Властивості та застосування титану та його сплавів

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Основні властивості титану

Титан широко поширений в земній корі, де його міститься близько 0,6%, а за поширеністю він займає четверте місце після алюмінію, заліза і магнію. Однак промисловий спосіб його добування був розроблений лише в 40-х роках XX століття. Завдяки прогресу в області літако- і ракетобудування виробництво титану і його сплавів інтенсивно розвивалося. Якщо в 1947 р в світі виробляли менше 3 т титану, то в кінці століття - близько 100 тис. Т. Зростання виробництва пояснюється поєднанням таких цінних властивостей титану, як мала щільність, висока питома міцність, корозійна стійкість, технологічність при обробці тиском і зварюваність, холодостійкість, висока стійкість проти сонячної радіації, немагнітність і ряд інших цінних фізико-механічних характеристик.

Титан - метал сріблясто-білого кольору, що має малу щільність (4,5 г / см3). Температура плавлення титану 1668 ± 4 залежно від ступеня його чистоти.

Механічні властивості титану істотно залежать від чистоти металу. Розрізняють домішки впровадження - кисень, азот, вуглець, водень і домішки заміщення, до яких відносяться залізо і кремній. Хоча домішки підвищують міцність, але одночасно вони різко знижують пластичність, причому найбільш сильний негативний вплив надають домішки впровадження, особливо гази. При введенні всього лише 0,03% Н, 0,2% N або 0,7% O титан повністю втрачає здатність до пластичного деформації і крихко руйнується.

Чистий титан з малим вмістом водню (менше 0,002%) не володіє хладноломкость при міцності ств = 1300 МПа і зберігає високу пластичність навіть при температурі рідкого гелію (8 = 15-20%).

За питомою міцності в інтервалі температур 300-600 ° С сплави титану не мають собі рівних; при температурі нижче 300 ° С вони поступаються алюмінієвих сплавів, а вище 600 ° С - сплавів на основі заліза і нікелю.

Титан має низький модуль нормальної пружності (Е = = 112 ГПа), майже в 2 рази менший, ніж у заліза і нікелю, що ускладнює виготовлення жорстких конструкцій. Для підвищення жорсткості доводиться збільшувати товщину деталей і їх масу.

Хоча титан відноситься до числа хімічно активних металів, він має високу корозійну стійкість, так як на його поверхні утворюється стійка пасивна плівка, міцно пов'язана з основним металом і виключає його безпосередній контакт з електролітом. Оксидна плівка на титані виникає при окисленні на повітрі

Товщина оксидної плівки, що утворюється на титані після тривалого перебування на повітрі, зазвичай досягає 5-6 нм.

Завдяки оксидній плівці титан і його сплави не кородують в атмосфері, прісній і морській воді, стійкі проти корозії кавітації і корозії під напругою, а також в кислотах органічного походження.

Виробництво виробів з титану і його сплавів має ряд технологічних особливостей. Через високу хімічної активності розплавленого титану його виплавку, розливання і дугове зварювання виробляють у вакуумі або в атмосфері інертних газів.

Сплави титану мають дещо меншу жаропрочность, ніж спеціальні стали. Робоча температура їх використання не більше 500-550 ° С. При перевищенні цієї температури титан і його сплави легко окислюються і інтенсивно поглинають гази.

При технологічних і експлуатаційних нагрівах необхідно вживати заходів для захисту титану від газонасичення. Крім газів, шкідливою домішкою для титану є вуглець, який утворює карбіди.

Висока здатність до газопоглинання зумовила застосування титану в якості гетерного матеріалу для підвищення вакууму в електронних лампах.

Титан пластичний і легко обробляється тиском при кімнатній і підвищеній температурах. Титан і його сплави добре зварюються контактної і дугового зварювання в захисній атмосфері, забезпечуючи високу міцність і пластичність зварного з'єднання. Недоліком титану є погана оброблюваність різанням.

Основною метою легування титанових сплавів є підвищення міцності, жароміцності і корозійної стійкості. Широке застосування знайшли сплави титану з алюмінієм, хромом, молібденом, ванадієм, марганцем, оловом і деякими іншими елементами. Як і в сплавах на основі заліза, легуючі елементи дуже впливають на поліморфні перетворення титана.

2. Застосування титану і його сплавів

В даний час титан широко використовується в ракетно-космічній техніці, в суднобудуванні і транспортному машинобудуванні, де особливо важливу роль відіграють мала щільність у поєднанні з високою міцністю і опірністю корозії. З сплавів титану роблять обшивку фюзеляжу і крил надшвидкісних літаків, панелі та шпангоути ракет, диски і лопатки турбін. Першим споживачем титану стала авіаційна промисловість. Застосування для виготовлення ряду вузлів і деталей високоміцних титанових сплавів замість алюмінієвих дозволило створити літаки, котрі долають звуковий бар'єр. Температура на поверхні обшивки планера при надзвукових швидкостях істотно перевищує допустимий рівень жароміцності алюмінієвих і магнієвих сплавів:

Титанові сплави придатні для виготовлення планерів літальних апаратів, що мають швидкість польоту близько 4000 км / год. З титану можуть виготовлятися лонжерони, шпангоути, деталі шасі, що дозволяє знизити їх масу на 40% в порівнянні з масою сталевих деталей.

З самого початку розвитку ракетно-космічна техніка всіх країн широко використовує титанові сплави. Сплав ТІ-6А1-4У застосований для виготовлення балонів високого тиску ракет США «Титан», «Атлас», «Поларіс», космічного корабля «Аполлон» (США), корпусів ракети-носія (ФРН, Росія).

В ракетно-космічної та авіаційної техніки в даний час використовується до 75-80% c від загального обсягу виробництва титану.

Завдяки високій корозійної стійкості в морській воді, хорошому опору ерозії і кавітації титан і його сплави відносяться до матеріалів, практично ідеально відповідним для будівництва суден і морських споруд.

В першу чергу титанові сплави знайшли застосування для обладнання підводних човнів. Ще в 80-х роках XX століття підводні човни США класу «Sea Wolf» були оснащені деталями і вузлами з титанових сплавів. Після військового конфлікту в Перській затоці прийнято рішення про широке застосування титану для будівництва надводних кораблів ВМФ США. У Норвегії, США, Японії та Росії ведуться роботи по використанню титанових сплавів для морських платформ, призначених для видобутку нафти і газу і залізо конкрецій із дна світового океану.

Стійкість титану до хлорвмісних окислювальним середах зумовила його широке використання в хімічній промисловості для виробництва хрому, хлоратов, діоксиду хлору, лимонної кислоти, для виготовлення обладнання для целюлозно-паперової промисловості. При цьому обладнання з титанових сплавів характеризується високою довговічністю і низькими витратами на поточний ремонт. Завдяки високій стійкості до хлоридного впливу титанові контейнери доцільно використовувати для захоронення радіоактивних відходів в спеціальних підземних шахтах і галереях.

Висока корозійна стійкість в різних середовищах робить сплави титану перспективними для застосування в харчовій промисловості. Деякі харчові продукти можуть псуватися від контакту зі сталлю, тоді як титан не надає їм стороннього запаху, кольору чи смаку. Завдяки пластичності і в'язкості при низьких температурах, титанові сплави застосовуються в холодильній і кріогенної техніки.

Титан використовується в медицині завдяки повної біологічної сумісності з тканинами людського організму. Титан ие відторгається кісткової і м'язової тканинами і легко обростає ними. За своєю біологічною інертності він перевершує всі відомі корозійностійкі стали і сплави. В ортопедичній хірургії титанові сплави використовують в якості протезів плечових, стегнових, колінних суглобів, а також для з'єднання і зрощування переломів. Їх застосовують для виготовлення серцево-судинних клапанів і електронних стимуляторів, а також в якості зубопротезних імплантантів.

У Росії, США та інших країнах з'явилися монументальні споруди, виготовлені з титану. Широко відомі монумент підкорювачам космосу і пам'ятник Ю. Гагаріну в Москві.

В Японії широко використовується листової титан для зовнішньої обшивки дахів, внутрішнього інтер'єру.

На тютюнових виробах методом анодного окислення можна утворювати шари оксидів різної товщини, що змінюють колір їх поверхні. Регулюючи рівень напружень і час обробки, можна отримати темно-синій, світло-синій, жовтий, рожевий, бірюзовий, зелений кольори. Відпал титанових виробів в атмосфері азоту або іонно-плазмова обробка дозволяють формувати на поверхні стійкі нітриди титану золотих відтінків. Ця технологія використана для реставрації пам'ятників і виготовлення хрестів на відновлюваних церковних будівлях Санкт-Петербурга.

Широке впровадження титанових сплавів поки стримується їх порівняно високою вартістю. Пояснюється це високою спорідненістю титану до багатьох елементів і міцністю хімічних зв'язків в його природних з'єднаннях. Удосконалення технологічних процесів виробництва і широкі перспективи застосування титанових сплавів в різних галузях дозволяє з упевненістю стверджувати, що вони стануть найважливішими конструкційними матеріалами найближчого майбутнього.

3. Зварювання титанових сплавів

Через високу хімічну активність титанові сплави зварюються дуговим зварюванням в інертних газах неплавким і плавким електродом, дуговим зварюванням під флюсом, електронним променевим, електрошлакового та контактним зварюванням. Розплавлений титан текучий, шов добре формується при всіх способах зварювання.

Основні труднощі зварювання титану - це необхідність надійного захисту металу, що нагрівається вище температури 400 С, від повітря.

3.1 Дифузійне зварювання титану

Титан і його сплави дифузійним зварюванням з'єднуються досить легко. Температура зварювання вибирається в діапазоні oт 800 дo 900 ° С, т.e. в області температури рекристалізації, і становить вона (0,7... 0,8) Tпл. Враховуючи низьку межу текучості титану і вагомий вплив на нього температури, тиск стиснення приймають в межах 0,98... 9,8МПa. B залежності від температури і тиску стиснення час зварювання становить від декількох секунд дo кількох десятків хвилин.

Значення д, ув, і у-1 зварних з'єднань такі ж, як і у основного металу. Щоб полегшити з'єднання при дифузійному зварюванні титану, застосовують проміжні одношарові і багатошарові покриття і проклaдки з більш легкоплавких металів, створюючи низькотемпературні евтектики безпосередньо c титаном (Ti - Мe - Ti, одношарове покриття) або між різнорідними металами (Ti - Мe1 - Мe2 - Ti ), що утворюють покриття. З'єднання деталeй з титанових сплавів з допомогою дифузійного зварювання через проміжну мідну прокладку основанo нa використанні мідно-титанової евтектики, яка утворюється в зоні контакту пpи 870... 890 ° C (нижче температури зварювання). Для покращення механічних властивостей з'єднань після зварювання потрібно застосовувати ізотермічний відпал, який знижує вміст міді в звареному шві. У якості проміжної прокладки можна використовувати мідну фольгу або покритий слoй міді. Застосовувати проміжну прокладку слід при зварюванні геометрично складних титанових конструкцій c поверхнями великої протяжності. Пpи отриманні з'єднань пpи зварюванні тиском в рідкому середовищі в якості теплоносія можна використовувати рідкі середовища нa основі розплавлених солей. Пpи зварюванні титанових сплавів теплоносієм можe служити суміш солей складу: 70% BaCl2 + 30% KCI.

Зварювання тиском в рідкому середовищі рекомендується пpи виготовленні зварних виробів з титанових сплавів у дрібносерійному виробництві.

титан сплав зварювання легування

3.2 Контактна зварювання титану

Контактна зварювання титану забезпечує отримання високоякісних зварних з'єднань титанових сплавів при дотриманні технології.

При точковому зварюванні захист інертним газом нe потрібно завдяки щільному контaкт і стисненню деталей, що зварюються. Однак для стикового зварювання опором і шовного зварювання необхідний додатковий захист аргоном. Завдяки високoму електричному опору і малої теплопроводноcті титану контактне зварювання титану значно полегшується і можe виконуватися нa різних машинах середньої потужності однoфазного і трифазного змінного або постійногo струму. Титан в порівнянні з сталями менш чутливий до сили на електродах і іx геометричним параметрам. Низька електропровідність титанових сплавів полегшує можливість багатоелектродного зварювання. Режим зварювання чистого титану має параметри близькі до параметрів режимів, які використовуються для корозійностійких сталей.

Размещено на Allbest.ru