Титан и его сплавы

Титан почти вдвое легче железа и всего лишь в полтора раза тяжелее алюминия,но зато прочнее его(А1) в 6раз,и поэтому удельная проч­ность титана гораздо больше.И плавится он при более высокой Т. При полетах с высокими скоростями обшивка самолета нагревается очень сильно.Дуралюмин теряет прочность уже при 300°С,а применение титана позволило достичь скорости,в 3 раза превышающей скорость зву­ка.Титан делает самолет более легким,а стало быть более грузоподъем­ным,при той же мощности двигателей.Если бы все достоинства титана заключались только в его легкости и прочности,то и этого было бы уже достаточно для развития титановой промышленности.Но помимо прочности и легкости титан сличается еще за­мечательной стойкостью против коррозии.Теоретически стойкость того или иного Me против коррозии прямо за­висит от электродного потенциала: чем он выше,тем лучше и коррозион­ная стойкость,и,наоборот.Так вот, электродный потенциал титана не­высок("середнячок",как Mg или А1). А поразительная стойкость против коррозии титана объясняется его высокой химической активностью.Благодаря ей титан интенсивно окисляется и на его поверхности образуется тончайшая пленка диоксида титана TiO2. Пленка настолько тонкая,что ее невозможно увидеть даже в оптический микроскоп(ее толщина измеряется ангстремами).И она обла­дает способностью быстро "самозалечиваться".Удивительно,но окисление - тот самый процесс, который стремительно съедает железо,превращая его в ржавчину,- делает титан сказочно стойким.С титаном связывают будущее судостроения-ведь в морской воде он самый стойкий из промышленных Me и сплавов.Он хорошо противостоит гидравлической кавитации.

Титановая воздуходувка,установленная на аппарате для получения двуокиси хлора работает восемь лет,а стальная больше двух недель не выдерживает.

Одна часть воды на 20.000 частей хлора делает титан абсолютно стойким в этой среде,хотя в сухом хлоре он воспламеняется(правда,через сутки,но все же воспламеняется).

Металл,который внезапно вспыхивает и горит так яростно,что по­гасить его почти невозможно - успешно используют для противопожарных переборок. Металл,который может взорваться,-широко применяют в ра­кетных и самолетных двигателях.

Он - единственный Me,сочетающий в себе легкость,прочность,стой­кость против коррозии.Это сочетание с избытком компенсирует его не­достатки и трудности,связанные с его производством.

Титан называют вечным,парадоксальным,металлом сверзвуковых ско­ростей, металлом будущего...

В природе Ti встречается только в виде соединений(TiO2,титанаты, силикаты...).Титановые "земли" в наибольшем количестве(8-12%Ti) содержатся в красноземах Западного Самоа.

Важнейшими минералами титана являются: ильменит FеТiOз(31,6%Ti и 36,8% Fe),рутил TiO2(60%Ti)(рутил,брукит и анатаз),перовскит CaTi0₃,сфен TiO2* CaO*SiO2.

По распространенности в земной коре(0,65%)титан занимает десятое место (среди Me - 4-ое место после Al,Fe и Mg).

Кристаллическое строение и основные свойства титана.

Атомный номер = 22; атомная масса = 47,9;

Валентность II,III,IV,заряд иона +2,+3,+4;

Электронная структура атома 1s2 2s2 2p⁶ 3s2 3p⁶ 3d2 4s2

Титан-блестящий серебристо-белый Me.

Ниже 882°С существует α-модификация с гексагональной плотноупакованной решеткой(а=0,29504нм с/а = 0,46833).

Выше 882°С существует β-модификация с решеткой ОЦК(а=0,33065 нм).

Титан относится к числу легких(плотность=4,49т/м при 20С)и ту­гоплавких Me.

Тпл = 1668°С; Ткип = 3280С.

Наиболее чистый титан(называемый иодидным)получают методом тер-­ мической диссоциации из четырехиодистого титана или методом зонной плавки).Титан высокой чистоты обладает превосходными механическими свойствами.Прочность(σв=260 МПа)сохраняется в диапазоне от (-180) до +500 °С.

Твердость чистого титана(99,99%Ti = 100 НВ).Он пластичен(ков­кий и вязкий) δ=70%),легко поддается механической обработке.При нагревании легко вытягивается в тонкие нити или полосы.

Не смотря на высокую Тпл чистый Ti не обладает жаропроч­ностью.Он склонен к ползучести даже при 20°С.(Кислород,азот и ПД повышают его сопротивление ползучести).

Промышленный способ производства титана состоит в обогащении и хло­рировании титановой руды с последующим восстановлением из четыреххло-ристого титана металлическим магнием. Т.о. получают титановую губку.

Титановая губка маркируется по твердости выплавленных из нее образ­цов: ТГ90 (НВ =900 МПа)...ТГ150...ТГ-ТВ(НВ = 1700МПа).

Чем больше твердость - тем меньше чистота металла.

Затем губку дробят,прессуют,спекают и переплавляют.Полученный технический титан маркируется в зависимости от содержания примесей.

Следует отметить,что механические свойства титана в большой сте­пени зависят от содержания примесей,особенно Н,О,N и С(которые об­разуют с титаном твердые растворы внедрения и промежуточные фазы:гид­риды,оксиды,нитриды, карбиды).

Небольшое содержание 0,N и С повышает твердость и прочность тита­на,но при этом значительно уменьшается пластичность,коррозионная стойкость, ухудшается свариемость.Поэтому содержание каждой из этих примесей ограничивается в пределах: 0,02 - 0,06%.

Аналогично, но в меньшей степени влияют примеси Fe и Si.

Особо вредная примесь в титане(и однофазных α-сплавах титана)водород. Он вызывает водородную хрупкость(тонкие хрупкие пластины гидридной фазы выделяются по границам зерен Ti).Допустимое содержание водорода находится в пределах -0,008-0,012%.

Технический Тi обладает высокой прочностью в условиях глубокого холода:

ПД значительно повышает прочность титана.Для снятия наклепа про­водят рекристаллизационный отжиг(Трекристаллизации зависит от степе­ни предшествующей деформации:Трек.=600°С при предв.ε=10% и снижа­ется до 500°С при увеличении ε до 60%,после чего не меняется).

Наилучшее сочетание механических свойств титан имеет после отжига при 650-750°С(это Т рек. отжига).

При повышении Т титан активно поглощает газы:

начиная с 50-70°С -водород;

свыше 400-500°С -кислород;

с 600- 700°С -азот,окись углерода СО и углекислый газ.

Высокая химическая активность расплавленного титана вызывает необ­ходимость применения при плавке и дуговой сварке вакуума или атмосферы инертных газов.

Хотя благодаря способности к газопоглощению титан нашел применение в радио- и электронной промышленности в качестве геттерного материала.

Элементарный Ti очень активный химический элемент. Причем его активность возрастает с повышением Т.

По своей способности вступать в реакции с другими элементами титан превосходит многие Me.

Химическую активность титана представляет данная схема:

Титан обладает высокой коррозионной стойкостью, превосходя в этом отношении нержавеющую сталь. Титан стоек в "царской водке" (3/4 НСl + 1/4HNO3), устойчив во влажном хлоре и его водных соединениях,в соединениях серы, хрома.Хорошую стойкость демонстрирует в щелочах…

Титан не стоек в пероксиде водорода,сухих(без воды)и жидких галлогенах (в плавиковой,соляной,серной,ортофосфорной,щавеле­вой,уксусной кислотах). Самый же страшный разрушитель титана -фтор.В плавиковой кислоте HF титан растворяется буквально на глазах,как сахар в горячем чае.

Стойкость же титана в кислотах зависит от их концентрации.При оп­ределенной концентрации скорость разрушения защитной пленки превышает скорость ее образования и начинается интенсивная коррозия.Добавкой интенсивных окислителей(азотной НNО3,или хромовой кислоты)можно повысить коррозионную стойкость титана.

Тi способен загораться и самопроизвольно(в разбавленной азотной кислоте со взрывом).Погасить его непросто(он горит и без О2,напр.,в азоте;мгновенно разлагает воду на водород и кислород…).Его тушат песком или спец.порошками.

Технический титан хорошо обрабатывается давлением при 20°С(холод­ная прокатка)и повышенных Т.Ковку проводят при 1000-750°С,горячую прокатку при Т на 100 градусов ниже Т ковки.Т прессования 950-1000°С.

Титан хорошо сваривается аргонодуговой и всеми видами контактной сварки.Прочность шва составляет 90% прочности основного Me.

Титан плохо обрабатывается резанием(налипает на инструмент).Ти­тан в 12 раз тверже А1,но из него не делают режущие кромки и его нельзя заточить. Недостатком титана является также низкая антифрикционность.

По склонности к налипанию можно точно определить титан ли у вас в руках.Достаточно провести кусочком металла по мокрому стеклу титан должен оставить серо-белую черту.

Титан-немагнитен,обладает большим электросопротивлением:если электропроводность серебра принять за 100%,электропроводность меди равна 94%, алюминия 55%,железа и ртути - 2%,а титана всего -0,3%.