Zhrnutie poznatkov týkajúcich sa kovového titánu

Kovový titán bol prvýkrát objavený v roku 1791 britským amatérskym mineralógom Gregorom. V roku 1795 pomenoval nemecký chemik Klapras túto neznámu kovovú látku po gréckom bohovi Titans. Čínsko-anglický preklad je „titán“. Titán je na Zemi bohatý. Existuje viac ako 140 známych titánových minerálov, ale hlavné priemyselné aplikácie sú ilmenit a rutil. Spomedzi nich čínske zásoby ilmenitu tvoria 28 % celosvetových zásob a sú na prvom mieste na svete.

Titán je netoxický prvok uznávaný na celom svete, ale jeho ťažba a výrobné náklady sú vysoké a drahé. Pretože má sériu kvalifikácií, ako je odolnosť voči vysokým a nízkym teplotám, odolnosť voči silným kyselinám a zásadám, vysoká pevnosť a nízka hustota, stal sa špeciálnym materiálom pre rakety a satelitné modely NASA. Používa sa aj v Yutu, J-20 mojej krajiny, lietadlovej lodi Shandong a ďalších super projektoch. Po vstupe na civilné pole v 80. rokoch sa stal „čestným kovovým kráľom“ v potravinárskom priemysle pre svoje prirodzené antibakteriálne a biofilné vlastnosti.
titánový priemysel mojej krajiny začal v 50. rokoch 20. storočia. V polovici-1960 rokov moja krajina vybudovala závody na spracovanie a výrobu titánovej huby v Zunyi a Baoji, čo znamená, že moja krajina sa stala jednou zo svetových veľmocí v odvetví titánu. Vstupom do 21. storočia vstúpil titánový priemysel mojej krajiny do nového obdobia zrýchleného rozvoja, pričom kapacita výroby titánu patrí medzi špičku na svete.

Čistý titán
Tiež známy ako priemyselne čistý titán alebo komerčný čistý titán je triedený podľa obsahu nečistôt. Má vynikajúci výkon pri lisovaní a zváraní, nie je citlivý na tepelné spracovanie a typ štruktúry a má určitú pevnosť za uspokojivých podmienok plasticity. Jeho sila závisí predovšetkým od obsahu intersticiálnych prvkov kyslíka a dusíka. Vlastnosti 99,5% priemyselného čistého titánu sú: hustota P=4.5g/cm3, bod topenia 1800 stupňov, tepelná vodivosť λ=15.24W/(MK), pevnosť v ťahu σb=539 MPa, predĺženie: δ=25%, plošné zmrštenie Miera ψ=25%, modul pružnosti E=1.078×105MPa a tvrdosť HB195.
Zliatina titánu
Zliatina titánu je zliatina na báze titánu a pridaná s ďalšími prvkami. Ide o pomerne mladý kov, od svojho objavenia má len šesťdesiat či sedemdesiat rokov. Materiály zo zliatiny titánu sa vyznačujú nízkou hmotnosťou, vysokou pevnosťou, nízkou elasticitou, vysokou teplotnou odolnosťou a odolnosťou proti korózii. Používajú sa najmä v leteckých motoroch, raketách, raketách a iných komponentoch. Titán má dva izomorfné kryštály. Titán je izomér s teplotou topenia 1720 stupňov. Má tesne zbalenú šesťuholníkovú mriežkovú štruktúru pod 882 stupňov a nazýva sa titán; má štruktúru sústredenú na telo nad 882 stupňov. Kubická mriežková štruktúra, nazývaná beta titán, využíva rozdielne vlastnosti dvoch vyššie uvedených štruktúr titánu, pridáva vhodné legovacie prvky a postupne mení svoju teplotu fázovej transformácie a fázový obsah, aby sa získali zliatiny titánu (zliatiny titánu) s rôznymi štruktúrami.
Prvky z titánových zliatin možno rozdeliť do troch kategórií podľa ich vplyvu na teplotu fázového prechodu: ① Prvky, ktoré stabilizujú fázu a zvyšujú teplotu fázového prechodu, sú stabilné prvky, ako je hliník, horčík, kyslík, dusík atď. hliník je hlavným legujúcim prvkom zliatiny titánu. Má zjavné účinky na zlepšenie normálnej a vysokoteplotnej pevnosti zliatiny, zníženie špecifickej hmotnosti a zvýšenie elasticity. ②Prvky, ktoré stabilizujú fázu a znižujú teplotu fázového prechodu, sú -stabilizujúce prvky. Dá sa rozdeliť na dva typy: izomorfné a eutektoidné. Prvý zahŕňa molybdén, niób, vanád atď.; k posledným patrí chróm, mangán, meď, kremík atď. ③ Prvky, ktoré majú malý vplyv na teplotu fázového prechodu, sú neutrálne prvky, vrátane zirkónu, cínu atď.

TA1 (americký štandard Gr1)
Gr1 titán je prvý zo štyroch druhov priemyselne čistého titánu. Je to najmäkšia a najviac tvárna z týchto tried. Ponúka maximálnu tvarovateľnosť, vynikajúcu odolnosť proti korózii a vysokú rázovú húževnatosť. Stupeň 1 je materiálom voľby pre akúkoľvek aplikáciu, ktorá vyžaduje ľahké tvarovanie a bežne sa používa ako titánová platňa a titánová trubica.
Trieda TA2 (americký štandard Gr2).
Titán 2. stupňa je známy ako „ťažný kôň“ komerčného priemyslu čistého titánu vďaka svojej všestrannosti a širokej dostupnosti. Má veľa rovnakých vlastností ako titán 1. triedy, ale je o niečo silnejší. Oba majú rovnakú odolnosť proti korózii. Táto trieda má dobrú zvárateľnosť, pevnosť, ťažnosť a tvárnosť. Vďaka tomu sú titánové tyče a platne triedy 2 prvou voľbou pre mnohé aplikácie vrátane stavebníctva, výroby energie a medicínskeho priemyslu.
stupeň TA3 (americký štandard Gr3).
Táto trieda používa prinajmenšom komerčne čistú triedu titánu, ale to ju neznižuje. Trieda Gr3 je pevnejšia ako trieda Gr1 a Gr2 a má podobnú ťažnosť, ale iba miernu tvárnosť. Má ale vyššie mechanické vlastnosti ako jeho predchodca. Trieda Gr3 sa používa v aplikáciách vyžadujúcich strednú pevnosť a primárnu odolnosť proti korózii, ako je letecký priemysel, chemické spracovanie, námorný priemysel atď.
stupeň TA4 (americký štandard Gr4).
Stupeň Gr4 sa považuje za najsilnejší zo štyroch typov komerčne čistého titánu. Je tiež známy svojou vynikajúcou odolnosťou proti korózii, dobrou tvarovateľnosťou a zvárateľnosťou. Používa sa v niektorých komponentoch drakov lietadiel, kryogénnych nádobách, výmenníkoch tepla a iných aplikáciách vyžadujúcich vysoké rozlíšenie.
Trieda TA9 (americký štandard Gr7).
Trieda Gr7 je mechanicky a fyzikálne identická s triedou 2 okrem toho, že bol pridaný intersticiálny prvok paládium, aby sa z nej stala zliatina. Stupeň 7 ponúka vynikajúcu zvárateľnosť a výkon a je najodolnejší voči korózii zo všetkých zliatin titánu. V skutočnosti je z redukčných kyselín najviac odolný voči korózii. Úroveň 7 sa používa pre komponenty chemických procesov a výrobných zariadení. Gr7 je extrémne odolný voči korózii, najmä v zníženom kyslom prostredí.
Stupeň TA9-1 (americký štandard Gr11).
Kvalita Gr11 je veľmi podobná triede Gr1 okrem toho, že sa pridáva malé množstvo paládia na zvýšenie odolnosti proti korózii, vďaka čomu je zliatinou. Táto odolnosť proti korózii sa môže použiť na zabránenie štrbinovej korózii a zníženie kyselín v chloridovom prostredí. Medzi ďalšie užitočné vlastnosti patrí optimálna ťažnosť, tvárnosť za studena, užitočná pevnosť, rázová húževnatosť a vynikajúca zvárateľnosť. Táto zliatina môže byť použitá v rovnakých aplikáciách ako titán triedy 1, najmä tam, kde je potrebná korózia.
Ti 6Al-4V (národná norma TC4, americká norma Gr5).
Ti6Al-4V alebo titán triedy 5 je známy ako „ťažný kôň“ zliatin titánu a je najbežnejšie používaným zo všetkých zliatin titánu. Predstavuje 50 % celkovej svetovej spotreby titánu. Jeho využiteľnosť spočíva v mnohých výhodách. Ti6Al-4V možno tepelne spracovať, aby sa zvýšila jeho pevnosť. Môže byť použitý na zvárané konštrukcie s prevádzkovými teplotami do 600 stupňov F. Zliatina spája vysokú pevnosť, nízku hmotnosť, dobrú tvarovateľnosť a vysokú odolnosť proti korózii. Dostupnosť Ti6AI-4V z nej robí najlepšiu zliatinu pre niekoľko priemyselných odvetví vrátane leteckého, lekárskeho, námorného a chemického spracovateľského priemyslu. Môže sa použiť na vytváranie technického obsahu, ako napríklad:

letecká turbína
časti motora
konštrukčné časti lietadiel
Letecké spojovacie prvky
Vysoko výkonné automatizačné diely
Námorné aplikácie
Športové vybavenie
Úroveň Ti 6AL-4V ELI (národný štandard TC4ELI, americký štandard Gr23)
Ti 6AL-4V ELI alebo Gr23 je forma s vyššou čistotou Ti 6Al-4V. Môže byť vyrobený do zvitkov, prameňov, drôtu alebo plochého drôtu. Je prvou voľbou pre každú príležitosť vyžadujúcu vysokú pevnosť, nízku hmotnosť, dobrú odolnosť proti korózii a vysokú húževnatosť. Má vynikajúcu odolnosť voči poškodeniu voči iným zliatinám. Vďaka týmto výhodám je trieda Gr23 prvotriednou kvalitou titánu pre zubné a lekárske účely. Vďaka svojej biokompatibilite, dobrej únavovej pevnosti a nízkemu modulu sa môže použiť v biomedicínskych aplikáciách, ako sú implantovateľné komponenty. Môže sa tiež použiť na podrobné chirurgické zákroky, ako sú:
Ortopedický kábel
Ortopedické kolíky a skrutky
podviazanie
pri operácii náhrady kĺbov
kryogénna nádoba
Ortodontické aparáty
chirurgické implantáty
zariadenie na fixáciu kostí
Trieda TA10 (americký štandard Gr12).
Zliatiny titánu triedy Gr12 dostávajú hodnotenie „Vynikajúce“ vďaka svojej vysokej kvalite zvárateľnosti. Je to vysoko odolná zliatina, ktorá poskytuje veľkú pevnosť pri vysokých teplotách. Titán triedy Gr12 má podobné vlastnosti ako nehrdzavejúca oceľ série 300. Zliatina môže byť tvárnená za tepla alebo za studena pomocou lisovania, hydraulického tvárnenia, ťahového tvárnenia alebo metódy poklesu hmotnosti. Jeho schopnosť tvarovať sa rôznymi spôsobmi ho robí užitočným v mnohých aplikáciách. Vďaka vysokej odolnosti proti korózii je zliatina tiež neoceniteľná pre výrobné zariadenia, kde je problémom štrbinová korózia. Trieda Gr12 môže byť použitá v nasledujúcich odvetviach a aplikáciách:
Kryt a výmenník tepla
Hydrometalurgické aplikácie
Vysokoteplotná chemická výroba
Námorné a letecké komponenty
Titán 5Al-2.5Sn
Ti 5Al-2.5Sn je tepelne nespracovateľná zliatina, ktorá umožňuje dobrú zvárateľnosť a stabilitu. Má tiež vysokú teplotnú stabilitu, vysokú pevnosť, dobrú odolnosť proti korózii a dobrú odolnosť proti tečeniu. Creep je fenomén plastickej deformácie, ktorý sa vyskytuje pri vysokých teplotách po dlhú dobu. Ti 5Al-2.5Sn sa používa hlavne v lietadlách a drakoch lietadiel, ako aj v kryogénnych aplikáciách.

Napriek tomu, že materiály z titánu a zliatin titánu sú bohaté na zásoby, sú veľmi drahé. Je to preto, že titán má veľmi malú chemickú aktivitu v podmienkach vysokej teploty a jeho technológia tavenia a prevádzkové prostredie sú veľmi drsné. Musí sa taviť za podmienok vysokej teploty a vákua a teplota často dosahuje viac ako 800 stupňov, čo je oveľa ťažšie taviť ako oceľ. Preto, pokiaľ ide o zliatinu titánu, ľudia si myslia, že ide o špičkový kovový materiál s nízkym výkonom, vysokou cenou a malým počtom aplikácií.
V súčasnosti sa vďaka vynikajúcim vlastnostiam titánových zliatin, ako je nízka hmotnosť, vysoká pevnosť a odolnosť voči vysokým teplotám, materiály titánu a zliatin titánu vo veľkej miere používajú pri výrobe špičkových zbraní a národných zbraní v rôznych krajinách a najmä vhodné pre použitie v oblasti letectva. Príklady oblastí použitia zahŕňajú:

chemický priemysel
⑴ Priemysel sódy
Vznik titánových chladničiek v priemysle výroby alkálií môže účinne vyriešiť problém nekvalifikovaného plynného chlóru spôsobeného nerozumnými tradičnými chladiacimi procesmi. Zároveň zmenila výrobnú tvár chlór-alkalického priemyslu. Životnosť investovanej chladničky z titánovej zliatiny môže byť až 20 rokov.
⑵ Soľný priemysel
V súčasnosti je pokročilejším procesom výroby soli vákuová výroba soli. Vysokoteplotná koncentrovaná soľanka vyrobená týmto procesom spôsobí vážne poškodenie konštrukcie uhlíkovej ocele a spôsobí odkvapkávanie zariadenia. Vykurovacia komora a odparovacia komora majú kompozitnú štruktúru z titánovej ocele, ktorá môže účinne zabrániť tvorbe soli a zlepšiť kvalitu výroby soli. Zároveň môže znížiť koróziu slanej vody s vysokou koncentráciou na stene potrubia počas procesu odparovania a predĺžiť cyklus údržby.
Letecké pole
⑴Letecký priemysel
Použitie zliatin titánu v letectve sa delí na zliatiny titánu pre konštrukcie lietadiel a zliatiny titánu pre konštrukcie motorov. Medzi hlavné aplikačné časti konštrukčných častí lietadiel z titánovej zliatiny patria časti podvozkov, rámy, nosníky, plášte trupu, tepelné štíty atď. komponenty ako podvozok a nosný nosník; materiál nosníka hlavného podvozku Boeingu 747 je Ti-6Al-4V. Výkovok je 6,20 metra dlhý, 0,95 metra široký a má hmotnosť 1 545 kilogramov; kľúčové časti hriadeľa horizontálneho stabilizátora lietadla C-17 sú vyrobené z vysokopevnostnej a vysokopevnostnej zliatiny Ti{17}}S titánu. V leteckých motoroch sa zliatiny titánu používajú v diskoch kompresorov, lopatkách, bubnoch, rotoroch vysokotlakových kompresorov, skriniach kompresorov atď. Predné hrany a hroty lopatiek ventilátora motora Boeing 747-8GENX používajú ochranné plášte z titánovej zliatiny, ktorý je možné vymeniť iba trikrát počas 10-ročnej životnosti.
⑵Letecký priemysel
Pracovné podmienky leteckých dopravných prostriedkov sú veľmi extrémne. Okrem špičkovej technológie potrebnej na konštrukčný návrh materiálov je dôležitý aj vynikajúci výkon a funkcie samotných materiálov. Preto medzi mnohými materiálmi vynikajú zliatiny titánu. Pokiaľ ide o letecké vybavenie, v 60. rokoch boli dvojitá kabína a vzduchotesné nosníky a rebrá kabíny amerického programu Apollo vyrobené z Ti-5Al-2.5Sn a vnútorné obloženie bolo vyrobené z čistý titán; pripravila nemecká spoločnosť MT Aerospace Company Palivová nádrž pohonného systému zo zliatiny Ti-15V-3Cr s vysokou pevnosťou sa používa na platforme európskeho komunikačného satelitu Alpha; Ruské zliatiny titánu majú mnoho aplikácií v leteckom inžinierstve. Napríklad energetická nosná raketa používa veľké zápustkové výkovky z titánovej zliatiny BT23 s hmotnosťou 3,5 t a výkovky. Okrem toho sa zliatiny titánu používajú aj v palivových nádržiach raketových motorov na kvapalné palivo, zásobníkoch kryogénnych kvapalín, obežných kolesách čerpadiel na prenos kvapalného vodíka atď.
Podobne v rýchlom rozvoji domáceho leteckého inžinierstva sa široko používajú aj zliatiny titánu. Od družice Vostok{0}} v roku 1970 až po súčasnú kozmickú loď série Shenzhou, sondu Chang'e atď., boli použité zliatiny titánu. Okrem toho sa zliatiny titánu používajú v prostrediach kvapalného vodíka vyvinutých v našej krajine. Nízkoteplotné plynové fľaše Ti-5Al-2.5Sn ELI z titánovej zliatiny boli použité v nosných raketách série Long March; Harbin Institute of Technology používa zliatinu titánu Gr5 na prípravu ráfikov lunárnych roverov; Okrem toho moja krajina používa aj vysokopevnostné zliatiny titánu, ako je BT20, na výrobu plášťov a trysiek raketových motorov, potrubí a iných komponentov.
Lodné pole
Titán a zliatiny titánu sa široko používajú v jadrových ponorkách, ponorných ponorkách, atómových ľadoborcoch, krídlových plavidlách, vznášadlách, mínolovkách, vrtuľach, bičových anténach, potrubiach na morskú vodu, kondenzátoroch, výmenníkoch tepla, akustických zariadeniach, hasičských zariadeniach atď. Napríklad americká hlboká ponorka "Haiya" je vybavená pozorovacou kabínou a riadiacou kabínou z titánovej zliatiny s hĺbkou ponoru až 6100 m; celotitánový motorový čln „Morris Sky 2“, ktorý spoločne postavili japonské spoločnosti Toho Titanium Company a Fuji New Shipbuilding V Spojených štátoch je už nejaký čas veľmi populárny; Prvý ponorný čln s ľudskou posádkou, ktorý si sám navrhol a sám integroval v mojej krajine, „Jiaolong“, tiež používal zliatinu titánu. Prevádzkový rozsah "Jiaolong" pokrýva 99,8% svetovej morskej oblasti.

Hoci titán a titánové zliatiny dosiahli významný pokrok, odhalili sa aj existujúce problémy a vývoj titánových zliatin tiež čelí značným výzvam. Odráža sa najmä v nasledujúcich troch aspektoch:
1) Z pohľadu výstupu
Naša krajina je síce veľká krajina v titánovom priemysle, no nevyrába veľa kvalitných výrobkov a má menej druhov titánových výrobkov so špeciálnymi vlastnosťami. Po druhé, moja krajina stále nie je schopná stabilne hromadne vyrábať titánové pásy a titánové extrudované profily, čo obmedzuje používanie titánu a titánových zliatin v oblasti letectva. , vývoj a využitie v námorných a iných oblastiach. Stále je veľmi ťažké ďalej zvyšovať spotrebu titánu v leteckých motoroch na približne 50 %.
2) Výkon
Pretože kovový titán je vysoko chemicky aktívny a ľahko sa kontaminuje inými prvkami, je technológia spracovania a výroby titánových zliatin veľmi náročná. Spracované vysokovýkonné produkty musia zároveň komplexne zvážiť svoje mechanické, fyzikálne, chemické a procesné vlastnosti. Keď sú existujúce zliatiny titánu vyššie ako 600 stupňov, ich odolnosť proti tečeniu a odolnosť proti oxidácii pri vysokej teplote prudko klesnú, čo sú dve hlavné prekážky, ktoré obmedzujú rozšírenú aplikáciu zliatin titánu.
3) Nákladové hľadisko
V súčasnosti rôzne krajiny usilovne pracujú na znížení aplikačných nákladov zliatin titánu a dosiahli mnohé výsledky. Ale súdiac podľa súčasnej situácie u nás, manažment a technická úroveň našej krajiny ešte nedosahuje ideálnu úroveň. Ceny domácich výrobkov zo zliatiny titánu sú na medzinárodnej úrovni relatívne konkurencieschopné. Slabé a neprispievajúce k ďalšiemu rozširovaniu používania.
V súčasnosti sú hlavnými oblasťami použitia titánových zliatin letectvo a iné vojenské oblasti. Vývoj nových aplikačných oblastí, ako sú automobily, vlaky, vysokorýchlostné železnice a civilné oblasti bežne používané v každodennom živote, má stále široké uplatnenie. Okrem toho je dôležitou témou budúcich výskumných prác týkajúcich sa titánovej zliatiny nahradenie drahých zliatinových prvkov lacnejšími prvkami a zníženie nákladov na diely z titánovej zliatiny prostredníctvom technických prostriedkov. Po dosiahnutí lacnej výroby titánových zliatin pre špičkové aplikácie sa v budúcnosti budú titánové zliatiny používať v rôznych oblastiach.