Введение в порошковые металлы - Титан

1. Источник титана

Титан был впервые обнаружен в 1791 году любителем-минерологом по имени Грегор в Великобритании. В 1795 году немецкий химик Клапроус назвал это неизвестное металлическое вещество в честь греческого бога Титана, что переводится как «титан» на китайский и английский языки. Титан широко распространен на Земле. Известно более 140 титановых минералов, но основными промышленными применениями являются ильменит и рутил. Среди них запасы ильменита в Китае составляют 28% от мировых запасов, занимая первое место в мире.

Титан признан нетоксичным элементом в мире, с высокими затратами на добычу и производство и высокими ценами. Благодаря ряду квалификаций, таких как устойчивость к высоким и низким температурам, устойчивость к сильным кислотам и щелочам, высокая прочность и низкая плотность, он стал специальным материалом для ракетных спутников НАСА, а также использовался в моих национальных проектах Yutu, J-20, авианосце Shandong и других суперпроектах. После выхода в гражданскую сферу в 1980-х годах он стал «почетным королем металлов» в пищевой промышленности благодаря своим природным антибактериальным и биофильным свойствам.

 

2. Разница между чистым титаном и титановым сплавом

Чистый титан, также называемый промышленным чистым титаном или коммерческим чистым титаном, классифицируется в зависимости от содержания примесных элементов. Он обладает отличными характеристиками процесса штамповки и сварки, нечувствителен к термической обработке и организационному типу и имеет определенную прочность в удовлетворительных пластических условиях. Его прочность в основном зависит от содержания внедренных элементов кислорода и азота. Свойства 99,5% промышленного чистого титана следующие: плотность P = 4,5 г/см3, температура плавления 1800 °C, коэффициент теплопроводности λ = 15,24 Вт/(МК), предел прочности σ b = 539 МПа, удлинение: δ = 25%, усадка поперечного сечения ψ = 25%, модуль упругости E = 1,078 × 105 МПа, твердость HB195. Титановый сплав Титановый сплав представляет собой сплав, состоящий из титана и других элементов. Это относительно молодой металл, история которого насчитывает всего шестьдесят или семьдесят лет с момента его открытия до настоящего времени. Материалы из титановых сплавов обладают такими характеристиками, как малый вес, высокая прочность, низкая эластичность, высокая термостойкость и коррозионная стойкость. Они в основном используются в авиационных двигателях, ракетах, снарядах и других деталях. Титан имеет два изоморфа. Титан является изомером с температурой плавления 1720 °C. Он имеет плотноупакованную гексагональную решетчатую структуру ниже 882 °C, называемую титаном; выше 882 °C он имеет объемно-центрированную кубическую решетчатую структуру, называемую титаном B. Используя различные характеристики двух вышеуказанных структур титана, добавляют соответствующие легирующие элементы, чтобы постепенно изменять его температуру фазового перехода и фазовое содержание для получения титановых сплавов с различными структурами (итаниевые сплавы). Элементы титановых сплавов можно разделить на три категории в соответствии с их влиянием на температуру фазового перехода:

①Элементами, стабилизирующими фазу a и повышающими температуру фазового перехода, являются стабилизирующие элементы, в том числе алюминий, магний, кислород и азот. Среди них алюминий является основным легирующим элементом титанового сплава, который оказывает существенное влияние на улучшение прочности сплава при комнатной и высокой температуре, снижение удельного веса и увеличение модуля упругости.

② Элементы, стабилизирующие фазу B и снижающие температуру фазового перехода, являются элементами, стабилизирующими фазу B. Их можно разделить на изоморфные и эвтектоидные типы. К первым относятся молибден, ниобий, ванадий и т. д.; ко вторым — хром, марганец, медь, кремний и т. д.

③ Элементы, которые мало влияют на температуру фазового перехода, — это нейтральные элементы, такие как цирконий и олово.

 

Общие оценки подробно описаны:

TA1 (Американский стандарт Gr1)

Титан TA1 (Gr1) — первый из четырех промышленных сортов чистого титана. Это самый мягкий и пластичный из этих сортов. Он обладает максимальной формуемостью, превосходной коррозионной стойкостью и высокой ударной вязкостью. Сорт TA1 — это материал выбора для любого применения, требующего легкой формуемости, и обычно используется в виде титановых пластин и титановых труб.

Класс TA2 (Американский стандарт Gr2)

Титан марки TA2 известен как «рабочая лошадка» в промышленности чистого коммерческого титана из-за его разнообразной доступности и широкой доступности. Он обладает многими из тех же качеств, что и титановый сплав марки TA1, но немного прочнее. Оба одинаково устойчивы к коррозии. Эта марка обладает хорошей свариваемостью, прочностью, пластичностью и формуемостью. Это делает прутки и листы титана марки TA2 выбором номер один для многих применений в строительстве, энергетике, медицинской промышленности и т. д.

Класс TA3 (ANSI Gr3)

Этот сорт является наименее используемым коммерчески чистым сортом титана, но это не делает его менее ценным. Сорт TA3 прочнее, чем сорта TA1 и TA2, с аналогичной пластичностью и лишь незначительной формуемостью. Но он имеет более высокие механические свойства, чем его предшественники. Сорт TA3 используется в областях, где требуется умеренная прочность и высокая коррозионная стойкость, например, в аэрокосмической промышленности, химической обработке, морской промышленности и т. д.

Класс TA4 (ANSI Gr4)

Марка TA4 считается самой прочной из четырех чистого титана. Она также известна своей превосходной коррозионной стойкостью, хорошей формуемостью и свариваемостью. Она используется в некоторых компонентах планера, криогенных сосудах, теплообменниках и т. д., где требуется высокая четкость.

Класс TA9 (ANSI Gr7)

Марка TA9 механически и физически эквивалентна марке TA2, за исключением добавления интерстициального элемента палладия, что делает ее сплавом. Марка 7 обладает превосходной свариваемостью и свойствами и является наиболее коррозионностойкой из всех титановых сплавов. Фактически, она наиболее коррозионностойка в восстановительных кислотах. Марка TA9 используется для компонентов химического процесса и производственного оборудования. TA9 имеет чрезвычайно сильную коррозионную стойкость, особенно в восстановительных кислотных средах.

Класс TA9-1 (Американский стандарт Gr11)

Марка TA9-1 очень похожа на марку TA1, за исключением того, что для повышения коррозионной стойкости и превращения ее в сплав добавляется небольшое количество палладия. Эта коррозионная стойкость может использоваться для предотвращения щелевой коррозии и снижения кислотности в хлоридных средах. Другие полезные свойства включают оптимальную пластичность, холодную формуемость, полезную прочность, ударную вязкость и отличную свариваемость. Этот сплав может использоваться в тех же титановых приложениях, что и марка 1, особенно там, где требуется коррозионная стойкость.

Ti 6Al-4V (Национальный стандарт TC4, Американский стандарт Gr5)

Сорт Известный как «рабочая лошадка» титановых сплавов, титан Ti6Al-4V или Grade 5 является наиболее часто используемым из всех титановых сплавов. На его долю приходится 50% от общего количества титана, используемого в мире. Его доступность заключается в его многочисленных преимуществах. Ti6Al-4V можно подвергать термической обработке для повышения прочности. Его можно использовать в сварных конструкциях при рабочих температурах до 600 °F. Сплав сочетает в себе высокую прочность с малым весом, полезной формуемостью и высокой коррозионной стойкостью. Доступность Ti6AI-4V делает его оптимальным сплавом для использования в нескольких отраслях, таких как аэрокосмическая, медицинская, судостроительная и химическая перерабатывающая промышленность. Его можно использовать для создания следующего технического контента: Компоненты авиационных турбинных двигателей Компоненты конструкций самолетов Аэрокосмические крепежи Высокопроизводительные автомобильные детали Морские приложения Спортивный инвентарь

Ti 6AL-4V ELI (GB TC4ELI, ANSI Gr23)

Ti 6AL-4V ELI или TC4ELI — это более чистая форма Ti 6Al-4V. Его можно изготавливать в виде катушек, прядей, проволоки или плоской проволоки. Это первый выбор для любой ситуации, где требуются высокая прочность, малый вес, хорошая коррозионная стойкость и высокая ударная вязкость. Он имеет превосходную устойчивость к повреждениям по сравнению с другими сплавами. Эти преимущества делают сорт TC4ELI лучшим сортом стоматологического и медицинского титана. Благодаря своей биосовместимости, хорошей усталостной прочности и низкому модулю его можно использовать в биомедицинских приложениях, таких как имплантируемые компоненты. Его также можно использовать в детальных хирургических приложениях, таких как: Ортопедические штифты и винты Ортопедические кабели Лигатурные хирургические имплантаты Ортодонтические приспособления При замене суставов Криогенные контейнеры Устройства для фиксации костей

Класс TA10 (Американский стандарт Gr12)

Титан марки TA10 получил оценку «отлично» из-за своей высококачественной свариваемости. Это очень прочный сплав, который обеспечивает большую прочность при высоких температурах. Титан марки TA10 имеет свойства, схожие со свойствами нержавеющей стали серии 300. Сплав может быть подвергнут горячей или холодной формовке с использованием методов прессования, гидроформовки, вытяжки или молотовой штамповки. Его способность формоваться различными способами делает его полезным во многих областях применения. Высокая коррозионная стойкость этого сплава также делает его бесценным для производственного оборудования, где важна щелевая коррозия. Марка TA10 может использоваться в следующих отраслях и областях применения: Корпуса и теплообменники Гидрометаллургические применения Высокотемпературное химическое производство Компоненты для морских и билетных касс

Ti5Al-2.5Sn

Ti 5Al-2.5Sn — это нетермообрабатываемый сплав, который может получить хорошую свариваемость и стабильность. Он также имеет высокую температурную стабильность, высокую прочность, хорошую коррозионную стойкость и хорошее сопротивление ползучести. Ползучесть относится к явлению пластической деформации, происходящей при высоких температурах в течение длительного времени. Ti 5Al-2.5Sn в основном используется в самолетах и ​​фюзеляжах, а также в низкотемпературных приложениях.

3. Применение титана и титановых сплавов

Хотя титан и титановые сплавы имеются в изобилии в запасах, они очень дороги. Это связано с тем, что титан имеет низкую химическую активность в условиях высоких температур, а технология его плавки и рабочая среда очень суровые. Его необходимо плавить при высоких температурах и в условиях вакуума, и температура часто достигает более 800℃, что намного сложнее, чем выплавка стали. Поэтому, когда упоминается титановый сплав, люди думают, что это высококачественный металлический материал с низкой производительностью и высокой ценой, а также с небольшим количеством применений.

В настоящее время, благодаря прекрасным свойствам титановых сплавов, таким как малый вес, высокая прочность и высокая термостойкость, титан и материалы из титановых сплавов широко используются в производстве новейшего оружия и национальной тяжелой техники в разных странах, например, особенно подходят для использования в аэрокосмической отрасли. Примерами областей применения являются следующие: Химическая промышленность

1. Щелочная промышленность

Появление титановых холодильников в щелочной промышленности может эффективно решить проблему некачественного выхода хлоргаза из-за необоснованных традиционных процессов охлаждения. В то же время это изменило производственный ландшафт хлорщелочной промышленности, а срок службы инвестированных титановых холодильников может достигать 20 лет.

2. Соляная промышленность

Самый передовой процесс производства соли - вакуумное производство соли, и концентрированный рассол, полученный в этом процессе, может вызвать серьезные повреждения конструкции из углеродистой стали и вызвать капание оборудования. Использование композитных конструкций из титана и стали в нагревательных камерах и испарительных камерах может эффективно предотвратить образование солевых отложений, улучшить качество производства соли и уменьшить коррозию высококонцентрированного рассола на стенке трубы во время испарения, продлевая цикл технического обслуживания. Авиакосмическая промышленность 1. Авиационная промышленность Применение титановых сплавов в авиации делится на авиационные конструкционные титановые сплавы и двигательные конструкционные титановые сплавы. Основными деталями применения авиационных конструкционных титановых сплавов являются детали шасси, рамы, балки, обшивка фюзеляжа, тепловые экраны и т. д. Российский самолет Ил-76 использует высокопрочный титановый сплав ВТ22 для изготовления ключевых компонентов, таких как шасси и несущие балки; материал балки трансмиссии основного шасси Boeing 747 — Ti-6Al-4V, длина поковки — 6,20 метра, ширина — 0,95 метра, вес — 1545 килограммов; в ключевых деталях вала горизонтального стабилизатора самолета C-17 используется высокопрочный и высоковязкий титановый сплав Ti-62222S. Что касается авиационных двигателей, титановые сплавы используются в дисках компрессора, лопатках, барабанах, роторах компрессора высокого давления, корпусах компрессоров и т. д. На передней кромке и законцовке лопаток вентилятора двигателя Boeing 747-8GENX используются защитные втулки из титанового сплава, которые за 10 лет эксплуатации были заменены всего три раза.

2. Аэрокосмическая промышленность

Условия работы космических аппаратов весьма экстремальны. Помимо структурного дизайна материала, который требует превосходной технологии, также очень важны превосходные характеристики и функции самого материала. Поэтому титановый сплав выделяется среди многих материалов. Что касается аэрокосмической техники, то в 1960-х годах балки и нервюры крыла двухместной кабины и закрытой кабины космического корабля в программе Apollo в США были изготовлены из Ti-5Al-2.5Sn, а облицовка была сделана из чистого титана; немецкая компания MT Aerospace подготовила высокопрочный сплав Ti-15V-3Cr для топливного бака двигательной установки и применила его на гигантской платформе европейского спутника связи Alpha; существует множество примеров применения российских титановых сплавов в аэрокосмической технике, например, ракета-носитель «Энергия», использующая 3,5-тонную штамповку и ковку из титанового сплава ВТ23. Кроме того, титановые сплавы используются также в топливных баках жидкостных ракетных двигателей, резервуарах для хранения криогенных жидкостей, рабочих колесах насосов подачи жидкого водорода и т. д.

 

Аналогичным образом, с быстрым развитием отечественной аэрокосмической техники титановые сплавы также широко использовались. От спутника Dongfang-1 в 1970 году до нынешних космических аппаратов серии Shenzhou и зонда Chang'e использовались титановые сплавы. Кроме того, низкотемпературные цилиндры из титанового сплава TA7ELI для использования в жидководородных средах, разработанные моей страной, использовались в серии ракет-носителей Long March; Харбинский технологический институт использовал титановый сплав TC4 для подготовки колесных дисков лунохода; кроме того, моя страна также использует BT20 и другие высокопрочные титановые сплавы для изготовления корпусов ракетных двигателей, сопел и других компонентов. Судостроение Титан и титановые сплавы широко используются в атомных подводных лодках, подводных лодках, атомных ледоколах, судах на подводных крыльях, судах на воздушной подушке, тральщиках, а также в гребных двигателях, штыревых антеннах, трубопроводах морской воды, конденсаторах, теплообменниках, акустических устройствах и противопожарном оборудовании. Например, американский подводный аппарат «Sea Cliff» оснащен титановой кабиной наблюдения и рубкой управления, а его глубина погружения может достигать 6100 м; японские компании Toho Titanium Company и Fujishin Shipbuilding совместно построили полностью титановый скоростной катер «Marishiten II», который в течение некоторого времени пользовался большой популярностью в Соединенных Штатах; первый в моей стране независимо спроектированный и независимо интегрированный пилотируемый подводный аппарат «Jiaolong» также использует титановые сплавы, а рабочий диапазон «Jiaolong» охватывает 99,8% площади мирового океана.

 

4. Существующие проблемы и перспективы титана и титановых сплавов

Хотя титан и титановые сплавы достигли значительного прогресса, существующие проблемы также были выявлены, и разработка титановых сплавов также сталкивается со значительными трудностями. Это в основном отражается в следующих трех аспектах:

• Производство

Хотя моя страна является крупной страной титановой промышленности, количество производимой высококачественной продукции невелико, а виды титановой продукции со специальными свойствами немногочисленны. Во-вторых, моя страна не может производить титановые полосы и титановые экструдированные профили партиями и стабильно, что ограничивает разработку и использование титана и титановых сплавов в аэрокосмической, океанической и других областях. По-прежнему очень сложно увеличить содержание титана в авиадвигателях примерно до 50%.

2) Эксплуатационные характеристики Поскольку титановый металл обладает высокой химической активностью и легко загрязняется другими элементами, процесс обработки и изготовления титанового сплава очень высок. В то же время, обрабатываемые высокопроизводительные продукты должны всесторонне учитывать их механические, физические, химические и технологические свойства. Резкое снижение сопротивления ползучести и стойкости к высокотемпературному окислению существующих титановых сплавов выше 600°C является двумя основными препятствиями для расширения применения титановых сплавов.

3) Стоимость В настоящее время все страны прилагают большие усилия для снижения стоимости применения титановых сплавов и добились многих успехов. Однако, что касается текущей ситуации в моей стране, уровень управления и технический уровень моей страны еще не достигли идеальной высоты. Цена отечественной продукции из титановых сплавов менее конкурентоспособна на международном рынке, что не способствует дальнейшему расширению использования.

В настоящее время основными областями применения титановых сплавов по-прежнему являются военные промышленные секторы, такие как аэрокосмическая промышленность. Развитие новых областей применения, таких как автомобили, поезда, высокоскоростные железные дороги, и перспективы применения гражданских областей, обычно используемых в повседневной жизни, по-прежнему очень широки. Кроме того, замена дорогих элементов сплава на более дешевые элементы и снижение стоимости деталей из титанового сплава за счет технологических подходов являются важными темами в будущих исследованиях титановых сплавов. После того, как титановые сплавы, используемые в высокотехнологичных приложениях, будут производиться по низкой стоимости в будущем, титановые сплавы будут применяться в различных областях.