Титан и его сплавы. Классификация, свойства, получение и области применения

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Титан - легкий серебристо-белый металл.

Порядковый номер-22.

Титан широко распространен в земной коре, где его содержится около 6 %, а по распространенности он занимает четвертое место после алюминия, железа и магния. Однако промышленный способ его извлечения был разработан лишь в 40-х годах ХХ века. Благодаря прогрессу в области самолето- и ракетостроения производство титана и его сплавов интенсивно развивалось. Это объясняется сочетанием таких ценных свойств титана, как малая плотность, высокая удельная прочность (? в/с Ч g), коррозионная стойкость, технологичность при обработке давлением и свариваемость, хладостойкость, немагнитность и ряд других ценных физико-механических характеристик, приведенных ниже.

1. Характеристики физико-механических свойств титана

Плотность с , - 4,5 Ч 103 кг/м3.

Температура плавления Тпл, - 1668± 4°С.

Коэффициент линейного расширения a - 8,9 Ч 10-6 град-1.

Теплопроводность l - 16,76 Вт/(м Ч град).

Предел прочности при растяжении ? в, 300-450 МПа.

Условный предел текучести ? 0,2 - 250-380 МПа.

Удельная прочность (? в/r Ч g) - 7-10 Ч 10-3 км.

Модуль нормальной упругости Еґ - 110,25 * 103, МПа.

Модуль сдвига Gґ - 41*103, МПа.

Коэффициент Пуассона m - 0,32.

Твердость НВ -103.

Ударная вязкость KCU- 120 Дж/см2.

Титан имеет две полиморфные модификации: б - титана с гексагональной плотноупакованной решеткой с периодами а = 0,296 нм, с = 0,472 нм и высокотемпературную модификацию в - титана с кубической объемно-центрированной решеткой с периодом а = 0,332 нм при 900 ° С. Температура полиморфного превращения составляет 882 ° С.

Механические свойства титана существенно зависят от содержания примесей в металле. Различают примеси внедрения -- кислород, азот, углерод, водород и примеси замещения, к которым относятся железо и кремний. Хотя примеси повышают прочность, но одновременно резко снижают пластичность, причем наиболее сильное отрицательное действие оказывают примеси внедрения, особенно газы. При введении всего лишь 0,003 % Н, 0,02 % N или 0,7 % О титан полностью теряет способность к пластическому деформированию и хрупко разрушается.

2. Титановые сплавы

Сплавы на титановой основе, имеют два основных преимущества по сравнению с другими материалами: высокую удельную прочность (т. е. прочность, отнесенную к плотности) вплоть до температур 450--500° С и отличную коррозионную стойкость во многих агрессивных средах и хрупко разрушается. Одним из важных преимуществ титановых сплавов перед алюминиевыми и магниевыми сплавами является жаропрочность, которая в условиях практического применения с избытком компенсирует разницу в плотности (магний 1,8, алюминий 2,7, титан 4,5). Превосходство титановых сплавов над алюминиевыми и магниевыми сплавами особенно резко проявляется при температурах выше 300°С. Так как при повышении температуры прочность алюминиевых и магниевых сплавов сильно уменьшается, а прочность титановых сплавов остается высокой.

В зависимости от условий работы обращается внимание на то или иное определяющее свойство, величина которого должна быть максимальной, однако сплав должен обеспечивать необходимый минимум и других свойств, как указано ниже.

1) Высокая кратковременная и длительная прочность во всем интервале рабочих температур. Минимальные требования: предел прочности при комнатной температуре 100 Па; кратковременная и 100-ч прочность при 400°С - 75 Па. Максимальные требования: предел прочности при комнатной температуре 120 Па, 100-ч прочность при 500°С - 65 Па.

2) Удовлетворительные пластические свойства при комнатной температуре: относительное удлинение 10%, поперечное сужение 30%, ударная вязкость 3 Па·м. Эти требования могут быть для некоторых деталей и ниже, например для лопаток направляющих аппаратов, корпусов подшипников и деталей, не подверженных динамическим нагрузкам.

3) Термическая стабильность. Сплав должен сохранять свои пластические свойства после длительного воздействия высоких температур и напряжений. Минимальные требования: сплав не должен охрупчиваться после 100-ч нагрева при любой температуре в интервале 20 - 500°С. Максимальные требования: сплав не должен охрупчиваться после воздействия температур и напряжений в условиях, заданных конструктором, в течение времени, соответствующего максимальному заданному ресурсу работы двигателя.

Получение титановых сплавов.

Легирование титана кислородом осуществляют либо на стадии изготовлении титановой губки в реторте магнийтермического восстановления, или непосредственно при переплаве титана в вакуумно-дуговой, электронно-лучевой или электрошлаковой печи. Например, получение четырёххлористого титана насыщенного кислородом с использованием в качестве кислородсодержащего соединения окситрихлорида ванадия. Легированный таким образом четырёххлористый титан восстанавливают и осуществляют вакуумную сепарацию полученной реакционной массы. Данная технология не лишена недостатков: коэффициент усвоения кислорода мал (в среднем 40%), вносятся дополнительные примеси (сероуглерод, фосген, углеводороды).

Известен способ получения слитков из титановых сплавов вакуумно-дуговым переплавом. Способ заключается в выплавке слитка в вакуумно-дуговой печи методом расходуемого электрода с последующим, по крайней мере, двойным переплавом. Слитки для изготовления дисков, валов, а также лопаток вентиляторов всех типов авиационных двигателей получают методом тройного переплава одного прессованного электрода (Патент РФ №2244029).

Недостатком известного способа является необходимость тройного переплава для получения однородного химического состава, возникновение дефектов в виде раковин и внутренних пор, большая потеря металла из-за необходимости глубокой обточки слитка.

Известен способ получения жаропрочных титановых сплавов, включающий выплавку слитка, проведение горячего изостатического прессования (ГИП) и термическую обработку, в котором ГИП проводят до и после термической обработки по следующему режиму - нагрев до температуры 1260°С, выдержка в течение 4 часов при давлении 1590 атм в аргоне, а термическую обработку по режиму - нагрев до температуры 890°С с выдержкой в течение 16 часов (Патент США №5354351).

Недостатками способа является невозможность полного удаления микро- и макропористости и несплошностей. Данный способ получения жаропрочных титановых сплавов является более продолжительным и энергозатратным.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является способ получения жаропрочных титановых сплавов, включающий выплавку слитка и проведение горячего изостатического прессования отливок по следующему режиму: нагрев до температуры (0,9ч0,95)Тпп, выдержка 2ч4 часов при давлении 640ч960 атм (Патент США №4482398).

Недостатком способа являются недостаточно высокий уровень механических свойств.

Классификация титановых сплавов

Структура промышленных сплавов титана - твердые растворы легирующих элементов в б и в модификациях титана.

В зависимости от их стабильной структуры (после отжига) при комнатной температуре делят на 3 группы:

1) б-сплавы;

2) (б+в)-сплавы (двухфазные);

3) в-сплавы.

По технологии производства:

1) деформируемые;

2) литейные;

3) порошковые.

По физико-химическим и механическим свойствам:

1) высокопрочные;

2) обычной прочности;

3) высокопластичные;

4) жаропрочные;

5) коррозионностойкие.

Применение титановых сплавов.

В авиастроении, ракетостроении -- каркасные детали, обшивка, топливные баки, детали реактивных двигателей, диски и лопатки компрессоров, детали воздухозаборника, детали корпусов ракетных двигателей второй и третьей ступени и т.д. Применение титана в конструкции реактивных двигателей позволяет уменьшить их массу на 10...25%.

В судостроении -- обшивка корпусов судов и подводных лодок, сварные трубы, гребные винты, детали насосов и др.

В химической промышленности: реакторы для агрессивных сред, насосы, змеевики, центрифуги и др.

В гальванотехнике: ванны для хромирования, анодные корзины, теплообменники, трубопроводы, подвески и др.

В газовой и нефтяной промышленности: фильтры, седла клапанов, резервуары, отстойники и др.

В криогенной технике: детали холодильников, насосов компрессоров, теплообменники и др.

В пищевой промышленности: сепараторы, холодильники, емкости для продуктов, цистерны и др.

В медицинской промышленности: инструмент, наружные и внутренние протезы, внутрикостные фиксаторы, зажимы и др.

Особое внимание уделим сплавам со свойством механической памяти.

Некоторые сплавы титана обладают способностью запоминать, а затем восстанавливать ту форму, которая была придана металлическому изделию на определенном этапе обработки.

Примерно в начале 60-х годов в США был запатентован сплав нитинол, в состав которого входили почти в равных количествах никель и титан. Сплав оказался неплохим конструкционным материалом - легким, прочным, пластичным, коррозионностойким. Однако создатели сплава, словно предчувствуя, что он продемонстрировал далеко не все свои способности, продолжали проводить с ним новые эксперименты. И вот во время очередного опыта произошло нечто такое, что заставило ученых не поверить своим собственным глазам: нитиноловая проволочка, растянутая подвешенной к ней гирькой, после небольшого нагрева вдруг стала скручиваться в спираль, поднимая за собой груз. А ведь именно вид спирали проволока имела в начале опыта - до того, как ее нагрели и охладили, а затем подвесили к ней груз, заставивший ее вытянуться в струнку. Значит, нитинол “вспомнил” свою первоначальную форму?

Причиной столь нелогичного поведения металла являются так называемые обратимые мартенситные превращения. В чем же суть этого структурного явления?

Основу современной теории пластичности составляет представление о том, что неупругие деформации в кристаллах необратимы. Однако существуют металлические материалы, которые после значительного неупругого деформирования способны полностью восстанавливать форму за счет структурного превращения. Такие материалы обладают обратимостью неупругой деформации. Явление самопроизвольного восстановления формы - эффект памяти формы (ЭПФ) - может наблюдаться как в изотермических условиях, так и при температурных изменениях. При теплосменах такие металлические материалы могут многократно обратимо деформироваться.

Способность к восстановлению деформации не может быть подавлена даже при высоком силовом воздействии. Уровень реактивных напряжений некоторых материалов с ЭПФ может составлять до 1000 - 1300 МПа.

Особенностью сплавов с ЭПФ является ярко выраженная зависимость большинства свойств от структуры. Значения физико-механических характеристик меняются в несколько раз при обратимом фазовом переходе аустенит - мартенсит для разных сплавов в интервале температур от -150 до +150 °С.

Сущность эффекта памяти заключается в том, что материал пластически деформируют при температуре выше температуры прямого мартенситного превращения (Тд > Мн) с целью придания ему определенной (необходимой) формы, затем охлаждают до температур, обеспечивающих протекание мартенситного превращения (Мк) и деформируют в этой температурной области для получения удобной формы. При дальнейшем нагреве выше температуры начала обратного мартенситного превращения (Ан) изделие вновь восстанавливает формы, которая была ему первоначально придана при температуре Тд выше Мн.

Особенностью исполнительных элементов из сплавов с памятью формы является их миниатюрность. Это обусловлено простотой механизма их действия, а также тем, что элемент состоит из одного сплава. На действие таких механизмов не влияет среда или атмосфера, а влияет только температура. В Японии создан робот с плечевой опорой, локтевым шарниром, запястьем и захватом, имеющий пять степеней свободы. Сгибание запястья, сжимание и разжимание захвата обеспечиваются спиралями из сплава Ti - Ni, а действие шарнира и плечевой опоры - удлинением или сокращением проволоки из того же сплава. Положение руки и скорость действия регулируются прямым пропусканием тока с модулированной шириной импульса. Плавность действия робота обусловлена тем, что заданная величина усилия (силы восстановления памяти формы) соответствует величине регулируемого параметра (току). Действия робота приближаются к действию мускульного механизма.

Особый интерес представляет использование сплавов с памятью формы в медицине. Их применение открывает широкие возможности создания новых эффективных методов лечения. Сплавы, используемые в медицине, должны обладать не только высокими механическими характеристиками, но и биологической совместимостью с тканями человеческого организма, обеспечивать отсутствие токсичности, канцерогенности, оказывать сопротивление образованию тромбов, сохраняя эти свойства в течение длительного времени. Специальные эксперименты показали, что сплавы на основе Ti - Ni имеют биологическую совместимость на уровне и даже выше обычно применяемых нержавеющих сталей и кобальтхромовых сплавов и могут быть использованы в качестве функциональных материалов в биологических организмах. Использование сплавов с ЭПФ для лечения показало их хорошую совместимость с тканями и отсутствие реакций отторжения биологических структур человеческого организма.

При ортопедической хирургической операции коррекцию позвоночника обычно осуществляют с помощью стержня Харинтона, изготовленного из нержавеющей стали. Недостатком этого метода является уменьшение во времени первоначального корректирующего усилия. Если для стержня Харинтона применить сплав с ЭПФ, то установить стержень можно за один раз, необходимость в повторной операции отпадает.

Методы медицинской помощи в случае костных переломов заключаются в том, чтобы с помощью пластинок зафиксировать зону перелома в таком состоянии, когда на кость действует сила сжатия. Если для соединительной пластинки применить сплав с эффектом памяти формы, то становится возможной прочная фиксация зоны перелома путем внешнего нагрева пластинки до температуры несколько выше температуры тела после операции, при этом отпадает необходимость осуществлять продольное сжатие кости во время операции.

Одним из наиболее перспективных методов лечения стенозов (сужения) сосудов является использование эндоваскулярных спиралевидных протезов, изготовленных из нитиноловой проволоки. В медицине нитинол впервые использовали в 1977 г. M.Simon с соавторами для изготовления кавафильтра.

Импланты с памятью формы также применяются: для суставов, в грудной и сердечно-сосудистой хирургии, в хирургии легких, в офтальмологии, ортопедии.

титановый вакуумный сплав

Литература

1. Г.П. Фетисов, М.Г. Карпман «Материаловедение и технология материалов», 2001, стр. 191-197.

2. Способ получения губчатого титана, легированного кислородом: пат. 2106418 РФ, C 22 B 34/12 / А.И. Гулякин; Н.А. Носков В.А. Бушмакин и др. Опубл. 10.03.1998, Бюл. № 4.

Размещено на Allbest.ru