Базовые знания титана

Титан является важным конструкционным металлом, разработанным в 1950-х годах. Титановые сплавы широко используются в различных областях благодаря их высокой удельной прочности, хорошей коррозионной стойкости и высокой термостойкости. Многие страны мира признали важность материалов из титановых сплавов, успешно изучили и разработали их и получили практическое применение. Титан является четвертым элементом В в периодической таблице. Это похоже на сталь и имеет температуру плавления 1 672 C. Это тугоплавкий металл. Титан в изобилии присутствует в коре, намного выше, чем обычные металлы, такие как Cu, Zn, Sn и Pb. Титановых ресурсов в Китае чрезвычайно много. Только в сверхбольших ванадий-титановых магнетитах, обнаруженных в области Паньчжихуа, провинция Сычуань, соответствующие запасы титана составляют около 420 миллионов тонн, что близко к общим доказанным запасам титана за рубежом. Титановые сплавы можно разделить на жаропрочные сплавы, высокопрочные сплавы, коррозионно-стойкие сплавы (сплавы Ti-Mo, Ti-Pd и т. Д.), Низкотемпературные сплавы и специальные функциональные сплавы (материалы для хранения водорода Ti-Fe и память Ti-Ni сплавы).

Элементы из титанового сплава

Титановые сплавы - это сплавы на основе титана и дополненные другими элементами. Титан имеет два вида однородных гетерогенных кристаллов: альфа-титан с плотной гексагональной структурой ниже 882 ° С и бета-титан с объемно-центрированной кубической структурой выше 882 ° С. Легирующие элементы можно разделить на три категории в зависимости от их влияния на температуру фазового превращения: 1. Элементы, которые стабилизируют альфа-фазу и повышают температуру фазового превращения, являются альфа-стабильными элементами, включая алюминий, углерод, кислород и азот. Среди них алюминий является основным элементом сплава титанового сплава. Это оказывает очевидное влияние на повышение прочности при комнатной температуре и высокой температуре, снижение удельного веса и увеличение модуля упругости сплава. (2) Стабильная бета-фаза и понижающаяся температура фазового перехода являются бета-стабильными элементами, которые можно разделить на два типа: изоморфные и эвтектоидные. Первая включает молибден, ниобий и ванадий, а вторая - хром, марганец, медь, железо и кремний. (3) Нейтральные элементы, такие как цирконий и олово, мало влияют на температуру фазового перехода.

Кислород, азот, углерод и водород являются основными примесями в титановых сплавах. Кислород и азот имеют более высокую растворимость в альфа-фазе, что оказывает значительное укрепляющее воздействие на титановый сплав, но снижает его пластичность. Содержание кислорода и азота в титане обычно устанавливается ниже 0,15-0,2% и 0,04-0,05% соответственно. Растворимость водорода в альфа-фазе очень мала. Избыток водорода, растворенного в титановом сплаве, приведет к образованию гидрида, который делает сплав хрупким. Обычно содержание водорода в титановых сплавах контролируется ниже 0,015%. Растворение водорода в титане обратимо.

классификация

Титан является изомером с температурой плавления 1720 (?) C и плотной гексагональной решетчатой структурой при температуре ниже 882 (?), Которая называется альфа-титаном, и объемно-центрированной кубической решетчатой структурой при температуре выше 882 (?) C , который называется бета-титана. Титановые сплавы с различной микроструктурой могут быть получены путем добавления соответствующих легирующих элементов для постепенного изменения температуры фазового превращения и фазового состава. Титановые сплавы имеют три вида матричных структур при комнатной температуре. Титановые сплавы также можно разделить на три категории: альфа-сплавы, (альфа + бета) сплавы и бета-сплавы. Китай представлен TA, TC и TB соответственно.

Альфа титановый сплав

Это однофазный сплав, состоящий из альфа-фазы твердого раствора. Это альфа-фаза как при обычной температуре, так и при более высокой температуре практического применения. Он имеет стабильную структуру, более высокую износостойкость и стойкость к окислению, чем чистый титан. Его прочность и сопротивление ползучести поддерживаются при температурах от 500 до 600 С, но его нельзя усилить термической обработкой, а его прочность при комнатной температуре невелика.

Бета титановый сплав

Это однофазный сплав, состоящий из твердого раствора бета-фазы. Обладает высокой прочностью без термообработки. После закалки и старения сплав дополнительно упрочняется, и его прочность при комнатной температуре может достигать 1372-1666 МПа. Однако его термостабильность плохая, и он не подходит для использования при высокой температуре.

Альфа + бета титановый сплав

Это двухфазный сплав с хорошими комплексными свойствами, хорошей структурной стабильностью, хорошей вязкостью, пластичностью и деформацией при высоких температурах. Это может быть обработано под горячим давлением и усилено закалкой и старением. После термической обработки прочность увеличивается на 50%-100% по сравнению с состоянием отжига, и высокотемпературная прочность может работать в течение длительного времени при температуре 400 500, и ее термостойкость ниже, чем у альфа-титанового сплава.

Среди трех видов титановых сплавов наиболее часто используются альфа-титановый сплав и альфа + бета-титановый сплав; Альфа-титановый сплав имеет лучшую обрабатываемость, затем следуют альфа + бета-титановый сплав и бета-титановый сплав. Альфа-титановый сплав код TA, бета-титановый сплав код TB, альфа + бета-титановый сплав код TC.

Применение титанового сплава

Титановые сплавы можно разделить на жаропрочные сплавы, высокопрочные сплавы, коррозионно-стойкие сплавы (сплавы Ti-Mo, Ti-Pd и т. Д.), Низкотемпературные сплавы и специальные функциональные сплавы (материалы для хранения водорода Ti-Fe и память Ti-Ni сплавы). Состав и свойства типичных сплавов приведены в табл.

Различные фазовый состав и структура могут быть получены путем регулирования процесса термообработки. Обычно считается, что тонкая равноосная структура обладает лучшей пластичностью, термостойкостью и усталостной прочностью; игольчатая структура обладает более высокой прочностью на выносливость, пределом ползучести и вязкостью разрушения; равноосная и игольчатая смешанная структура обладает лучшими комплексными свойствами.

Титановые сплавы имеют высокую прочность, низкую плотность, хорошие механические свойства, хорошую вязкость и коррозионную стойкость. Кроме того, титановый сплав имеет плохие технологические показатели и сложность резки. При горячей обработке легко поглощать такие примеси, как водород, кислород, азот и углерод. Есть также плохая износостойкость и сложный производственный процесс. Промышленное производство титана началось в 1948 году. С развитием авиационной промышленности титановая промышленность растет в среднем со скоростью 8% в год. В настоящее время годовой объем производства материалов для обработки титановых сплавов в мире достиг более 40 000 тонн, и существует почти 30 видов марок титановых сплавов. Наиболее широко используемыми титановыми сплавами являются Ti-6Al-4V (TC4), Ti-5Al-2.5Sn (TA7) и промышленный чистый титан (TA1, TA 2 и TA3).

Титановый сплав в основном используется для изготовления деталей компрессора авиационного двигателя, затем идут ракеты, ракеты и высокоскоростные самолеты. В середине 1960-х годов титан и его сплавы использовались в общей промышленности для изготовления электродов в электролизной промышленности, конденсаторов на электростанциях, нагревателей для очистки нефти и опреснения морской воды, а также в устройствах контроля загрязнения окружающей среды. Титан и его сплавы стали своего рода антикоррозийным конструкционным материалом. Кроме того, он также используется для производства материалов для хранения водорода и сплавов с памятью формы.

Титан и титановые сплавы были изучены в 1956 году в Китае, а промышленное производство титановых материалов и сплавов ТБ2 было разработано в середине 1960-х годов.

Титановый сплав является новым важным конструкционным материалом, используемым в аэрокосмической промышленности. Его удельный вес, прочность и рабочая температура находятся между алюминием и сталью, но он обладает высокой удельной прочностью, отличной коррозионной стойкостью в морской воде и сверхнизкими температурными характеристиками. В 1950 году США впервые использовали истребитель-бомбардировщик F-84 в качестве ненесущих компонентов, таких как теплоизоляционная пластина хвостовой части фюзеляжа, капот воздуховода и хвостовой отсек. С 1960-х годов использование титановых сплавов переместилось с задней части фюзеляжа на среднюю часть, частично заменив конструкционную сталь для изготовления важных несущих компонентов, таких как перегородки, балки, закрылки и направляющие. Количество титанового сплава, используемого в военных самолетах, быстро увеличивается, достигая 201ТП2Т-251ТП2Т веса конструкции самолета. Титановые сплавы широко используются в гражданской авиации с 1970-х годов. Например, количество титана, используемого в пассажирских самолетах Boeing 747, составляет более 3640 кг. Титан для самолетов с числом Маха менее 2,5 в основном используется для замены стали с целью снижения веса конструкции. Например, в высотном скоростном разведывательном самолете SR-71 США (число Маха полета 3, высота полета 26 212 метров), на долю титана приходилось 93% конструкционного веса самолета, известного как ?полностью титановый? самолет. При увеличении тяговооруженности авиадвигателя с 4-6 до 8-10 и повышении температуры на выходе из компрессора с 200-300°С до 500-600°С оригинальный диск и лопатка компрессора низкого давления, изготовленные из алюминий должен быть заменен титановым сплавом или диск и лопатка компрессора высокого давления должны быть изготовлены из титанового сплава вместо нержавеющей стали, чтобы уменьшить вес конструкции. В 1970-х годах количество титанового сплава, используемого в авиационных двигателях, обычно составляло 20%-30% от общего веса конструкции. Он в основном использовался для производства компонентов компрессора, таких как кованые титановые вентиляторы, диски и лопатки компрессора, литой титановый корпус компрессора, промежуточный корпус, корпус подшипника и т. д. Космические аппараты в основном используют высокую удельную прочность, коррозионную стойкость и низкотемпературную стойкость титанового сплава. для изготовления различных сосудов под давлением, топливных баков, крепежных элементов, ремней для приборов, каркасов и ракетных снарядов. Сварные пластины из титанового сплава также используются в искусственных спутниках Земли, лунных модулях, пилотируемых космических кораблях и космических челноках.