова Л. Р.
Уфимский государственный авиационный технический университет
Уфа – 2006 г
Введение
Создание новых технологий и производств приводит к применению агрессивных сред. Использование последних ставит вопрос о конструкционных материалах, стойких к их воздействию. Большой интерес в этом плане представляют металлы подгрупп титана и ванадия. Они уже нашли применение в современном приборостроении. Так, например, они широко используются в ракетной и авиационной технике, а также при создании ядерных реакторов.
Титан и титановые сплавы широко применяются в различных отраслях промышленности, благодаря высоким значениям удельной прочности и коррозионной стойкости.
Сплав ВТ6 относится к числу первых отечественных конструкционных титановых сплавов. В таблице 1 представлен химический состав сплава ВТ6.
Таблица 1 – Химический состав титанового сплава ВТ6.
Титан может участвовать во многих соединениях, он химически весьма активен. И в то же время титан является одним из немногих металлов с исключительно высокой коррозионной стойкостью: он практически вечен в атмосфере воздуха, в холодной и кипящей воде, весьма стоек в морской воде, в растворах многих солей, неорганических и органических кислотах. По своей коррозионной стойкости в морской воде он превосходит все металлы, за исключением благородных – золота, платины и т. п., большинство видов нержавеющей стали, никелевые, медные и другие сплавы. В воде, во многих агрессивных средах чистый титан не подвержен коррозии. Почему же это происходит? Почему так активно, а нередко и бурно, со взрывами, реагирующий почти со всеми элементами периодической системы титан стоек к коррозии?
Общие представление о коррозии металлов
Получение металлов из их природных соединений всегда сопровождается значительной затратой энергии. Исключение составляют только металлы, встречающиеся в природе в свободном виде: золото, серебро, платина, ртуть. Энергия, затраченная на получение металлов, накапливается в них как свободная энергия Гиббса и делает их химически активными веществами, переходящими в результате взаимодействия с окружающей средой в состояние положительно заряженных ионов:
Меn++ nе Ме0 (
G>0); Ме0 – ne Ме n+ (G <0).
металлургия коррозия
Самопроизвольно протекающий процесс разрушения металлов в результате взаимодействия с окружающей средой, происходящий с выделением энергии и рассеиванием вещества (рост энтропии), называется коррозией. Коррозионные процессы протекают необратимо в соответствии со вторым началом термодинамики.
Подсчитано, что около 20% ежегодной выплавки металлов расходуется в коррозионных процессах. Большой вред приносит коррозия в машиностроении, так как из-за коррозионного разрушения какой-нибудь одной детали может выйти из строя машина, стоящая нередко десятки и сотни тысяч рублей. Коррозия снижает точность показаний приборов и стабильность их работы во времени. Незначительная коррозия электрического контакта приводит к отказу при его включении. Меры борьбы с коррозионными процессами являются актуальной задачей современной техники.
Существенно влияет на коррозионные процессы уровень внешних или внутренних (остаточных) напряжений и их распределение в металле изделия.
Химической коррозии подвержены детали и узлы машин, работающих при высоких температурах, – двигатели поршневого и турбинного типа, ракетные двигатели и т. п. Химическое сродство большинства металлов к кислороду при высоких температурах почти неограниченно, так как оксиды всех технически важных металлов способны растворяться в металлах и уходить из равновесной системы:
2Ме(т) + O2(г) 2МеО(т); МеО(т) [МеО] (р-р)
В этих условиях окисление всегда возможно, но наряду с растворением оксида появляется и оксидный слой на поверхности металла, который может тормозить процесс окисления.
Скорость окисления металла зависит от скорости собственно химической реакции и скорости диффузии окислителя через пленку, а поэтому защитное действие пленки тем выше, чем лучше ее сплошность и ниже диффузионная способность. Сплошность пленки, образующейся на поверхности металла, можно оценить по отношению объема образовавшегося оксида или другого какого-либо соединения к объему израсходованного на образование этого оксида металла (фактор Пиллинга-Бэдвордса).
Коэффициент (фактор Пиллинга – Бэдвордса) у разных металлов имеет разные значения и приведен в таблице 2.
Таблица 2. Значение коэффициента для некоторых металлов
| Металл | Оксид | | Металл | Оксид | |
| Mg | MgO | 0.79 | Zn | ZnO | 1.58 |
| Pb | PbO | 1.15 | Zr | ZrO2 | 1.60 |
| Cd | CdO | 1.27 | Be | BeO | 1.67 |
| Al | Al2O2 | 1.31 | Cu | Cu2O | 1.67 |
| Sn | SnO2 | 1.33 | Cu | CuO | 1.74 |
| Ni | NiO | 1.52 | Ti | Ti2O3 | 1.76 |
| Nb | NbO | 1.57 | Cr | Cr2O3 | 2.02 |
| Nb | Nb2O3 | 2.81 |
Металлы, у которых <1, не могут создавать сплошные оксидные слои, и через несплошности в слое (трещины) кислород свободно проникает к поверхности металла.
Сплошные и устойчивые оксидные слои образуются при = 1,2-1,6, но при больших значениях пленки получаются несплошные, легко отделяющиеся от поверхности металла (железная окалина) в результате возникающих внутренних напряжений.
Поведение титана и его сплавов в различных агрессивных средах
Реакции титана со многими элементами происходят только при высоких температурах. При обычных температурах химическая активность титана чрезвычайно мала и он практически не вступает в реакции. Связано это с тем, что на свежей поверхности чистого титана, как только она образуется, очень быстро появляется инертная, хорошо срастающаяся с металлом тончайшая (в несколько ангстрем (1А=10-10м) пленка диоксида титана, предохраняющая его от дальнейшего окисления. Если даже эту пленку снять, то в любой среде, содержащей кислород или другие сильные окислители (например, в азотной или хромовой кислоте), эта пленка появляется вновь, и металл, как говорят, ею «пассивируется», т. е. защищает сам себя от дальнейшего разрушения.
Рассмотрим несколько подробнее поведение чистого титана в различных агрессивных средах: в таких, как азотная, соляная, серная, «царская водка» и другие кислоты и щелочи.
В азотной кислоте, являющейся сильным окислителем, в котором быстро растворяются очень многие металлы, титан исключительно стоек. При любой концентрации азотной кислоты (от 10 до 99%-ной), при любых температурах скорость коррозии титана не превышает 0,1–0,2 мм/год. Опасна только красная дымящая азотная кислота, пересыщенная (20% и более) свободными диоксидами азота: в ней чистый титан бурно, со взрывом, реагирует. Однако стоит добавить в такую кислоту хотя бы немного воды (1–2% и более), как реакция заканчивается, и коррозия титана прекращается.
В соляной кислоте титан стоек лишь в разбавленных ее растворах. Например, в 0,5%-ной соляной кислоте даже при нагревании до 100° С скорость коррозии титана не превышает 0,01 мм/год, в 10%-ной при комнатной температуре скорость коррозии достигает 0,1 мм/год, а в 20%-ной при 20° С–0,58 мм/год. При нагревании скорость коррозии титана в соляной кислоте резко повышается. Так, даже в 1,5%-ной соляной кислоте при 100° С скорость коррозии титана составляет 4,4 мм/год, а в 20%-ной при нагревании до 60° С – уже 29,8 мм/год. Это объясняется тем, что соляная кислота, особенно при нагревании, растворяет пассивирующую пленку диоксида титана и начинается растворение металла. Однако скорость коррозии титана в соляной кислоте при всех условиях остается ниже, чем у нержавеющих сталей.
В серной кислоте слабой концентрации (до 0,5–1%) титан и большинство его сплавов стойкие даже при температуре раствора до 50–95° С. Стоек титан и в более концентрированных растворах (10–20%-ных) при комнатной температуре, в этих условиях скорость коррозии титана не превышает 0,005–0,01 мм/год. Но с повышением температуры раствора титан в серной кислоте даже сравнительно слабой концентрации (10–20%-ной) начинает растворяться, причем скорость коррозии достигает 9–10 мм/год. Серная кислота, так же как и соляная, разрушает защитную пленку диоксида титана и повышает его растворимость. Ее можно резко понизить, если в растворы этих кислот добавлять определенное количество азотной, хромовой, марганцевой кислот, соединений хлора или других окислителей, которые быстро пассивируют поверхность титана защитной пленкой и прекращают его дальнейшее растворение. Вот почему титан практически единственный металл, не растворяющийся в «царской водке»: в ней при обычных температурах (10–20° С) коррозия титана не превышает 0,005 мм/год. Слабо корродирует титан и в кипящей «царской водке», а ведь в ней, как известно, многие металлы, и даже такие, как золото, растворяются почти мгновенно.
Очень слабо корродирует титан в большинстве органических кислот (уксусной, молочной, винной), в разбавленных щелочах, в растворах многих хлористых солей, в физиологическом растворе. А вот с расплавами хлоридов при температуре выше 375° С титан взаимодействует очень бурно.
В расплаве многих металлов чистый титан обнаруживает удивительную стойкость. В жидких горячих магнии, олове, галлии, ртути, литии, натрии, калии, в расплавленной сере титан практически не корродирует, и лишь при очень высоких температурах расплавов (выше 300–400° С) скорость его коррозии в них может достигать 1 мм/год. Однако есть немало агрессивных растворов и расплавов, в которых титан растворяется очень интенсивно.
Главный «враг» титана – плавиковая кислота (HF). Даже в 1%-ном ее растворе скорость коррозии титана очень высока, а в более концентрированных растворах титан «тает», как лед в горячей воде. Фтор – этот «разрушающий все» (греч.) элемент – бурно реагирует практически со всеми металлами и сжигает их.
Не может противостоять титан кремнефтористоводородной и фосфорной кислотам даже слабой концентрации, перекиси водорода, сухим хлору и брому, спиртам, в том числе спиртовой настойке йода, расплавленному цинку. Однако стойкость титана можно увеличить, если добавить различные окислители – так называемые ингибиторы, например, в растворы соляной и серной кислот – азотную и хромовую. Ингибиторами могут быть и ионы различных металлов в растворе: железо, медь и др.
В титан можно вводить некоторые металлы, повышающие его стойкость в десятки и сотни раз, например до 10% циркония, гафния, тантала, вольфрама. Введение в титан 20–30% молибдена делает, этот сплав настолько устойчивым к любым концентрациям соляной, серной и других кислот, что он может заменить даже золото в работе с этими кислотами. Наибольший эффект достигается благодаря добавкам в титан четырех металлов платиновой группы: платины, палладия, родия и рутения. Достаточно всего 0,2% этих металлов, чтобы снизить скорость коррозии титана в кипящих концентрированных соляной и серной кислотах в десятки раз. Следует отметить, что благородные платиноиды влияют лишь на стойкость титана, а если добавлять их, скажем, в железо, алюминий, магний, разрушение и коррозия этих конструкционных металлов не уменьшаются.
Влияние легирующих элементов в титане на коррозионную стойкость
Все присутствующие в титане легирующие элементы по коррозионной стойкости можно разделить на четыре группы.
К первой группе относятся легко пассивирующиеся элементы, повышающие коррозионную стойкость титана за счет торможения анодного процесса (в различной степени и в зависимости от природы среды). К этой группе относятся следующие наиболее важные легирующие: Мо, Та, Nb, Zr, V (расположены в порядке убывания благоприятного воздействия на коррозионную стойкость).
Ко второй группе металлов, оказывающих сходное влияние на коррозионную стойкость титана, относятся Cr, Ni, Mn, Fe. Эти элементы, некоторые из которых сами являются коррозионностойкими (Cr, Ni), хотя и не сильно, но снижают коррозионную стойкость титана, особенно в неокислительных кислотах по мере повышения легирования титана.
К третьей группе легирующих элементов, имеющих общие черты влияния на коррозионную стойкость титана, относятся Al, Sn, О, N, С. Установлено, что добавки алюминия снижают коррозионную стойкость титана в активном и пассивном состояниях. В нейтральных средах алюминий (до 5% Al) хотя и оказывает отрицательное влияние, но оно невелико. Понижение коррозионной стойкости при легировании алюминием связано с облегчением анодного и катодного процессов вследствие изменения химической природы пассивных пленок.
К четвертой группе легирующих элементов, однотипно влияющих на коррозионную стойкость титана, относятся металлы с низким сопротивлением катодному процессу. По возрастанию эффективности воздействия на титан эти элементы располагаются в следующий ряд: Си, W, Мо, Ni, Re, Ru, Pd, Pt.
Доказано, что введение в титановые сплавы таких элементов, как молибден, ниобий, цирконий, тантал не лимитируется по количеству. Они повышают коррозионную стойкость, способствуют увеличению прочности.
Электрохимическая коррозия под действием внутренних макро- и микрогальванических пар
Раньше электрохимическую коррозию называли гальванической коррозией, так как разрушение металла происходит под действием возникающих гальванических пар.
Рассмотрим различные случаи возникновения коррозионных гальванических пар.
1. Контакт с электролитом двух разных металлов в случае сочетания в одном узле или детали металлов различной активности в данной среде, или в случае применения сплава эвтектического типа из двух металлов разной активности.
2. Контакт металла и его соединения, обладающего металлообразными или полупроводниковыми свойствами. В любом случае свободный металл имеет отрицательный электрический заряд, а соединение – положительный заряд, так как в нем часть электронов проводимости связана. Это также справедливо и для интерметаллидов.
3. Различные концентрации электролитов или воздуха, растворенного в жидком электролите.
4. Различный уровень механических напряжений в одной и той же детали.
Рассмотрим более подробнее последний случай возникновения коррозионной гальванической пары. Коррозионные пары могут возникать при действии внешних или внутренних механических напряжений (остаточных напряжений, например при сварке). Если пластинку стали, дюраля или титанового сплава согнуть и в напряженном состоянии погрузить в коррозионную среду, то на растянутом слое (внешний) через относительно короткое время возникнут трещины (рис. 1), а внутренний сжатый слой будет оставаться без изменений. Растягивающие усилия особенно опасны, так как в этом случае металл повышает свою активность.
Рисунок 1 – Коррозия пластинки в напряженном состоянии
Если согнутую упруго пластинку (см. рис. 1) термически обработать и упругие деформации перейдут в пластические (явление релаксации), то разности потенциалов не возникает. Таким образом, при изготовлении деталей и узлов машин для снятия остаточных напряжений всегда следует термически обрабатывать изделия, если эти изделия предназначены для работы в сильно коррелирующих средах.
С этой целью в ИПСМ РАН при изготовлении тонких листов СМК – сплава ВТ6, полученных изотермической прокаткой, для более полного снятия остаточных напряжений и формирования зеренной структуры применяется крип-отжиг, который заключается в следующем: листы укладываются стопой между плоскими бойками и прижимаются под давлением 3-5 МПа при температуре 550 ˚С. После 20 мин выдержки нагрев выключается, и пакет остывает вместе со штамповым блоком в течение 12 часов.
Воздух, представляющий собой смесь различных газов, является сложной газовой фазой, воздействие которой на титан может быть весьма многообразным. При этом взаимодействие титана с кислородом воздуха отличается от взаимодействия титана с чистым кислородом, так как на это взаимодействие оказывает влияние азот и другие составные части воздуха. Вместе с тем следует иметь в виду, что при всей сложности газовой фазы (воздуха) воздействие ее на титан следует рассматривать прежде всего как реакцию взаимодействия с ним самой активной и довольно значительной по количеству составляющей – кислорода.
Взаимодействие титана с кислородом.
При взаимодействии титана с кислородом происходит образование различных фаз химических соединений и твердых растворов.
При достаточно низких температурах взаимодействие титана с кислородом ограничивается адсорбцией. Начальная теплота адсорбции кислорода на титане при 25ОС составляет 989 кДж/моль; начальный коэффициент прилипания равен 1;0,8 и 0,67 при температурах -196; 25 и 300ОС соответственно. При дальнейшем взаимодействии на поверхности титана образуется оксидная плёнка.
В соответствии с термодинамическими расчетами оксидная пленка на титане должна состоять из слоев оксидов в последовательности:
Ti6O®Ti3O®Ti2O®Ti3O2®TiO®Ti13O5®TiO2
В действительности при окислении титана при температурах ниже 300OС оксидные слои состоят в основном из Ti3O5, при окислении в интервале температур 400-800OС образуется преимущественно рутил TiO2, а при температурах выше 800OС обнаружены оксиды TiO и Ti2O3. Согласно работе, окисление титана на воздухе и в кислороде до температур £ 600-650°С сопровождается образованием на образцах тонких оксидных пленок толщиной »0,1 мкм. Долей кислорода, растворенного в металлической основе при температурах ниже 450-500°С, по-видимому, можно пренебречь.
В работе взаимодействие титана с кислородом описано следующим образом. Через возникающую на первых стадиях процесса пленку двуокиси титана TiO2 осуществляется диффузия кислорода к границе раздела пленка-металл, где происходит химическая реакция и дальнейший рост толщины пленки. Слой низших окислов титана, который должен присутствовать между слоем двуокиси и металлом, оказывается очень тонким и обычно не влияет на характер окисления. Скорость диффузии ионов титана через пленку по сравнению со скоростью диффузии титана очень мала. Однако при повышении температуры диффузия титана несколько увеличивается.
При небольшой продолжительности процесса, когда толщина пленки еще невелика, количество поступающего через пленку кислорода оказывается достаточным для окисления всего титана до двуокиси его. Вместе с тем по мере увеличения толщины пленки количество поступающего в зону кислорода уменьшается, а поступление титана остается постоянным, так как реакция происходит на границе раздела пленка-металл. В результате этого при достижении определенной толщины слоя окалины соотношение количеств титана и кислорода в зоне реакции становится таким, что между TiO2 и металлом образуется слой TiO. Появление его ослабляет сцепление окалины с металлом, которая под действием сжимающих напряжений деформируется и отслаивается, обнажая поверхность металла и обеспечивая скачкообразное увеличение скорости окисления. Однако возросшее поступление кислорода при отслаивании окалины приводит к окислению TiO до TiO2 и описанный выше процесс повторяется.
Газонасыщение титановых сплавов при окислении
Взаимодействие титана с кислородом сопровождается двумя параллельно идущими процессами: образованием оксидов и растворением кислорода в металлической основе.
При температурах ниже 8820С и нормальном давлении титан имеет гексагональную плотно упакованную решетку – a-Ti. Решетка a-Ti содержит четыре октаэдрических поры радиусом 0,414 rат.(0,60A) и восемь тетраэдрических пор радиусом 0,225 rат.(0,36A). Экспериментально установлено, что кислород, атомный радиус которого равен 0,60A растворяется в октапорах. Выше 8820С структура титана характеризуется объемноцентрированной решеткой – b-Ti. Решетка b-Ti содержит шесть октапор радиусом 0,115 rат.(0,22A) и двенадцать тетрапор радиусом 0,29rат.(0,41), то есть тетраэдрические пустоты в ОЦК-структуре более просторны. С позиций геометрии решеток a- и b-Ti растворение кислорода более благоприятно в высокотемпературной модификации.
В образовавшемся диффузионном слое выделяют альфированный и переходный слои. Альфированный слой отличается по структуре от основного металла повышенным содержанием a-фазы, что легко оценивается металлографическим анализом, часто этот слой представлен одной a-фазой. Переходный слой по микроструктуре не отличается заметно от основного металла, но его наличие и глубину проникновения можно оценить по более высокой микротвердости по сравнению с основным металлом.
Рисунок 2-Зависимость коэффициентов диффузии кислорода от температуры:
в a-титане; 2- в b-титане.
Газонасыщение поверхности титанового сплава ВТ6.
В работе проводилось исследование влияния газонасыщения на структуру и свойства титанового сплава ВТ6 на воздухе и в вакууме при температурах от 750 до 12000С и выдержках 5,30,60,180 и 360 минут.
Изменение микротвердости от поверхности вглубь образца в зависимости от температуры и времени выдержки представлено на рис 3. Микротвердость снижается от поверхности внутрь образца при всех режимах газонасыщения.
Рисунок 3 – Зависимость микротвердости титанового сплава ВТ6 от расстояния до поверхности после нагрева на воздухе в течение 1(а), 3(б) и 6(в)ч при 750(1), 950(2), 1050(3), 1200°С(4).
Нагрев сплава ВТ6 при сравнительно невысоких температурах 750-8000С в течение 1ч приводит к повышению поверхностной микротвердости от H300 до H400. Увеличение температуры и времени выдержки значительно интенсифицирует процесс газонасыщения вследствие увеличения скорости диффузии, в результате поверхностная микротвердость сильно повышается (рис.3). Так, увеличение времени выдержки от 1 до 6ч приводит при различных температурах к увеличению поверхностной микротвердости на H100-200.
При повышении температуры и увеличении времени выдержки увеличивается глубина газонасыщенного слоя (рис.4). Газонасыщенный слой формируется практически при выдержке в течение 1ч, а дальнейшее увеличение продолжительности газонасыщения мало влияет на глубину поверхностного газонасыщенного слоя.
Рисунок 4 – Изменение глубины газонасыщенного слоя при различных температурах в зависимости от времени выдержки.
В работе рассмотрены особенности газонасыщения титанового сплава ВТ6, которые заключаются в следующем. После выдержки при высокой температуре и последующего охлаждения на воздухе у сплава ВТ6 образуются трещины, которые выходят на поверхность. Причинами их возникновения являются внутренние напряжения и пониженная пластичность особо хрупкого газонасыщенного слоя. Фазовый состав и свойства поверхностного слоя резко отличаются от состава и свойств основного металла. В частности, температура полиморфного превращения этого слоя значительно выше, объемный эффект превращения меньше, а коэффициент линейного расширения больше, чем у основного металла. В результате при охлаждении внутренние части заготовки претерпевают меньшую температурную усадку и принудительно растягивают поверхностный слой. Возникающие при этом растягивающие напряжения в совокупности с пониженной пластичностью газонасыщенного слоя приводят к образованию трещин. При послойном измерении микротвердости после газонасыщенной зоны повышенной твердости идет небольшой участок, граничащий с основным металлом и имеющий по сравнению с ним пониженную твердость. Это объясняется процессами взаимной диффузии газов с поверхности вглубь металла и атомов основного металла и легирующих элементов к границе раздела газ-металл. В результате этого граница раздела металл – газонасыщенный слой оказывается обедненной легирующими элементами и дает пониженную твердость при испытании.
Явление коррозийного растрескивания
В металле, подверженном коррозионному растрескиванию, при отсутствии внешних напряжений обычно происходит очень незначительное коррозионное разрушение, а при отсутствии коррозионной среды под воздействием напряжений почти не происходит изменения прочности или пластичности металла. Таким образом, в процессе коррозионного растрескивания, т. е. при одновременном воздействии статических напряжений и коррозионной среды, наблюдается существенно большее ухудшение механических свойств металла, чем это имело бы место в результате раздельного, но аддитивного действия этих факторов. Коррозионное растрескивание является характерным случаем, когда взаимодействует химическая реакция и механические силы, что приводит к структурному разрушению. Такое разрушение носит хрупкий характер и возникает в обычных пластичных металлах, а также в медных, никелевых сплавах, нержавеющих сталях и др. в присутствии определенной коррозионной среды. При исследовании процесса хрупкого разрушения в результате коррозионного растрескивания особое значение имеет исследование раздельного воздействия на металл напряжений и коррозионной среды, а также их одновременное воздействие. Однако в процессе коррозионного растрескивания первостепенное значение имеют следующие стадии: 1) зарождение и возникновение трещин и 2) последующее развитие коррозионных трещин. Обе стадии, как будет показано ниже, являются индивидуальными ступенями в процессе коррозионного растрескивания.
Средами, в которых происходит коррозионное растрескивание металлов, являются такие среды, в которых процессы коррозии сильно локализованы обычно при отсутствии заметной общей поверхностной коррозии. Интенсивность локализованной коррозии может быть весьма значительной, в результате чего прогрессирует процесс развития очень узких углублений, достигая, вероятно, наибольшей величины на дне углублений, имеющих радиусы порядка одного междуатомного расстояния.
При воздействии на материал коррозионной среды, которая влияет на склонность сплава к коррозионному растрескиванию и характер разрушения, основными факторами являются следующие:
1) относительная разность потенциалов микроструктурных фаз, присутствующих в сплаве, что вызывает вероятность местного разрушения
2) поляризационные процессы на анодных и катодных участках
3) образование продуктов коррозии, которые оказывают влияние на коррозионный процесс.
Для того чтобы произошел процесс коррозионного растрескивания, необходимо наличие поверхностных или внутренних растягивающих напряжений. Обычно встречающиеся на практике разрушения обусловлены наличием остаточных напряжений, возникающих, при производстве и обработке металла, но в целях исследования не следует делать разграничения между остаточными напряжениями и напряжениями, возникшими в результате приложенных внешних нагрузок. Коррозионное растрескивание никогда не наблюдалось в результате действия поверхностных сжимающих напряжений; наоборот, сжимающие поверхностные напряжения разрушения могут использоваться для защиты от коррозионного растрескивания.
При увеличении величины приложенных напряжений уменьшается время до полного разрушения металла. Для коррозионного растрескивания обычно необходимы высокие напряжения, приближающиеся к пределу текучести, однако, часто разрушение может наступить и при напряжениях, значительно меньших предела текучести. Для многих систем сплавов наблюдается какой-то «порог» или «предел» напряжений, т. е. напряжения, ниже которых коррозионное растрескивание не происходит за определенный период времени. Такая зависимость, наблюдавшаяся, например, при замедленном растрескивании сталей, указывает, что основную роль в процессе разрушения играют напряжения.
Наиболее эффективный метод повышения устойчивости металлов против коррозионного растрескивания состоит в использовании соответствующих конструктивных мероприятий и способов обработки, сокращающих до минимума величину остаточных напряжений. Если остаточные напряжения неизбежны, успешно может быть применена термообработка, снимающая эти напряжения. Если позволяют условия, может быть использована, например, дробеструйная обработка, вызывающая сжимающие поверхностные напряжения, которые впоследствии дают возможность нагружать материал, не вызывая напряженного состояния поверхности. Одним из методов, который получает все большее признание и который связан с электрохимическим фактором процесса растрескивания, является применение катодной защиты.
Защита конструкций и машин, выполненных из титана и его сплавов, от коррозии
Защита конструкций выполненных из титана и его сплавов от коррозионного разрушения состоит из целого комплекса мероприятий по увеличению работоспособности и надежности данных конструкций и машин в коррозионной среде. Часть этих мер закладывается еще в процессе проектирования, часть – в процессе изготовления машин или конструкций, а остальные меры должны быть приняты в процессе эксплуатации.
1) Создание рациональных конструкций. Выбор материалов и их сочетаний для данного изделия, конечно, диктуется технической и экономической целесообразностью, но должен обеспечивать его коррозионную устойчивость. Конструктор должен предусмотреть рациональные формы частей машины, допускающие быструю очистку от грязи; машина не должна иметь мест скопления влаги, которая является возбудителем коррозии.
2)Обработка окружающей среды. Для разных видов коррозионных процессов обработка среды принимает различные формы. Сюда можно отнести удаление или снижение концентрации веществ, вызывающих или ускоряющих коррозионные процессы, а также введение замедлителей или ингибиторов коррозии.
Так, например, высокотемпературная газовая коррозия происходит главным образом за счет кислорода воздуха или других окисляющих сред, удалить кислород из которых нельзя, так как это нарушит работу машин (двигателей) или конструкций (оболочки, плоскости и т. д.). Поэтому обработка сводится только к удалению катализирующих веществ или веществ, наличие которых приводит к нарушению устойчивых оксидных слоев, пассивирующих металл.
На устойчивость оксидных слоев вредно влияет наличие галогенов, образующих летучие соединения. Поглощение галогенов или изменение состава окислительной среды (без галогенов) значительно повышает устойчивость металлических поверхностей.
К обработке среды можно в полной мере отнести и общие мероприятия по сохранению окружающей среды, требующие очистки промышленных и выхлопных газов, так как увеличение содержания в воздухе SO2, CO2, оксидов азота и других газов не только пагубно действует на окружающую природу, но и форсирует разрушение металлических конструкций в результате атмосферной коррозии, особенно в больших городах и вблизи промышленных предприятий.
В приборостроительной практике при герметизации схем обычно заменяют воздух на гелий или аргон высокой чистоты, что вообще исключает коррозию. Если есть возможность, то создается вакуум 1,33 10-2 – 1,33 10-3 Па. При необходимости сообщения приборного устройства с атмосферой и невозможности герметизации его ставят поглотители, сорбирующие влагу и диоксид углерода из воздуха и тем самым снижают возможность появления коррозионных пар.
3)Создание защитных покрытий. Цель их нанесения – предотвратить непосредственный контакт поверхности металлов, сплавов с агрессивными компонентами среды (Н2O, О2, Н+, NOx, SO2. SO3 и т.д.) Такие покрытия не только обеспечивают защиту от коррозии, но и сообщают изделиям эстетические качества (декоративность). Защитные покрытия должны быть более устойчивы к коррозии, чем защищаемые металлы. Такие покрытия должны быть сплошными, хорошо удерживаться на металлической основе (хорошая агдезия).
