Титан крепче и легче стали

В 1775 г. немецкий химик М. Клапрот (1743-1817), изучая минерал рутил, выделил из него неизвестный металл, который окрестил титаном. По распространенности в природе этот элемент занимает среди металлов четвертое место (после алюминия, железа и магния); в земной коре он составляет 0,6%, т.е. втрое больше, чем медь, цинк, никель, ванадий, хром и марганец вместе взятые. Вырабатывают титан преимущественно из минералов рутила и ильменита.

Однако с момента открытия титана до его получения в чистом виде прошло больше ста лет. Только в 1910 г. американскому химику М. Хантеру удалось получить несколько граммов металлического титана. Производить чистый титан в компактном виде очень трудно, так как титановая губка склонна поглощать газы, жадно соединяется с азотом и углеродом, а загрязненный примесями титан становится хрупким и ломким. Поэтому он долгое время не вызывал интереса у инженеров и считался бесполезным металлом. Только после того, как была разработана промышленная технология получения чистого титана, начали выявлять его замечательные качества. Сегодня титан и его сплавы успешно соперничают с высоколегированными сталями, а по некоторым свойствам их превосходят.

Титан - металл нашего времени. Его применение постоянно расширяется, и для многих целей он более перспективен, чем любые другие металлы. В конце 190-х гг. годовое производство титана в США и Японии - двух ведущих в этой области странах мира - составляло соответственно 20 000 и 10 000 т, сегодня оно перешло рубеж 100 000 т. Советский Союз производил титана больше, чем все остальные страны вместе взятые.

Такой быстрый рост обусловлен возникновением и развитием новых отраслей промышленности и техники, в первую очередь космической, которая потребовала новых конструкционных материалов, обладающих высокими качествами.

Много трудностей пришлось преодолеть на пути создания технически современной и экономически рентабельной технологии производства титана. Сегодня наиболее распространен метод Кролля. Он состоит в следующем: концентрат, полученный при переработке титановой руды, подвергают хлорированию, в результате чего титан переходит в соединение с хлором (четыреххлористый титан). Этот промежуточный продукт нагревают в замкнутой реторте в среде инертного газа вместе с расплавленным магнием. Магний, отнимая у титана хлор (образуя хлористый магний), оставляет титан свободным, но не в форме компактного металла, а в виде пористой массы (губки), сильно загрязненной хлористым магнием и частично избыточным металлическим магнием. Путем дальнейших сложных процессов рафинирования и переплава из этой титановой губки получают чистый титан.

Титан принадлежит к тугоплавким металлам - он переходит из твердого состояния в жидкое только при температуре около 1690 ⁰С. При комнатной температуре титан относится к металлам с гексагональной пространственной решеткой, но при температуре около 880±20 ⁰С происходит изменение в пространственном расположении атомов, и при дальнейшем нагреве вплоть до точки плавления титан сохраняет кубическую объемно-центрированную решетку.

Прочность технического метана зависит от степени его чистоты и близка к прочности обычных конструкционных сталей. По своей коррозийной стойкости титан превосходит даже высоколегированные коррозийно-стойкие стали. Если такие стали в растворе, состоящем из двух частей соляной кислоты и одной части азотной кислоты, за год растворяются на глубину 10 мм, то титан за то же время - только на 0,005 мм. Благодаря столь необычной стойкости титан служит превосходным материалом для оболочек и облицовок резервуаров, в которых хранятся кислоты. В химическом машиностроении титан применяют всюду, где коррозия может привести к значительным повреждениям или аварии. На рис. 2.16 показан теплообменный аппарат из титана. Трубы этого теплообменного аппарата с общей рабочей поверхностью 83 м² выполнены из чистого титана, днища цилиндра ( трубные доски) - из листовой котельной стали, плакированной титаном.

Титан можно легировать различными элемента. Сплавы титана с алюминием и оловом отличаются высокой жаропрочностью. Например, у сплава TiAl5Sn2,5 при комнатной температуре предел прочности на растяжение достигает 1000 Н/мм² (т.е. вдвое выше, чем у углеродистой и низколегированной конструкционной стали), но и при температуре 400^оC этот сплав сохраняет достаточно высокую прочность - 600 Н/мм². Правда, величина высокотемпературной прочности снижается, если нагрузка действует продолжительное время.

Наибольшую прочность - до 1700 Н/мм² (т.е. вчетверо выше, чем у обыкновенной конструкционной стали) - имеют некоторые специальные титановые сплавы, например TiV13Cr11 A14. Коррозионностойкий сплав титана с 30% молибдена в некоторых агрессивных средах ведет себя лучше, чем чистый титан.

Итак, важная роль титана в современной технике обусловлена не

только его чрезвычайно высокой прочностью, но и стойкостью при повышенных температурах и в коррозийных средах. Почти 90% выплавляемого в мире титана потребляют авиация, космическая и ракетная техника. В современных боевых и транспортных самолетах и ракетах наиболее ответственные, сильно нагруженные детали делают из титановых сплавов. Уже сегодня на постройку одного сверхзвукового самолета идет от 4 до 25 т титана. Крупнейшим потребителем титана является химическая промышленность. Здесь тоже оказались незаменимы замечательные прочностные и антикоррозийные свойства титана.

Наибольшую прочность – до 1700 Н/мм² (т.е. вчетверо выше, чем у обыкновенной конструкционной стали) – имеют некоторые специальные титановые сплавы, например TiV13Cr11 A14. Коррозионностойкий сплав титана с 30% молибдена в некоторых агрессивных средах ведет себя лучше, чем чистый титан.

Итак, важная роль в современной технике обусловлена не только его чрезвычайно высокой прочностью, но и стойкостью при повышенных температурах и в коррозионных средах. Почти 90% выплавляемого в мире титана потребляют авиация, космическая и ракетная техника. В современных боевых и транспортных самолетах и ракетах наиболее ответственные, сильно нагруженные детали делают из титановых сплавов. Уже сегодня на постройку одного сверхзвукового самолета идет от 4 до 25 т титана. Крупнейшим потребителем титана является химическая промышленность. Здесь тоже оказались незаменимы замечательные прочностные и антикоррозионные свойства титана.