Характеристики сплавов на основе титана, свойства металла и области применения

Характеристики сплавов на основе титана, свойства металла и области применения

Вопросы, рассмотренные в материале:

  • Каковы свойства титана
  • Что добавляют в титан для получения сплава
  • Каковы свойства сплавов титана
  • Где используют титан и его сплавы

Титановые сплавы обладают таким количеством преимуществ, что это выгодно отличает их от других соединений.

Высокая удельная прочность, устойчивость к повышенным температурам, стойкость к коррозии, податливость к сварке – эти и многие другие свойства титана и его сплавов сделали эти материалы особо ценными в сфере металлообработки. В нашей статье мы подробнее рассмотрим все свойства этого удивительного металла.

Характеристики титана

В таблице Менделеева Титан (Ti) можно найти под номером 22. Этот металл и его сплавы являются четырехвалентными. Кипение достигается при температуре +3330 °С, а плавление при +1168 °С.

Выделяют два вида титана, которые имеют идентичный химический состав при разном строении. Это обуславливает отличия в их свойствах. Низкотемпературная α-модификация сохраняет устойчивость только до температуры +882,5 °С, β-модификация может выдерживать большую температуру и сохраняет устойчивость до температуры плавления.

Характеристики сплавов на основе титана, свойства металла и области применения

Титан и его сплавы парамагнитны. Удельное электросопротивление этого материала достаточно высоко 5.562*10-7–7.837*10-7 Ом/м. Он отличается низкой восприимчивостью температуры при нагревании. В случае снижения температуры до 0,45 К, титан становится проводником. Сталь и титан внешне очень похожи.

Если сравнивать титан с алюминием или железом, то его плотность и удельная теплоемкость находятся где-то посередине. Зато он обладает высокой механической прочностью, превосходя в этом параметре алюминий в 6 раз, а чистое железо в 13 раз. Данный материал может быть представлен в любой форме: листами, плитами, трубами и прутками.

Механические и технические свойства титана и его сплавов, а также их химический состав определяются маркой материала. В его состав могут входить следующие элементы:

  • алюминий;
  • молибден;
  • ванадий;
  • марганец;
  • хром;
  • олово;
  • кремний;
  • цирконий;
  • железо.

Свойства титана и его сплавов

Стандартно выделяются три категории титановых сплавов:

  1. Конструкционные и высокопрочные титановые сплавы. Имеют очень твердый состав, благодаря которому достигается идеальный баланс пластичности и прочности.
  2. Жаропрочные титановые сплавы. Имеют твердый состав, включающий в себя определенное количество химического соединения, что несколько снижает пластичность, зато придает высокую жаропрочность.
  3. Титановые сплавы на основе химического соединения. Этот жаропрочный состав имеет малую плотность и может составить конкуренцию никелевым соединениям по жаропрочности при определенной температуре.

Сейчас Ti очень широко используют в конструкционной деятельности. Еще 200 лет назад его считали неподходящим для конструирования, но прошло время, и на данный момент это один из самых долговечных и надежных материалов с широким спектром других полезных свойств.

Характеристики сплавов на основе титана, свойства металла и области применения

Рассмотрим подробнее самые популярные сплавы титана, их свойства и применение:

Технический титан. Полуфабрикаты технического Ti марок ВТ1-00 и ВТ1-0 поставляются в большом количестве металлургическими заводами. В состав этих марок входят примеси железа, азота, кремния, кислорода, углерода и пр.

При этом в разновидности ВТ1-0 примесей значительно больше, чем обуславливается его большая прочность и меньшая пластичность по сравнению со второй маркой.

Высокая пластичность этих марок позволяет изготавливать тончайшие изделия, включая фольгу.

Эти материалы не обладают высокой прочностью, поэтому для ее увеличения можно выполнить нагартовку. Правда, при этом снизится пластичность.

Нагартовка не является оптимальным методом улучшения свойств данного металла, поскольку пластичность снижается гораздо сильнее, чем повышается прочность. Еще одним недостатком технического Ti является водородная хрупкость.

Важно следить за тем, чтобы содержание водорода не превышало 0,008 % в титане ВТ1-00 и 0,01 % в ВТ1-0.

Для легирования сплава ВТ5 (ВТ5Л) использовали лишь алюминий, который является самым распространенным легирующим средством. Особые свойства алюминия привели его к лидирующим позициям среди всех лигирующих добавок:

  1. алюминий является природным материалом, который можно легко найти и стоит недорого;
  2. меньшая по сравнению с Ti плотность алюминия позволяет значительно повышать удельную прочность получаемого состава;
  3. чем больше в составе алюминия, тем более жаропрочное соединение получается, также увеличивается сопротивление ползучести соединения;
  4. включение в состав алюминия позволяет улучшить показатели модулей упругости;
  5. повышение объема алюминия в соединении снижает их водородную хрупкость.

По сравнению с техническим Ti, для марки ВТ5 характерны такие свойства, как большая прочность и жароустойчивость. Улучшение данных свойств приводит к снижению технологической пластичности Ti.

Соединение ВТ5 в горячем состоянии может быть подвергнуто штамповке, ковке и прокату, что позволяет производить профильную, прутковую и штамповочную продукцию.

Но основной сферой применения является фасонное литье (марка ВТ5Л), а не металл в деформированном состоянии.

Соединение ВТ5-1 включено в систему Ti-Al-Sn. Технологические свойства титана и его сплавов с алюминием улучшаются за счет олова. Это приводит к снижению окислительных процессов и увеличению сопротивления ползучести.

Прочностные свойства этого сплава титана позволяют отнести его к соединениям средней прочности. При этом ВТ5-1 не поддается надрезам, предел его выносливости с достаточным запасом, уровень жаропрочности достигает +450 °С.

Характеристики сплавов на основе титана, свойства металла и области применения

С технологической точки зрения ВТ5-1 более предпочтителен (по сравнению с ВТ5). Основная сфера применения: поковки, листы, профили, плиты, штамповки, трубы, проволока и другие виды полуфабрикатов, производимых под давлением.

Соединение образуется путем сваривания. При этом основной материал и сварное соединение обладают одинаковой прочностью. Воздействие высокой температурой не повышает прочности ВТ5-1.

Если необходимо работать при криогенных температурах, то надо контролировать содержание примесей в материале, поскольку превышение допустимого порога может приводить к повышению хладноломкости. Маркировка ВТ5-1кт обозначает состав с пониженным содержанием примесей.

В европейских странах соединение Ti-5A1-2,5Sn используют двумя способами: по стандартному назначению и для работы при криогенных температурах. Состав для криогенной работы маркируют Ti-5AI-2,5Sn ELI и также для поддержания его свойств следят за уровнем примесей.

Высокотехнологичное соединение с малой прочностью маркируют ОТ4-0. Под давлением в результате горячей обработки марганец способен повысить технологичность состава. Это сплав титана псевдо-α-класса с небольшим количеством β-фазы.

Не подлежит термическому упрочнению. Сфера применения: поковки, листы, прутки, ленты, штамповки и полосы. Легко принимает нужную форму при холодной и горячей обработке. Допускается даже штамповка в условиях комнатной температуры.

Свойства материала прекрасно подходят для сварочных работ.

Среди наиболее технологичных можно выделить сплав титана ОТ4-1. Обладает следующими свойствами: малопрочный, малолегированный псевдо-α-класса системы Ti-Al-Mn, прекрасно деформируется. Можно менять форму этого титанового сплава как в горячем, так и в холодном состоянии. Сфера применения: поковки, листы, профили, плиты, ленты, прутки, полосы и трубы.

На холодную в основном выполняется листовая штамповка, не требующая сложной формы. Если необходимо изготовить более сложную по форме деталь, то желательно подогреть материал до +500 °С. Свойства ОТ4-1 позволяют использовать его для выполнения сварочных работ любым способом. При этом основной металл и сварное соединение будут обладать одинаковой прочностью и пластичностью.

Для полного отжига необходима температура +640…+690 °С (подходит для изготовления листовых полуфабрикатов и их производных) и +740…+790 °С (для изготовления поковок, прутков, штамповки и пр.).

Для неполного отжига достаточно температуры +520…+560 °С. Среди свойств, которые понижают ценность данного сплава, можно выделить невысокую прочность и излишнюю водородную хрупкость (для поддержания оптимальных свойств металла необходимо содержание водорода не более 0,005 %).

Характеристики сплавов на основе титана, свойства металла и области применения

Сферы применения титана и его сплавов

Свойства титана и его сплавов нашли широкое применение в ракетной, авиационной и судостроительной отраслях. Титан и ферротитан являются лигирующими добавками к стали. Кроме этого, они могут выступать в качестве раскислителя.

Широкое распространение технический титан получил при изготовлении изделий, подвергающихся агрессивному воздействию среды (например, трубопроводы, клапаны, химические реакторы, арматура и пр.). Даже в электровакуумных приборах, работа которых тесно связана с высокой температурой, сетки и некоторые другие детали изготовлены из этого устойчивого материала.

Среди конструкционных материалов титан занимает четвертое место (после железа, алюминия и магния).

Важным свойством титанового сплава с алюминием является высокая стойкость к окислению и повышению температуры, что особенно актуально для авиационной и автомобильной промышленности.

Пищевая промышленность и восстановительная хирургия по достоинству оценили такое свойство этого материала, как биологическая безопасность для здоровья человека.

Разнообразие свойств титана и его сплавов довольно широко: высокая механическая прочность, устойчивость к повышению температуры, удельная прочность, стойкость к коррозии, низкая плотность и многие другие.

Несмотря на высокую стоимость этого металла, затраты могут быть компенсированы более длительным сроком эксплуатации. А в некоторых ситуациях только этот материал способен выдержать работу в конкретных условиях.

Для авиастроения большое значение имеет такое свойство, как легкость материала в сочетании с высокой прочностью. Возможность использовать легкий Ti для работы в среде, где преобладают высокие температуры, выгодно отличает его от алюминия.

Эти свойства титана и его сплавов позволяют использовать их при изготовлении обшивки самолетов, деталей шасси и крепления, и даже для конструирования реактивных двигателей. При этом масса изделия снижается на 10–25 %.

Элементы воздухозаборников, лопатки и диски компрессоров, крепеж и многие другие детали производятся именно из титановых сплавов.

Ракетостроение также не обходится без данного материала, поскольку здесь необходимо решать сразу несколько проблем, возникающих из-за слишком малого срока работы двигателей при быстром прохождении плотных слоев атмосферы. Такие проблемы, как статическая выносливость, ползучесть и усталостная прочность, можно преодолеть за счет использования титана.

Свойства технического титана не соответствует в полной мере запросам авиационной отрасли, поскольку он не обладает достаточной тепловой прочностью. Зато его свойство сопротивляться коррозии нашло свое применение в судостроительной и химической промышленности. Здесь с его помощью изготавливают насосы для перекачки кислоты или соли, компрессоры, трубопроводы и запорную арматуру.

Емкости и фильтры из этого материала не поддаются негативному влиянию серной и соляной кислоты, а также растворам хлора. Помимо этого, Ti входит в состав материала для изготовления теплообменников, работающих в агрессивной среде (к примеру, в азотной кислоте).

В области судостроения его можно встретить в обшивке подводных лодок и других кораблей, в материале торпед и гребных винтов. Удивительные свойства титана и его сплавов способствуют тому, что ракушки просто не налипают на такие детали.

Вследствие этого снижается сопротивление судна во время движения.

Повсеместное использование соединений этого металла могло бы приобрести колоссальные темпы, если бы не его высокая стоимость и малая распространенность.

В промышленности соединения титана используются с разными целями в зависимости от их свойств. Так, высокая твердость карбида позволяет изготавливать из него режущие инструменты и абразивы. В производстве бумаги и пластика нашел свое применение белый диоксид. Кроме этого, с помощью него изготавливаются титановые белила.

В лакокрасочной и химической промышленности титаноорганические соединения используются как отвердитель и катализатор.

Также в качестве добавки Ti применяют в химической, стекловолоконной и электронной промышленности, где идут в дело его неорганические соединения.

Из нитрида титана изготавливают специальное покрытие для инструментов, а для обработки металлов чаще используют диборид как компонент, придающий твердость.

Характеристики сплавов на основе титана, свойства металла и области применения

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Читайте также:  Особенности выбора клещей для опрессовки наконечников: описание, виды, применение

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

  • цветные металлы;
  • чугун;
  • нержавеющую сталь.

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.

Источник: https://vt-metall.ru/articles/169-svojstva-titana-i-ego-splavov

Области применения, основные характеристики и свойства титана и его сплавов

Титан занимает 4-е место по распространению в производстве, но эффективная технология его извлечения была разработана только в 40-х гг прошлого века.

Это металл серебристого цвета, характеризующийся небольшой удельной массой и уникальными характеристиками.

Для анализа степени распространения в промышленности и других сферах необходимо озвучить свойства титана и области применения его сплавов.

Основные характеристики

Металл обладает малой удельной массой – всего 4.5 г/см³. Антикоррозийные качества обусловлены устойчивой оксидной пленкой, образующейся на поверхности. Благодаря этому качеству титан не изменяет своих свойств при длительном нахождении в воде, соляной кислоте. Не возникают поврежденные участки из-за воздействия напряжения, что является основной проблемой стали.

  • Характеристики сплавов на основе титана, свойства металла и области применения
  • В чистом виде титан обладает следующими качествами и характеристиками:
  • номинальная температура плавления — 1 660°С;
  • при термическом воздействии +3 227°С закипает;
  • предел прочности при растяжении – до 450 МПа;
  • характеризуется небольшим показателем упругости – до 110,25 ГПа;
  • по шкале НВ твердость составляет 103;
  • предел текучести один из самых оптимальных среди металлов – до 380 Мпа;
  • теплопроводность чистого титана без добавок – 16,791 Вт/м*С;
  • минимальный коэффициент термического расширения;
  • этот элемент является парамагнитом.

Для сравнения, прочность этого материала в 2 раза больше, чем у чистого железа и в 4 раза такого же показателя алюминия. Также титан имеет две полиморфные фазы – низкотемпературную и высокотемпературную.

Характеристики сплавов на основе титана, свойства металла и области применения

Для производственных нужд чистый титан не применяется из-за его дороговизны и требуемых эксплуатационных качеств. Для повышения жесткости в состав добавляют оксиды, гибриды и нитриды.

Реже изменяют характеристики материала для улучшения стойкости к коррозии. Основные виды добавок для получения сплавов: сталь, никель, алюминий.

В некоторых случаях он выполняет функции дополнительного компонента.

О технологии сварки титана читайте здесь.

Области применения

Благодаря небольшой удельной массе и прочностным параметрам титан широко используется в авиационной и космической промышленности. Его применяют в качестве основного конструкционного материала в чистом виде. В особых случаях за счет уменьшения жаропрочности делают более дешевые сплавы. При этом его сопротивление коррозии и механическая прочность остаются неизменными.

  1. Характеристики сплавов на основе титана, свойства металла и области применения
  2. Кроме этого, материал с добавками титана нашел применение в следующих областях:
  • Химическая промышленность. Его стойкость практически ко всем агрессивным средам, кроме органических кислот, позволяет изготавливать сложное оборудование с хорошими показателями безремонтного срока службы.
  • Производство транспортных средств. Причина – небольшая удельная масса и механическая прочность. Из него делают каркасы или несущие элементы конструкций.
  • Медицина. Для особых целей применяется специальный сплав нитинол (титан и никель). Его отличительное свойство – память формы. Для уменьшения нагрузки пациентов и минимизации вероятности негативного воздействия на организм многие медицинские шины и подобные им устройства делают из титана.
  • В промышленности металл применяется для изготовления корпусов и отдельных элементов оборудования.
  • Ювелирные украшения из титана обладают уникальным внешним видом и качествами.

Характеристики сплавов на основе титана, свойства металла и области применения

Особенности обработки

Для придания изделию нужной формы необходимо использовать специальное оборудование – токарный и фрезерный станок. Ручное резание или фрезеровка титана невозможна из-за его твердости. Помимо выбора мощности и других характеристик оборудования необходимо правильно подобрать режущие инструменты: фрезы, резцы, развертки, сверла и т.д.

  • Характеристики сплавов на основе титана, свойства металла и области применения
  • При этом учитываются такие нюансы:
  • Титановая стружка легко воспламеняется. Необходимо принудительное охлаждение поверхности детали и работа на минимальных скоростях.
  • Гибка изделия выполняется только после предварительного разогрева поверхности. В противном случае велика вероятность появления трещин.
  • Сварка. Обязательно соблюдение особых условий.

Титан – уникальный материал с хорошими эксплуатационными и техническими качествами. Но для его обработки следует знать специфику технологии, а главное – технику безопасности.

Источник: https://ismith.ru/metal/svojstva-titana-i-ego-splavov/

Двоякость свойств металла титан

Многих интересует немного загадочный и не до конца изученный титан — металл, свойства которого отличаются некоторой двоякостью. Металл и самый прочный, и самый хрупкий.

Характеристики сплавов на основе титана, свойства металла и области примененияСамый прочный и самый хрупкий металл

Его открыли двое ученых с разницей в 6 лет — англичанин У. Грегор и немец М. Клапрот. Название титана связывают, с одной стороны, с мифическими титанами, сверхъестественными и бесстрашными, с другой стороны, с Титанией — королевой фей.
Это один из самых распространенных в природе материалов, но процесс получения чистого металла отличается особой сложностью.

Свойства титана

22 химический элемент таблицы Д. Менделеева Titanium (Ti) относится к 4 группе 4 периода.

Цвет титана серебристо-белый с выраженным блеском. Его блики переливаются всеми цветами радуги.

Это один из тугоплавких металлов. Он плавится при температуре +1660 °С (±20°). Титан отличается парамагнитностью: он не намагничивается в магнитном поле и не выталкивается из него.
Металл характеризуется низкой плотностью и высокой прочностью.

Но особенность этого материала заключается в том, что даже минимальные примеси других химических элементов кардинально изменяют его свойства.

При наличии ничтожной доли других металлов титан теряет свою жаропрочность, а минимум неметаллических веществ в его составе делают сплав хрупким.

Эта особенность обуславливает наличие 2 видов материала: чистого и технического.

  1. Титан чистого вида используют там, где требуется очень легкое вещество, выдерживающее большие нагрузки и сверхвысокие температурные диапазоны.
  2.  Технический материал применяется там, где ценятся такие параметры, как легкость, прочность и устойчивость к коррозии.

Вещество обладает свойством анизотропности. Это означает, что металл может изменять свои физические характеристики, исходя из приложенных усилий. На эту особенность следует обращать внимание, планируя применение материала.

Характеристики сплавов на основе титана, свойства металла и области примененияТитан теряет прочность при малейшем присутствии в нем примесей других металлов

Проведенные исследования свойств титана в нормальных условиях подтверждают его инертность. Вещество не реагирует на элементы, находящиеся в окружающей атмосфере.
Изменение параметров начинается при повышении температуры до +400°С и выше. Титан вступает в реакцию с кислородом, может воспламеняться в азоте, впитывает газы.

Эти свойства затрудняют получение чистого вещества и его сплавов. Производство титана основано на применении дорогостоящей вакуумной аппаратуры.

Титан и конкуренция с другими металлами

Этот металл постоянно сравнивают с алюминием и сплавами железа. Многие химические свойства титаназначительно лучше, чем у конкурентов:

  1. По механической прочности титан превосходит железо в 2 раза, а алюминий в 6 раз. Прочность его увеличивается при снижении температуры, чего не отмечается у конкурентов.
    Антикоррозионные характеристики титана значительно превышают показатели других металлов.
  2. При температурах окружающей среды металл абсолютно инертен. Но при повышении температуры свыше +200°С вещество начинает поглощать водород, изменяя свои характеристики.
  3. При более высоких температурах титан вступает в реакции с другими химическими элементами. Он обладает высокой удельной прочностью, что в 2 раза превосходит свойства лучших сплавов железа.
  4. Антикоррозионные свойства титана значительно превышают показатели алюминия и нержавеющей стали.
  5. Вещество плохо проводит электричество. Титан имеет удельное электросопротивление в 5 раз выше, чем у железа, в 20 раз, чем у алюминия, и в 10 раз выше, чем у магния.
  6. Титан характеризуется низкой теплопроводностью, это обусловлено низким коэффициентом температурного расширения. Она меньше в 3 раза, чем у железа, и в 12, чем у алюминия.

Какими способами получают титан?

Материал занимает 10 место по распространению в природе. Существует около 70 минералов, содержащих титан в виде титановой кислоты или его двуокиси. Наиболее распространенные из них и содержащие высокий процент производных металла:

  • ильменит;
  • рутил;
  • анатаз;
  • перовскит;
  • брукит.

Основные залежи титановых руд находятся в США, Великобритании, Японии, большие месторождения их открыты в России, Украине, Канаде, Франции, Испании, Бельгии.

Характеристики сплавов на основе титана, свойства металла и области примененияДобыча титана — дорогой и трудозатратный процесс

Получение металла из них стоит очень дорого. Ученые разработали 4 способа производства титана, каждый из которых рабочий и эффективно используется в промышленности:

  1. Магниетермический способ. Добытое сырье, содержащее титановые примеси, перерабатывают и получают диоксид титана. Это вещество подвергается хлорированию в шахтных или солевых хлораторах при повышенном температурном режиме. Процесс очень медленный, ведется в присутствии углеродного катализатора. При этом твердый диоксид переводится в газообразное вещество — тетрахлорид титана. Полученный материал восстанавливается магнием или натрием. Сплав, образовавшийся при реакции, подвергают нагреванию в вакуумной установке до сверхвысоких температур. В результате реакции происходит испарение магния и его соединений с хлором. В конце процесса получают губкоподобный материал. Его плавят и получают титан высокого качества.
  2. Гидридно-кальциевый способ. Руду подвергают химической реакции и получают гидрид титана. Следующий этап — разделение вещества на составляющие. Титан и водород выделяют в процессе нагревания в вакуумных установках. По окончании процесса получают оксид кальция, который отмывают слабыми кислотами. Первые два способа относятся к промышленному производству. Они позволяют получать в кратчайшие сроки чистый титан с относительно небольшими издержками.
  3. Электролизный метод. Титановые соединения подвергают воздействию током большой силы. В зависимости от исходного сырья, соединения разделяются на составляющие: хлор, кислород и титан.
  4. Йодидный способ или рафинирование. Полученный из минералов диоксид титана обдают парами йода. В результате реакции образуется йодид титана, который нагревают до высокой температуры — +1300…+1400°С и воздействуют на него электрическим током. При этом из исходного материала выделяются составляющие: йод и титан. Металл, полученный данным способом, не имеет примесей и добавок.

Области применения

Применение титана зависит от степени его очистки от примесей. Наличие даже небольшого количества других химических элементов в составе сплава титана кардинально меняет его физико-механические характеристики.

Титан с некоторым количеством примесей называется техническим. Он имеет высокие показатели коррозийной стойкости, это легкий и очень прочный материал. От этих и других показателей зависит его применение.

  • В химической промышленности из титана и его сплавов изготавливают теплообменники, различного диаметра трубы, арматуру, корпуса и детали для насосов различного назначения. Вещество незаменимо в местах, где требуются высокая прочность и стойкость к кислотам.
  • На транспорте титан используют для изготовления деталей и агрегатов велосипедов, автомобилей, железнодорожных вагонов и составов. Применение материала уменьшает вес подвижных составов и автомобилей, придает легкость и прочность велосипедным деталям.
  • Большое значение титан имеет в военно-морском ведомстве. Из него изготавливают детали и элементы корпусов для подводных лодок, пропеллеры для лодок и вертолетов.
  • В строительной промышленности применяется сплав цинк-титан. Он используется как отделочный материал для фасадов и кровель. Этот очень прочный сплав имеет важное свойство: из него можно изготавливать архитектурные детали самой фантастической конфигурации. Он может принимать любую форму.
  • В последнее десятилетие титан широко применяют в нефтедобывающей отрасли. Сплавы его применяют при изготовлении оборудования для сверхглубокого бурения. Материал используется для изготовления оборудования для добычи нефти и газа на морских шельфах.
Читайте также:  Физические свойства и температура плавления золота и его сплавов

Характеристики сплавов на основе титана, свойства металла и области примененияУ титана очень широкая область применения

Чистый титан имеет свои области применения. Он нужен там, где необходима стойкость к высоким температурам и при этом должна сохраняться прочность металла.

Его применяют в:

  • авиастроении и космической отрасли для изготовления деталей обшивки, корпусов, элементов крепления, шасси;
  • медицине для протезирования и изготовления сердечных клапанов и других аппаратов;
  • технике для работы в криогенной области (здесь используют свойство титана — при снижении температуры усиливается прочность металла и не утрачивается его пластичность).

В процентном соотношении использование титана для производства различных материалов выглядит так:

  • на изготовление краски используется 60 %;
  • пластик потребляет 20 %;
  • в производстве бумаги используют 13 %;
  • машиностроение потребляет 7 % получаемого титана и его сплавов.

Сырье и процесс получения титана дорогостоящие, затраты на его производство компенсируются и окупаются сроком службы изделий из этого вещества, его способностью не менять свой внешний вид за весь период эксплуатации.

Источник: https://ometallah.com/svojstva/dvoyakost-titana.html

Применение металла титан в промышленности и строительстве

Характеристики сплавов на основе титана, свойства металла и области применения

Совмещение в одном веществе прочности и легкости – параметр ценный настолько, что остальные качества и особенности материала могут совершенно игнорироваться. Титан дорог в производстве, стоек к температурам только в сверхчистом виде, сложен в использовании, но все это оказывается второстепенным по сравнению с комбинацией малого веса и высокой прочности.

Данная статья расскажет вам о применении титана в военной авиации, промышленности, медицине, авиастроении, для изготовления ювелирных изделий, о сплавах титана, их свойствах и применении в быту.

Область использования металла была бы значительно шире, если бы не высокая стоимость его получения. Из-за этого применяют титан лишь в тех областях, где использование столь дорогого вещества экономически оправдано. Обуславливает применение не только прочность и легкость, но и стойкость к коррозии, сравнимая со стойкостью благородных металлов и долговечности.

  • Свойства металла необыкновенно сильно зависят от чистоты, поэтому применение технического и чистого титана рассматриваются как 2 отдельных вопроса.
  • О том, благодаря каким свойствам титан так широко используется в промышленности, расскажет это видео:

Технический титан может содержать разнообразные примеси, не сказывающиеся на химических свойствах вещества, однако имеющих влияние на физические. Технический титан теряет такое ценное качество, как жаропрочность и способность работать при температурах выше 500–600 С. А вот коррозийная его стойкость никак не уменьшается.

  • Этим и обусловлено его применение – в химической промышленности и в любой другой области, где необходимо обеспечить стойкость изделий в агрессивных средах. Из титана изготавливают емкости для хранения, арматуру, части реакторов, трубопроводов и насосов, назначением которых является перемещение неорганических и органических кислот и оснований. Такими же свойствами в большинстве своем обладают и титановые сплавы.
  • Малый вес совместно с коррозийной стойкостью обеспечивает и другое применение – при изготовлении транспортной техники, в частности, железнодорожного транспорта. Использование титановых листов и прутков при изготовлении вагонов и поездов позволяет уменьшить массу составов, а, значит, уменьшить размеры букс и шеек, сделав тягу более эффективной.

В обыкновенных автомобилях из титана изготавливают системы отведения отработанных газов и витые пружины. В гоночных автомобилях титановые движущие узлы позволяют заметно облегчить машину и улучшить ее свойства.

  • Незаменим титан в производстве бронетанковой техники: вот где соединение прочности и легкости оказывается решающим.
  • Высокая коррозийная стойкость и легкость делает материал привлекательным и для военно-морского дела. Титан применяют при изготовлении тонкостенных труб и теплообменников, выхлопных глушителей на подводных лодках, клапанов, пропеллеров, элементов турбин и так далее.

Изделия из титана (фото)

Характеристики сплавов на основе титана, свойства металла и области применения

Чистый металл

Чистый металл проявляет очень высокую жаропрочность, способность работать в условиях высокой нагрузки и высокой температуры. А, учитывая его малый вес, применение металла в ракето- и авиастроении оказывается очевидным.

  • Из металла и его сплавов изготавливают детали крепления, обшивку, части шасси, силовой набор и так далее. Кроме того, материал используется при конструировании авиационных двигателей, что позволяет снизить их вес на 10–25%.
  • Ракеты при прохождении через плотные слои атмосферы испытывают чудовищные нагрузки. Применение титана и его сплавов позволяет разрешить задачу статической выносливости аппарата, усталостной прочности и в какой-то мере ползучести.
  • Еще одно применение чистого титана – изготовление деталей электровакуумных приборов, рассчитанных на эксплуатацию в условиях перегрузок.
  • Незаменим металл в производстве криогенной техники: прочность титана с понижением температуры только увеличивается, но при этом сохраняется некоторая пластичность.
  • Титан является едва ли не самым биологически инертным веществом. Коммерчески чистый металл используют для изготовления всех видов внешних и внутренних протезов вплоть до сердечных клапанов. Титан совместим с биологической тканью и не вызвал ни единого случая аллергии. Кроме того, материал применяют для хирургических инструментов, инвалидных костылей, колясок и так далее.

Однако при всей своей стойкости к температурам и долговечности металл не используется при изготовлении подшипников, втулок и других деталей, где предполагается трение. Титан обладает низкими антифрикционными свойствами и с помощью добавок этот вопрос не решается.

Титан хорошо полируется, анодируется – цветное анодирование, поэтому часто применяется в художественных произведениях и в архитектуре. Примером может послужить памятник первому искусственному спутнику земли или памятник. Ю. Гагарину.

  1. Про маркировку на изделиях из титана, инструкции по его применению и иные важные моменты использования металла в строительстве, расскажем ниже.
  2. В видео ниже показан процесс андонирования титана:

Конечно, львиная доля титана используется в авиастроении и в транспортной промышленности, где особенно важно сочетание прочности и легкости. Однако и в строительстве материал применяется, и применялся бы шире, если бы не высокая стоимость.

Обшивка титаном

Эта технология распространена пока мало, но, например, в Японии титановые листы очень широко используют для отделки крыш и даже внутренних интерьеров. Доля материала, расходуемого в строительстве, значительно выше доли, используемой в авиасекторе.

Связано это как с прочностью такой облицовки, так и с ее удивительными декоративными возможностями. Методом анодного окисления на поверхности листа можно получить слой оксидов разной толщины. Цвет при этом изменяется. Изменяя время отжига и интенсивность, можно получить желтый, бирюзовый, синий, розовый, зеленый цвета.

При анодировании в атмосфере азота изготавливают листы со слоем нитрида титана. Таким образом, получают самые разнообразные оттенки золота. Эта технология используется при реставрации памятников архитектуры – восстановление церквей, например.

Далее будет рассмотрен такой способ применения титана как изготовление фальцевой кровли.

Фальцевые кровли

Характеристики сплавов на основе титана, свойства металла и области примененияЭтот вариант уже получил весьма широкое распространение. Но, правда, основой его служит не сам титан, а его сплав с цинком.

Сами по себе фальцевые кровли известны очень давно, но давно не пользовались популярностью. Однако сегодня благодаря моде на стили хай-так и техно появилась потребность в ломаных и сплайновых поверхностях, особенно переходящих в фасад здания. А такую возможность и предоставляет металлическая кровля.

Ее способность к формообразованию практически безгранична. А применение сплава цинк-титан обеспечивает и исключительную прочность, и самый необычный внешний вид. Хотя справедливости ради базовый матово-стальной цвет считается самым респектабельным.

Поскольку цинк-титан обладает вполне достойной ковкостью, из сплава изготавливают разнообразные сложные декоративные детали: коньки крыш, водостойкие отливы, карнизы и прочее.

Такая область применения титана как облицовка фасада рассмотрена кратко ниже.

При изготовлении облицовочных панелей также используется цинк-титан. Применяют панели и для облицовки фасадов, и для отделки интерьеров. Причина та же – комбинация прочности, исключительной легкости и декоративности.

Выпускаются панели самой разной формы – в виде ламелей, ромбов, модулей, чешуи и так далее. Самое интересное, это то, что панели могут быть не плоскими, а принимать едва ли не любые объемные формы. В результате такая отделка возможна на стенах и зданиях любой, самой немыслимой конфигурации.

Легкость изделия обуславливает и другое совершенно уникальное применение. Обычный вентилируемый фасад подразумевает закрепление плит и зазор между облицовкой и утеплителем. Однако легкие панели цинк-титана можно крепить на подвижные открывающиеся механизмы, образуя систему, наподобие жалюзи. Пластины по необходимости могут отклоняться от плоскости на угол в 90 градусов.

Титан обладает уникальным сочетанием прочности, легкости и коррозийной стойкости. Эти качества обуславливают его применение, несмотря на высокую стоимость материала.

О том, как сделать кольцо из титана, расскажет это видео:

Источник: http://stroyres.net/metallicheskie/vidyi/tsvetnyie/titan/primenenie-v-promyishlennosti-i-stroitelstve.html

Введение. СВОЙСТВА И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ТИТАНА И ЕГО СПЛАВОВ

Титан является одним из наиболее распространенных элементов. По содержанию в земной коре он стоит на десятом месте, а среди металлов, используемых в качестве конструкционных материалов, занимает четвертое место, уступая только алюминию (8,8 %), железу (5,1 %) и магнию (2,35 %); (титан — 0,61 %, а все остальные используемые в промышленности металлы — 0,2 %).

Титан расположен в IVA подгруппе первого большого периода Периодической системы Д.И. Менделеева, атомный номер титана 22, атомная масса 47,90. Температура плавления 1665 °С. Титан имеет две аллотропические модификации.

Низкотемпературная a-модификация существует до 882,5 °С, обладает гексагональной плотноупакованной решеткой. При температуре 25 °С периоды решетки а-титана составляют: а = 0,295111 нм; с = 0,468433 нм; с/а = 1,587.

Высокотемпературная p-модификация ((3-титан) устойчива от 882,5 °С до температуры плавления, имеет объемно- центрированную кубическую решетку с периодом 0,3282 нм.

По плотности титан занимает промежуточное положение между двумя основными конструкционными металлами — алюминием и железом. Плотность титана при комнатной температуре равна 4,505 кг/м3. Плотность р-титана при 900 °С равна 4319 кг/м3, а жидкого титана при температуре, близкой к температуре кристаллизации, — 4110 кг/м3.

Отличительная особенность титана — низкий коэффициент теплопроводности: при температуре 20 °С он равен 13,4 Вт/(м-К), что в 13 раз меньше, чем у алюминия, и в 5 раз меньше, чем у железа. Удельная теплоемкость титана при 20 °С равна 0,525 кДжДкг-К). С ростом температуры удельная теплоемкость возрастает и при температуре 1500 °С достигает 0,698 кДжДкг-К).

При температуре 1700— 1750 °С удельная теплоемкость жидкого титана равна 1,18 кДжДкг-К), а коэффициент теплопроводности — 24 Вт/(м-К). Удельная теплота кристаллизации титана составляет 419 кДж/кг, что в 1,6 раза больше, чем у железа. Поверхностное натяжение жидкого титана при 1700—1750 °С составляет 1390 ±40 МДж/м2.

При относительно невысоком содержании примесей титан обладает хорошей пластичностью и низкой прочностью (табл. В1).

Таблица В1. Сравнительная характеристика свойств титана и других конструкционных металлов

Показатель Титан Алюминий Магний Железо Никель Медь
Температура плавления, °С 1665 659 650 1539 1455 1083
Температура кипения,°С 5100 2100 1090 2735 3337 2360
Плотность р, кг/м3 4500 2700 1740 7860 8800 8900
Предел прочности при растяжении ав, МПа 340 98 98 196 320 245
Удельная прочность, (ав /р) Ю2 7,5 3,6 5,6 2,5 3,6 2,7
Удлинение, % 50 40 20 40 40 50
Коэффициент теплопроводности, ВтДмК) 13,4 217,9 145,7 84 59,5 385,5
Содержание в земной коре, % 0,61 8,8 2,35 5,1 0,018 0,01
Читайте также:  Преимущества установки сварной сетки для забора с точки зрения практичности

Механические свойства титана очень сильно зависят от примесей кислорода, азота и углерода, которые образуют с титаном твердые растворы и различные химические соединения. Наиболее сильное упрочняющее действие с одновременным снижением пластичности на титан оказывают азот, затем кислород и углерод.

Модуль нормальной упругости ^титана в зависимости от ориентировки кристаллических зерен и содержания примесей изменяется в широких пределах — от 106 до 146 ГПа. Среднее значение модуля упругости Е = 112 ГПа. С повышением температуры модуль упругости снижается почти по линейному закону и при 600 °С равен 70—80 ГПа.

Небольшой модуль упругости — недостаток титана как конструкционного материала, так как в отдельных случаях для получения жестких конструкций приходится увеличивать сечения изделия по сравнению с теми, которые следуют из условий прочности.

В табл. В1 приведены сведения о некоторых свойствах титана и других металлов, являющихся основой большинства конструкционных сплавов.

Титан — химически активный металл, тем не менее во многих агрессивных средах он обладает исключительно высоким сопротивлением коррозии, в большинстве случаев выше, чем у лучших марок нержавеющих сталей. Такое поведение титана связано с образованием на его поверхности плотной оксидной пленки ТЮ2, которая надежно защищает металл до температур 300—500 °С.

Поэтому титан химически инертен в тех средах, которые либо не разрушают ТЮ2, либо способствуют ее образованию. Так, титан устойчив в разбавленной серной кислоте, уксусной и молочной кислотах, сероводороде, во влажной хлорной атмосфере, в царской водке и во многих других агрессивных средах.

Введение в титан таких легирующих элементов, как молибден, цирконий, ниобий, тантал, значительно повышает коррозионную стойкость титана.

Титан интенсивно реагирует с плавиковой, соляной и серной кислотами, с горячими растворами щавелевой, трихлоруксусной кислот, а также с галогенами, фтористыми соединениями, смесями фтористых и хлористых солей щелочных металлов.

При температуре выше 500—700 °С оксидная пленка ТЮ2 растрескивается и ее защитные функции резко снижаются.

Поэтому при высоких температурах и особенно в жидком состоянии титан активно взаимодействует практически со всеми известными простыми и сложными по химическому составу веществами, особенно с газами — кислородом, азотом, водородом, оксидом и диоксидом углерода, водяным паром и др.

Титановые сплавы обладают замечательной совокупностью свойств, которые выгодно выделяют их из остальных сплавов.

Во-первых, это высокая прочность при малом удельном весе. В табл. В2 приведены данные по удельной прочности (ств/р) ряда конструкционных сплавов, откуда следует, что детали из титановых сплавов при той же массе, что и детали из других конструкционных сплавов, оказываются примерно в 2—3 раза прочнее. С увеличением температуры эта разница существенно возрастает.

Таблица В2. Сравнительная характеристика механических свойств литейных сплавов (удельная прочность)

Основа сплава Марка сплава Плотность р, кг/м3 Предел прочности ав, МПа Удельная прочность (ств/р)102
Алюминий АК12 2660 160 6,0
АК9 2650 230 8,7
АМ5 2780 335 12,0
Магний Мл-5 1830 230 12,6
Мл-12 1810 230 12,7
Железо Сталь 25Л 7850 450 5,7
Х18Н9ТЛ 7900 490 6,2
Титан ВТ5Л 4410 690 15,4
ВТ20Л 4500 940 20,9

Во-вторых, титан отличается исключительной химической стойкостью при низких температурах (до 300—500 °С). Во влажном воздухе, морской воде, азотной кислоте он противостоит коррозии не хуже лучших марок нержавеющих сталей, а в соляной кислоте — во много раз лучше ее.

К недостаткам титана и его сплавов можно отнести:

  • 0 высокую химическую активность титана при высоких температурах, особенно в жидком состоянии. Это обстоятельство серьезно осложняет проведение технологических операций, при которых требуется нагрев металла до высоких температур (плавка и литье, сварка, обработка давлением и др.);
  • 0 относительно плохую обрабатываемость резанием;
  • 0 более высокую стоимость производства титана по сравнению с железом, алюминием, магнием, медью.

Уникальные свойства титана и его сплавов определяют их широкое использование.

Титановые сплавы находят широкое применение как конструкционный материал в ряде ведущих отраслей техники, в первую очередь в авиакосмической, ракетной, судостроительной и химической промышленности.

Применение титановых сплавов позволяет значительно повысить технико-экономические показатели машиностроительной продукции, поэтому объем производства титана и титановых сплавов непрерывно возрастает.

По темпам роста производство титана не имеет равных себе среди прочих конструкционных металлов. Первые две тонны титана были получены в 1947 г., в 1954 г. производство составило 5000 т, а в 1976 г.

мировое производство превысило 200 000 т.

Интенсивное развитие производства титана связано с рядом его уникальных свойств, таких, как низкая объемная плотность, высокие механические свойства, отличная коррозионная стойкость в морской воде и ряде агрессивных химических сред, относительно хорошие технологические параметры.

На начальном этапе промышленного использования титановых сплавов была освоена технология литья слитков и получения из них листов, поковок, штамповок, прутков, труб, профилей путем деформирования.

На этом этапе основное внимание было сосредоточено на разработке технологического процесса плавки и литья слитков и создании высокопрочных и технологичных деформируемых титановых сплавов. Были опробованы и исследованы различные технологические варианты плавки и литья.

В конечном итоге появились промышленные установки для производства слитков, в которых плавка и литье слитков осуществляются в вакууме, расплавление металла производится электрической дугой, а в качестве шихты для первого переплава используют специально изготовленный расходуемый электрод из титановой губки и легирующих компонентов.

Получаемые при этом способе плавки слитки неоднородны по химическому составу, поэтому их вторично переплавляют, используя в качестве расходуемого электрода для получения слитка второго переплава, металл которого при соблюдении технологического процесса становится однороден по химическому составу.

Подобный технологический процесс изготовления слитков имеет ряд недостатков, которые не позволяют повысить его экономическую эффективность. Поэтому изыскиваются новые варианты плавки и литья слитков.

Весьма перспективен при производстве слитков гарнисажный метод плавления шихты, который позволяет вводить в плавку необходимое количество производственных титановых отходов и обеспечивает получение однородного по химическому составу расплава.

Данный метод плавки металла и литья слитков отличается высокой экономической эффективностью. Однако для его широкого практического использования необходимо решить сложные металлургические и технические проблемы.

Поэтому в ближайшей перспективе основной принципиальной схемой плавки и литья слитков из титановых сплавов останется технологический процесс, разработанный на начальном этапе промышленного использования титановых сплавов.

В середине 1950-х гг. был разработан технологический процесс изготовления фасонных отливок из титановых сплавов. Были спроектированы и изготовлены специальные виды оборудования, созданы композиции формовочных материалов для производства литейных форм. В последующие годы технологический процесс совершенствовался и в настоящее время для изготовления отливок используются:

  • 0 вакуумные электродуговые печи с плавкой расходуемого электрода в гарнисажных графитовых или медных тиглях;
  • 0 литейные формы, изготовленные из наиболее огнеупорных и химически инертных по отношению к титану материалов, с последующей их обработкой, направленной на повышение их химической инертности;
  • 0 центробежное литье в вакууме фасонных отливок, обеспечивающее улучшение заполняемости литейных форм и повышение качества литого металла.

Применяемый в настоящее время технологический процесс позволяет получать отливки сложной конфигурации с высоким качеством металла. Вместе с тем отдельные этапы технологического процесса производства фасонных отливок из титановых сплавов требуют дальнейшего совершенствования. В первую очередь это относится к разработке:

  • 0 новых способов заполнения рабочей полости литейных форм расплавом вместо центробежного литья;
  • 0 методов, повышающих химическую инертность литейных форм;
  • 0 мероприятий, направленных на снижение расхода металла на литниково-питающую систему;
  • 0 более эффективных методов плавления титановых сплавов.

Решение этих проблем позволит значительно повысить экономическую эффективность производства деталей из титановых сплавов методами фасонного литья и улучшить качество литого металла.

Титан и его сплавы широко используются в производстве летательных аппаратов и в первую очередь в производстве самолетов, ракет и их двигателей.

Применение титана в планере самолета позволяет уменьшить его массу на 20—25 % и соответственно увеличить скорость и дальность полета, грузоподъемность, маневренность.

Из титановых сплавов изготовляют различные детали реактивных двигателей — кожухи камеры сгорания, капоты, роторы турбин, компрессорные лопатки и др.

, а также каркасы фюзеляжа, шпангоуты, трубопроводы, лонжероны, детали шасси, обшивки самолета. Из титана изготовляют и крепежные изделия — болты, гайки, заклепки.

Масса деталей из титановых сплавов достигает 25—28 % массы всего двигателя, а в планере самолета масса титановых сплавов равна примерно 7—10 %. Суммарная масса деталей из титановых сплавов в самолете Ту-154 составляет 490 кг, т.е.

2 % массы самолета, а в более современном самолете Ту-204 масса титановых деталей 2560 кг, или 9 % его общей массы. В самолете Ил-96-300 масса титановых деталей достигает 8295 кг (9,5 % массы самолета).

В современных истребителях общая масса деталей из титановых сплавов приближается к 25—30 % массы самолета.

Широкое применение титановые сплавы находят в космических кораблях и аппаратах, ракетах-носителях. Космический корабль «Аполлон» содержит 60 т различных деталей и агрегатов из титановых сплавов. Почти полностью были выполнены из титановых сплавов космические корабли США серий «Меркурий» и «Джеминч», ракета-носитель «Титан» и др.

Отличная коррозионная стойкость титана в морской среде в совокупности с малым удельным весом и высокой прочностью делают его весьма ценным конструкционным материалом для судостроения. Детали из титановых сплавов отлично противостоят эрозии и кавитации.

В движущейся морской воде со взвешенными в ней песчинками титан примерно в 12 раз более стоек, чем самые лучшие сплавы, используемые для данных целей.

Из титановых сплавов изготовляют валы, гребные винты, обшивку подводных лодок и морских судов, выхлопные глушители и палубную арматуру подводных лодок и т.д.

Большие перспективы титановые сплавы имеют в машиностроении. Однако из-за дефицитности, технологических трудностей обработки и высокой стоимости применение титановых сплавов в машиностроении пока ограничено.

Тем не менее из титановых сплавов изготовляют множество видов оборудования в химической промышленности — запорную и перекачивающую аппаратуру, разнообразные емкости, трубы, фильтры, автоклавы, насосы, адсорберы и др.

Широко используются титан и его сплавы при изготовлении теплообменной аппаратуры, применяемой для подогрева, кипячения, испарения, конденсации и охлаждения различных жидких и газовых агрессивных сред. Для всех типов этих аппаратов титановые сплавы дают возможность повысить коррозионную стойкость и эффективность теплообмена при минимальной толщине стенок.

Титановые сплавы находят все большее применение для изготовления различных видов оборудования, деталей, агрегатов и техники в черной и цветной металлургии, целлюлозно-бумажной и пищевой промышленности, энергетическом машиностроении, медицинской промышленности, военной технике, атомной энергетике, приборостроении, электронике, экспедиционном и спортивном снаряжении, бытовой технике и др.

Источник: https://studref.com/379173/tehnika/vvedenie_svoystva_oblast_primeneniya_titana_splavov

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector