Автореферат

Титан – суперматериал, объединяющий по свойствам ряд металов, групп и семейств. Его соединения и широкая распространенность в природе, новые материалы на его основе и перспективы потребления поднимают его важность для развития нашей цивилизации.
Основные преимущества и недостатки титановых сплавов.
Преимущества:
-   удельная прочность
-   удельная жаропрочность
-   коррозионная стойкость
-   биосовместимость
- регламентированное управление структурой и свойствами в широком диапазоне
Недостатки:
- высокая стоимость
     - низкий модуль упругости
Благодаря этим свойствам сплавы титана применяются в многих отраслях деятельности человека (таблица 1)

Таблица 1 - Области применения титана

Титан широко используется в медицине. В настоящее время титан и его сплавы широко используется в качестве хирургического инструмента, внутренних и внешних протезов, включая такие критические, как сердечный клапан. 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. Хирургические инструменты из титана - это современные, высококачественные и долговечные медицинские инструменты, являющиеся незаменимыми в современной медицине. Титановые инструменты выдерживают повторную стерилизацию без ущерба качеству лезвия или поверхности, устойчивости к коррозии или прочности. Титан не намагничивается, и поэтому не представляет угрозы для небольших и чувствительных вживленных электронных устройств. Искусственные суставы из титана применяются при замене костей и суставах в сложных хирургических случаях. Внутренняя и внешняя фиксация костных переломов еще расширяет круг возможных способов применения титана, например, в качестве приспособлений для укрепления позвоночника, штифтов, костных пластин, вин­тов, внутримозговых стержней и наружных фиксаторов.
Рынок медицинских изделий в последние годы стал стабильной областью потребления титана. Так в 2004 г в медицине использовалось более 1600 т проката из титановых споавов, в т.ч. США - 700; Европа - 650; Китай - 100; Япония - 50. К 2010 г ожидается использование в медицине до 2000. ..2500 т. проката [27].
Однако установлено, что использовать титановый сплав с добавками ванадия ограничено, поскольку сплав Ті-6А1-4V является токсичным. В настоя­щее время он заменен нетоксичным сплавом Ті-6А1-7Nb. Этот сплав почти вдвое прочнее чистого титана, а его эластичность достигает уровня, характерного для сплава золота. Также продолжаются поиски других биосовместимых сплавов титана. Такой проблемой и занимаеются специалисты лаборатории ЭШП кафедры «Электрометаллургия» Донецкого национального технического университета. Ими была предложена идея легировать титан кислородом. Какой элемент может быть более совместим с человеческим телом?
Внедрение кислорода в титан увеличивает твердость, прочность, предел текучести и снижает пластичность металла.
В больших количествах кислород растворяется в α -Тi. Широкая область α -растворов охватывает концентрацию  от 0 до 34 % (ат.) кислорода без каких-либо фазовых превращений и нарушений гомогенности струк­туры этих растворов. Кислород образует большое число соединений с титаном; их составы распо­ложены в пределах низшей и высшей валентно­стей оксидов титана (от TiO до ТiO2). Наиболее интенсивное растворение оксидов в титане, сопровождающееся быстрой диффузией кислорода в глубь металла, начинается при температуре около 850 °С.
Кислород повышает температуру α → β-превращения и расширяет температурную область α -фазы, т. е. является α –стабилизатором как и ванадий.
Выделяют три процесса процесса переплава титана.

1. Вакуумно-дуговой переплав (ВДП);
2. Электрошлаковый переплав (ЭШП);
3. Электронно-лучевой переплав (ЭЛП).

Однако мы остановили свой выбор на процессе электрошлакового переплава.  Он 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. При раздевании слитка она шелушится с поверхности, харатеризующейся прекрасным качеством.
         Процесс во многом аналогичен вакуумно-дуговому переплаву (ВДП): сплошной слиток образуется в результате постепенного затвердевания металла в вертикальном направлении. При соответствующем сниженни силы тока к концу операции обеспечивается полное отсутствие усадочной раковины в осевой пористости.
         Рафинирование осуществляется вследствии реакции между металлом и шлаком, происходящей в три стадии:

1. При образовании капли на конце электрода;
2. При прохождении отдельной капли через шлак;
3. После накопления жидкого металла в ванне, образующейся на верхней части слитка.

При соответствующем выборе шлаков химическая реакция может быть усилена. Возможно, например, снижение содержания серы до очень низкого уровня. Удалению неметаллических включений может способствовать их флотация и химическая реакция со шлаком. Шлаки могут быть подобраны таким образом, чтобы воспрепятствовать удалению элементов, которые нужно сохранить.
Преимущества электрошлакового переплава перед другими способами переплава:

1. Хорошее качество слитка, отсутствие усадочной раковины и пористости.
2. Меньшее количество и меньший размер включений.
3. Однообразность структуры и химического состава.
4. Отсутствие слоистости и зональной ликвации.
5. Высокий выход годного из исходного жидкого металла до готовой продукции.
6. Возможность регулируемого снижения содержания нежелательных элементов, возможность сохранения легирующих элементов которые могут быть окислены.
7. Возможность корректировки состава металла путем применения соответствующего флюса.
8. Общее улучшение пластичности и ударной вязкости.
9. Значительное улучшение свойств в поперечном направлении.
10.  Улучшение свойств при повышенных температурах.
11.  Улучшение свариваемости.
12.  Обеспечение такого качества поверхности, которая исключает необходимость в зачистке поверхности при горячей обработке.
13.  Превосходные характеристики горячей обработки.
14. Возможность управления направлением и скоростью затвердевания.
15.  Улучшение коррозионной стойкости.
16.  Расплавленный металл защищен от атмосферного окисления.

Такое большое число преимуществ процесса ЭШП является следствием большого числа степеней свободы, свойственного этому процессу, а следовательно, ЭШП способен решать больше проблем и обеспечивать значительно больше преимуществ готовому продукту. (книга дэжавю ЭШП)
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.
Главным недостатком традиционного электрошла­кового переплава является отсутствие дегазации металла в процессе плавки, поэтому его целесообразно использовать в сочетании с одним из способов первого переплава в вакууме, обеспечивающим достаточно полное удаление водорода или использовать камерный ЭШП.
В данной работе легирование титана кислородом осуществляли при электрошлаковом переплаве титановой губки марки ТГ-110 под флюсом из чистого CaF2, в атмосфере, состоящей из аргонно-кислородной смеси. На печи КЭШП А-550 (рис) выплавляли слитки диаметром 65 мм. В качестве электродов использовались прессованные из титановой губки и сваренные аргонной сваркой брикеты диаметром 40 мм и длинной 400 мм.

Химический анализ до и после переплава приведен в таблице 2.

Таблица 2 – Химический анализ слитков титана, полученных методов КЭШП.

*В числителе – содержание %О2 в титане до переплава, в знаменателе – после
Таким образом, полученные результаты показали возможность и перспективность применения КЭШП для легирования титана кислородом из газовой фазы.

При написании данного автореферата магистерская работа еще не освещена. Окончательное завершение: декабрь 2009 г. полный текст работы и метериалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

 

Список использованной литературы:

• Гармата В. А., Петрунько А. Н., Галицкий Н. В., Олесов Ю. Г. Сандлер Р. А. Титан. - М.: Металлургия. 1983. - 559 с.
• Гуревич С. М. Металлургия и технология сварки титана и его сплавов. - М.: Металлургия. 1979. – 440 с.
• Резниченко В. А., Ковнеристый Ю. К., Кудрявцев Ю. Н. Комплексные технологии получения титанатов, титана, новых метериалов и полуфабрикатов. – Титан-2005 в СНГ. К: Наукова думка. 2005.
• Тэлин В. В., Иващенко В. И., Червоный И. Ф., Шварцман М. Я., Иващенко О. В., Швец Е. Я, Кокарев В. А. Анализ тенденций развития технологий, производства и потребления титана. – Титан-2005 в СНГ. К: Наукова думка. 2005.
• Колобов Г. А., Лебедев В. В., Лукошников И. Е. Технология рафинирования титана и его сплавов. – Титан-2005 в СНГ. К: Наукова думка. 2005.
• Полькин И. С. Применение титана в различных отраслях промышленности. – Титан-2006 в СНГ. К: Наукова думка. 2006.
• Троянский А. А., Рябцев А. Д. О работах Донецкого национального технического университета (ДонНТУ) по электрошлаковой выплавке и рафинированию титана. – Титан-2006 в СНГ. К: Наукова думка. 2006.
• Рябцев А. Д., Троянский А. А., Рябцева О. А., Давыдов С. И., Шварцман Л. Я., Феофанов К. Л. Получение новых материалов на основе титана с повышенными механическими характеристиками и биологической совместимостью путем легирования кислородом с использованием камерной электрошлаковой технологии. – Титан-2007 в СНГ. К: Наукова думка. 2007.
• Давыдов С. И., Шварцман Л. Я., Овчинников А. В., Теслевич. Некоторые  особенности легирования титана кислородом. – Титан-2006 в СНГ. К: Наукова думка. 2006.
•  Червоный И. Ф., Тэлин В. В., Пожуев В.И., Иващенко В. И., Листопад Д. А. Титан и области его применения. – Титан-2007 в СНГ. К: Наукова думка. 2007.
•  Лютый И. Ю., Латаш Ю. В. Электрошлаковая выплавка и рафинирование металов. К.: Наукова думка, 1982. – 178 с.
•  Дакуорт У., Хойл Д. Электрошлаковый переплав. М.: Металлургия, 1973. – 194 с.