Значение титана и его сплавов
Титан и его сплавы по своим физико-механическим свойствам и технологичности превосходят большинство современных конструкционных материалов, включая самые распространенные: сталь и алюминий. Титан и его производные характеризуются высокими температурой плавления и удельным электросопротивлением, прочностью, сравнимой с большинством марок легированных сталей, коррозионной стойкостью в воздухе, воде и химически агрессивных средах, немагнитностью и многими другими полезными свойствами. Плюс ко всему титан очень легок – его удельный вес составляет 56% удельного веса стали, он биологически инертен и хорошо обрабатывается давлением. Все перечисленное сделало титан универсальным конструкционным материалом, который с начала 40-х годов ХХ века широко используется в высокотехнологичных областях промышленности. На сегодняшний день титан и титановые сплавы с различными характеристиками являются ключевыми и, во многих случаях, безальтернативными материалами для стратегических отраслей, к которым относятся авиастроение и ракетостроение, атомная энергетика, судостроение, медицинская, пищевая и химическая промышленность, электроника и т.п.
Титановые сплавы
Добавление к титану других металлов или присадочных материалов, позволяет создавать сплавы с заданной макро-, микро-, кристалло-, суб-, наноструктурой, благодаря чему сам сплав и конструкции из него приобретают определенный уровень механических и эксплуатационных характеристик.
Титановые сплавы маркируют буквами ВТ или ОТ и порядковым номером. По технологическому назначению их делят на деформируемые и литейные, а по прочности — на три группы:
- ВТ1, ВТ1-0, ВТ1-00, ВТ1-1, ОТ4-0 (300 — 700 МПа);
- ВТ3-1, ОТ4, ВТ5, ВТ5-1 (700 — 1000 МПа);
- ВТ6, ВТ14, ВТ15 (более 1000 МПа после закалки и старения).
Также можно провести классификацию титановых сплавов по составу легирующих элементов:
- Сплавы с α-структурой - ВТ1-0, ВТ1-00, ВТ5, ВТ5-1, ОТ4, ОТ4-0, ОТ4-1. Эта группа сплавов отличается хорошей свариваемостью и термической стабильностью, т.е. отсутствием увеличения хрупкости при совместном длительном воздействии высоких температур и напряжений.
- Сплавы с (α+β)-структурой - сплавы ВТ14, ВТ9, ВТ8, ВТ6, ВТ6С, ВТ3-1, ВТ22, ВТ23. Благодаря более пластичной β-фазе эти сплавы более технологичны и лучше обрабатываются давлением, чем α-сплавы.
- Сплавы с β-структурой. Некоторые опытные ВТ15, ТС6 с высоким содержанием хрома и молибдена. Эти сплавы сочетают хорошую технологическую пластичность с очень высокой прочностью и хорошей свариваемостью.
Из сплавов титана путем литья производятся как специальные узлы и конструкции для того или иного вида техники, так и различные виды полуфабрикатов: титановый пруток, титановый лист, титановая плита, титановая труба, титановая проволока. К примеру, титановые листы из сплавов ВТ6С, ВТ14, ВТ23 с текстурным упрочнением обладают исключительной прочностью и сопротивлением деформации, поэтому их применяют для изготовления тормозных дисков в машиностроении, шаровых баллонов для ракет. Титановые (α+β)-сплавы относятся к группе высокопрочных термически упрочняемых сплавов. Заданные свойства сплавам придаются путем легирования алюминием, молибденом, хромом, железом, марганцем, ниобием, танталом и другими элементами.
Применение титана и сплавов на его основе
Титан в авиастроении
Авиастроение - наиболее титаноемкая отрасль промышленности, где титановый лист используется для изготовления винтов двигателей, корпусов, крыльев, двигателей, обшивки, трубопроводов, крепежа и многого другого. В планере (планер - несущая конструкция летательного средства) современного гражданского самолета применяется 15 - 20% титановых деталей. Например, Ил-76 и Ил-76Т имеют 15% титановых деталей от общей массы планера, а при производстве Boeing нового типа 787 Dreamliner титановые прутки ВТ16 из России используются в 30% сборочных узлов посадочных устройств самолета. Это объясняется тем, что в современных сверхзвуковых самолетах требуются материалы, которые способны гарантировать надежную работу узлов под воздействием мощных силовых и температурных полей, излучений, высоких давлений. Кроме того, с увеличением в конструкциях самолетов доли композиционных материалов, требуется материал, который не коррозирует при взаимодействии с ними. Титановые сплавы ВТ23, ВТ23М идеально отвечают всем этим требованиям, обеспечивают авиалайнерам снижение веса и стоимости конструкции на 20-30%, в сравнении с другими материалами, а так же повышает их эксплуатационную надежность на 25-35%.
Титан в ракетостроении
Впервые в отечественном ракетостроении титан был использован в конструкции космического корабля «Восток», точнее в космической капсуле, в которой Юрий Гагарин в 1961 году совершил первый полет в космос. Позднее титан стал одним из главных конструкционных материалов в пилотируемых кораблях «Союз», в беспилотных «Луна», «Марс», «Венера», в космической системе «Энергия» и многоразовом корабле «Буран». Для трубчатых конструкций в ракетной технике сегодня применяется вся номенклатура титановых сплавов, например, титановая труба используется для твердотопливных и жидкостных двигателей, корпусов баллистических ракет «Булава» и «Тополь М». Из титановых сплавов ВТ23, ВТ23М, а также из (α+β)-сплава ВТ43 с высокой трещиностойкостью изготавливают монолитные, сварные и паяные баки для хранения топлива и сжатых газов. Наряду с этим, в космической индустрии особое применение нашел титановый сплав с никелем, особенность которого заключается в том, что конструкции из него способны «запоминать» свою форму. Из такого сплава делают радиоантенны и каркасы солнечных батарей, которые можно свернуть при обычной температуре, а при нагревании они самостоятельно восстанавливают первоначальные геометрические размеры.
Рисунок 1. Cоветская автоматическая межпланетная станция Венера-14 (из архива АО НПО Лавочкина)
Титан в судостроении
В судостроении титановые сплавы ВТ23, ВТ23М, ВТ14, ВТ5Л, ВТЗ-1Л используются благодаря способности металла не коррозировать в морской воде, выдерживать высокие механические нагрузки. Из заготовок, таких как титановые плиты и прутки, изготавливают гребные винты, валы, обшивку корпусов и т.д. В свою очередь титановый лист идет на производство теплообменников, глушителей для двигателей подводных лодок, дисков различных измерительных приборов. Малый удельный вес титанового сплава делает корабли максимально маневренными, а стойкость материала к соленой воде дает возможность в разы сократить периодичность технического обслуживания подводных частей судна. Наряду с этим, титановые сплавы типа ВТ6 применяются для изготовления лопаток первых ступеней ротора и шатунов для морских газотурбинных двигателей корабельных энергоустановок. Титановые листы идут на производство корпусов глубоководных аппаратов.
Титан в химической и нефтехимической промышленности
Промышленная химия является одной из основных потребителей титана и титановых сплавов, которые используются в современном химическом оборудовании. Ценность этого высокотехнологичного конструкционного материала для химической и нефтехимической промышленности нельзя недооценить. Изделия из титана не только обеспечивают снижение эксплуатационных затрат и безаварийность работы, но и надежно противостоят агрессивным и ядовитым средам, устойчивы к высоким давлениям и температурам. Без титановых сплавов сегодня было бы невозможным эффективное производство хлора, калия, натрия, марганца, соды, мочевины, органического стекла, отбеливающих веществ, фармацевтических средств и еще десятков наименований. Из титанового сплава делают насосы, компрессоры, фильтры и трубопроводы для перекачки кислот. Чаще всего для деталей и узлов оборудования химического производства применяют титановые листы и проволоку из сплава марки ВТ1-0 с наилучшими антикоррозийными характеристиками при рабочей температуре до 350°С и сплава АТ-3 с уникальными антифрикционными свойствами.
Титан и титановые сплавы в других высокотехнологичных областях промышленности
В атомной энергетике титановые плиты применяют для изготовления оболочки реакторов на быстрых нейтронах, узлов ядерных реакторов, электродов. В медицинской промышленности из титановой проволоки делают инструменты, части искусственных органов, эндопротезы, зубные импланты, внутрикостные фиксаторы, стержни, гвозди, спицы, скобы, поскольку титан не отторгается человеческим организмом. Из титановых листов производят перерабатывающие аппараты для пищевой промышленности (автоклавы, центрифуги), варочные котлы для кислых и острых соусов, тару для пищевых продуктов и т.п. В автомобилестроении титановые сплавы используют для коленвалов, клапанов, втулок, деталей подвески и ходовой части техники специального назначения. В электронике - для корпусов портативных компьютеров, мобильных телефонов, акустических систем. Спектр отраслей, где применяется титан и титановые сплавы активно расширяется, что позволит в ближайшем будущем создавать перспективные и высокоэффективные конструкции нового поколения, способные работать при температурах от -196 до +600°С.
