Ar titāna metālu saistīto zināšanu apkopojums

Titāna metālu 1791. gadā pirmo reizi atklāja britu mineralogs amatieris Gregors. 1795. gadā vācu ķīmiķis Klaprus šo nezināmo metālisko vielu nosauca grieķu dieva Titānu vārdā. Ķīniešu-angļu tulkojums ir "titāns". Titāna uz zemes ir daudz. Ir zināmi vairāk nekā 140 titāna minerāli, bet galvenie rūpnieciskie pielietojumi ir ilmenīts un rutils. Tostarp Ķīnas ilmenīta rezerves veido 28% no pasaules rezervēm, ieņemot pirmo vietu pasaulē.

Titāns ir netoksisks elements, kas atzīts visā pasaulē, taču tā ieguves un ražošanas izmaksas ir augstas un dārgas. Tā kā tam ir vairākas kvalifikācijas, piemēram, izturība pret augstu un zemu temperatūru, izturība pret skābēm un sārmiem, augsta izturība un zems blīvums, tas ir kļuvis par īpašu materiālu NASA raķetēm un satelītu modeļiem. Tas ir izmantots arī manas valsts Yutu, J-20, Shandong gaisa kuģu bāzes un citos super projektos. Pēc ienākšanas civilajā jomā 1980. gados tas kļuva par "goda metālu karali" pārtikas rūpniecībā, pateicoties tā dabiskajām antibakteriālajām un biofilajām īpašībām.
manas valsts titāna rūpniecība aizsākās pagājušā gadsimta piecdesmitajos gados. Līdz -1960 gadu vidum mana valsts bija uzbūvējusi titāna sūkļu un titāna apstrādes un ražošanas rūpnīcas attiecīgi Zunyi un Baoji, kas nozīmē, ka mana valsts ir kļuvusi par vienu no pasaules titāna nozares lielvarām. Ieejot 21. gadsimtā, manas valsts titāna rūpniecība ir iegājusi jaunā paātrinātas attīstības periodā, un titāna ražošanas jauda ir viena no labākajām pasaulē.

Tīrs titāns
Pazīstams arī kā rūpnieciski tīrs titāns vai komerciāls tīrs titāns, tas tiek klasificēts pēc piemaisījumu elementu satura. Tam ir lieliska štancēšanas procesa veiktspēja un metināšanas veiktspēja, tas nav jutīgs pret termisko apstrādi un struktūras tipu, un tam ir noteikta izturība apmierinošos plastiskuma apstākļos. Tās stiprums galvenokārt ir atkarīgs no intersticiālo elementu skābekļa un slāpekļa satura. 99,5% rūpnieciski tīra titāna īpašības ir šādas: blīvums P=4.5g/cm3, kušanas temperatūra 1800 grādi, siltumvadītspēja λ=15.24W/(MK), stiepes izturība σb=539 MPa, pagarinājums: δ=25%, laukuma saraušanās ātrums ψ=25%, elastības modulis E=1,078×105MPa un cietība HB195.
Titāna sakausējums
Titāna sakausējums ir sakausējums, kura pamatā ir titāns un kas pievienots citiem elementiem. Tas ir salīdzinoši jauns metāls, tikai sešdesmit vai septiņdesmit gadus vecs kopš tā atklāšanas. Titāna sakausējuma materiāliem ir viegls svars, augsta izturība, zema elastība, izturība pret augstu temperatūru un izturība pret koroziju. Tos galvenokārt izmanto kosmosa dzinējos, raķetēs, raķetēs un citos komponentos. Titānam ir divi izomorfi kristāli. Titāns ir izomērs ar kušanas temperatūru 1720 grādi. Tam ir cieši noslēgta sešstūra režģa struktūra zem 882 grādiem, un to sauc par titānu; tai ir uz ķermeni vērsta struktūra virs 882 grādiem. Kubiskā režģa struktūra, ko sauc par beta titānu, izmanto iepriekš minēto divu titāna struktūru atšķirīgās īpašības, pievieno atbilstošus leģējošus elementus un pakāpeniski maina fāzes transformācijas temperatūru un fāzes saturu, lai iegūtu titāna sakausējumus (titāna sakausējumus) ar dažādām struktūrām.
Titāna sakausējuma elementus var iedalīt trīs kategorijās pēc to ietekmes uz fāzes pārejas temperatūru: ① Elementi, kas stabilizē fāzi un palielina fāzes pārejas temperatūru, ir stabili elementi, piemēram, alumīnijs, magnijs, skābeklis, slāpeklis utt. alumīnijs ir galvenais titāna sakausējuma leģējošais elements. Tam ir acīmredzama ietekme uz sakausējuma normālās un augstās temperatūras stiprības uzlabošanu, samazinot īpatnējo svaru un palielinot elastību. ②Elementi, kas stabilizē fāzi un pazemina fāzes pārejas temperatūru, ir -stabilizējoši elementi. To var iedalīt divos veidos: izomorfā un eitektoīda. Pirmajā ietilpst molibdēns, niobijs, vanādijs utt.; pēdējie ietver hromu, mangānu, varu, silīciju utt. ③ Elementi, kas maz ietekmē fāzes pārejas temperatūru, ir neitrāli elementi, tostarp cirkonijs, alva utt.

TA1 (amerikāņu standarts Gr1)
Gr1 titāns ir pirmā no četrām rūpnieciski tīra titāna kategorijām. Tā ir mīkstākā un kaļamākā no šīm kategorijām. Tas nodrošina maksimālu formējamību, izcilu izturību pret koroziju un augstu triecienizturību. 1. pakāpe ir izvēles materiāls jebkuram lietojumam, kam nepieciešama viegla formēšana, un to parasti izmanto kā titāna plāksni un titāna cauruli.
TA2 (amerikāņu standarts Gr2) pakāpe
2. pakāpes titāns ir pazīstams kā "darba zirgs" komerciālajā tīrā titāna nozarē tā daudzpusības un plašās pieejamības dēļ. Tam ir daudzas tādas pašas īpašības kā 1. klases titānam, taču tas ir nedaudz stiprāks. Abiem ir vienāda izturība pret koroziju. Šai šķirai ir laba metināmība, izturība, lokanība un formējamība. Tas padara 2. klases titāna stieņus un plāksnes par pirmo izvēli daudziem lietojumiem, tostarp būvniecības, elektroenerģijas ražošanas un medicīnas nozarēm.
TA3 (amerikāņu standarts Gr3) pakāpe
Šajā kategorijā tiek izmantota vismaz komerciāli tīra titāna kategorija, taču tas nepadara to mazāk vērtīgu. Gr3 šķirne ir stiprāka nekā Gr1 un Gr2, un tai ir līdzīga elastība, bet tikai neliela formējamība. Bet tam ir augstākas mehāniskās īpašības nekā tā priekšgājējam. Gr3 klase tiek izmantota lietojumos, kuriem nepieciešama mērena izturība un primārā izturība pret koroziju, piemēram, aviācijā, ķīmiskajā apstrādē, jūras rūpniecībā utt.
TA4 (amerikāņu standarts Gr4) pakāpe
Gr4 klase tiek uzskatīta par spēcīgāko no četriem komerciāli tīra titāna veidiem. Tas ir arī pazīstams ar izcilo izturību pret koroziju, labu formējamību un metināmību. Izmanto dažos lidmašīnu korpusa komponentos, kriogēnos tvertnēs, siltummaiņos un citos lietojumos, kam nepieciešama augsta izšķirtspēja.
TA9 (amerikāņu standarts Gr7) pakāpe
Gr7 kategorija ir mehāniski un fiziski identiska 2. pakāpei, izņemot to, ka ir pievienots intersticiālais elements pallādijs, lai padarītu to par sakausējumu. 7. klase piedāvā izcilu metināmību un veiktspēju, kā arī ir visizturīgākā pret koroziju no visiem titāna sakausējumiem. Faktiski tā ir visizturīgākā no reducējošām skābēm. 7. līmenis tiek izmantots ķīmisko procesu un ražošanas iekārtu komponentiem. Gr7 ir īpaši izturīgs pret koroziju, īpaši samazinot skābu vidi.
TA9-1 (Amerikas standarta Gr11) pakāpe
Gr11 šķira ir ļoti līdzīga Gr1 klasei, izņemot to, ka ir pievienots neliels daudzums pallādija, lai uzlabotu izturību pret koroziju, padarot to par sakausējumu. Šo izturību pret koroziju var izmantot, lai novērstu plaisu koroziju un samazinātu skābes hlorīdu vidē. Citas noderīgas īpašības ietver optimālu elastību, aukstā formējamību, lietderīgo izturību, triecienizturību un izcilu metināmību. Šo sakausējumu var izmantot tādos pašos pielietojumos kā 1. klases titānu, īpaši gadījumos, kad nepieciešama korozija.
Ti 6Al-4V (nacionālais standarts TC4, Amerikas standarts Gr5).
Ti6Al-4V jeb 5. klases titāns ir pazīstams kā titāna sakausējumu "darba zirgs", un tas ir visizplatītākais no visiem titāna sakausējumiem. Tas veido 50% no pasaules kopējā titāna patēriņa. Tās lietojamība slēpjas daudzās priekšrocībās. Ti6Al-4V var termiski apstrādāt, lai palielinātu tā izturību. To var izmantot metinātām konstrukcijām ar darba temperatūru līdz 600 grādiem F. Sakausējums apvieno augstu izturību, vieglu svaru, labu formējamību un augstu izturību pret koroziju. Ti6AI-4V pieejamība padara to par labāko sakausējumu vairākām nozarēm, tostarp kosmosa, medicīnas, jūras un ķīmiskās apstrādes nozarēm. To var izmantot, lai izveidotu tādu tehnisko saturu kā:

lidmašīnas turbīna
dzinēja daļas
gaisa kuģu konstrukcijas daļas
Aviācijas un kosmosa stiprinājumi
Augstas veiktspējas automatizācijas daļas
Jūras lietojumprogrammas
Sporta aprīkojums
Ti 6AL-4V ELI (nacionālais standarts TC4ELI, Amerikas standarts Gr23) līmenis
Ti 6AL-4V ELI vai Gr23 klase ir augstākas tīrības pakāpes Ti 6Al-4V forma. To var izgatavot no spoles, pavedieniem, stieples vai plakanas stieples. Tā ir pirmā izvēle jebkuram gadījumam, kam nepieciešama augsta izturība, viegls svars, laba izturība pret koroziju un augsta izturība. Tam ir lieliska tolerance pret citiem sakausējumiem. Šīs priekšrocības padara Gr23 klasi par izcilāko zobārstniecības un medicīnas titāna klasi. Tā bioloģiskās saderības, labas noguruma izturības un zemā moduļa dēļ to var izmantot biomedicīnā, piemēram, implantējamos komponentos. To var izmantot arī detalizētām ķirurģiskām procedūrām, piemēram:
Ortopēdiskais kabelis
Ortopēdiskās tapas un skrūves
nosiešana
locītavu endoprotezēšanas operācijās
kriogēns konteiners
Ortodontiskās ierīces
ķirurģiskie implanti
kaulu fiksācijas ierīce
TA10 (amerikāņu standarts Gr12) klase
Gr12 klases titāna sakausējumi saņem vērtējumu "Izcili" to augstas kvalitātes metināmības dēļ. Tas ir ļoti izturīgs sakausējums, kas nodrošina lielu izturību augstās temperatūrās. Gr12 klases titāna īpašības ir līdzīgas 300. sērijas nerūsējošajam tēraudam. Sakausējums var būt karsti vai auksti formēts, izmantojot presformēšanu, hidroformēšanu, stiepes formēšanu vai pilināmā svara metodi. Tā spēja tikt veidota dažādos veidos padara to noderīgu daudzās lietojumprogrammās. Sakausējuma augstā izturība pret koroziju padara to nenovērtējamu arī ražošanas iekārtās, kur plaisu korozija rada bažas. Gr12 pakāpi var izmantot šādās nozarēs un lietojumos:
Korpuss un siltummainis
Hidrometalurģijas pielietojumi
Augstas temperatūras ķīmiskā ražošana
Jūras un aviācijas sastāvdaļas
Titāns 5Al-2.5Sn
Ti 5Al-2.5Sn ir termiski neapstrādājams sakausējums, kas nodrošina labu metināmību un stabilitāti. Tam ir arī augsta temperatūras stabilitāte, augsta izturība, laba izturība pret koroziju un laba šļūdes izturība. Šļūde ir plastmasas deformācijas parādība, kas ilgstoši notiek augstā temperatūrā. Ti 5Al-2.5Sn galvenokārt izmanto lidaparātu un lidmašīnu korpusu lietojumos, kā arī kriogēnos lietojumos.

Lai gan titāna un titāna sakausējumu materiāliem ir daudz rezervju, tie ir ļoti dārgi. Tas ir tāpēc, ka titānam ir ļoti maza ķīmiskā aktivitāte augstas temperatūras apstākļos, un tā kausēšanas tehnoloģija un darbības vide ir ļoti skarba. Tas ir jāizkausē augstā temperatūrā un vakuuma apstākļos, un temperatūra bieži sasniedz virs 800 grādiem, ko ir daudz grūtāk kausēt nekā tēraudu. Tāpēc, runājot par titāna sakausējumu, cilvēki domā, ka tas ir augstas klases metāla materiāls ar zemu izlaidi, augstu cenu un nelielu pielietojumu.
Pašlaik titāna sakausējumu lielisko īpašību, piemēram, vieglā svara, augstas izturības un augstas temperatūras izturības dēļ, titāna un titāna sakausējumu materiāli tiek plaši izmantoti visprogresīvāko ieroču un nacionālo ieroču ražošanā dažādās valstīs, un tie ir īpaši. piemērots izmantošanai kosmosa jomā. Pielietojuma jomu piemēri:

ķīmiskā rūpniecība
⑴ Sodas pelnu rūpniecība
Titāna ledusskapju parādīšanās sārmu ražošanas nozarē var efektīvi atrisināt nekvalificētas hlora gāzes problēmu, ko izraisa nepamatoti tradicionālie dzesēšanas procesi. Tajā pašā laikā tas ir mainījis hlora-sārmu nozares ražošanas veidu. Ieguldītā titāna sakausējuma ledusskapja kalpošanas laiks var būt pat 20 gadi.
⑵ Sāls rūpniecība
Pašlaik progresīvākais sāls ražošanas process ir vakuuma sāls ražošana. Augstas temperatūras koncentrētais sālījums, kas iegūts šajā procesā, nopietni sabojās oglekļa tērauda konstrukciju un izraisīs aprīkojuma pilēšanu. Sildīšanas kamerai un iztvaicēšanas kamerai ir titāna tērauda kompozītmateriāla struktūra, kas var efektīvi novērst sāls nogulsnēšanos un uzlabot sāls ražošanas kvalitāti. Tajā pašā laikā tas var samazināt augstas koncentrācijas sālsūdens koroziju uz caurules sienas iztvaikošanas procesa laikā un pagarināt apkopes ciklu.
Kosmosa lauks
⑴ Aviācijas nozare
Titāna sakausējumu pielietojums aviācijā ir sadalīts titāna sakausējumos lidaparātu konstrukcijām un titāna sakausējumos dzinēju konstrukcijām. Lidmašīnu titāna sakausējuma konstrukciju daļu galvenās pielietojuma daļas ir šasijas daļas, rāmji, sijas, fizelāžas apvalki, siltuma vairogi utt. Krievijas IL{{0}} lidmašīnā tiek izmantots augstas stiprības titāna sakausējums BT22, lai ražotu atslēgu. sastāvdaļas, piemēram, šasijas un slodzes nesošā sija; Boeing 747 galvenās šasijas transmisijas gaismas materiāls ir Ti-6Al-4V. Kalums ir 6,20 metrus garš, 0,95 metrus plats, un tā masa ir 1545 kilogrami; C-17 lidmašīnas horizontālā stabilizatora vārpstas galvenās daļas ir izgatavotas no augstas stiprības un augstas izturības Ti-62222S titāna sakausējuma. Aviācijas un kosmosa dzinējos titāna sakausējumus izmanto kompresoru diskos, lāpstiņās, mucās, augstspiediena kompresoru rotoros, kompresoru korpusos utt. Boeing 747-8GENX dzinēja ventilatora lāpstiņu priekšējās malās un galos ir izmantoti titāna sakausējuma aizsargapvalki, ko var nomainīt tikai trīs reizes 10-gada kalpošanas laikā.
⑵ Aviācijas un kosmosa rūpniecība
Aviācijas un kosmosa transportlīdzekļu darba apstākļi ir ļoti ekstrēmi. Papildus lieliskajai tehnoloģijai, kas nepieciešama materiālu konstrukcijas projektēšanai, svarīga ir arī pašu materiālu izcilā veiktspēja un funkcijas. Tāpēc starp daudziem materiāliem izceļas titāna sakausējumi. Runājot par kosmosa aprīkojumu, 60. gados ASV Apollo programmas dubultās kabīnes un hermētiskās kabīnes spārnu daļas un ribas tika izgatavotas no Ti-5Al-2.5Sn, bet iekšējā odere tika izgatavota no tīrs titāns; sagatavoja Vācijas MT Aerospace Company Augstas stiprības Ti{5}}V-3Cr sakausējuma piedziņas sistēmas degvielas tvertne tiek izmantota Eiropas Alpha sakaru satelītu milzu platformā; Krievijas titāna sakausējumiem ir daudz pielietojumu kosmosa inženierijā. Piemēram, enerģijas nesējraķetē tiek izmantoti BT23 titāna sakausējuma lielkalumi, kas sver 3,5 t, un kalumi. Turklāt titāna sakausējumus izmanto arī šķidrās degvielas raķešu dzinēju degvielas tvertnēs, kriogēno šķidruma uzglabāšanas tvertnēs, šķidrā ūdeņraža pārvades sūkņa lāpstiņriteņos utt.
Tāpat arī vietējās aviācijas un kosmosa inženierijas straujajā attīstībā plaši tiek izmantoti arī titāna sakausējumi. Tika izmantoti titāna sakausējumi, sākot no 1970. gada pavadoņa Vostok{0}} līdz pašreizējam Shenzhou sērijas kosmosa kuģim, zondei Chang'e utt. Turklāt titāna sakausējumi tiek izmantoti šķidrā ūdeņraža vidē, kas izstrādāta mūsu valstī. Zemas temperatūras Ti-5Al-2.5Sn ELI titāna sakausējuma gāzes baloni ir izmantoti nesējraķešu sērijā Long March; Harbinas Tehnoloģiju institūts izmanto Gr5 titāna sakausējumu, lai sagatavotu Mēness rovera diskus; Turklāt mana valsts izmanto arī augstas stiprības titāna sakausējumus, piemēram, BT20, lai ražotu raķešu dzinēju korpusus un sprauslas, caurules un citas sastāvdaļas.
Kuģu lauks
Titānu un titāna sakausējumus plaši izmanto kodolzemūdenēs, dziļūdens kuģos, atomu ledlaužos, zemūdens spārnos, gaisa kuģos, mīnu meklētājos, dzenskrūvēs, pātagas antenās, jūras ūdens cauruļvados, kondensatoros, siltummaiņos, akustiskās ierīcēs, ugunsdzēsības iekārtās utt. Dominē. Piemēram, amerikāņu dziļi iegremdējamais "Haiya" ir aprīkots ar titāna sakausējuma novērošanas kabīni un vadības kabīni, ar niršanas dziļumu līdz 6100m; Japānas Toho Titanium Company un Fuji New Shipbuilding kopīgi būvētā ātrlaiva no titāna "Morris Sky 2" Tā jau kādu laiku ir bijusi ļoti populāra ASV; manā valstī pirmais paškonstruētais un integrētais pilotējamais zemūdens kuģis "Jiaolong" arī izmantoja titāna sakausējumu. "Jiaolong" darbības joma aptver 99,8% no pasaules jūras zonas.

Lai gan titāns un titāna sakausējumi ir panākuši ievērojamu progresu, ir atklātas arī esošās problēmas, un arī titāna sakausējumu izstrāde saskaras ar ievērojamām problēmām. Galvenokārt atspoguļots šādos trīs aspektos:
1) No produkcijas viedokļa
Lai gan mūsu valsts ir liela valsts titāna rūpniecībā, tā neražo daudz augstas kvalitātes produktu un tajā ir mazāk titāna izstrādājumu veidu ar īpašām īpašībām. Otrkārt, mana valsts joprojām nespēj stabili masveidā ražot titāna sloksnes un titāna ekstrudētos profilus, kas ierobežo titāna un titāna sakausējumu izmantošanu kosmosa jomā. , izstrāde un izmantošana jūras un citās jomās. Joprojām ir ļoti grūti vēl vairāk palielināt aerodzinēju titāna patēriņu līdz aptuveni 50%.
2) Performance
Tā kā titāna metāls ir ļoti ķīmiski aktīvs un viegli piesārņots ar citiem elementiem, titāna sakausējumu apstrādes un ražošanas tehnoloģija ir ļoti prasīga. Tajā pašā laikā apstrādātajiem augstas veiktspējas produktiem ir vispusīgi jāapsver to mehāniskās, fizikālās, ķīmiskās un tehnoloģiskās īpašības. Ja esošie titāna sakausējumi ir virs 600 grādiem, to šļūdes pretestība un augstas temperatūras oksidācijas izturība strauji samazinās, kas ir divi galvenie šķēršļi, kas ierobežo titāna sakausējumu paplašināto pielietojumu.
3) Izmaksu aspekts
Pašlaik dažādas valstis smagi strādā, lai samazinātu titāna sakausējumu lietošanas izmaksas, un ir sasniegušas daudzus rezultātus. Bet, spriežot pēc pašreizējās situācijas mūsu valstī, mūsu valsts vadība un tehniskais līmenis vēl nav sasniedzis ideālo līmeni. Vietējo titāna sakausējuma izstrādājumu cenas ir salīdzinoši konkurētspējīgas starptautiskā mērogā. Slikts un neveicina turpmāku lietošanas paplašināšanos.
Pašlaik galvenās titāna sakausējumu pielietojuma jomas ir kosmosa un citas militārās jomas. Jaunu pielietojuma jomu, piemēram, automašīnu, vilcienu, ātrgaitas dzelzceļu un civilo jomu attīstībai, ko parasti izmanto ikdienas dzīvē, joprojām ir plašas pielietojuma perspektīvas. Turklāt dārgu sakausējuma elementu aizstāšana ar zemākas cenas elementiem un titāna sakausējuma detaļu izmaksu samazināšana, izmantojot tehniskus līdzekļus, ir svarīgas tēmas turpmākajā titāna sakausējuma izpētes darbā. Pēc tam, kad nākotnē tiks panākta zemu izmaksu titāna sakausējumu ražošana augstākās klases lietojumiem, titāna sakausējumi tiks izmantoti dažādās jomās.