Новые процессы, технологии и применение титана и титановых сплавов

1. Высокая прочность. Титановые сплавы обладают очень высокой прочностью, предел прочности при растяжении 686 - 1176 МПа, при этом их плотность составляет всего около 60% от плотности стали, поэтому их удельная прочность очень высока.

2. Высокая твердость. Твердость титановых сплавов (в отожженном состоянии) HRC 32 - 38.

3. Низкий модуль упругости. Модуль упругости титановых сплавов (в отожженном состоянии) составляет 1,078×10-1,176×10 МПа, что примерно вдвое меньше, чем у стали и нержавеющей стали.

4. Отличные характеристики при высоких и низких температурах. При высоких температурах титановые сплавы по-прежнему могут сохранять хорошие механические свойства, а их жаростойкость намного выше, чем у алюминиевых сплавов, с широким диапазоном рабочих температур. В настоящее время рабочая температура новых жаропрочных-титановых сплавов может достигать 550 - 600 градусов; при низких температурах прочность титановых сплавов увеличивается, а не при комнатной температуре, и они обладают хорошей ударной вязкостью. Низко-титановые сплавы могут сохранять хорошую вязкость при температуре -253 градуса.

5. Сильная коррозионная стойкость титана. При температуре воздуха ниже 550 градусов титан быстро образует на своей поверхности тонкую и плотную пленку оксида титана, поэтому его коррозионная стойкость в атмосфере, морской воде, азотной кислоте, серной кислоте и других окислительных средах и сильных щелочах лучше, чем у большинства нержавеющих сталей.

2.1 Методы получения титана
Хотя титан относительно распространен в природе, он является редким металлом из-за его рассеянного существования и сложности добычи. В настоящее время получение титана можно разделить на две основные категории: метод термического восстановления и метод электролиза расплавленных солей.

(1) Метод термического восстановления для получения титана. Метод термического восстановления включает восстановление титана из его соединений, таких как TiCl4, TiO2 и K2TiF6, при определенной температуре с использованием сильных восстановителей, таких как Li, Na, Mg, Ca и их гидриды. В зависимости от различных соединений титана метод термического восстановления для получения титана можно разделить на три категории:

① Методы окисления-восстановления хлоридов титана, такие как процесс Кролла, процесс Хантера, процесс Армстронга и процесс EMR;

② Метод окисления-восстановления оксидов титана, такой как процесс OS, процесс PRP и процесс MHR;

③ Метод окисления-восстановления титанатов. В настоящее время в промышленном производстве успешно применяются только процесс Кролла и процесс Хантера. В процессе Кролла для вытеснения титана из хлоридов используется металлический магний, а в процессе Хантера для этого используется металлический натрий. Кроме того, процесс Армстронга, разработанный Международной компанией по производству титанового порошка в Чикаго, США, аналогичен процессу Хантера и также использует натрий в качестве восстановителя для очистки металлического титана. Соединенные Штаты начали проводить пред-производство на заводах, используя этот метод.

(2) Метод электролиза расплавленной соли для получения титана. В 1959 году Кролл предсказал, что электролиз расплавленной соли заменит процесс Кролла в качестве основного метода производства титана в течение 5-10 лет. За годы работы отечественными и зарубежными научно-исследовательскими институтами и лабораториями разработано более десятка новых технологий получения титана методом электролиза расплавленных солей. Их можно разделить на три категории в зависимости от сырья:

① Электролиз титанатов;

② Электролиз хлоридов титана;

③ Электролиз оксидов титана, включая кембриджский процесс FFC, процесс MER, процесс USTB, процесс QIT, процесс SOM и электролиз ионной жидкости.

2.2 Новые способы использования титана
С 1940-х годов использование титана быстро развивалось, и он широко применялся в самолетах, ракетах, ракетах, искусственных спутниках, космических кораблях, кораблях, военной промышленности, медицине и нефтехимической промышленности. Последние исследования показали, что в организме человека содержится определенное количество титана, а титан может стимулировать фагоциты и усиливать иммунную функцию. Поэтому многие лаборатории занимаются разработкой и применением био-титана.

3.1. Методы получения титановых сплавов.

Традиционная обработка титановых сплавов обычно использует методы плавки и литья. Новейшие технологии обработки классифицируются следующим образом:

(1) Технология формирования почти-чистой-формы;

(2) Технология сварки трением проволоки;

(3) технология сверхпластического формования;

(4) Технология компьютерного моделирования подготовки и обработки материалов. Технология формирования почти-чистой-формы включает в себя лазерную формовку, прецизионное литье, точную штамповку, порошковую металлургию, распыление и т. д. Порошковая металлургия – это новый процесс производства титановых компонентов с использованием порошка титана или порошка титанового сплава в качестве сырья с последующим формованием и спеканием. Сначала порошок получают, как правило, путем механического легирования с использованием шаровой мельницы, подвергая сырье интенсивному удару, измельчению и перемешиванию. Затем сформированный порошок сплава прессуют в форму двумя методами прессования: изостатическим прессованием и холодным прессованием. Целью данного этапа является получение прессованной заготовки определенной формы и размера, определенной плотности и прочности. Затем сформированную заготовку подвергают искровому плазменному спеканию, при котором к спекающему порошку прикладывают определенную мощность спекания и давление прессования через верхний и нижний пуансоны и электрифицированные электроды. Процесс завершается активацией разряда, горячей пластической деформацией и охлаждением для получения высокоэффективных титановых материалов. В дальнейшем титановый сплав после плазменного спекания подвергается дальнейшей обработке, обычно термообработке или пластической обработке.

3.2 Новые применения титановых сплавов

Титановые сплавы первоначально широко использовались в аэрокосмической области, в основном для производства авиационных двигателей или пневматических компонентов. Позже, с непрерывным развитием технологий, титановые сплавы вошли в жизнь обычных людей и их можно найти на заводах или в бытовой технике. В настоящее время страны и учреждения конкурируют за разработку новых титановых сплавов с низкой стоимостью и высокими характеристиками. Недавние разработки титановых сплавов в основном сосредоточены на следующих пяти аспектах.

(1) Медицинские титановые сплавы

Титановые сплавы имеют низкую плотность и хорошую биосовместимость, что делает их идеальными медицинскими материалами, которые можно даже имплантировать в организм человека. Раньше титановые сплавы, используемые в медицинской сфере, содержали ванадий и алюминий, которые могли нанести вред человеческому организму. Однако недавно японские ученые разработали новый тип титанового сплава с хорошей биосовместимостью. Хотя этот сплав еще не выпускается массово-, считается, что в ближайшем будущем такие высококачественные-сплавы найдут широкое применение в повседневной жизни.

(2) Огнезащитные-титановые сплавы

Сплавы на основе-титана, которые могут противостоять горению при определенном давлении, температуре и скорости воздушного потока, представляют собой-огнестойкие титановые сплавы. США, Россия и Китай последовательно разработали новые огнестойкие титановые сплавы. В США эти огнестойкие титановые сплавы-применяются в двигателях, поскольку они не чувствительны к сгоранию, что может значительно улучшить стабильность работы двигателя.

(3) Высоко-прочные и высоко-твердые титановые сплавы типа -

Титановые сплавы типа -обладают высокой прочностью, хорошей свариваемостью и отличными свойствами при холодной и горячей обработке. Исследователи использовали это свойство для разработки титановых сплавов типа - с отличными характеристиками: хорошими характеристиками горячей обработки, хорошей пластичностью и хорошей свариваемостью. Более того, после обработки раствором и старения их механические свойства значительно улучшаются. В настоящее время такие титановые сплавы разработаны и в Японии, и в России.

(4) Соединения титана-алюминия

По сравнению с обычными титановыми сплавами титан-алюминиевые соединения обладают превосходными жаропрочными-температурными характеристиками, хорошей стойкостью к окислению и ползучести, а также более низкой плотностью, чем обычные титановые сплавы. Эти выдающиеся характеристики указывают на то, что соединения титана-алюминия вызовут новую тенденцию в области сплавов. В настоящее время в США синтезирован этот новый сплав титана-алюминия, и ведется его массовое производство.

(5) Жаропрочные-титановые сплавы

Титановые сплавы, полученные сочетанием методов быстрого затвердевания и порошковой металлургии с использованием композитов, армированных волокном или частицами,-обладают превосходными-механическими свойствами при высоких-температурах. Предел эксплуатационной температуры жаропрочных-титановых сплавов намного выше, чем у обычных титановых сплавов. В настоящее время в США разработаны новые жаропрочные титановые сплавы. (6) Титан-никелевый сплав, сплав, состоящий из титана и никеля, известен как «сплав с эффектом памяти». Когда этому сплаву придают заранее-определенную форму, а затем подвергают формовочной обработке, и если он деформируется под действием внешней силы, он может восстановить свой первоначальный внешний вид при небольшом нагревании. Этот сплав может использоваться в различных областях, таких как инструменты, счетчики, электронные устройства и т. д.