Rezumatul cunoștințelor legate de metalul de titan

Titanul metal a fost descoperit pentru prima dată în 1791 de un mineralog amator britanic pe nume Gregor. În 1795, chimistul german Klaprus a numit această substanță metalică necunoscută după zeul grec Titani. Traducerea chineză-engleză este „titan”. Titanul este abundent pe pământ. Există peste 140 de minerale de titan cunoscute, dar principalele aplicații industriale sunt ilmenitul și rutilul. Dintre acestea, rezervele de ilmenit ale Chinei reprezintă 28% din rezervele globale, ocupându-se pe primul loc în lume.

Titanul este un element netoxic recunoscut în întreaga lume, dar costurile sale de exploatare și producție sunt mari și costisitoare. Deoarece are o serie de calificări, cum ar fi rezistența la temperaturi ridicate și scăzute, rezistența puternică la acizi și alcalii, rezistență ridicată și densitate scăzută, a devenit un material special pentru rachetele NASA și modelele de satelit. A fost folosit și în portavionul din țara mea Yutu, J-20, Shandong și alte super-proiecte. După ce a intrat în domeniul civil în anii 1980, a devenit „regele onorific al metalului” în industria alimentară datorită proprietăților sale naturale antibacteriene și biofile.
industria de titan din țara mea a început în anii 1950. Până la mijlocul-1960secului, țara mea a construit fabrici de procesare și producție de burete și titan în Zunyi și, respectiv, Baoji, ceea ce înseamnă că țara mea a devenit una dintre puterile industriei de titan din lume. La intrarea în secolul 21, industria de titan din țara mea a intrat într-o nouă perioadă de dezvoltare accelerată, capacitatea de producție a titanului fiind printre primele din lume.

Titan pur
Cunoscut și ca titan pur industrial sau titan pur comercial, este clasificat în funcție de conținutul de elemente de impurități. Are performanțe excelente în procesul de ștanțare și performanță de sudare, nu este sensibil la tratamentul termic și tipul de structură și are o anumită rezistență în condiții satisfăcătoare de plasticitate. Puterea sa depinde în principal de conținutul de oxigen și azot al elementelor interstițiale. Proprietățile titanului pur industrial 99,5% sunt: ​​densitatea P=4.5g/cm3, punctul de topire 1800 grade , conductivitate termică λ{=15.24W/(MK), rezistența la tracțiune σb{=539 MPa, alungire: δ=25%, contracția suprafeței Rata ψ=25%, modulul elastic E{=1,078×105MPa și duritatea HB195.
Aliaj de titan
Aliajul de titan este un aliaj pe bază de titan și adăugat cu alte elemente. Este un metal relativ tânăr, vechi de doar șaizeci sau șaptezeci de ani de la descoperire. Materialele din aliaj de titan au caracteristicile de greutate ușoară, rezistență ridicată, elasticitate scăzută, rezistență la temperaturi ridicate și rezistență la coroziune. Sunt utilizate în principal în motoarele aerospațiale, rachete, rachete și alte componente. Titanul are două cristale izomorfe. Titanul este un izomer cu un punct de topire de 1720 de grade. Are o structură de rețea hexagonală compactă sub 882 de grade și se numește titan; are o structură centrată pe corp peste 882 de grade. Structura cu rețea cubică, numită beta titan, profită de diferitele caracteristici ale celor două structuri de titan de mai sus, adaugă elemente de aliere adecvate și își schimbă treptat temperatura de transformare a fazei și conținutul de fază pentru a obține aliaje de titan (aliaje de titan) cu structuri diferite.
Elementele din aliaj de titan pot fi împărțite în trei categorii în funcție de influența lor asupra temperaturii de tranziție de fază: ① Elementele care stabilizează faza și cresc temperatura de tranziție de fază sunt elemente stabile, cum ar fi aluminiu, magneziu, oxigen, azot etc. Printre acestea, aluminiul este principalul element de aliere al aliajului de titan. Are efecte evidente asupra îmbunătățirii rezistenței normale și la temperaturi ridicate a aliajului, reducerea greutății specifice și creșterea elasticității. ②Elementele care stabilizează faza și scad temperatura de tranziție de fază sunt elemente de stabilizare. Poate fi împărțit în două tipuri: izomorf și eutectoid. Primul include molibden, niobiu, vanadiu etc.; acesta din urmă include crom, mangan, cupru, siliciu etc. ③ Elementele care au un efect redus asupra temperaturii de tranziție de fază sunt elemente neutre, inclusiv zirconiu, staniu etc.

TA1 (standard american Gr1)
Titanul Gr1 este primul dintre cele patru clase de titan pur industrial. Este cea mai moale și mai maleabilă dintre aceste grade. Oferă formabilitate maximă, rezistență excelentă la coroziune și rezistență ridicată la impact. Gradul 1 este materialul de alegere pentru orice aplicație care necesită ușurință de formare și este utilizat în mod obișnuit ca placă de titan și tub de titan.
Clasa TA2 (standard american Gr2).
Titanul de gradul 2 este cunoscut drept „calul de lucru” al industriei comerciale a titanului pur datorită versatilității și disponibilității sale largi. Are multe din aceleași calități ca și titanul de gradul 1, dar este puțin mai puternic. Ambele au rezistență egală la coroziune. Acest grad are o bună sudabilitate, rezistență, ductilitate și formabilitate. Acest lucru face ca tijele și plăcile de titan de gradul 2 să fie prima alegere pentru multe aplicații, inclusiv industria construcțiilor, generarea de energie și industria medicală.
Clasa TA3 (standard american Gr3).
Această calitate folosește cel puțin o calitate de titan pur comercial, dar asta nu-l face mai puțin valoros. Calitatea Gr3 este mai puternică decât gradele Gr1 și Gr2 și are o ductilitate similară, dar doar o ușoară formabilitate. Dar are proprietăți mecanice mai mari decât predecesorul său. Gradul Gr3 este utilizat în aplicații care necesită rezistență moderată și rezistență la coroziune primară, cum ar fi industria aerospațială, prelucrarea chimică, industria navală etc.
Clasa TA4 (standard american Gr4).
Gradul Gr4 este considerat cel mai puternic dintre cele patru tipuri de titan pur comercial. Este, de asemenea, cunoscut pentru rezistența sa excelentă la coroziune, formabilitatea și sudarea bună. Folosit în unele componente ale corpului aeronavei, vase criogenice, schimbătoare de căldură și alte aplicații care necesită rezoluție înaltă.
Clasa TA9 (standard american Gr7).
Gradul Gr7 este identic din punct de vedere mecanic și fizic cu gradul 2, cu excepția faptului că elementul interstițial paladiu a fost adăugat pentru a face din acesta un aliaj. Gradul 7 oferă sudabilitate și performanță excelente și este cel mai rezistent la coroziune dintre toate aliajele de titan. De fapt, este cel mai rezistent la coroziune dintre acizii reducători. Nivelul 7 este utilizat pentru procesele chimice și componentele echipamentelor de producție. Gr7 este extrem de rezistent la coroziune, în special în mediile de reducere a acide.
Nota TA9-1 (standard american Gr11).
Calitatea Gr11 este foarte asemănătoare cu cea Gr1, cu excepția faptului că se adaugă o cantitate mică de paladiu pentru a spori rezistența la coroziune, făcându-l un aliaj. Această rezistență la coroziune poate fi utilizată pentru a preveni coroziunea în crăpături și pentru a reduce acizii în medii cu clorură. Alte proprietăți utile includ ductilitatea optimă, formabilitatea la rece, rezistența utilă, rezistența la impact și sudarea excelentă. Acest aliaj poate fi utilizat în aceleași aplicații ca și titanul de gradul 1, în special acolo unde este necesară coroziune.
Ti 6Al-4V (standard național TC4, standard american Gr5).
Ti6Al-4V sau titanul de gradul 5 este cunoscut drept „calul de lucru” al aliajelor de titan și este cel mai frecvent utilizat dintre toate aliajele de titan. Reprezentând 50% din consumul total de titan din lume. Utilizabilitatea sa constă în numeroasele sale beneficii. Ti6Al-4V poate fi tratat termic pentru a-și crește rezistența. Poate fi utilizat pe structuri sudate cu temperaturi de funcționare de până la 600 de grade F. Aliajul combină rezistența ridicată, greutatea ușoară, formabilitatea bună și rezistența ridicată la coroziune. Disponibilitatea Ti6AI-4V îl face cel mai bun aliaj pentru mai multe industrii, inclusiv industria aerospațială, medicală, marină și de procesare chimică. Poate fi folosit pentru a crea conținut tehnic, cum ar fi:

turbina aeronavei
părțile motorului
piese structurale aeronavei
Elemente de fixare aerospațiale
Piese de automatizare de înaltă performanță
Aplicații marine
Echipament sportiv
Nivelul Ti 6AL-4V ELI (standard național TC4ELI, standard american Gr23)
Ti 6AL-4V ELI sau gradul Gr23 este o formă de puritate mai mare a Ti 6Al-4V. Poate fi transformat în bobine, șuvițe, sârmă sau sârmă plată. Este prima alegere pentru orice ocazie care necesită rezistență ridicată, greutate redusă, rezistență bună la coroziune și duritate ridicată. Are o toleranță excelentă la deteriorare față de alte aliaje. Aceste avantaje fac din gradul Gr23 gradul suprem de titan dentar și medical. Datorită biocompatibilității, rezistenței bune la oboseală și modulului scăzut, poate fi utilizat în aplicații biomedicale, cum ar fi componentele implantabile. Poate fi folosit și pentru proceduri chirurgicale detaliate, cum ar fi:
Cablu ortopedic
Știfturi și șuruburi ortopedice
ligaturare
în chirurgia de înlocuire articulară
recipient criogenic
Aparate ortodontice
implanturi chirurgicale
dispozitiv de fixare osoasă
Clasa TA10 (standard american Gr12).
Aliajele de titan de calitate Gr12 primesc calificativul „Excelent” datorită sudabilității lor de înaltă calitate. Este un aliaj foarte durabil care oferă o rezistență mare la temperaturi ridicate. Titanul de calitate Gr12 are proprietăți similare cu oțelul inoxidabil din seria 300. Aliajul poate fi format la cald sau la rece folosind formarea prin presare, hidroformarea, formarea prin întindere sau metoda greutății picături. Capacitatea sa de a fi formată într-o varietate de moduri îl face util în multe aplicații. Rezistența ridicată la coroziune a aliajului îl face, de asemenea, de neprețuit pentru echipamentele de fabricație în care coroziunea în crăpături este o problemă. Gradul Gr12 poate fi utilizat în următoarele industrii și aplicații:
Carcasă și schimbător de căldură
Aplicații hidrometalurgice
Fabricare chimică la temperatură ridicată
Componente maritime și de aviație
Titan 5Al-2.5Sn
Ti 5Al-2.5Sn este un aliaj care nu poate fi tratat termic, care permite o bună sudabilitate și stabilitate. De asemenea, are stabilitate la temperaturi ridicate, rezistență ridicată, rezistență bună la coroziune și rezistență bună la fluaj. Creep-ul este un fenomen de deformare a plasticului care apare la temperaturi ridicate pentru o lungă perioadă de timp. Ti 5Al-2.5Sn este utilizat în principal în aplicații pentru avioane și aeronave, precum și în aplicații criogenice.

Deși titanul și materialele din aliaje de titan sunt abundente în rezerve, acestea sunt foarte scumpe. Acest lucru se datorează faptului că titanul are o activitate chimică foarte mică în condiții de temperatură ridicată, iar tehnologia sa de topire și mediul de operare sunt foarte dure. Trebuie topit în condiții de temperatură ridicată și vid, iar temperatura ajunge adesea peste 800 de grade, ceea ce este mult mai dificil de topit decât oțelul. Prin urmare, când vine vorba de aliaj de titan, oamenii cred că este un material metalic de ultimă generație, cu producție scăzută, preț ridicat și puține aplicații.
În prezent, datorită proprietăților excelente ale aliajelor de titan, cum ar fi greutatea ușoară, rezistența ridicată și rezistența la temperatură ridicată, titanul și materialele din aliaje de titan sunt utilizate pe scară largă în fabricarea de arme de ultimă oră și arme naționale în diferite țări și sunt în special potrivit pentru utilizare în domeniul aerospațial. Exemple de domenii de aplicare includ:

industria chimica
⑴Industria carbonului de sodiu
Apariția frigiderelor de titan în industria producției de alcali poate rezolva în mod eficient problema clorului gazos necalificat cauzată de procesele tradiționale de răcire nerezonabile. În același timp, a schimbat fața de producție a industriei de clor-alcali. Durata de viață a frigiderului din aliaj de titan investit poate fi de până la 20 de ani.
⑵ Industria sării
În prezent, procesul de producție de sare mai avansat este producția de sare în vid. Saramura concentrată la temperatură înaltă produsă prin acest proces va cauza daune grave structurii din oțel carbon și va cauza picurarea echipamentului. Camera de încălzire și camera de evaporare adoptă o structură compozită din oțel titan, care poate preveni eficient depunerile de sare și poate îmbunătăți calitatea producției de sare. În același timp, poate reduce coroziunea apei sărate cu concentrație ridicată pe peretele conductei în timpul procesului de evaporare și poate extinde ciclul de întreținere.
Domeniul aerospațial
⑴Industria aviației
Aplicarea aliajelor de titan în aviație este împărțită în aliaje de titan pentru structurile aeronavelor și aliaje de titan pentru structurile motoarelor. Principalele părți de aplicare ale pieselor structurale din aliaj de titan pentru avioane includ părți ale trenului de aterizare, cadre, grinzi, învelișuri de fuzelaj, scuturi termice etc. Aeronava rusă IL{{0}} folosește aliaj de titan BT22 de înaltă rezistență pentru a produce cheie. componente precum trenul de aterizare și sarcina - grindă portantă; materialul fasciculului de transmisie al trenului de aterizare principal al Boeing 747 este Ti-6Al-4V. Forjarea are 6,20 metri lungime, 0,95 metri lățime și o masă de 1.545 kilograme; părțile cheie ale arborelui stabilizator orizontal al aeronavei C-17 sunt realizate din aliaj de titan Ti-62222S de înaltă rezistență și tenacitate. În motoarele aerospațiale, aliajele de titan sunt utilizate în discuri, palete, tamburi, rotoare compresoare de înaltă presiune, carcase ale compresoarelor etc. Marginile și vârfurile anterioare ale palelor ventilatorului motorului Boeing 747-8GENX folosesc teci de protecție din aliaj de titan, care poate fi înlocuit doar de trei ori într-o durată de viață de 10-an.
⑵Industria aerospațială
Condițiile de lucru ale vehiculelor aerospațiale sunt foarte extreme. Pe lângă tehnologia superbă necesară pentru proiectarea structurală a materialelor, performanța și funcțiile excelente ale materialelor în sine sunt de asemenea importante. Prin urmare, aliajele de titan se remarcă printre multe materiale. În ceea ce privește echipamentele aerospațiale, în anii 1960, cabinele duble și etanșele aripilor și nervurilor din cadrul programului american Apollo erau realizate din Ti{-5Al{-2.5Sn, iar căptușeala interioară a fost realizată din titan pur; pregătit de compania germană MT Aerospace. Rezervorul de combustibil al sistemului de propulsie din aliaj Ti-15V{-3Cr de înaltă rezistență este utilizat pe platforma gigantică europeană prin satelit de comunicații Alpha; Aliajele rusești de titan au multe aplicații în ingineria aerospațială. De exemplu, vehiculul de lansare a energiei folosește aliaje de titan BT23 forjate mari cu matriță cu o greutate de 3,5 t și forjate. În plus, aliajele de titan sunt utilizate și în rezervoarele de combustibil ale motoarelor de rachete cu combustibil lichid, rezervoarele de stocare a lichidelor criogenice, rotoarele pompelor de transfer de hidrogen lichid etc.
În mod similar, în dezvoltarea rapidă a ingineriei aerospațiale interne, aliajele de titan au fost, de asemenea, utilizate pe scară largă. De la satelitul Vostok-1 din 1970 până la actuala navă spațială din seria Shenzhou, sonda Chang'e etc., au fost folosite aliaje de titan. În plus, aliajele de titan sunt folosite în mediile cu hidrogen lichid dezvoltate în țara noastră. Buteliile de gaz din aliaj de titan Ti-5Al{-2.5Sn la temperatură joasă au fost utilizate în seria de vehicule de lansare Marșul lung; Harbin Institute of Technology folosește aliajul de titan Gr5 pentru a pregăti jantele roverului lunar; În plus, țara mea folosește și aliaje de titan de înaltă rezistență, cum ar fi BT20, pentru a fabrica carcase și duze ale motoarelor de rachetă, țevi și alte componente.
Câmpul navei
Titanul și aliajele de titan sunt utilizate pe scară largă în submarine nucleare, submersibile de adâncime, spărgătoare de gheață atomice, hidroplanuri, avioane aeroglisoare, dragămine, elice, antene bici, conducte de apă de mare, condensatoare, schimbătoare de căldură, dispozitive acustice, echipamente de stingere a incendiilor etc. De exemplu, submersibilul american „Haiya” este echipat cu o cabină de observare și o cabină de control din aliaj de titan, cu o adâncime de scufundare de până la 6100m; barca cu motor „Morris Sky 2” din titan, construită în comun de Toho Titanium Company din Japonia și Fuji New Shipbuilding. Este foarte populară în Statele Unite de ceva timp; primul submersibil auto-proiectat și auto-integrat din țara mea, „Jiaolong”, a folosit și aliaj de titan. Domeniul de operare al „Jiaolong” acoperă 99,8% din suprafața marină a lumii.

Deși titanul și aliajele de titan au făcut progrese semnificative, problemele existente au fost, de asemenea, expuse, iar dezvoltarea aliajelor de titan se confruntă, de asemenea, cu provocări considerabile. Se reflectă în principal în următoarele trei aspecte:
1) Din perspectiva producției
Deși țara noastră este o țară mare în industria titanului, nu produce multe produse de înaltă calitate și are mai puține tipuri de produse din titan cu proprietăți speciale. În al doilea rând, țara mea încă nu poate produce în masă benzi de titan și profile extrudate de titan, ceea ce limitează utilizarea titanului și a aliajelor de titan în domeniul aerospațial. , dezvoltarea și utilizarea în domeniul marin și în alte domenii. Este încă foarte dificil să crești și mai mult consumul de titan al motoarelor aeriene la aproximativ 50%.
2) Performanță
Deoarece titanul metalic este foarte activ din punct de vedere chimic și ușor contaminat de alte elemente, tehnologia de prelucrare și fabricare a aliajelor de titan este foarte solicitantă. În același timp, produsele procesate de înaltă performanță trebuie să ia în considerare în mod cuprinzător proprietățile lor mecanice, fizice, chimice și de proces. Când aliajele de titan existente sunt peste 600 de grade, rezistența lor la fluaj și rezistența la oxidare la temperaturi înalte scad brusc, care sunt două obstacole majore care limitează aplicarea extinsă a aliajelor de titan.
3) Aspectul costului
În prezent, diferite țări lucrează din greu pentru a reduce costurile de aplicare a aliajelor de titan și au obținut multe rezultate. Dar judecând după situația actuală din țara noastră, nivelul de management și tehnic al țării noastre nu a atins încă nivelul ideal. Prețurile produselor interne din aliaje de titan sunt relativ competitive la nivel internațional. Slab și nu favorizează extinderea în continuare a utilizării.
În prezent, principalele domenii de aplicare ale aliajelor de titan sunt aerospațiale și alte domenii militare. Dezvoltarea de noi domenii de aplicare, cum ar fi automobile, trenuri, feroviar de mare viteză și domenii civile utilizate în mod obișnuit în viața de zi cu zi, are încă perspective largi de aplicare. În plus, înlocuirea elementelor scumpe din aliaj cu elemente la prețuri mai mici și reducerea costului pieselor din aliaj de titan prin mijloace tehnice sunt subiecte importante în lucrările viitoare de cercetare a aliajelor de titan. După ce în viitor se va realiza fabricarea la prețuri reduse a aliajelor de titan pentru aplicații de vârf, aliajele de titan vor fi utilizate în diferite domenii.