Титан и его сплавы

Титан расположен в группе IVB, в 4-м периоде периодической системы элементов, серебристо-белый металл. Титан существует в виде двух аллотропических модификаций: ниже температуры 882 °C устойчивая a-форма с гексагональной плотноупакованной решеткой (а = 2,951А, с = = 4,679А), а выше этой температуры — (3-форма сокубической объемно центрированной решеткой, а = 3.269А. Примеси и легирующие добавки могут существенно изменять температуру, а —? р превращения.

У титана низкая плотность в сочетании с высокой прочностью и высокой стойкостью к коррозии; температурный коэффициент расширения составляет около половины от температурного коэффициента расширения нержавеющей стали и меди; модуль упругости составляет половин}' от модуля упругости нержавеющей стали, что делает титан стойким и прочным к ударам.

Наиболее распространенными рудами для получения титана являются ильменит FeO*Ti02, рутил ТЮ2, титаномагнетит FeTi ():iFe304. После обогащения концентраты титановых руд обычно содержат 42—65% ТЮ2. Получение металлического титана заключается в восстановлении четыреххлористого титана или окислов титана магниетермическим или натриетермическим способом. Титан и магний обычно производят на одном заводе, и хлористый магний, побочный продукт при получении титана, служит сырьем для получения магния. Хлор получают как побочный продукт при производстве магния.

Концентраты ильменитовых руд содержат более 40% оксидов железа (FeO и Fe₂0₃). Эти окислы отделяют от основного компонента — концентрата титановой руды, двуокиси титана плавкой в смеси с восстановителем — древесным углем или антрацитом. В процессе плавки в руднотермических печах оксиды железа и титана восстанавливаются, образующееся железо науглероживается и получается чугун, а низшие оксиды титана переходят в шлак. Титановый шлак (содержит 80—90% ТЮ₂, 2—5% FeO и примеси — Si0₂, CaO, MgO, МпО, А1₂0₃, Сг₂О_э и др.) хлорируют для образования четыреххлористого титана (TiCl^), из которого в реакторах восстанавливается титан. Побочный продукт этого процесса — чугун — используют в металлургическом производстве.

Твердые частицы восстановленного титана спекаются в пористую массу — губку (рис. 10.10), а жидкий MgCl₂ выпускают через летку реактора. Губка титана пропитана магнием и хлористым магнием; общее содержание этих примесей составляет 35—45%. Титановые губки на слитки плавят в вакуумных дуговых печах. Полученные слитки титана могут иметь дефекты (раковины, поры), поэтому их вторично переплавляют, используя как расходуемые электроды. Для получения сплавов титана с другими металла м и (ал ю м и н и е м, м ар — ганцем, ванадием и др.) эти металлы примешивают к губке, поступающей на первую плавку. После второго переплава эти металлы уже равномерно распределяются в объеме слитка.

Рис. 10.10. Титановая губка.

Рис. 10.11. Слитки из титана с чистотой 99,6—99,7%, полученные после вторичного переплава.

Слитки титана с чистотой 99,6—99,7%, полученные после вторичного переплава, используют для прокатки на лист, профильный материал, ковки, штамповки заготовок деталей (рис. 10.11).

Роль титана как конструкционного материала, основы высокопрочных сплавов для авиации, судостроения и ракетной техники быстро возрастает. Именно в сплавы идет большая часть выплавляемого в мире титана. Значительные количества титана использует металлургия. Существуют сотни марок сталей и других сплавов, в состав которых титан входит как легирующая добавка. Его вводят для улучшения структуры металлов, увеличения прочности и коррозийной стойкости. Технический титан идет на изготовление емкостей, химические реакторов, трубопроводов, арматуры, насосов и других изделий, работающих в агрессивных средах, например в химическом машиностроении. В гидрометаллургии цветных металлов применяется аппаратура из титана. Он служит для покрытия изделий из стали. В условиях глубокого холода прочность титана повышается при сохранении хорошей пластичности, что позволяет применять его как конструкционный материал для криогенной техники. Титан хорошо поддается полировке, цветному анодированию и другим методам отделки поверхности и поэтому идет на изготовление различных художественных изделий, в том числе и монументальной скульптуры (памятник в Москве, сооруженный в честь запуска первого искусственного спутника Земли).

Титан биологически безвреден, поэтому применяется для изготовления оборудования пищевой промышленности и в восстановительной хирургии.

Сплавы титана применяются в химической и бумажной промышленности, в пищевой промышленности (котлы, детали холодильников), в авиаи турбостроении (компрессоры, лопатки турбин), судостроении (обшивки, гребные винты), электронной и вакуумной технике (газопоглотители, детали приборов), в медицине (инструменты, внутренние протезы). Легирующие элементы, добавляемые в титан, характеризуют по их влиянию на температуру полиморфного превращения.

а-стабилизаторы — А1, О, N, В, С, La — повышающие температуру полиморфного превращения и расширяющие область существования a-модификации титана. Некоторые элементы этой группы образуют соединения с титаном (рис. 10.12, а, б).

Рис. 10.12. Влияние элементов а- (а, б) и p-стабилизаторов (в, г) на положение температуры полиморфного превращения титана Р-стабилизаторы — элементы, понижающие температуру полиморфного превращения и расширяющие область р-модификации (рис. 10.12, в, г). В эту группу входят элементы, изоморфные р-модификации и образующие с Ti непрерывный ряд твердых растворов (V, Zr, Н, Mo, Sn, Та), и Сг, Мп, Fe, Ni, Си, Si, вызывающие эвтектоидный распад р-фазы с образованием интерметаллидов Ti_vMe" (титанидов). В зависимости от легирования сплавы титана делятся на а-сплавы, (а + р)-сплавы и р-сплавы.

Сплавы на основе титана классифицируются:

• 1) по структуре:
  • • сплавы с a-структурой неупрочняются термообработкой;
  • • псевдо а-сплавы (в составе есть небольшое количество p-стабилизаторов) упрочняются термообработкой (закатка по мартенситному типу и старение);
  • • р-сплавы с повышенным содержанием р-стабилизаторов имеют структуру р-твсрдого раствора; псевдо р-сплавы имеют в структуре немного а-фазы;
  • • двухфазные (а + р)-сплавы упрочняются закалкой по мартенситному типу и старением (структура зависит от соотношения аи p-стабилизаторов). К двухфазным относятся и а-сплавы, из которых после термообработки выделяется интерметаллидная фаза;
• 2) по технологии производства:
  • • деформируемые сплавы — используется ОМД — ковка, прессование вытяжкой и т. д; маркируются буквами ВТ и цифрами, показывающими номер сплава (табл. 10.9);
  • • литейные сплавы — отличаются хорошей жидкотекучестью, способностью заполнять формы сложной конфигурации. Недостаток — много литейных дефектов (ликвация, усадочные поры и раковины). Маркировка такая же, как и для деформируемых сплавов (тот же состав), но добавляется буква Л (табл. 10.10).
  • • порошковые сплавы — для изготовления крупных деталей сложной конфигурации по размерам, близким к чистовым методами порошковой металлургии из элементарных порошков (ЭП), предварительно легированных порошков (ПЛ) или методом быстрой кристаллизации (БК). Наиболее распространен способ легированных порошков. Этот метод позволяет при тех же эксплуатационных характеристиках, что и у литого или деформированного металла, добиться снижения до 50% времени и стоимости изготовления деталей.

Таблица 10.9

Химический состав и свойства некоторых деформируемых

сплавов титана

Примечание. Сплавы ВТ5−1, ОТ4 и ВТ8 приведены после отжига, остальные — после закалки и старения.

Таблица 10.10

Химический состав и свойства литейных сплавов титана