Изделия из титана и его сплавов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Российской Федерации

Томский политехнический университет

Кафедра ТАМП

Учебно-исследовательская работа по теме:

«Изделия из титана и его сплавов»

Выполнила:

Студентка гр. 8Л11

Шуравина Г.С.

Проверил:

Афонасов А.И.

Томск 2013



Содержание

1. История и нахождение в природе титаны

2. Физические и химические свойства титана

3. Титановое производство

4. Достоинства и недостатки титана

5. Применение титана

5.1 Применение титана потребительских товарах

5.2 Авиация

5.3 Военно-морской флот

5.4 Артиллерия

5.5 Транспорт

5.6 Химическая промышленность

5.7 Прочие области применения

5.8 «Барракуда»

6. Отношение деталей, аппаратов и конструкций из титана к агрессивным средам

Список использованной литературы



1. История и нахождение в природе титаны

Титан -- это элемент побочной подгруппы четвёртой группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Дмитрия Ивановича Менделеева, с атомным номером 22. Простое вещество титан (CAS-номер: 7440-32-6) -- лёгкий металл серебристо-белого цвета. Существует в двух кристаллических модификациях: б-Ti с гексагональной плотноупакованной решёткой, в-Ti с кубической объёмно-центрированной упаковкой, температура полиморфного превращения б-в 883°C. Температура плавления 1660±20°C.

Титан был назван так в честь древнегреческих персонажей Титанов. Назвал его так немецкий химик Мартин Клапрот по своим личным соображениями в отличии от французов которые старались давать названия в соответствии с химическими особенностями элемента, но так как тогда свойства элемента были неизвестны, было выбрано такое название.

Титан является 10 элементом по кол-ву его на нашей планете. Количество титана в земной коре равно 0.57 % по массе и 0.001 миллиграмм на 1 литр морской воды. Месторождения титана находятся на территории: Южно-Африканской Республики, Украины, Российской Федерации, Казахстана, Японии, Австралии, Индии, Цейлона, Бразилии и Южной Кореи.

Первооткрывателем титана считается 28-летний английский монах Уильям Грегор. В 1790 г., проводя минералогические изыскания в своем приходе, он обратил внимание на распространенность и необычные свойства черного песка в долине Менакэна на юго-западе Британии и принялся его исследовать. В песке священник обнаружил крупицы черного блестящего минерала, притягивающегося обыкновенным магнитом. Полученный в 1925 г. Ван Аркелем и де Буром иодидным методом чистейший титан оказался пластичным и технологичным металлом со многими ценными свойствами, которые привлекли к нему внимание широкого круга конструкторов и инженеров. В 1940 г. Кролль предложил магниетермический способ извлечения титана из руд, который является основным и в настоящее время. В 1947 г. были выпущены первые 45 кг технически чистого титана.

Первый образец металлического титана получил в 1825 году 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 TiI4.

Открытие TiO2 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, 1791), выделил новую «землю» (оксид) неизвестного металла, которую назвал менакеновой. В 1795 г. 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.

титан изделие промышленность



2. Физические и химические свойства титана

По физическим свойствам титан легкий серебристый металл, кроме того характерна высокая вязкость при механической обработке и склонен к прилипанию к режущему инструменту, поэтому используют специальные смазки или напыление для устранения этого эффекта. При комнатной температуре покрывается пассивирующей пленкой оксида TiO2, благодаря этому имеет стойкость к коррозии в большинстве агрессивных сред, кроме щелочей. Титановая пыль имеет свойство взрываться, при этом температура вспышки равна 400 °C. Титановая стружка пожароопасна.
Чтобы произвести титан в чистом виде или его сплавы в большинстве случаев используют диоксид титана с небольшим кол-вом соединений входящих в него. Например, рутиловый концентрат, получаемый при обогащении титановых руд. Но запасы рутила крайне малы и в связи с этим используют так называемый синтетический рутил или титановый шлак, получаемый при обработке ильменитовых концентратов.

В периодической системе элементов Менделеева Дмитрия Ивановича титан имеет порядковый номер 22. Атомная масса природного титана, вычисленная по результатам исследований его изотопов, составляет 47,926. Итак, ядро нейтрального атома титана содержит 22 протона. Количество же нейтронов, т. е. нейтральных незаряженных частиц, различно: чаще 26, но может колебаться от 24 до 28. Поэтому и число изотопов титана различно. Всего сейчас известно 13 изотопов элемента № 22. Природный титан состоит из смеси пяти стабильных изотопов, наиболее широко представлен титан-48, его доля в природных рудах 73,99%. Титан и другие элементы подгруппы IVВ очень близки по свойствам к элементам подгруппы IIIВ (группы скандия), хотя и отличаются от последних способностью проявлять большую валентность.

Титан весьма тугоплавкий металл. Долгое время считалось, что он плавится при 1800° С, однако в середине 50-х гг. английские ученые Диардорф и Хейс установили температуру плавления для чистого элементарного титана. Она составила 1668±3° С. По своей тугоплавкости титан уступает лишь таким металлам, как вольфрам, тантал, ниобий, рений, молибден, платиноиды, цирконий, а среди основных конструкционных металлов он стоит на первом месте. Важнейшей особенностью титана как металла являются его уникальные физико-химические свойства: низкая плотность, высокая прочность, твердость и др. Главное же, что эти свойства не меняются существенно при высоких температурах.

Титан - легкий металл, его плотность при 0° С составляет всего 4,517 г/см8, а при 100° С - 4,506 г/см3. Титан относится к группе металлов с удельной массой менее 5 г/см3. Сюда входят все щелочные металлы (натрий, кадий, литий, рубидий, цезий) с удельной массой 0,9-1,5 г/см3, магний (1,7 г/см3), алюминий (2,7 г/см3) и др. Титан более чем в 1,5 раза тяжелее алюминия, и в этом он, конечно, ему проигрывает, но зато в 1,5 раза легче железа (7,8 г/см3). Однако, занимая по удельной плотности промежуточное положение между алюминием и железом, титан по своим механическим свойствам во много раз их превосходит. ). Титан обладает значительной твердостью: он в 12 раз тверже алюминия, в 4 раза-железа и купрума. Еще одна важная характеристика металла - предел текучести. Чем он выше тем лучше детали из этого металла сопротивляются эксплуатационным нагрузкам. Предел текучести у титана почти в 18 раз выше, чем у алюминия. Удельная прочность сплавов титана может быть повышена в 1,5-2 раза. Его высокие механические свойства хорошо сохраняются при температурах вплоть до нескольких сот градусов. Чистый титан пригоден для любых видов обработки в горячем и холодном состоянии: его можно ковать, как железо, вытягивать и даже делать из него проволоку, прокатывать в листы, ленты, в фольгу толщиной до 0,01 мм.

В отличие от большинства металлов титан обладает значительным электрическим сопротивлением: если электропроводность серебра принять за 100, то электропроводность меди равна 94, алюминия - 60, железа и платины -15, а титана-всего 3,8. Титан - парамагнитный металл, он не намагничивается, как железо, в магнитном поле, но и не выталкивается из него, как медь. Его магнитная восприимчивость очень слаба, это свойство можно использовать при строительстве. Титан обладает сравнительно низкой теплопроводностью, всего 22,07 Вт/(мК), что приблизительно в 3 раза ниже теплопроводности железа, в 7 раз-магния, в 17-20 раз-алюминия и купрума. Соответственно и коэффициент линейного термического расширения у титана ниже, чем у других конструкционных материалов: при 20 С он в 1,5 раза ниже чем у железа, в 2 - у купрума и почти в 3 - у алюминия. Таким образом, титан - плохой проводник электроэнергии и тепла.



3. Титановое производство

Сегодня титановые сплавы широко применяют в авиационной технике. Титановые сплавы в промышленном масштабе впервые были использованы в конструкциях авиационных реактивных двигателей. Применение титана в конструкции реактивных двигателей позволяет уменьшить их массу на 10...25%. В частности, из титановых сплавов изготавливают диски и лопатки компрессора, детали воздухозаборника, направляющего аппарата и крепежные изделия. Титановые сплавы незаменимы для сверхзвуковых самолетов. Рост скоростей полета летательных аппаратов привел к повышению температуры обшивки, в результате чего алюминиевые сплавы перестали удовлетворять требованиям, которые предъявляются авиационной техникой сверхзвуковых скоростей. Температура обшивки в этом случае достигает 246...316 °С. В этих условиях наиболее приемлемым материалом оказались титановые сплавы. В 70-х годах существенно возросло применение титановых сплавов для планера гражданских самолетов. В среднемагистральном самолете ТУ-204 общая масса деталей из титановых сплавов составляет 2570 кг. Постепенно расширяется применение титана в вертолетах, главным образом, для деталей системы несущего винта, привода, а также системы управления. Важное место занимают титановые сплавы в ракетостроении.

Благодаря высокой коррозионной стойкости в морской воде титан и его сплавы находят применение в судостроении для изготовления гребных винтов, обшивки морских судов, подводных лодок, торпед и т.д. На титан и его сплавы не налипают ракушки, которые резко повышают сопротивление судна при его движении. Постепенно области применения титана расширяются. Титан и его сплавы применяют в химической, нефтехимической, целлюлозно-бумажной и пищевой промышленности, цветной металлургии, энергомашиностроении, электронике, ядерной технике, гальванотехнике, при производстве вооружения, для изготовления броневых плит, хирургического инструмента, хирургических имплантатов, опреснительных установок, деталей гоночных автомобилей, спортинвентаря (клюшки для гольфа, снаряжение альпинистов), деталей ручных часов и даже украшений. Азотирование титана приводит к образованию на его поверхности золотистой пленки, по красоте не уступающей настоящему золоту.

На 2002 год, 90 % добываемого титана использовалось на производство диоксида титана TiO2. Мировое производство диоксида титана составляло 4,5 млн т. в год. Подтверждённые запасы диоксида титана (без Российской Федерации) составляют около 800 млн т. На 2006 год, по оценке Геологической службы США, в пересчёте на диоксид титана и без учёта Российской Федерации, 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 Российской Федерации) хватит более, чем на 150 лет.

Россия обладает вторыми в мире, после Китая, запасами титана. Минерально-сырьевую базу титана Российской Федерации 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 %.

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 не восстановленные оксиды титана и примесей образуют шлаковую фазу. Богатый шлак перерабатывают хлоридным или сернокислотным способом.

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 индустрии, сельскохозяйственной промышленности, пищевой промышленности, украшениях для пирсинга, медицинской промышленности (протезы, остеопротезы), стоматологических и эндодонтических инструментах, зубных имплантатах, спортивных товарах, ювелирных предметах торговли,мобильных телефонах, лёгких сплавах и т. д. Является важнейшим конструкционным материалом в авиа-, ракето-, кораблестроении.

Титановое литье выполняют в вакуумных печах в графитовые формы. Также используется вакуумное литье 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.

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 геттерных материалов, используемых в высоковакуумных насосах.

Белый диоксид титана (TiO2) используется в красках (например, титановые белила), а также при производстве бумаги и пластика. Пищевая добавка E171.

Титанорганические соединения (напр. тетрабутоксититан) применяются в качестве катализатора и отвердителя в химической и лакокрасочной промышленности.

Неорганические соединения титана применяются в химической электронной, стекловолоконной промышленности в качестве добавки или покрытий.

Карбид титана, диборид титана, карбонитрид титана -- важные компоненты сверхтвёрдых материалов для обработки металлов.

Нитрид титана применяется для покрытия инструментов, куполов церквей и при производстве бижутерии, т.к. имеет цвет, похожий на золото.



4. Достоинства и недостатки титана

Достоинства:

· малая плотность (4500 кг/м³) способствует уменьшению массы используемого материала;

· высокая механическая прочность. Стоит отметить, что при повышенных температурах (250-500 °С) титановые сплавы по прочности превосходят высокопрочные сплавы алюминия и магния;

· необычайно высокая коррозионная стойкость, обусловленная способностью титана образовывать на поверхности тонкие (5-15 мкм) сплошные пленки оксида ТiO₂, прочно связанные с массой металла;

· удельная прочность (отношение прочности и плотности) лучших титановых сплавов достигает 30-35 и более, что почти вдвое превышает удельную прочность легированных сталей.

Недостатки:

· высокая стоимость производства, титан значительно дороже железа, алюминия, меди, магния;

· активное взаимодействие при высоких температурах, особенно в жидком состоянии, со всеми газами, составляющими атмосферу, в результате чего титан и его сплавы можно плавить лишь в вакууме или в среде инертных газов;

· трудности вовлечения в производство титановых отходов;

· плохие антифрикционные свойства, обусловленные налипанием титана на многие материалы, титан в паре с титаном не может работать на трение;

· высокая склонность титана и многих его сплавов к водородной хрупкости и солевой коррозии;

· плохая обрабатываемость резанием, аналогичная обрабатываемости нержавеющих сталей астеничного класса;

· большая химическая активность, склонность к росту зерна при высокой температуре и фазовые превращения при сварочном цикле вызывают трудности при сварке титана.



5. Применение титана

5.1 Применение титана в потребительских товарах

Сегмент рынка потребительских товаров в настоящее время является наиболее быстро растущим сегментом титанового рынка. В то время как 10 лет назад этот сегмент составлял только 1-2% титанового рынка, сегодня он вырос до 8-10% рынка. В целом потребление титана в производстве потребительских товаров росло примерно в два раза быстрее, чем весь титановый рынок.

Использование титана в спорте является наиболее долговременным и занимает наибольшую долю в применении титана в потребительских товарах. Причина популярности использования титана в спортивном инвентаре проста - он позволяет получить превосходящее любой другой металл соотношение веса и прочности. Использование титана в велосипедах началось примерно 25-30 лет назад и было первым применением титана в спортивном инвентаре. В основном используются трубы из сплава Тi 3Аl-2.5V (ASTM Grade 9). Другие части производимые из титановых сплавов включают в себя тормоза, звёздочки и пружины сидений.

Использование титана в производстве гольфовских клюшек впервые началось в конце 80-х - самом начале 90-х годов производителями клюшек в Японии. До 1994-1995 годов это применение титана было практически неизвестно в США и в Европе. Ситуация изменилась, когда компания Callaway представила на рынок свою титановую клюшку, производимую компанией Ruger Titanium и названную Great Big Bertha. В связи с очевидными преимуществами и с помощью хорошо продуманного компанией Callaway маркетинга, титановые клюшки моментально приобрели огромную популярность. В течение короткого периода времени титановые клюшки прошли путь от эксклюзивного и дорогого инвентаря небольшой группы игроков до широкого использования большинством гольфистов (по прежнему оставаясь более дорогими по сравнению со стальными клюшками).

Основные тенденции развития гольфовского рынка:

он прошел путь от высокотехнологичного до массового производства в короткий период 4-5 лет;

следуя путем других производств с высокими трудозатратами (таких как производство одежды, игрушек и потребительской электроники), производство гольфовских клюшек ушло в страны с наиболее дешевой рабочей силой, - сначала на Тайвань, затем в Китай, и сейчас заводы строятся в странах с еще более дешевым трудом, таких как Вьетнам и Таиланд;

титан определенно используется для драйверов (drivers), где его превосходные качества дают очевидное преимущество и оправдывают более высокую цену. Однако, титан пока еще не нашел очень широкого потребления на последующих клюшках (irons), так как значительное увеличение затрат не подкрепляется соответствующим улучшением игры;

в настоящее время драйверы в основном производятся с кованой ударной поверхносью (face), кованым или литым верхом (crown plate) и литым низом (sole plate);

недавно Профессиональная Гольфовская Ассоциация (PGA) разрешила увеличить верхний предел так называемого «коэффициента возврата» (coefficient of restitution), в связи с чем все производитеди клюшек будут стараться увеличить пружинящие свойства ударной поверхности. Для этого приходится уменьшить толщину ударной поверхности и использовать для нее более прочные сплавы, такие как SP700, 15-3-3-3 и ВТ-23.

Теперь остановимся на применении титана и его сплавов на другом спортивном оборудовании. Трубы для гоночных велосипедов и другие детали изготавливают из сплава ASTM Grade 9 (Ti 3Al-2.5V).

На удивление значительное количество титанового листа используется при производстве ножей для подводного плавания (рис.1). Большинство производителей используют сплав Ti 6Al-4V, но этот сплав не обеспечивает долговечность кромки лезвия, как другие более прочные сплавы. Некоторые производители переключаются на использование сплава ВТ23. Розничная цена титановых ножей для подводного плавания составляет примерно 70-80 долларов.

Рис.1

Литые титановые подковы дают значительное уменьшение веса по сравнению со стальными, при этом обеспечивая необходимую прочность. К сожалению, это применение титана не вошло в жизнь, потому что титановые подковы искрили и пугали лошадей. Немногие согласятся использовать титановые подковы после первых неудачных опытов.

Титан очень широко используется в альпинизме и туризме, практически для всех предметов, которые альпинисты и туристы несут в своих рюкзаках: бутылки, чашки (розничная цена 20-30 долларов), наборы для приготовления пищи (розничная цена примерно 50 долларов), столовая посуда, в основном сделанные из коммерчески чистого титана Grade 1 и 2 (рис.2).

Рис.2

Другими примерами альпинистского и туристского снаряжения являются компактные печки, стойки и крепления палаток, ледорубы и ледобуры.

Производители вооружения недавно начали производить титановые пистолеты как для спортивной стрельбы, так и для правоохранительных органов.

Потребительская электроника является достаточно новым и быстро растущим рынком для титана. Во многих случаях применение титана в потребительской электронике вызвано не только его великолепными свойствами, но также и привлекательным внешним видом изделий. Коммерчески чистый титан Grade 1 используется для производства корпусов портативных компьютеров, мобильных телефонов, плазменных телевизоров с плоским экраном и другого электронного оборудования (рис.3). Использование титана в производстве динамиков обеспечивает лучшие акустические свойства в связи с легкостью титана по сравнению со сталью, приводящей к увеличению акустической чувствительности.

Рис.3

Титановые часы, впервые внедренные на рынок японскими производителями, сейчас являются одним из наиболее доступных и признанных потребительских титановых продуктов (рис.3).

Мировое потребление титана в производстве традиционных и, так называемых, нательных (body jewelry) ювелирных изделий измеряется несколькими десятками тонн. Все чаще можно встретить титановые обручальные кольца, и уж конечно, люди носящие украшения на теле, просто обязаны использовать титан.

Титан широко используется в производстве морского крепежа и фурнитуры, где очень важно сочетание высокой коррозионной стойкости и прочности. Компания Atlas Ti, базирующаяся в Лос Анжелесе, производит широкий ассортимент этих продуктов из сплава ВТ3-1.

Использование титана в производстве инструмента впервые началось в Советском Союзе в начале 80-х годов, когда по заданию правительства были изготовлены легкие и удобные инструменты для облегчения труда рабочих. Советский гигант титанового производства ВСМПО производило в то время титановые лопаты, гвоздодеры, монтировки, топорики и ключи. Позднее японские и американские производители инструмента начали использовать титан в своей продукции.

Титан широко используется в медицине уже в течение многих лет. Преимущества - прочность, сопротивление коррозии, и главное то, что у некоторых людей возникает аллергия на никель (обязательный компонент нержавеющих сталей), в то время как ни у кого не обнаружена аллергия на титан. Используемые сплавы - коммерчески чистый титан и Ti 6-4 ELI. Титан используется в производстве хирургического инструмента, внутренних и внешних протезов, включая такие критические, как сердечный клапан. Из титана изготавливаю костыли и инвалидные коляски.

Применение титана в искусстве относится к 1967 году, когда в Москве был поставлен первый титановый монумент. В настоящий момент значительное число титановых монументов и зданий возведено практически на всех континентах, включая такие знаменитые, как музей Гугенхайма (Guggenheim Museum), построенный архитектором Френком Гери (Frank Gehry) в Бильбао. Материал очень нравится людям исскуства за цвет, внешний вид, прочность и сопротивление коррозии (рис.4).

Рис.4

По этим причинам титан применяют в сувенирах и бижутерии/галантерее, где он успешно соперничает с такими драгоценными металлами, как серебро и даже золото.

5.2 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. Компания «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.

5.3 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.

5.4 Артиллерии

По-видимому, наиболее крупным потенциальным приобретателем 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.

5.5 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 затраты 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 дисконте титана с 15 до 2--3 долларов за фунт титановых полуфабрикатов.

5.6 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.

5.7 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 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.

Примерно половина производимой в мире титановой продукции направляется обычно в гражданское авиастроение, но его спад после известных трагических событий вынуждает многих участников отрасли искать новые области применения титана. Данный материал представляет первую часть подборки публикаций в зарубежной металлургической прессе, посвященных перспективам титана в современных условиях. Промышленное применение титана включает в себя химические процессы, энергетику, нефтегазовую отрасль, опреснительные установки. Военное не авиационное применение включает, прежде всего, использование в артиллерии и боевых машинах. Секторами со значительными объемами применения титана являются автомобилестроение, архитектура и строительство, спортивные товары, ювелирные изделия. Практически весь титан в слитках производится в США, Японии и СНГ - на долю Европы приходится всего 3,6 от общемирового объема. Региональные рынки конечного применения титана весьма различаются - наиболее ярким примером своеобразия является Япония, где на гражданский авиакосмический сектор приходится всего 2-3 при использовании 30 от общего потребления титана в оборудовании и конструкционных элементах химических заводов.

5.8 «Барракуда»

Уникальные подводные лодки проекта 945 "Барракуда" с титановым корпусом.

Военно-морской флот России решил вернуть в строй уникальные подводные лодки проекта 945 «Барракуда», корпус которых выполнен из титана.

Сейчас в составе флота четыре титановые атомные подводные лодки (если не считать мини-лодок для глубоководных исследований): две проекта 945 «Барракуда» - К-239 «Карп» и К-276 «Кострома» и две титановые лодки модернизированного проекта 945А «Кондор» - К-336 «Псков» и К-534 «Нижний Новгород».

Главная мишень «Барракуд» и «Кондоров» - авианосцы и подводные лодки. Для их уничтожения используются торпеды, которые выстреливают из двух 650-мм торпедных аппаратов и четырех 533-мм. В отличие от «Барракуд» «Кондоры» могут стрелять ядерными крылатыми ракетами «Гранат» и погружаться на 50 м глубже - до 600 м. От воздушных атак лодки могут отстреливаться зенитными ракетами «Игла».

Все лодки входят в состав 7-й дивизии подводных лодок Северного флота (п. Видяево), но «Карп» с 1994 года находится на судоремонтном заводе «Звездочка» в ожидании восстановления.

Несмотря на возраст, корпуса титановых лодок «в отличном состоянии». Титан в отличие от стали не подвержен коррозии, поэтому если снять резиновое покрытие, которое поглощает шум, корпуса там как новенькие. Благодаря титановому корпусу лодки могут служить до 100 лет.

По предварительным данным, титановые субмарины получат новые гидроакустические станции, боевые информационно-управляющие системы, радары с радиотехнической станцией разведки, навигационную систему на базе ГЛОНАСС/GPS. Кроме того, на лодках поменяют системы вооружения и научат их стрелять крылатыми ракетами от комплекса «Калибр» (Club-S).

Прочность титановых лодок была продемонстрирована в 1992 году, когда АПЛ «Кострома» столкнулась в Баренцевом море с американской субмариной типа «Лос-Анджелес». Российский корабль получил небольшие повреждения рубки, а американскую лодку пришлось списать.



6. Отношение деталей, аппаратов и конструкций из титана к агрессивным средам

Таблица 1

Отрасль производства	Характер среды	Наименование детали, аппарата, конструкции	Состояние изделия, конструкции к моменту обследования
Производство хлора и каустической соды	Влажный хлор, хлорная вода, хлорид натрия, (не более 315 г/л), гидроксид натрия (не более 0,1 г/л)	Теплообменник (титан ВТ1)	Состояние удовлетворительное после 6 лет работы без ремонта
		Теплообменники пластинчатые	Успешно работают в течение трех лет
		Трубы теплообменников	Функционируют свыше 10 лет
		Подогреватели рассола (титан ВТ1)	Состояние удовлетворительное после двух лет работы без ремонта
		Холодильник кожухотрубчатый	Отсутствие следов коррозионных разрушений после более чем десятилетней эксплуатации
		Холодильник кожухотрубчатый	Работает более 5 лет без ремонта
		Холодильник (титан ВТ1)	Состояние удовлетворительное после эксплуатации в течение полутора лет
		Трубопроводы	Отсутствие следов коррозионных разрушений после более чем шестилетней эксплуатации
		Трубопроводы с коллектором влажного хлора (титан ВТ1) с изоляцией от токов утечки	Состояние удовлетворительное после двух лет работы без ремонта
		Насос	Незначительная коррозия после эксплуатации в течение полутора лет
Производство двуоксида хлора	Паро-газовая фаза: двуоксид хлора, хлор, воздух Жидкая фаза: хлорат кальция (не более 150 г/л), хлорид кальция (не более 400 г/л), серная кислота (до 1700 г/л), сульфат кальция	Реакторы (титан ВТ1) с сифонами для подачи растворов хлоратов и серной кислоты	Состояние удовлетворительное после 6 месяцев работы без ремонта
		Сифон для подачи раствора хлоратов	Через 6 месяцев значительная коррозия в жидкой фазе
		Сифон для подачи серной кислоты	Через 4 месяца интенсивная коррозия
		Абсорберы (титан ВТ1)	Через полтора года незначительные коррозионные разрушения. Коррозия равномерная со скоростью 0,025 мм в год
	Паро-газовая фаза: двуоксид хлора, хлор, двуоксид серы, воздух Жидкая фаза: хлорат натрия (25 г/л), серная кислота (450-472 г/л), хлорид натрия (до 3 г/л), сульфат, гидросульфат и хрромат натрия	Аппарат для оттдувки двуоксида хлора (титан ВТ1-1)	Эксплуатировался 6 месяцев без ремонта. Равномерная коррозия со скоростью 0,07 мм в год
		Скруббер для конденсации пара (титан ВТ1-0)	Равномерная коррозия со скоростью 0,001 мм в год
		Трубопроводы для газо-воздушной смеси (титан ВТ1-0)	Равномерная коррозия со скоростью 0,031 мм в год
		Запорная арматура (титан ВТ1-1)	Эксплуатировалась 3 года без ремонта
		Насосы (титан ВТ1)	Отсутствие признаков коррозии после трех лет эксплуатации
		Эжектор паровой для создания разрежения в системе	Отсутствие следов коррозии после полутора лет эксплуатации
		Хвостовая башня для улавливания хлора из газо-воздушной смеси (титан ВТ1-0)	Равномерная коррозии со скоростью 0,001-0,002 мм в год
Производство гипохлорита натрия	Активный хлор, хлорид натрия, гидроксид натрия, гипохлорит натрия	Теплообменник (титан А-55)	Эксплуатировался свыше 4 лет без ремонта
		Насосы центробежные (титан ВТ1)	Отсутствие признаков коррозии после 2 лет эксплуатации
		Импллер насоса (титан Ай-Си-Ай)	Признаков коррозии не обнаружено после 18 месяцев непрерывной эксплуатации
Производство гипохлорита кальция	Активный хлор, хлорид натрия, хлорид кальция, щелочность 0,2-16%	Корпус и диффузор хлоратора известково-каустической смеси	Отсутствие следов коррозии после 3 лет эксплуатации без ремонта
		Змеевик для хлората щелочи	Состояние удовлетворительное после 3 лет эксплуатации без ремонта
		Трубопроводы (титан ВТ1)	Эксплуатируются свыше 3 лет без ремонта
		Запорная арматура (титан ВТ1)	Отсутствие признаков коррозии после 3 лет эксплуатации
		Насос центробежный	Отсутствие признаков коррозии после 13 месяцев эксплуатации
		Мешалка к емкости для приготовления известково-каустической смеси	Состояние удовлетворительное после 3 лет эксплуатации без ремонта
		Барбатер к емкости для разложения гипохлоритсодержащих стоков	Эксплуатируется более 3 с половиной лет без ремонта
Производство хлората натрия	Хлорат, хлорид, хромат и сульфат натрия; pH 5-6	Подогреватели хлорид-хлоратного раствора (титан ВТ1)	Состояние удовлетворительное после эксплуатации в течение 4-8 лет
		Трубопроводы, транспортирующие хлорид-хлорат-гипохлоритные растворы (титан ВТ1)	Незначительная равномерная коррозия после эксплуатации в течение 6 лет без ремонта
		Запорная арматура (титан ВТ1)	Эксплуатируются более 6 лет
Производство хлората калия	Хлорат и хлорид натрия, хлорид кальция	Трубчатый циркуляционный пдогреватель хлорид-хлоратного раствора (титан ВТ1)	Эксплуатируется более 2 лет без ремонта
		Колонна для обесхлоривания	Надежда в эксплуатации в течение нескольких лет
		Змеевик для сборника маточника II кристаллизации	Эксплуатируется более 2 лет без ремонта
		Барбатеры (титан ВТ1)	Незначительная коррозия после 6 лет эксплуатации без ремонта
Производство азотной кислоты	Оксиды азота, пары азотной кислоты, азотная кислота (30-80%)	Теплообменник	Эксплуатировался без разрушений 2 года
		Конденсатор трубчатый	Отсутствие следов коррозии после эксплуатации в течение 6 лет
		Холодильник скоростной	Эксплуатируется в течение 6 лет
		Змеевики абсорбционных колонн (титан ВТ1)	Эксплуатируется в течение 6 лет
		Трубы (титан ВТ1-1)	Эксплуатируется в течение 900 часов
		Погружные насосы	После 10 месяцев эксплуатации (около 7000 часов) следов разрушения не обнаружено
		Патрон для термопары	Срок службы не менее 5 лет
Производство аммиака	Аммиак	Клапаны и пружины в компрессорах	Непрерывно эксплуатируется более 18 месяцев
		Змеевиковый подогреватель газообразного аммиака	Разрушение металла не наблюдалось при эксплуатации в течение 5000 часов
Производство аммиачной селитры	Раствор аммиачной селитры, азотная кислота (2 мг/л)	Барбатеры подачи кислоты в аппараты с использованием тепла нейтрализации	Хорошее состояние после эксплуатации в течение двух лет
Производство катализаторов	Хромовая кислота (30-40%)	Трубопроводы(вторичный титан)	Удовлетворительное состояние после эксплуатации в течение 3 лет
Производство ионитов	Подкисленный дихлорэтан	Сборник (титан ВТ1-1)	Хорошее состояние после эксплуатации в течение двух лет
		Насосы литые	Успешно эксплуатируются в течении двух с половиной лет
Производство трихлорацетата натрия	Разбавленные растворы азотной кислоты	Теплообменник	Отсутствие следов коррозионных разрушений как основного металла, так и сварных соединений после 10 лет эксплуатации
		кожухотрубчатый
		Трубопроводы	Отсутствие следов коррозионных разрушений как основного металла, так и сварных соединений после 10 лет эксплуатации
		Сборники	Отсутствие следов коррозионных разрушений как основного металла, так и сварных соединений после 10 лет эксплуатации
		Насосы	Работают более 10 лет без следов коррозионных разрушений
Производство дихлоргидринов глицерина	Хлор, вода, карбонат кальция, хлорноватистая кислота, соляная кислота, хлорид кальция	Емкости для сбора растворов хлорноватистой кислоты (титан ВТ1-0)	Эксплуатируется более 3 лет. Равномерная коррозия со скоростью 0,009 мм в год
		Емкости для сбора хлорноватистой кислоты (сплав титана с алюминием-3% и цирконием-3%)	Эксплуатируются в течение 2,5 лет. Равномерная коррозия со скоростью 0,024 мм в год
		Трубопроводы	Эксплуатируются более 3 лет. Равномерная коррозия со скоростью 0,002-0,005 мм в год
		Насосы центробежные (титан ВТ1-0)	Эксплуатируются более 3 лет. Равномерная коррозия со скоростью 0,005-0,009 мм в год
		Насосы центробежные (сплав титана с алюминием-3% и цирконием-3%)	Эксплуатируются более 2,5 лет. Равномерная коррозия со скоростью 0,002-0,003 мм в год
Производство капролактама	Трихлорэтилен (95-97%)капролактам (до 1%), сульфат аммония, следы соляной кислоты	Испаритель трихлорэтилена (титан ВТ1)	Состояние удовлетворительное после двух лет эксплуатации
		Испаритель трихлорэтилена	Эксплуатируются в течение 5 лет
		Насосы ТН-70 литые (титан ВТ1)	Практически не подвергаются коррозии в течение 18 месяцев
Различные производства продуктов органического синтеза	Свободный хлор, органические хлориды, соляная кислота	Теплообменники	Повреждений от коррозии не обнаружено после 1 года эксплуатации
		Теплообменники и коммуникации (титан ВТ1)	Коррозии практически не подвергаются
		Теплообменник (сплав 4200)	Удовлетворительное состояние после 860 часов эксплуатации
		Насос литой	Эксплуатируется в течение 3 лет
		Импеллер насосный сварной	Отсутствие следов коррозионных разрушений после 3 лет эксплуатации
Цветная металлургия	Оксиды азота, азотная кислота	Колонна ректификационная	Эксплуатируется в течение 5 лет
	Соляная кислота с примесью хлоридов железа, алюминия, кальция, магния	Насосы	Эксплуатируются более 6 лет
	Трихлоруксусная кислота, азотная кислота, хлораль	Реакторы-окислители	Эксплуатируются более 6 лет. Следов коррозии не обнаружено
	Кислотные и щелочные пульпы	Фильтры-отстойники	Эксплуатируются около 3 лет без ремонта
	Травильные пары	Вентиляционная система	Равномерная коррозия со скоростью 0,004-0,008 мм в год
		Кожух дымососа	Хорошее состояние поверхности после года эксплуатации
		Роторы вентиляторов типа ВД-12, ВД-9, ВД-15,5	Отсутствие следов коррозии после четырех лет эксплуатации
	Отработанные травильные растворы	Сливной трубопровод	Отсутствие следов коррозии после года эксплуатации
Гальванотехника	Растворы, содержащие серную и хромовую кислоты	Нагреватели гальванических ванн	Отсутствие признаков коррозии после года эксплуатации
		Емкости для нейтрализации сточных вод со сливными трубопроводами	Отсутствие следов коррозии после эксплуатации в течение 17 месяцев
		Вентиляционная система	Эксплуатируется в течение года
	Электролиты различных составов	Подвески	После 1000 циклов коррозия составляет 0,025 мм величины сечения подвески
Пищевая промышленность	Растворы виннокаменной кислоты	Вакуум-аппарат выпарной экспериментальный	Отсутствие накипеобразования. Отсутствие язвенных и точечных повреждений
	Соусы и очищенные пищевые продукты	Пищевые котлы	Эксплуатируются в течение 3 лет



Список использованной литературы

1. Чернецов В.И. Применение титана в промышленности. ЛДНТП, 1976.

2. М. Воронкова «Титан для чайников»

3. Википедия - Свободная энциклопедия, WikiPedia

4. http://forexaw.com/TERMs/Raw_materials/Industrial_metals/l1306_%D0%A2%D0%B8%D1%82%D0%B0%D0%BD_Titanium_%D1%8D%D1%82%D0%BE

5. В.И. Семенюта, И.Б. Крженицкий «Применение титана в потребительских товарах».

Размещено на Allbest.ru

...