Титан плавится. Сферы применения титана. Физические и механические свойства

Области применения титана

При существующих высоких ценах на титан его применяют преимущественно для производства военного оборудования, где главная роль принадлежит не стоимости, а техническим характеристикам. Тем не менее известны случаи использования уникальных свойств титана для гражданских нужд. По мере снижения цен на титан и роста его производства применение этого металла в военных и гражданских целях будет все больше расширяться.
Авиация. Малый удельный вес и высокая прочность (особенно при повышенных температурах) титана и его сплавов делают их весьма ценными авиационными материалами. В области самолетостроения и производства авиационных двигателей титан все больше вытесняет алюминий и нержавеющую сталь. С повышением температуры алюминий быстро утрачивает свою прочность. С другой стороны, титан обладает явным преимуществом в отношении прочности при температуре до 430° С, а повышенные температуры такого порядка возникают при больших скоростях благодаря аэродинамическому нагреванию. Преимущество замены стали титаном в авиации заключается в снижении веса без потери прочности. Общее снижение веса с повышением показателей при повышенных температурах позволяет увеличить полезную нагрузку, дальность действия и маневренность самолетов. Этим объясняются усилия, направленные на расширение применения титана в самолетостроении при производстве двигателей, постройке фюзеляжей, изготовлении обшивки и даже крепежных деталей.
При постройке реактивных двигателей титан применяется преимущественно для изготовления лопаток компрессора, дисков турбины и многих других штампованных деталей. Здесь титан вытесняет нержавеющую и термически обрабатываемую легированную стали. Экономия в весе двигателя в один килограмм позволяет сберегать до 10 кг в общем весе самолета благодаря облегчению фюзеляжа. В дальнейшем намечено применять листовой титан для изготовления кожухов камер сгорания двигателя.
В конструкции самолета титан находит широкое применение для деталей фюзеляжа, работающих при повышенных температурах. Листовой титан применяется для изготовления всевозможных кожухов, защитных оболочек кабелей и направляющих для снарядов. Из листов легированного титана изготовляются различные элементы жесткости, шпангоуты фюзеляжа, нервюры и т. д.
Кожухи, закрылки, защитные оболочки для кабелей и направляющие для снарядов изготовляются из нелегированного титана. Легированный титан применяется для изготовления каркаса фюзеляжа, шпангоутов, трубопроводов и противопожарных перегородок.
Титан получает все большее применение при постройке самолетов F-86 и F-100. В будущем из титана будут делать створки шасси, трубопроводы гидросистем, выхлопные патрубки и сопла, лонжероны, закрылки, откидные стойки и т. д.
Титан можно применять для изготовления броневых плит, лопастей пропеллера и снарядных ящиков.
В настоящее время титан применяется в конструкции самолетов военной авиации Дуглас Х-3 для обшивки, Рипаблик F-84F, Кертисс-Райт J-65 и Боинг В-52.
Применяется титан и при постройке гражданских самолетов DC-7. Фирма «Дуглас» заменой алюминиевых сплавов и нержавеющей стали титаном при изготовлении мотогондолы и противопожарных перегородок уже добилась экономии в весе конструкции самолета около 90 кг. В настоящее время вес титановых деталей в этом самолете составляет 2%, причем эту цифру предусматривается довести до 20% общего веса самолета.
Применение титана позволяет уменьшить вес геликоптеров. Листовой титан используется для полов и дверей. Значительное снижение веса геликоптера (около 30 кг) было достигнуто в результате замены легированной стали титаном для обшивки лопастей его несущих винтов.
Военно-морской флот. Коррозионная стойкость титана и его сплавов делает их весьма ценным материалом на море. Военно-морское министерство США обстоятельно исследует коррозионную стойкость титана против воздействия дымовых газов, пара, масла и морской воды. Почти такое же значение в военно-морском деле имеет и высокое значение удельной прочности титана.
Малый удельный вес металла в сочетании с коррозионной стойкостью повышает маневренность и дальность действия кораблей, а также снижает расходы по уходу за материальной частью и ее ремонту.
Применение титана в военно-морском деле включает изготовление выхлопных глушителей для дизельных двигателей подводных лодок, дисков измерительных приборов, тонкостенных труб для конденсаторов и теплообменников. По мнению специалистов, титан, как никакой другой металл, способен увеличить срок службы выхлопных глушителей на подводных лодках. Применительно к дискам измерительных приборов, работающих в условиях соприкосновения с соленой водой, бензином или маслом, титан обеспечит лучшую стойкость. Исследуется возможность применения титана для изготовления труб теплообменников, которые должны обладать коррозионной стойкостью в морской воде, омывающей трубы снаружи, и одновременно противостоять воздействию выхлопного конденсата, протекающего внутри них. Рассматривается возможность изготовления из титана антенн и узлов радиолокационных установок, от которых требуется стойкость к воздействию дымовых газов и морской воды. Титан может найти применение и для производства таких деталей, как клапаны, пропеллеры, детали турбин и т. д.
Артиллерия. По-видимому, наиболее крупным потенциальным потребителем титана может явиться артиллерия, где в настоящее время ведутся интенсивные исследования различных опытных образцов. Тем не менее в этой области стандартизовано производство лишь отдельных деталей и частей из титана. Весьма ограниченное использование титана в артиллерии при большом размахе исследований объясняется его высокой стоимостью.
Были исследованы различные детали артиллерийского оборудования с точки зрения возможности замены титаном обычных материалов при условии снижения цен на титан. Главное внимание уделялось деталям, для которых существенно снижение веса (детали, переносимые вручную и перевозимые по воздуху).
Опорная плита миномета, изготовленная из титана вместо стали. Путем такой замены и после некоторой переделки вместо стальной плиты из двух половинок общим весом 22 кг удалось создать одну деталь весом 11 кг. Благодаря такой замене можно уменьшить число обслуживающего персонала с трех человек до двух. Рассматривается возможность применения титана для изготовления орудийных пламегасителей.
Проходят испытания изготовленные из титана орудийные станки, крестовины лафетов и цилиндры противооткатных приспособлений. Широкое применение титан может получить при производстве управляемых снарядов и ракет.
Проведенные первые исследования титана и его сплавов показали возможность изготовления из них броневых плит. Замена стальной брони (толщиной 12,7 мм) титановой броней одинаковой снарядостойкости (толщиной 16 мм) позволяет получить, по данным этих исследований, экономию в весе до 25%.
Сплавы титана повышенного качества позволяют надеяться на возможность замены стальных плит титановыми равной толщины, что дает экономию в весе до 44%. Промышленное применение титана позволит обеспечить большую маневренность, увеличит дальность перевозки и долговечность орудия. Современный уровень развития воздушного транспорта делает очевидными преимущества легких броневиков и других машин из титана. Артиллерийское ведомство намерено снарядить в будущем пехоту касками, штыками, гранатометами и ручными огнеметами, сделанными из титана. Первое применение в артиллерии титановый сплав получил для изготовления поршня некоторых автоматических орудий.
Транспорт. Многие из тех выгод, которые сулит использование титана при производстве бронетанковой материальной части, относятся и к транспортным средствам.
Замена конструкционных материалов, потребляемых в настоящее время предприятиями транспортного машиностроения, титаном должна привести к снижению расхода топлива, росту полезной грузоподъемности, повышению предела усталости деталей кривошипно-шатунных механизмов и т. п. На железных дорогах исключительно важно снизить мертвый груз. Существенное уменьшение общего веса подвижного состава за счет применения титана позволит сэкономить в тяге, уменьшить габариты шеек и букс.
Важное значение вес имеет и для прицепных автотранспортных средств. Здесь замена стали титаном при производстве осей и колес также позволила бы увеличить полезную грузоподъемность.
Все эти возможности можно было бы реализовать при снижении цены титана с 15 до 2-3 долларов за фунт титановых полуфабрикатов.
Химическая промышленность. При производстве оборудования для химической промышленности самое важное значение имеет коррозионная стойкость металла. Существенно также снизить вес и повысить прочность оборудования. Логически следует предположить, что титан мог бы дать ряд выгод при производстве из него оборудования для транспортировки кислот, щелочей и неорганических солей. Дополнительные возможности применения титана открываются в производстве такого оборудования, как баки, колонны, фильтры и всевозможные баллоны высокого давления.
Применение трубопроводов из титана способно повысить коэффициент полезного действия нагревательных змеевиков в лабораторных автоклавах и теплообменниках. О применимости титана для производства баллонов, в которых длительно хранятся газы и жидкости под давлением, свидетельствует применяемая при микроанализе продуктов сгорания вместо более тяжелой трубки из стекла (показана в верхней части снимка). Благодаря малой толщине стенок и незначительному удельному весу эта трубка может взвешиваться на более чувствительных аналитических весах меньших размеров. Здесь сочетание легкости и коррозионной стойкости позволяет повысить точность химического анализа.
Прочие области применения. Применение титана целесообразно в пищевой, нефтяной и электротехнической промышленности, а также для изготовления хирургических инструментов и в самой хирургии.
Столы для подготовки пищи, пропарочные столы, изготовленные из титана, по качествам превосходят стальные изделия.
В нефте- и газобурильной областях серьезное значение имеет борьба с коррозией, поэтому применение титана позволит реже заменять корродирующие штанги оборудования. В каталитическом производстве и для изготовления нефтепроводов желательно применять титан, сохраняющий механические свойства при высокой температуре и обладающий хорошей коррозионной устойчивостью.
В электропромышленности титан можно применить для бронирования кабелей благодаря хорошей удельной прочности, высокому электрическому сопротивлению и немагнитным свойствам.
В различных отраслях промышленности начинают применять крепежные детали той или иной формы, изготовленные из титана. Дальнейшее расширение применения титана возможно для изготовления хирургических инструментов главным образом благодаря его коррозионной стойкости. Инструменты из титана в этом отношении превосходят обычные хирургические инструменты при многократном кипячении или обработке в автоклаве.
В области хирургии титан оказался лучше виталлиума и нержавеющих сталей. Присутствие титана в организме вполне допустимо. Пластинка и винты из титана для крепления костей находились в организме животного несколько месяцев, причем имело место прорастание кости в нитки резьбы винтов и в отверстие пластинки.
Преимущество титана заключается также в том, что на пластине образуется мышечная ткань.

Титан - элемент IV группы побочной подгруппы периодической системы, порядковый номер 22, атомный вес 47,9. Химический знак - Ti. Титан открыт в 1795году и назван в честь героя греческого эпоса Титана. Он входит в состав более чем 70 минералов и является одним из распространенных элементов - содержание его в земной коре составляет примерно 0,6 %. Это металл серебристо-белой окраски. Его температура плавления равна 1665 °С. Коэффициент линейного расширения титана в интервале 20 – 100 °С составляет 8,3×10 -6 град -1 , а теплопроводность l = 15,4 Вт/(м×К). Он существует в двух полиморфных видоизменениях: до 882 °С в виде a-модификации, обладающей гексагональной плотно-упакованной кристаллической решеткой с параметрами а = 2,95 Å и с = 4,86 Å; а выше данной температуры устойчивой является b-трансформация с объемноцентрированной кубической решеткой (а = 3,31 Å).

Металл сочетает большую прочность с малой плотностью r = 4,5 г/см 3 и высокой коррозионной стойкостью. Благодаря этому во многих случаях он обладает значительными преимуществами перед такими основными конструкционными материалами, как сталь и алюминий. Однако из-за низкой теплопроводности затрудняется его применение для конструкций и деталей, работающих в условиях больших температурных перепадов, и при службе на термическую усталость. Металл обладает ползучестью как при повышенных, так и при комнатной температурах. К недостаткам титана как конструкционного материала следует отнести также относительно низкий модуль нормальной упругости.

Металл высокой чистоты обладает хорошими пластическими свойствами. Под влиянием примесей пластичность его резко изменяется. Кислород хорошо растворяется в титане и сильно снижает данную характеристику уже в области малых концентраций. Пластические свойства металла уменьшаются и при добавлении азота. При содержании азота более 0,2 % наступает хрупкое разрушение титана. Вместе с тем кислород и азот повышают временное сопротивление и выносливость металла. В этом отношении они являются полезными примесями.

Вредной примесью является водород. Он резко снижает ударную вязкость титана даже при очень малых концентрациях, за счет образования гидридов. На прочностные характеристики металла водород не оказывает заметного влияния в широком интервале концентраций.

Чистый титан не относится к жаропрочным материалам, так как прочность его резко уменьшается с повышением температуры.

Важной особенностью металла является его способность образовывать твердые растворы с атмосферными газами и водородом. При нагревании титана на воздухе на его поверхности, кроме обычной окалины, образуется слой, состоящий из твердого раствора на основе a-Ti (альфитированный), стабилизированного кислородом, толщина которого зависит от температуры и продолжительности нагрева. Он имеет более высокую температуру превращения, чем основной слой металла, и его образование на поверхности деталей или полуфабрикатов может вызвать хрупкое разрушение.

Титан характеризуется значительной коррозионной стойкостью в атмосфере воздуха, естественной холодной, горячей пресной и морской воде, растворах щелочей, солей неорганических и органических кислот и соединений даже при кипячении. Он стоек по отношению к разбавленным серной, соляной (до 5 %), азотной всех концентраций (кроме дымящейся), уксусной и молочной кислотам, хлоридам и царской водке. Высокая коррозионная стойкость титана объясняется образованием на его поверхности плотной однородной защитной пленки, состав которой зависит от окружающей среды и условий ее образования. В большинстве случаев это диоксид - TiO 2 . При определенных условиях металл, взаимодействующий с соляной кислотой, может покрываться защитным слоем гидрида - TiH 2 . Титан устойчив против кавитационной коррозии и коррозии под напряжением.

Начало промышленного применения титана как конструкционного материала относится к сороковым годам прошлого столетия. В данном качестве титан наибольшее применение находит в авиации, ракетной технике, при сооружении морских судов, в приборостроении и машиностроении. Он сохраняет высокие прочностные характеристики при повышенных температурах и поэтому с успехом применяется для изготовления деталей, подвергающихся высокотемпературному нагреву.

В настоящее время титан широко применяют в металлургии, в том числе в качестве легирующего элемента в нержавеющих и жаростойких сталях. Добавки титана в сплавы алюминия, никеля и меди повышают их прочность. Он является составной частью твердых сплавов для режущих инструментов. Двуокись титана используют для обмазки сварочных электродов. Четыреххлористый титан применяют в военном деле для создания дымовых завес.

В электротехнике и радиотехнике используют порошкообразный титан в качествепоглотителя газов - при нагревании до 500 °С он энергично абсорбирует газы и тем самым обеспечивает в замкнутом объеме высокий вакуум. В связи с этим его применяют для изготовления деталей электронных ламп.

Титан в ряде случаев является незаменимым материалом в химической промышленности и в судостроении. Из него делают детали, предназначенные для перекачки агрессивных жидкостей, теплообменники, работающие в коррозионно-активных средах, подвесные приспособления, используемые при анодировании различных деталей. Титан инертен в электролитах и других жидкостях, применяемых в гальваностегии, и поэтому пригоден для производства различных деталей гальванических ванн. Его широко употребляют при изготовлении гидрометаллургической аппаратуры для никелево-кобальтовых заводов, так как он обладает высокой стойкостью против коррозии и эрозии в контакте с никелевыми и кобальтовыми шламами при больших температурах и давлениях.

Титан наиболее стоек в окислительных средах. В восстановительных средах он корродирует довольно быстро вследствие разрушения защитной окисной пленки.

Сплавы титана с различными элементами являются более перспективными материалами, чем технически-чистый металл.

Основными легирующими компонентами промышленных титановых сплавов являются ванадий, молибден, хром, марганец, медь, алюминий и олово. Практически же титан образует сплавы со всеми металлами, за исключением щелочноземельных элементов, а также с кремнием, бором, водородом, азотом и кислородом.

Наличие полиморфных превращений титана, хорошая растворимость многих элементов в нем, образование химических соединений, обладающих переменной растворимостью, позволяют получить широкую гамму титановых сплавов с разнообразными свойствами.

Они обладают тремя основными преимуществами по сравнению с другими сплавами: малым удельным весом, высокими химическими свойствами и отличной коррозионной стойкостью. Сочетание легкости с большой прочностью делают их особенно перспективными материалами как заменители специальных сталей для авиационной промышленности, а значительная коррозионная стойкость - для судостроения и химической промышленности.

Во многих случаях применение титановых сплавов оказывается экономически выгодным, несмотря на высокую стоимость титана. Например, применение литых титановых насосов с высочайшей коррозионной стойкостью на одном из предприятий России позволило снизить эксплуатационные расходы на один насос в 200 раз. Таких примеров можно привести немало.

В зависимости от характера влияния, оказываемого легирующими элементами на полиморфные превращения титана при сплавлении, все сплавы делятся на три группы:

1) с a-фазой (алюминий);

2) с b-фазой (хром, марганец, железо, медь, никель, бериллий, вольфрам, кобальт, ванадий, молибден, ниобий и тантал);

3) с a + b-фазами (олово, цирконий германий).

Сплавы титана с алюминием имеют меньшую плотность и большую удельную прочность, чем чистый или технически чистый титан. По удельной прочности они превосходят многие нержавеющие и теплостойкие стали в интервале 400 - 500 °С. Эти сплавы обладают более высокой жаропрочностью и наивысшим сопротивлением ползучести, чем многие другие на основе титана. Они также имеют повышенный модуль нормальнойупругости. Сплавы не подвергаются коррозии и слабо окисляются при высоких температурах. Они обладают хорошей свариваемостью, причем даже при значительном содержании алюминия материал шва и околошовной зоны не приобретает хрупкости. Добавка алюминия уменьшает пластичность титана. Наиболее интенсивно это влияние сказывается при содержании алюминия более 7,5 %. Добавка олова в сплавы повышает их прочностные характеристики. При концентрации в них до 5 % Sn заметного снижения пластических свойств не наблюдается. Кроме того, введение олова в сплавы повышает их сопротивляемость окислению и ползучести. Сплавы, содержащие 4 - 5 % Аl и 2 – 3 % Sn, сохраняют значительную механическую прочность до 500 °С.

Цирконий не оказывает большого влияния на механические свойства сплавов, но его присутствие способствует увеличению сопротивления ползучести и повышению длительной прочности. Цирконий является ценным компонентом титановых сплавов.

Сплавы данного типа достаточно пластичны: прокатываются, штампуются и куются в горячем состоянии, свариваются аргоно-дуговой и контактной сваркой, удовлетворительно обрабатываются резанием, обладают хорошей коррозионной стойкостью в концентрированной азотной кислоте, в атмосфере, растворах поваренной соли при цикличных нагрузках и морской воде. Они предназначаются для изготовления деталей, работающих при температурах от 350 до 500 °С при длительных нагрузках и до 900 °С при кратковременных нагрузках. Сплавы поставляются в виде листов, прутков, полос, плит, поковок, штамповок, прессованных профилей, труб и проволоки.

При комнатной температуре они сохраняют кристаллическую решетку, присущую модификации a-титана. В большинстве случаев эти сплавы применяют в отожженном состоянии.

К титановым сплавам с термодинамически устойчивой b-фазой относятся системы, содержащие в своем составе алюминий (3,0 - 4,0 %), молибден (7,0 - 8,0 %) и хром (10,0 - 15,0 %). Однако при этом теряется одно из основных преимуществ титановых сплавов - относительно малая плотность. Это является основной причиной того, что данные сплавы не получили широкого распространения. После закалки с 760 - 780 °С и старения при 450 - 480 °С они имеют временное сопротивление 130 – 150 кГ/мм 2 , это эквивалентно стали с s в = 255 кГ/мм 2 . Однако эта прочность не сохраняется при нагревании, что является основным недостатком указанных сплавов. Они поставляются в виде листов, прутков и поковок.

Наилучшее сочетание свойств достигается в сплавах, состоящих из смеси a- и b-фaз. Непременным компонентом в них является алюминий. Содержание алюминия не только расширяет область температур, при которых сохраняется стабильность a-фазы, но и повышает термическую устойчивость b-составляющей. Кроме того, этот металл уменьшает плотность сплава и тем самым компенсирует увеличение данного параметра, связанное с введением тяжелых легирующих элементов. Они обладают хорошей прочностью и пластичностью. Из них изготовляют листы, прутки, поковки и штамповки.Детали из таких сплавов можно соединять точечной, стыковой и аргоно-дуговой сваркой в защитной атмосфере. Они удовлетворительно обрабатываются резанием, обладают высокой коррозионной стойкостью во влажной атмосфере и в морской воде, обладают хорошей термической стабильностью.

Иногда, кроме алюминия и молибдена, в сплавы добавляется небольшое количество кремния. Это способствует тому, что сплавы в горячем состоянии хорошо поддаются прокатке, штамповке и ковке, а также увеличивается сопротивление ползучести.

Широкое применение находит карбид титана TiC и сплавы на его основе. Карбид титана обладает большой твердостью и очень высокой температурой плавления, что и определяет основные области его применения. Его давно применяют как компонент твердых сплавов для режущих инструментов и штампов. Типичными титансодержащими твердыми сплавами для режущего инструмента являются сплавы Т5К10, Т5К7, Т14К8, Т15К6, ТЗ0К4 (первая цифра соответствует содержанию карбида титана, а вторая - концентрации цементирующего металлического кобальта в %). Карбид титана применяют также в качестве абразивного материала как в порошке, так и в цементированном виде. Его температура плавления выше 3000 °С. Он обладает большой электропроводностью, а при низких температурах - сверхпроводимостью. Ползучесть данного соединения мала вплоть до 1800 °С. При комнатной температуре он хрупок. Карбид титана стоек в холодных и горячих кислотах - соляной, серной, фосфорной, щавелевой, на холоде - в хлорной кислоте, а также в их смесях.

Большое распространение получили жаростойкие материалы на основе карбида титана, легированного молибденом, танталом, ниобием, никелем, кобальтом и другими элементами. Это позволяет получить материалы, в которых сочетаются большая прочность, сопротивляемость ползучести и окислению при высоких температурах карбида титана с пластичностью и сопротивлением тепловому удару металлов. На этом же принципе основано получение жаростойких материалов на основе других карбидов, а также боридов, силицидов, которые объединяются под общим названием керамико-металлических материалов.

Сплавы на основе карбида титана сохраняют достаточно высокую жаропрочность до 1000 – 1100 °С. Они обладают высокой износоустойчивостью и стойкостью против коррозии. Ударная вязкость сплавов мала, и это является основным препятствием для широкого их распространения.

Карбид титана и сплавы на его основе с карбидами других металлов применяют в качестве огнеупорных материалов. Тигли из карбида титана и сплава его с карбидом хрома не смачиваются и практически не взаимодействуют в течение длительного времени с расплавленным оловом, висмутом, свинцом, кадмием и цинком. Не смачивают карбид титана расплавленная медь при 1100 - 1300 °С и серебро при 980 °С в вакууме, алюминий при 700 °С в атмосфере аргона. Сплавы на основе карбида титана с карбидом вольфрама или тантала с добавкой до 15 % Со при 900 – 1000 °С в течение длительного времени почти не поддаются действию расплавленного натрия и висмута.

СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ ТИТАНА

Титан (Ti) открыт в 1795 г. и назван в честь героя греческого эпоса Титана. Он входит в состав более чем 70 минералов и является одним из самых распространенных элементов — содержание его в земной коре составляет примерно 0,6%. Титан существует в двух модификациях: до 882°С в виде модификации а с гексагональной плотно упакованной кристаллической решеткой, а выше 882°С устойчивостью является модификация β с объемноцентрированной кубической решеткой. Ниже приведены основные физические свойства титана:

Атомная масса
Плотность при 20°С, г/см3
Температура, °С:
плавления

Удельная теплоемкость, кал/г
Теплопроводность кал/(см·сек·град)
Скрытая теплота плавления, кал/г
Коэффициент линейного расширения, 1 /град
Удельное электросопротивление,
Временное сопротивление при растяжении титана, кГ/мм2
Модуль упругости, кГ/мм2
Твердость НВ, кГ/мм2

Титан сочетает большую прочность с малой плотностью и высокой коррозионной стойкостью. Благодаря этому во многих случаях он обладает значительными преимуществами перед такими основными конструкционными материалами, как сталь и алюминий. Ряд титановых сплавов по прочности в два раза превосходит сталь при значительно меньшей плотности и лучшей коррозионной стойкости. Однако из-за низкой теплопроводности затрудняется его применение для конструкций и деталей, работающих в условиях больших температурных перепадов, и при работе на термическую усталость. К недостаткам титана как конструкционного материала следует отнести также относительно низкий модуль нормальной упругости.

Титан высокой чистоты обладает хорошими пластическими свойствами. Под влиянием примесей пластичность его резко изменяется. Кислород хорошо растворяется в титане и сильно снижает его пластические свойства уже в области малых концентраций.

Уменьшаются пластические свойства титана и при введении в него азота. При содержании азота в титане >0,2% наступает хрупкое его разрушение. Вместе с тем кислород и азот повышают временное сопротивление и выносливость титана и в этом отношении являются полезными примесями.

Вредной примесью в титане является водород. Он резко снижает ударную вязкость титана даже при очень малых концентрациях.

На прочностные характеристики титана водород не оказывает заметного влияния в широком интервале концентраций.

Механические свойства титана в значительно большей степени, чем у других металлов, зависят от скорости приложения нагрузки. Поэтому механические испытания титана следует проводить при более строго регламентированных и фиксированных условиях, чем испытания других конструкционных материалов.

Ударная вязкость титана существенно возрастает при отжиге в интервале 200— 300°С, заметного изменения других свойств не наблюдается. Наибольшее повышение пластичности титана достигается после закалки с температур, превышающих температуру полиморфного превращения, и последующего отпуска.

Важной особенностью титана является его способность образовывать твердые растворы с атмосферными газами и водородом. При нагревании титана на воздухе на его поверхности, кроме обычной окалины, образуется слой, состоящий из твердого раствора на основе α-Ti (альфитированный слой), стабилизированного кислородом, толщина которого зависит от температуры и продолжительности нагрева. Этот слой имеет более высокую температуру превращения, чем основной слой металла, и его образование на поверхности деталей или полуфабрикатов может вызвать хрупкое разрушение.

Титан и сплавы на основе титана характеризуются высокой коррозионной стойкостью в атмосфере воздуха, в естественной холодной и горячей пресной воде, в морской воде, а также в растворах щелочей, неорганических солей, органических кислот и соединений даже при кипячении. Он не подвергается коррозии в морской воде, находясь в контакте с нержавеющей сталью и медно-никелевыми сплавами. Высокая коррозионная стойкость титана объясняется образованием на его поверхности плотной однородной пленки, которая защищает металл от дальнейшего взаимодействия с окружающей средой.

Как конструкционный материал титан наибольшее применение находит в авиации, ракетной технике, при сооружении морских судов, в приборостроении и машиностроении. Титан и его сплавы сохраняют высокие прочностные характеристики при высоких температурах и поэтому с успехом могут применяться для изготовления деталей, подвергающихся высокотемпературному нагреву.

В настоящее время основное количество титана используется для приготовления титановых белил. Титан широко применяют в металлургии, в том числе в качестве легирующего элемента в нержавеющих и жаростойких сталях. Добавки титана в сплавы алюминия, никеля и меди повышают их прочность. Он является составной частью твердых сплавов для режущих инструментов. Двуокись титана используют для обмазки сварочных электродов. Четыреххлористый титан применяют в военном деле для создания дымовых завес.

В электротехнике и радиотехнике используют порошкообразный титан в качестве поглотителя газов — при нагревании до 500°С титан энергично поглощает газы и тем самым обеспечивает в замкнутом объеме высокий вакуум.

Титан в ряде случаев является незаменимым материалом в химической промышленности и в судостроении. Из него изготовляют детали, предназначенные для перекачки агрессивных жидкостей, теплообменники, работающие в коррозионно- активных средах, подвесные приспособления, используемые при анодировании различных деталей. Титан инертен в электролитах и других жидкостях, применяемых в гальваностегии, и поэтому пригоден для изготовления различных деталей гальванических ванн. Его широко используют при изготовлении гидрометаллургической аппаратуры для никелево-кобальтовых заводов, так как он обладает высокой стойкостью против коррозии и эрозии в контакте с никелевыми и кобальтовыми шламами при высоких температурах и давлениях.

Титан наиболее стоек в окислительных средах. В восстановительных средах титан корродирует довольно быстро вследствие разрушения защитной окисной пленки.

Технический титан и его сплавы поддаются всем известным методам обработки давлением. Они могут прокатываться в холодном и горячем состояниях, штамповаться, обжиматься, поддаваться глубокой вытяжке, развальцовываться. Из титана и его сплавов получают стержни, прутки, полосы,

различные профили проката, бесшовные трубы, проволоку и фольгу.

Сопротивление деформации у титана выше, чем у конструкционных сталей или медных и алюминиевых сплавов. Титан и его сплавы обрабатываются давлением примерно так же, как и нержавеющие стали аустенитного класса. Наиболее часто титан подвергают ковке при 800—1000°С. Чтобы предохранить титан от загрязнения газами, нагрев и обработку его давлением производят в возможно короткое время. Ввиду того, что при температурах >500°С водород диффундирует в титан и его сплавы с огромными скоростями, нагрев ведут в окислительной атмосфере.

Титан и его сплавы имеют пониженную обрабатываемость резанием подобно нержавеющим сталям аустенитного класса. При всех видах резания наиболее успешные результаты достигаются при небольших скоростях и большой глубине резания, а также при использовании режущего инструмента из быстрорежущих сталей или твердых сплавов.

Из-за высокой химической активности титана при высоких температурах сварку его ведут в атмосфере инертных газов (гелия, аргона). При этом защищать от взаимодействия с атмосферой и газами необходимо не только расплавленный металл шва, но все сильно нагретые части свариваемых изделий.

Большие технологические трудности возникают при производстве из титана и его сплавов отливок.

СПЛАВЫ ТИТАНА

Многие сплавы титана с другими элементами являются более перспективными материалами, чем технический титан.

Основными легирующими элементами в промышленных титановых сплавах являются ванадий, молибден, хром, марганец, медь, алюминий и олово. Практически же титан образует сплавы со всеми металлами, за исключением щелочноземельных, а также с кремнием, бором, водородом, азотом и кислородом.

Наличие полиморфных превращений титана, хорошая растворимость многих элементов в титане и образование химических соединений, обладающих переменной растворимостью в титане, позволяют получить широкую гамму титановых сплавов с разнообразными свойствами.

В зависимости от характера влияния, оказываемого на полиморфные превращения титана, все элементы можно разбить на три группы:

стабилизирующие α-фазу (алюминий);

повышающие стабильность β-фазы (хром, марганец, железо, медь, никель, бериллий, вольфрам, кобальт, ванадий, молибден, ниобий, тантал);

легирующие, мало влияющие на стабильность α- и β-фаз (олово, цирконий, германий).

Титановые сплавы, легированные элементами, повышающими стабильность α-фазы, обычно не упрочняются термической обработкой. Сплавы, легированные элементами, повышающими стабильность β-фазы, значительно упрочняются в результате термической обработки.

Титановые сплавы можно подвергать всем основным видам термической обработки: закалке, отжигу, старению, отпуску, химико-термической обработке. Чаще всего применяют отжиг.

Сплавы титана с алюминием имеют меньшую плотность и большую удельную прочность, чем чистый или технически чистый титан. По удельной прочности сплавы титана с алюминием превосходят многие нержавеющие и теплостойкие сплавы в интервале 400—500°С. Сплавы титана с алюминием обладают более высокой жаропрочностью и более высоким сопротивлением ползучести, чем многие другие сплавы титана.

Алюминий повышает модуль нормальной упругости титана.

Сплавы титана с алюминием не подвергаются коррозии и слабо окисляются при высоких температурах. Это позволяет производить горячую обработку сплавов при более высоких нагревах, чем нелегированного титана. Они обладают хорошей свариваемостью, причем даже при значительном содержании алюминия материал шва и околошовной зоны не приобретает хрупкости. Добавка алюминия уменьшает пластичность титана. Наиболее интенсивно это влияние сказывается при содержании алюминия более 7,5%.

Добавка олова в сплавы титана с алюминием повышает прочностные характеристики сплава. При концентрации в таких сплавах олова до 5% заметного снижения пластических свойств не наблюдается. Кроме того, добавка олова в сплавы титана с алюминием повышает их сопротивляемость окислению и ползучести. Сплавы, содержащие 4—5% Аl и 2—3% Sn, сохраняют значительную механическую прочность до 500°С.

Цирконий не оказывает большого влияния на механические свойства сплавов титана с алюминием, но его присутствие способствует увеличению сопротивления ползучести и повышению длительной прочности. Цирконий является ценным компонентом титановых сплавов.

Основой для получения высокожаропрочных титановых сплавов является сплав, содержащий —36% А1. Добавки в этот сплав других легирующих элементов дают жаропрочные материалы, обладающие высокой прочностью при 1000°С и выше и хорошими технологическими свойствами.

Сплав ВТ5 прокатывается, штампуется и куется в горячем состоянии, сваривается аргоно-дуговой и контактной сваркой, удовлетворительно обрабатывается резанием, обладает хорошей коррозионной стойкостью в концентрированной азотной кислоте и морской воде. Из этого сплава изготовляют детали, работающие при температурах до 400°С. Он обладает низкими антифрикционными свойствами и непригоден для изготовления трущихся деталей. Сплав ВТ5 поставляется в виде листов, прутков, паковок, труб и проволоки.

Сплавы типа ВТ5-1 предназначаются для изготовления деталей, работающих при температурах до 500°С при длительных нагрузках и до 900°С при кратковременных нагрузках. Они достаточно пластичны при горячей обработке давлением и могут изготовляться в виде листов, полос, плит, поковок, штамповок, прессованных профилей, труб и проволоки, хорошо свариваются и обладают высокой коррозионной стойкостью в атмосфере и растворах поваренной соли при цикличных нагрузках.

Сплав ВТ4 предназначен в основном для изготовления листов, лент и полос. Для деталей простой формы допускается штамповка в холодном состоянии. При штамповке деталей более сложной формы требуется подогрев до 500°С. Сплав обладает удовлетворительной обрабатываемостью резанием и сваривается аргоно-дуговой сваркой. По коррозионной стойкости сплав ВТ4 близок к сплавам ВТ5. Из сплава ВТ4 изготовляют детали, работающие при температурах до 350°С.

Сплав ОТ4 по свойствам и областям применения аналогичен сплаву ВТ4.

Сплав ВТ 10 обладает высоким сопротивлением ползучести и высокой термической стойкостью. Он удовлетворительно сваривается всеми видами сварки и предназначен для изготовления деталей, работаю-

щих при температурах до 500°С. Из сплава ВТ10 приготовляют поковки, штамповки прутки и полосы.

Сплавы ВТ5, ВТ5-1, ВТ4, ОТ4 и ВТ10 при комнатной температуре сохраняют кристаллическую решетку, присущую модификации α-титана. В большинстве случаев эти сплавы применяют в отожженном состоянии. Температура их отжига выше температуры отжига технического титана. В качестве сплава с α-структурой можно рассматривать и технический титан (ВТ1-00, ВТ1-0, ВТ1-1, ВТ1-2).

Титановые сплавы с термодинамически устойчивой β-фазой можно получить лишь при высоких концентрациях легирующих элементов (ванадия, молибдена, ниобия, тантала и др.). Однако при этом теряется одно из основных преимуществ титановых сплавов — относительно малая плотность. Это является основной причиной того, что титановые сплавы со стабильной β-фазой не получили широкого распространения.

Титановые сплавы со структурой, представленной одной β-фазой, можно механически получить закалкой титановых сплавов, содержащих достаточно высокую концентрацию переходных элементов. К таким сплавам относится сплав ВТ 15, содержащий 3—4% А1, 7—8% Мо и 10—15% Сr. После закалки с 760—780° С и старения при 450— 480°С сплав имеет временное сопротивление 130—150 кГ/мм2, это эквивалентно стали с временным сопротивлением 255 кГ/мм2. Однако эта прочность не сохраняется при нагревании, что является основным недостатком указанных сплавов. Сплав поставляется в виде листов, прутков и поковок.

Наилучшее сочетание свойств достигается в сплавах, состоящих из смеси α- и β-фаз. Непременным компонентом почти во всех таких сплавах является алюминий. Содержание в сплавах алюминия не только расширяет область температур, при которых сохраняется стабильность α-фазы, но повышает и термическую стабильность β-фазы. Кроме того, алюминий уменьшает плотность сплава и тем самым компенсирует увеличение плотности, связанное с введением тяжелых легирующих элементов.

Из сплава ВТ6 изготовляют листы, прутки, поковки и штамповки. Они обладают хорошей прочностью и пластичностью. Температура нагрева сплава при обработке давлением обычно не превышает 1000°С. Детали из сплава ВТ6 можно соединять точечной, стыковой и аргоно-дуговой сваркой в защитной атмосфере. Для восстановления пластичности металла после сварки требуется отжиг при 700—800°С. Сплавы этого типа удовлетворительно обрабатываются резанием, обладают высокой коррозионной стойкостью во влажной атмосфере и в морской воде. Прочность сплавов повышается после закалки с последующим старением при 450—550°С. Сплавы обладают хорошей термической стабильностью.

К сплавам группы ВТ6 можно отнести и сплав BT5. Этот сплав, кроме алюминия и молибдена, легируется небольшим количеством кремния. Сплав в горячем состоянии хорошо поддается прокатке, штамповке и ковке. Ковка осуществляется при 900— 1000°С. Сплав обладает также высокой коррозионной стойкостью и термической стабильностью и сопротивлением ползучести. Он удовлетворительно обрабатывается резанием и хорошо сваривается точечной, роликовой и стыковой сваркой. Применяют сплав главным образом в термически обработанном состоянии.

Самостоятельную группу сплавов составляют сплавы ВТ3 и ВТ3-1. Эти сплавы обладают большей термохимической стабильностью по сравнению со сплавами типа ВТ6. Сплав ВТ3-1, содержащий, кроме алюминия и хрома, молибден, обладает более высокой термической стабильностью и меньшей склонностью к проявлению хрупкости при нагревании, чем сплав ВТ3, и имеет более мелкозернистую структуру.

Титановые сплавы, состоящие из смеси α- и β-фаз, применяют в отожженном или стабилизированном состоянии.

Для сплава ВТ3 рекомендуется проводить отжиг при 750±10°С и охлаждение на воздухе, для сплава ВТ3-1 гомогенизацию при 870 ±10°С, охлаждение с печью до 650°С, выдержку при этой же температуре примерно 1 ч и последующее охлаждение; для сплава ВТ6 — отжиг при 80 ±10°С и охлаждение на воздухе; для сплава ВТ8— гомогенизацию при 800±10°С в течение 1 ч, охлаждение на воздухе до 590±10°С, выдержку 1 ч, охлаждение на воздухе. Эффект от термического упрочнения сплавов ВТЗ, ВТЗ-1, ВТ6 и ВТ8 относительно невелик.

Для сплава ВТ 14 упрочняющей термической обработкой является закалка в воде с 860—880°С с последующим старением при 480—500°С. Отжиг этого сплава, обеспечивающий получение высокой пластичности и удовлетворительной прочности, проводится нагреванием до 750—850°С с последующим охлаждением на воздухе. Сплав ВТ 14 чувствителен к перегреву в процессе горячей обработки давлением и термической обработки. При нагревании выше 920—930°С резко ухудшаются его механические свойства. В связи с этим горячую деформацию сплава ВТ 14 целесообразно проводить при температурах не более 930°С.

В настоящее время разработаны титановые сплавы, обладающие в закаленном состоянии высокой пластичностью, необходимой для изготовления сложных деталей, и сильно упрочняющиеся при последующем старении или отпуске.

Практически все деформируемые титановые сплавы могут применяться в качестве литейных материалов. Наиболее часто для изготовления деталей методом литья применяется сплав ВТ6 и технический титан (ВТ1-1). Металл для фасонного литья выплавляют в вакуумных дуговых печах с графитовым тиглем, покрытым гарниссажем. Заливка металла и охлаждение форм производятся либо в атмосфере инертных газов, либо в вакууме. Формы изготовляют из графита, керамических материалов или металлов, которые не взаимодействуют с титаном и титановыми литейными сплавами.

Широкое применение находит карбид титана TiC и сплавы на основе карбида титана. Карбид титана обладает большой твердостью и очень высокой температурой плавления, что и определяет основные области его применения. Карбид титана давно применяют как компонент твердых сплавов для режущего инструмента и штампов. Особенно эффективно использование режущего инструмента, содержащего карбид титана, для вязких материалов. Типичными титансодержащими твердыми сплавами для режущего инструмента являются сплавы Т5КЮ, Т5К7, Т14К8, Т15К6, Т30К4 (первая цифра соответствует содержанию карбида титана, а вторая — содержанию цементирующего металлического кобальта в %. Карбид титана применяют также в качестве абразивного материала как в порошке, так и в цементированном виде.

Температура плавления карбида титана >3000°С. Он обладает большой электропроводностью, а при низких температурах— сверхпроводимостью. Ползучесть титана ничтожна мала вплоть до температуры 1800°С. При комнатной температуре он хрупок. Карбид титана стоек в холодных и горячих кислотах — соляной, серной, фосфорной, щавелевой, на холоде — в хлорной кислоте, а также в смесях некоторых кислот.

Многие методы получения чистого карбида титана сводятся к химическому отделению карбида из науглероженного ферросплава. Однако наибольшее практическое значение имеет метод науглероживания порошкообразного металлического титана или двуокиси титана ниже температуры плавления составляющих. Примером такого метода может служить прокаливание двуокиси титана с сажей в угольных патронах. Значительное количество карбида титана получается в виде промежуточного продукта при изготовлении четыреххлористого титана.

Большое распространение получили жаростойкие материалы на основе карбида титана, легированного молибденом, танталом, ниобием, никелем, кобальтом и другими элементами. Легирование карбида титана металлами позволяет получить материалы, в которых сочетаются большая прочность, сопротивляемость ползучести и окислению при высоких температурах карбида титана с пластичностью и сопротивлением тепловому удару металлов. На этом же принципе основано получение жаростойких материалов на основе других карбидов, а также боридов, силицидов, которые объединяются под общим названием керамико-металлических материалов.

Сплавы на основе карбида титана сохраняют достаточно высокую жаропрочность до 1000—1100°С. Эти сплавы обладают высокой износоустойчивостью и стойкостью против коррозии. Ударная вязкость сплавов на основе карбида титана мала, и это является основным препятствием для широкого их распространения.

Карбид титана и сплавы карбида титана с карбидами других металлов применяют в качестве огнеупорных материалов. Тигли из карбида титана и сплава карбида титана с карбидом хрома не смачиваются и практически не взаимодействуют в течение длительного времени с расплавленным оловом, висмутом, свинцом, кадмием и цинком. Не смачивают карбид титана расплавленная медь при 1100—1300°С и серебро при 980°С в вакууме, алюминий при 700°С в атмосфере аргона. Сплавы на основе карбида титана с карбидом вольфрама или карбидом тантала с добавкой до 15% Со при 900—1000° в течение длительного времени почти не поддаются действию расплавленного натрия и висмута.

Для приготовления сплавов на основе карбида титана составляющие их размалываются вместе до очень высокой степени дисперсности и затем смеси прессуют с применением пластификатора в заданные формы. Полученные таким образом заготовки спекают при высоких температурах. Композиции на основе карбида практически не обладают ковкостью. Слегка спеченные прессовки можно обрабатывать на токарном станке алмазным инструментом, а сложные детали — абразивными кругами. После окончательного спекания материал обрабатывается только шлифованием. Методом выдавливания из массы на основе карбида титана можно изготовить трубы, стержни, листы и изделия сложного сечения. Более плотный продукт можно получить методом горячего прессования. Основным исходным материалом для получения компактного титана и титановых полуфабрикатов является губчатый титан (титановая губка), получаемая различными методами из титанового сырья.

– элемент 4 группы 4 периода. Переходный металл, проявляет и основные, и кислотные свойства, довольно широко распространен в природе – 10 место. Наиболее интересным для народного хозяйства является сочетание высокой твердости металла и легкости, что делает его незаменимым элементом для авиастроения. Данная статья расскажет вам о маркировке, легирующих и иных свойствах металла титана, даст общую характеристику и интересные факты о нем.

По внешнему виду металл больше всего напоминает сталь, однако механические его качества выше. При этом титан отличается малым весом – молекулярная масса 22. Физические свойства элемента изучены довольно хорошо, однако сильно зависят от чистоты металла, что приводит к существенным отклонениям.

Кроме того, имеет значение его специфические химические свойства. Титан устойчив к щелочам, азотной кислоте, и в то же время бурно взаимодействует с сухими галогенами, а при более высокой температуре – с кислородом и азотом. Хуже того, он начинает поглощать водород еще при комнатной температуре, если имеется активная поверхность. А в расплаве впитывает кислород и водород настолько интенсивно, что расплавление приходится проводить в вакууме.

Еще одна важная особенность, определяющая физические характеристики – существование 2 фаз состояния.

Низкотемпературная – α-Ti имеет гексагональную плотноупакованную решетку, плотность вещества – 4,55 г/куб. см (при 20 С).
Высокотемпературная – β-Ti характеризуется объемно-центрированный кубической решеткой, плотность фазы, соответственно, меньше – 4, 32 г/куб. см. (при 900С).

Температура фазового перехода – 883 С.

В обычных условиях металл покрывается защитной оксидной пленкой. При ее отсутствии титан представляет большую опасность. Так, титановая пыль может взрываться, температура такой вспышки 400С. Титановая стружка является пожароопасным материалом и хранится в специальной среде.

О структуре и свойствах титана рассказывает видео ниже:

Свойства и характеристики титана

Титан на сегодня является самым прочным среди всех существующих технических материалов, поэтому, несмотря на сложность получения и высокие требования по безопасности к , применяется достаточно широко. Физические характеристики элемента довольно необычны, однако очень сильно зависят от чистоты. Так, чистый титан и сплавы активно применяются в ракето- и авиастроении, а технический непригоден, так как из-за примесей теряет прочность при высоких температурах.

Плотность металла

Плотность вещества изменяется в зависимости от температуры и фазы.

При температурах от 0 до температуры плавления уменьшается от 4,51 до 4,26 г/куб. см, причем во время фазового перехода повышаете на 0,15%, а затем вновь уменьшается.
Плотность жидкого металла составляет 4,12 г/куб. см, а затем уменьшается с повышением температуры.

Температуры плавления и кипения

Фазовый переход разделяет все свойства металла на качества, которые может проявлять α- и β-фазы. Так, плотность до 883 С, относится к качествам α-фазы, а температуры плавления и кипения – к параметрам β-фазы.

Температура плавления титана (в градусах) составляет 1668+/-5 С;
Температура кипения достигает 3227 С.

Горение титана рассмотрено в этом видеоролике:

Механические особенности

Титан примерно в 2 раза прочнее железа и в 6 раз – алюминия, что и делает его столь ценным конструкционным материалом. Показатели относятся к свойствам α-фазы.

Предел прочности вещества при растяжении составляет 300–450 МПа. Показатель можно увеличить до 2000 МПа, добавив некоторые элементы, а также прибегнув к специальной обработке – закалке и старению.

Интересно то, что высокую удельную прочность титан сохраняет и при самых низких температурах. Более того, при понижении температуры прочность на изгиб растет: при +20 С показатель составляет 700 МПа, а при -196 – 1100 МПа.

Упругость металла относительно невелика, что является существенным недостатком вещества. Модуль упругости при нормальных условиях 110,25 ГПа. Кроме того, титану свойственна анизотропия: упругость по разным направлениям достигает разного значения.
Твердость вещества по шкале НВ составляет 103. Причем показатель это усредненный. В зависимости от чистоты металла и характера примесей твердость может быть и выше.
Условный предел текучести составляет 250–380 МПа. Чем выше этот показатель, тем лучше изделия из вещества противостоят нагрузкам и тем больше сопротивляются износу. Показатель титана превосходит показатель алюминия в 18 раз.

По сравнению с другими металлами, имеющими такую же решетку, металл обладает очень приличной пластичностью и ковкостью.

Теплоемкость

Металл отличается низкой теплопроводностью, поэтому в соответствующих областях – изготовление термоэлектродов, например, не применяется.

Теплопроводность его составляет 16,76 l , Вт/(м × град). Это меньше чем у железа в 4 раза и в 12 раз меньше, чем у .
Зато коэффициент термического расширения у титана ничтожен при нормальной температуре и возрастает при повышении температуры.
Теплоемкость металла составляет 0,523 кдж/(кг·К).

Электрические характеристики

Как чаще всего и бывает, низкая теплопроводность обеспечивает и низкую электропроводность.

Удельное электросопротивление металла весьма велико – 42,1·10 -6 ом·см в нормальных условиях. Если считать проводимость серебра равной 100%, то проводимость титана будет равна 3,8%.
Титан является парамагнитом, то есть, его нельзя намагничивать в поле, как железо, но и выталкиваться из поля, как он не будет. Свойство это с понижением температуры линейно уменьшается, но, пройдя минимум, несколько увеличивается. Удельная магнитная восприимчивость составляет 3,2 10 -6 Г -1 . Стоит отметить, что восприимчивость, так же как и упругость образует анизотропию и изменяется в зависимости от направления.

При температуре 3,8 К титан становится сверхпроводником.

Коррозионная стойкость

В нормальных условиях титан отличается очень высокими антикоррозийными свойствами. На воздухе его покрывает слой оксида титана толщиной в 5–15 мкм, что и обеспечивает отличную химическую инертность. Металл не корродирует в воздухе, морском воздухе, морской воде, влажном хлоре, хлорной воде и многочисленных других технологических растворах и реагентах, что делает материал незаменимым в химической, бумагоделательной, нефтяной промышленности.

При повышении температуры или сильном измельчении металла картина резко меняется. Металл реагирует едва ли не со всеми газами, входящими в состав атмосферы, а в жидком состоянии еще и впитывает их.

Безопасность

Титан является одним из самых биологически инертных металлов. В медицине он применяется для изготовления протезов, так как отличается стойкостью к коррозии, легкостью и долговечностью.

Диоксид титана не столь безопасен, хотя используется куда чаще – в косметологической, пищевой промышленности, например. По некоторым данным – UCLA, исследования профессора патологии Роберта Шистла, наночастицы диоксида титана воздействуют на генетический аппарат и могут способствовать развитию рака. Причем через кожный покров вещество не проникает, поэтому применение солнцезащитных средств, в составе которых есть диоксид, опасности не представляет, а вот вещество, попадающее внутрь организма – с пищевыми красителями, биологическими биодобавками, может оказаться опасным.

Титан – уникально прочный, твердый и легкий металл с очень интересными химическими и физическими свойствами. Это сочетание настолько ценно, что даже сложности с выплавкой и очисткой титана производителей не останавливают.

О том, как отличить титан от стали, этот видеосюжет и расскажет:

/моль)

История

Открытие диоксида титана (TiO 2) сделали практически одновременно и независимо друг от друга англичанин У. Грегор и немецкий химик М. Г. Клапрот . У. Грегор, исследуя состав магнитного железистого песка (Крид, Корнуолл, Англия, ), выделил новую «землю» (оксид) неизвестного металла, которую назвал менакеновой. В 1795 году немецкий химик Клапрот открыл в минерале рутиле новый элемент и назвал его титаном. Спустя два года Клапрот установил, что рутил и менакеновая земля - оксиды одного и того же элемента, за которым и осталось название «титан», предложенное Клапротом. Через 10 лет открытие титана состоялось в третий раз: французский учёный Л. Воклен обнаружил титан в анатазе и доказал, что рутил и анатаз - идентичные оксиды титана.

Первый образец металлического титана получил в 1825 году швед Й. Я. Берцелиус . Из-за высокой химической активности титана и сложности его очистки чистый образец Ti получили голландцы А. ван Аркел и И. де Бур в 1925 году термическим разложением паров иодида титана TiI 4 .

Титан не находил промышленного применения, пока люксембуржец Г. Кролл (англ.) русск. в 1940 году не запатентовал простой магниетермический метод восстановления металлического титана из тетрахлорида ; этот метод (процесс Кролла (англ.) русск. ) до настоящего времени остаётся одним из основных в промышленном получении титана.

Происхождение названия

Металл получил своё название в честь титанов , персонажей древнегреческой мифологии, детей Геи . Название элементу дал Мартин Клапрот в соответствии со своими взглядами на химическую номенклатуру в противовес французской химической школе, где элемент старались называть по его химическим свойствам. Поскольку немецкий исследователь сам отметил невозможность определения свойств нового элемента только по его оксиду, он подобрал для него имя из мифологии, по аналогии с открытым им ранее ураном .

Нахождение в природе

Титан находится на 10-м месте по распространённости в природе. Содержание в земной коре - 0,57 % по массе, в морской воде - 0,001 мг/л . В ультраосновных породах 300 г/т , в основных - 9 кг/т , в кислых 2,3 кг/т , в глинах и сланцах 4,5 кг/т . В земной коре титан почти всегда четырёхвалентен и присутствует только в кислородных соединениях. В свободном виде не встречается. Титан в условиях выветривания и осаждения имеет геохимическое сродство с Al 2 O 3 . Он концентрируется в бокситах коры выветривания и в морских глинистых осадках. Перенос титана осуществляется в виде механических обломков минералов и в виде коллоидов . До 30 % TiO 2 по весу накапливается в некоторых глинах. Минералы титана устойчивы к выветриванию и образуют крупные концентрации в россыпях. Известно более 100 минералов, содержащих титан. Важнейшие из них: рутил TiO 2 , ильменит FeTiO 3 , титаномагнетит FeTiO 3 + Fe 3 O 4 , перовскит CaTiO 3 , титанит (сфен) CaTiSiO 5 . Различают коренные руды титана - ильменит-титаномагнетитовые и россыпные - рутил-ильменит-цирконовые .

Месторождения

Крупные коренные месторождения титана находятся на территории ЮАР, России, Украины, Канады, США, Китая, Норвегии, Швеции, Египта, Австралии, Индии, Южной Кореи, Казахстана; россыпные месторождения имеются в Бразилии, Индии, США, Сьерра-Леоне, Австралии . В странах СНГ ведущее место по разведанным запасам титановых руд занимает РФ (58,5 %) и Украина (40,2 %) . Крупнейшее месторождение в России - Ярегское .

Запасы и добыча

По данным на 2002 год, 90 % добываемого титана использовалось на производство диоксида титана TiO 2 . Мировое производство диоксида титана составляло 4,5 млн т. в год. Подтверждённые запасы диоксида титана (без России) составляют около 800 млн т. На 2006 год, по оценке Геологической службы США, в пересчёте на диоксид титана и без учёта России, запасы ильменитовых руд составляют 603-673 млн т., а рутиловых - 49,7-52,7 млн т . Таким образом, при нынешних темпах добычи мировых разведанных запасов титана (без учёта России) хватит более чем на 150 лет.

Россия обладает вторыми в мире, после Китая, запасами титана. Минерально-сырьевую базу титана России составляют 20 месторождений (из них 11 коренных и 9 россыпных), достаточно равномерно рассредоточенных по территории страны. Самое крупное из разведанных месторождений (Ярегское) находится в 25 км от города Ухта (Республика Коми). Запасы месторождения оцениваются в 2 миллиарда тонн руды со средним содержанием диоксида титана около 10 % .

Крупнейший в мире производитель титана - российская компания «ВСМПО-АВИСМА » .

Получение

Как правило, исходным материалом для производства титана и его соединений служит диоксид титана со сравнительно небольшим количеством примесей. В частности, это может быть рутиловый концентрат, получаемый при обогащении титановых руд. Однако запасы рутила в мире весьма ограничены, и чаще применяют так называемый синтетический рутил или титановый шлак , получаемые при переработке ильменитовых концентратов. Для получения титанового шлака ильменитовый концентрат восстанавливают в электродуговой печи, при этом железо отделяется в металлическую фазу (чугун), а невосстановленные оксиды титана и примесей образуют шлаковую фазу. Богатый шлак перерабатывают хлоридным или сернокислотным способом.

Концентрат титановых руд подвергают сернокислотной или пирометаллургической переработке. Продукт сернокислотной обработки - порошок диоксида титана TiO 2 . Пирометаллургическим методом руду спекают с коксом и обрабатывают хлором , получая пары тетрахлорида титана TiCl 4:

T i O 2 + 2 C + 2 C l 2 → T i C l 4 + 2 C O {\displaystyle {\mathsf {TiO_{2}+2C+2Cl_{2}\rightarrow TiCl_{4}+2CO}}}

Образующиеся пары TiCl 4 при 850 °C восстанавливают магнием :

T i C l 4 + 2 M g → 2 M g C l 2 + T i {\displaystyle {\mathsf {TiCl_{4}+2Mg\rightarrow 2MgCl_{2}+Ti}}}

Кроме этого, в настоящее время начинает получать популярность так называемый процесс FFC Cambridge, названный по именам его разработчиков Дерека Фрэя, Тома Фартинга и Джорджа Чена из Кембриджского университета , где он был создан. Этот электрохимический процесс позволяет осуществлять прямое непрерывное восстановление титана из оксида в расплаве смеси хлорида кальция и негашёной извести (оксида кальция). В этом процессе используется электролитическая ванна, наполненная смесью хлорида кальция и извести, с графитовым расходуемым (либо нейтральным) анодом и катодом, изготовленным из подлежащего восстановлению оксида. При пропускании через ванну тока температура быстро достигает ~1000-1100 °C, и расплав оксида кальция разлагается на аноде на кислород и металлический кальций :

2 C a O → 2 C a + O 2 {\displaystyle {\mathsf {2CaO\rightarrow 2Ca+O_{2}}}}

Полученный кислород окисляет анод (в случае использования графита), а кальций мигрирует в расплаве к катоду, где и восстанавливает титан из его оксида:

O 2 + C → C O 2 {\displaystyle {\mathsf {O_{2}+C\rightarrow CO_{2}}}} T i O 2 + 2 C a → T i + 2 C a O {\displaystyle {\mathsf {TiO_{2}+2Ca\rightarrow Ti+2CaO}}}

Образующийся оксид кальция вновь диссоциирует на кислород и металлический кальций, и процесс повторяется вплоть до полного преобразования катода в титановую губку либо исчерпания оксида кальция. Хлорид кальция в данном процессе используется как электролит для придания электропроводности расплаву и подвижности активным ионам кальция и кислорода. При использовании инертного анода (например, диоксида олова), вместо углекислого газа на аноде выделяется молекулярный кислород, что меньше загрязняет окружающую среду, однако процесс в таком случае становится менее стабильным, и, кроме того, в некоторых условиях более энергетически выгодным становится разложение хлорида, а не оксида кальция, что приводит к высвобождению молекулярного хлора .

Полученную титановую «губку» переплавляют и очищают. Рафинируют титан иодидным способом или электролизом , выделяя Ti из TiCl 4 . Для получения титановых слитков применяют дуговую, электронно-лучевую или плазменную переработку.

Физические свойства

Титан - лёгкий серебристо-белый металл . При нормальном давлении существует в двух кристаллических модификациях: низкотемпературный α -Ti с гексагональной плотноупакованной решёткой (гексагональная сингония , пространственная группа C 6mmc , параметры ячейки a = 0,2953 нм , c = 0,4729 нм , Z = 2 ) и высокотемпературный β -Ti с кубической объёмно-центрированной упаковкой (кубическая сингония , пространственная группа Im 3m , параметры ячейки a = 0,3269 нм , Z = 2 ), температура перехода α↔β 883 °C, теплота перехода ΔH =3,8 кДж/моль (87,4 кДж/кг ). Большинство металлов при растворении в титане стабилизируют β -фазу и снижают температуру перехода α↔β . При давлении выше 9 ГПа и температуре выше 900 °C титан переходит в гексагональную фазу (ω -Ti) . Плотность α -Ti и β -Ti соответственно равна 4,505 г/см³ (при 20 °C) и 4,32 г/см³ (при 900 °C) . Атомная плотность α-титана 5,67⋅10 22 ат/см³ .

Температура плавления титана при нормальном давлении равна 1670 ± 2 °C, или 1943 ± 2 К (принята в качестве одной из вторичных калибровочных точек температурной шкалы ITS-90 (англ.) русск. ) . Температура кипения 3287 °C . При достаточно низкой температуре (-80°C) , титан становится довольно хрупким. Молярная теплоёмкость при нормальных условиях C p = 25,060 кДж/(моль·K) , что соответствует удельной теплоёмкости 0,523 кДж/(кг·K) . Теплота плавления 15 кДж/моль , теплота испарения 410 кДж/моль . Характеристическая дебаевская температура 430 К . Теплопроводность 21,9 Вт/(м·К) при 20 °C . Температурный коэффициент линейного расширения 9,2·10 −6 К −1 в интервале от −120 до +860 °C . Молярная энтропия α -титана S 0 = 30,7 кДж/(моль·К) . Для титана в газовой фазе энтальпия формирования ΔH 0
f = 473,0 кДж/моль , энергия Гиббса ΔG 0
f = 428,4 кДж/моль , молярная энтропия S 0 = 180,3 кДж/(моль·К) , теплоёмкость при постоянном давлении C p = 24,4 кДж/(моль·K)

Пластичен, сваривается в инертной атмосфере. Прочностные характеристики мало зависят от температуры, однако сильно зависят от чистоты и предварительной обработки . Для технического титана твёрдость по Виккерсу составляет 790-800 МПа , модуль нормальной упругости 103 ГПа , модуль сдвига 39,2 ГПа . У высокочистого предварительно отожжённого в вакууме титана предел текучести 140-170 МПа, относительное удлинение 55-70%, твёрдость по Бринеллю 716 МПа .

Имеет высокую вязкость, при механической обработке склонен к налипанию на режущий инструмент, и поэтому требуется нанесение специальных покрытий на инструмент, различных смазок .

При обычной температуре покрывается защитной пассивирующей плёнкой оксида TiO 2 , благодаря этому коррозионностоек в большинстве сред (кроме щелочной).

Химические свойства

Легко реагирует даже со слабыми кислотами в присутствии комплексообразователей, например, с плавиковой кислотой он взаимодействует благодаря образованию комплексного аниона 2− . Титан наиболее подвержен коррозии в органических средах, так как в присутствии воды на поверхности титанового изделия образуется плотная пассивная пленка из оксидов и гидрида титана. Наиболее заметное повышение коррозионной стойкости титана заметно при повышении содержания воды в агрессивной среде с 0,5 до 8,0 %, что подтверждается электрохимическими исследованиями электродных потенциалов титана в растворах кислот и щелочей в смешанных водно-органических средах .

При нагревании на воздухе до 1200 °C Ti загорается ярким белым пламенем с образованием оксидных фаз переменного состава TiO x . Из растворов солей титана осаждается гидроксид TiO(OH) 2 ·xH 2 O, осторожным прокаливанием которого получают оксид TiO 2 . Гидроксид TiO(OH) 2 ·xH 2 O и диоксид TiO 2 амфотерны .

При взаимодействии титана с углеродом образуется карбид титана Ti x C x (x = Ti 20 C 9 - TiC.

Титан в виде сплавов является важнейшим конструкционным материалом в авиа- и ракетостроении, в кораблестроении.
Металл применяется в химической промышленности (реакторы , трубопроводы , насосы , трубопроводная арматура), военной промышленности (бронежилеты, броня и противопожарные перегородки в авиации, корпуса подводных лодок), промышленных процессах (опреснительных установках, процессах целлюлозы и бумаги), автомобильной промышленности, сельскохозяйственной промышленности, пищевой промышленности, спортивных товарах, ювелирных изделиях, мобильных телефонах, лёгких сплавах и т. д.
Титан является физиологически инертным , благодаря чему применяется в медицине (протезы, остеопротезы, зубные имплантаты), в стоматологических и эндодонтических инструментах, украшениях для пирсинга .
Титановое литьё выполняют в вакуумных печах в графитовые формы. Также используется вакуумное литьё по выплавляемым моделям. Из-за технологических трудностей в художественном литье используется ограниченно. Первой в мировой практике монументальной литой скульптурой из титана является памятник Юрию Гагарину на площади его имени в Москве .
Титан является легирующей добавкой во многих легированных сталях и большинстве спецсплавов [каких? ] .
Нитинол (никель-титан) - сплав, обладающий памятью формы, применяемый в медицине и технике.
Алюминиды титана являются очень стойкими к окислению и жаропрочными, что, в свою очередь, определило их использование в авиации и автомобилестроении в качестве конструкционных материалов.
Титан является одним из наиболее распространённых