Физико-металлургический факультет
Кафедра элекктрометаллургии стали
Специальность: Металлургия черных металлов
Титановые сплавы, сплавы на основе титана. Лёгкость, высокая прочность в интервале теиператур от криогенных (-250 С) до умеренно высоких (300-600 С) и отличная коррозионная стойкость обеспечивают титановым сплавам хорошие перспективы применения в качестве конструкционных материалов во многих областях.
Титан обладает значительной твердостью: он в 12 раз тверже алюминия, в 4 раза–железа и меди. Еще одна важная характеристика металла – предел текучести. Чем он выше тем лучше детали из этого металла сопротивляются эксплуатационным нагрузкам. Предел текучести у титана почти в 18 раз выше, чем у алюминия. Удельная прочность сплавов титана может быть повышена в 1,5–2 раза.
Его высокие механические свойства хорошо сохраняются при температурах вплоть до нескольких сот градусов. Чистый титан пригоден для любых видов обработки в горячем и холодном состоянии: его можно ковать, как железо, вытягивать и даже делать из него проволоку, прокатывать в листы, ленты, в фольгу толщиной до 0,01 мм. Хотя "технически чистый" титан имеет приемлемые механические свойства и был использован для ортопедические и зубные имплантаты, для большинства приложений титана используют его сплавы.
Титановые сплавы получают путём легирования титана следующими элементами (числа в скобках — максимальная для промышленных сплавов концентрация легирующей добавки в % по массе): Al (8), V (16), Mo (30), Mn (8), Sn (13), Zr (10), Cr (10), Cu (3), Fe (5), W (5), Ni (32), Si (0,5); реже применяется легирование Nb (2) и Та (5). Один из наиболее распространенных легированных с небольшим количеством алюминиевых и ванадия , как правило, 6% и 4% соответственно, по весу.
Ti-6Al-4V или Ti 6-4, является одним из наиболее часто используемых сплавов. Он имеет химический состав 6% алюминия, 4% ванадия, 0,25% (максимум) железа , 0,2% (максимум) кислорода , а остальная титана. Широко используется в аэрокосмической, авиационной, ракетной и криогенной технике, судостроении, для изготовления химического и металлургического оборудования, в качестве протезов в хирургии и т.п., отличается высокой технологической пластичностью, хорошо сваривается; идет на изготовление сильнонагружаемых деталей и конструкций в авиационной технике.
ПСплав ВТ6-4 применяется: для изготовления полуфабрикатов (листов, лент, фольги, полос, плит, прутков, профилей, труб, поковок и штампованных заготовок) методом деформации, а также слитков; сварочной проволоки диаметром 1,6-7,0 мм; штампосварных деталей, длительно работающих при температурах до +400-450 °С; крупногабаритных сварных и сборных конструкций летательных аппаратов; баллонов, работающих под внутренним давлением в широком интервале температур от -196 °С до +450 °С, и целого ряда других конструктивных элементов.
Сплав (a+b)-класса. Алюминий в сплавах системы Ti—Al—V повышает прочностные и жаропрочные свойства, а ванадий относится к числу тех немногих легирующих элементов в титане, которые повышают не только прочностные свойства, но и пластичность.
Наряду с высокой удельной прочностью сплавы этого типа обладают меньшей чувствительностью к водороду по сравнению со сплавами ОТ4 и ОТ4-1, низкой склонностью к солевой коррозии и хорошей технологичностью.
Сплавы хорошо деформируются в горячем состоянии. Сплав сваривается всеми традиционными видами сварки, в том числе и диффузионной. При сварке ЭЛС прочность сварного шва практически равна прочности основного материала, что выгодно отличает этот сплав от ВТ22.
Процесс плавки титана и его сплавов при КЭШП является вторичным процессом рафинирования металлов. Он применяется для дальнейшей отчистки после завершения первичных операций по удалению примесей и рафинированию.
В качестве исходного материала обычно применяют сплошной расходуемый электрод из первичного металла, который может быть литым, полученным обработкой давлением или состоящим из лома. Шлаковая ванна, содержащаяся в охлажденном кристаллизаторе, нагревается и охлаждается электрическим током (электросопротивлением), текущим между электродом и охлаждаемым поддоном. Когда температура шлаковой ванны превышает температуру плавления металла, электрод начинает оплавляться; капли, стекающие с конца электрода, падают в шлаковую ванну, образуя на поддоне металлическую ванну, которая постепенно затвердевает. Электрод подают в шлаковую ванну, при этом слиток, служащий вторым электродом, постепенно растет. Жидкий шлак таким образом непрерывно перемещается кверху. Там, где поднимающийся шлак встречается со стенками кристаллизатора, он затвердевает что обеспечивает наличие сплошной корочки твердого шлака между кристаллизатором и затвердевающим слитком.
Электрошлаковая плавка титана и сплавов на его основе обладает рядом достоинств. Прогрев расплавленного шлака (обычно фторид кальция) электрическим током над поверхностью металла в кристаллизаторе позволяет перегревать металл выше температуры его плавления. При этом выравнивается тепловое поле по поверхности металла, углубляется ванна жидкого металла, что улучшает однородность слитка. Более равномерный прогрев слитка по его сечению при электрошлаковой плавке позволяет получать слитки прямоугольного сечения, что удобно для их дальнейшей прокатки. Так же к достоинствам относится исключение контактирования металла с внешней атмосферой.
Титан является не только прочным, но и легким металлом. Она так же прочна, как сталь, но 45% легче. Кроме того, в два раза прочнее, чем алюминий, но на 60% тяжелее. Титан слабо разъедает морская вода, и поэтому используется в гребных валов, оборудование и другие частях кораблей, которые подвергаются воздействию морской воды. Титан и его сплавы используются в самолетах, ракетах, где прочность, малый вес и устойчивость к высоким температурам являются важными. Далее, так как титан не реагирует в человеческом теле, он и его сплавы используются для создания искусственных бедра, штырьки для установки костей, и для других биологических имплантатов.
Так же используется для изготовления теплообменного оборудования: труб для теплообменной аппаратуры различного назначения, конденсаторов турбин, в качестве элементов футеровки внутренней поверхности дымовых труб. Следует отметить, что высокие капитальные затраты компенсируются повышением долговечности, увеличением надежности, снижением расходов на обслуживание и ремонт. Имеющийся опыт показывает, что титановые сплавы по стойкости к общей коррозии превосходят наиболее стойкие медные сплавы, медно-никелевые сплавы и нержавеющие стали в 10...20 раз. В последнее время титан нашел широкое применение для изготовления опор морских нефтедобывающих платформ (титановые платформы вдвое гибче стальных), глубоководные бурильные райзеры, трубопроводы, фильтры насосов и систем забора воды, сосуды высокого давления, высокопрочные гибкие растяжки для крепления платформ.
Используется в активно развивающихся атомных электростанций. Как легирующий элемент в металлургии и цветной и в черной. В автомобильной промышленности для ответственных и наиболее нагруженных деталей, как рессоры, двигатели мощных машин и др. Медицина также не может обойтись без титана: хирургический инструмент, протезы и даже клапаны сердца производят из титана. Преимущества титана - прочность, сопротивление коррозии, и главное то, что у некоторых людей возникает аллергия на никель (обязательный элемент нержавеющих сталей). Клетки могут регенерироваться на титане, а кости могут продолжать расти после имплантации этого металла. Однако установлено, что использовать титановый сплав с добавками ванадия ограничено, поскольку сплав Тi 6Аl-4V является токсичным.
Производство клюшек для гольфа, ножей с применением Тi 6Аl-4V, в строительстве(как безопасный для человека металл). Особо следует отметить использование при производстве пластмасс с прекрасной прочностью, на этот сектор приходится около 20 процентов мирового потребления. Корпуса часов из титана эксплуатируются отлично.