Титан: технические характеристики, преимущества, область применения
Титан называют металлом будущего – он очень прочный, но при этом невероятно легкий. Сочетания этих качеств не было замечено у других материалов. Благодаря им науке и промышленному производству открываются новые горизонты. В статье разбираемся, за какие именно особенности металлурги и ученые так любят титан, какие виды титановых сплавов существуют и где применяют металлопрокат из этого материала.
Историческая справка
Открытие титана официально произошло в конце 19 – начале 20 веках, причем работали над его изучением одновременно двое ученых – англичанин и немец. Интересно, что только спустя 30 лет после открытия элемента, в 1925 году, у них получилось выплавить титан в чистом виде, до этого металл был на удивление хрупким – какое несоответствие с настоящим титаном.
Есть сведения, что еще в далеком 1875 году российский ученый тоже занимался титаном, достиг некоторых успехов и даже опубликовал научный труд. Но открытие прошло практически незамеченным, и настоящий расцвет титана пришелся все же на 20 век.
Кстати, название титана пришло из греческой мифологии. Потомки неба и земли, титаны, как бы объединяли стихии. Как и в нашем мире – прочный металл, активно используемый для авиакосмического строительства. Ракеты и самолеты из титана до сих пор объединяют землю и небо.
Почему так сложно было добыть чистый титан? Дело в том, что он не встречается в чистом виде в природе. Его добывают из минералов, в частности, из анатаза, брукита, ильменита, лейкоксена, перовскита, рутила и сфена. Соответственно, и испытаний было множество, пока не получилось отделять металл от примесей. Самыми продуктивными в этом смысле оказались месторождения ильменита, лейкоксена и рутила – их основное количество в мире.
Интересный момент: не более 5% всего титана уходит на металлургию. Чаще вещество встречается в составе диоксида титана – а это белый порошок, который используют в качестве безопасного красителя. Например, в пакетированном молоке есть диоксид титана, поэтому оно подкрашивает кофе значительно сильнее, чем обычное парное молоко сразу из-под коровы.
Но и оставшихся процентов хватает для покрытия нужд современной промышленности. Мировое производство на 2023 год выпустило около 240 тысяч тонн титановых слитков и 205 тысяч тонн титанового металлопроката. Причем Россия занимает важную роль в мире – 15% всех месторождений обрабатывают наши соотечественники. Одним из главных комбинатов по добыче руды в России является Туганский ГОК.
Переходим от истории и статистики к фактическому применению титана. За что его ценят?
Преимущества и технические характеристики титана
Металл не зря называют космическим – он, действительно, больше остальных подходит для строительства ракет и спутников. Его особенности:
- Маленькая плотность – 4,54 г/см³. Для сравнения, у алюминия (самый легкий металл) этот показатель равен 2,7 г/см³, а у стали – до 8,05 г/см³. Что это значит: титановые конструкции почти в два раза легче, чем стальные. А это значительно облегчает их монтаж и последующую эксплуатацию, снижает механическую нагрузку на несущие конструкции, а энергетическую – на двигатели.
- Тугоплавкость. Температура плавления титана – 1670 °C, у стали – не выше 1530 °C. Поэтому титановые детали можно использовать при более высоких температурах, чем самые жаропрочные стали. Это позволяет эксплуатировать титан в экстремальных условиях.
- Низкая теплопроводность – 22,065 Вт/ (м.К). Это примерно в 3 раза ниже, чем у железа. Поэтому титан более хороший теплоизолятор, что увеличивает КПД разных элементов печей и двигателей – высокая температура дольше остается внутри конструкции, мало нагревая титановые части и окружающую среду. Кстати, тепловое расширение у металла тоже небольшое, то есть конструкция остается неизменной по размерам даже при сильных температурных перепадах.
- Высокая прочность – до 980 МПа. Это очень высокий показатель, который уступает разве что вольфраму. Причем такую высокую прочность на разрыв титан и титановые сплавы сохраняют даже при отрицательных температурах. Именно это свойство служит основополагающим среди преимуществ титана. За это его ценят в промышленности.
- Уникальные магнитные свойства. Интересный факт: при комнатной температуре титан немагнитный. Но при нагреве металла он начинает показывать свойства ферромагнетика.
- Устойчивость к коррозии. При контакте с кислородом, то есть при обычных условиях эксплуатации, на поверхности титановых изделий образуется оксидная пленка. Она защищает титан от воздействия влаги, ультрафиолета, многих щелочей и кислот. Даже при повреждении, например механическом, поверхности титана, пленка восстанавливается самостоятельно. Это позволяет использовать титан без лакокрасочного или иного защитного покрытия.
- Небольшой модуль упругости – до 146 ГПа. Он значительно ниже, чем у стали, но больше, чем у алюминия. Этот показатель отображает готовность металла к упругим деформациям и обратно пропорционален твердости, то есть жесткости. Это значит, что титан достаточно хорошо переносит деформации. Его нельзя назвать пластичным, однако при правильном воздействии металл можно согнуть при сохранении прочностных характеристик.
Внешне титановый прокат похож на сталь. У него серо-серебристый цвет, металлический блеск. Также титан абсолютно нетоксичный. Даже при попадании внутрь организма он полностью выводится, не оставляя никаких следов. Поэтому и работа с ним, и эксплуатация – полностью безопасны.
Виды титановых сплавов
На основе титана изготавливают сплавы. Их можно разделить на деформируемые, то есть поддающиеся дальнейшему прокату, и литейные – их обычно отливают в слитках.
Сплавы ВТ1-00, ВТ1-0, ОТ4-0, ОТ4-1 и АТЗ имеют относительно низкую прочность – около 700 МПа. Конечно, для сталей это очень хороший показатель, но для титановых сплавов – один из самых небольших. Но при этом они достаточно пластичные, поэтому их прокатывают и с помощью горячей или холодной деформации получают ленты, листы, плиты, профили, трубы и даже фольгу.
После механической обработки, прокатки или ковки эти сплавы подвергают неполному отжигу, что позволяет снять механические напряжения, возникающие при деформации. Эти сплавы относятся к конструкционным, они хорошо свариваются, получается на выходе отличный, прочный сварной шов.
Сплавы устойчивы к коррозии, невосприимчивы к воздействию щелочей и органических кислот. Они сохраняют свои свойства даже при экстремально низких температурах, поэтому используются для разного криогенного оборудования.
Марки сплавов ВТ5, ВТ5-1, ОТ4, ВТ20, ПТ3В и ВТ6С и имеют более высокую прочность – до 1000 МПа. Их металлообработка чаще всего включает отжиг или методы термоупрочнения, например, закалку. Но в отожженном состоянии они более пластичные, лучше поддаются горячей прокатке.
Эта категория сплавов со средней прочностью используется чаще остальных. Из них делают круг титановый, проволоку и листы. Они также поддаются сварке, но после процедуры рекомендуется провести отжиг – это снимает внутренние напряжения внутри сварного соединения.
Из этих сплавов изготавливают емкости, которые должны выдерживать больше давление, в том числе методом штамповки. Они еще более устойчивые к перепадам температур, встречаются и жаропрочные сплавы, например, изделия из марок ВТ5-1 и ВТ20 могут выдержать до 850 градусов.
Самые прочные титановые сплавы – ВТ6, ВТ14, ВТ3-1 и ВТ22. Они даже в отожженном состоянии имеют прочность, превышающую 1000 Мпа. Закалка и старение (методы термоупрочнения) еще больше увеличивают этот показатель.
При нагреве они практически все подвергаются прокатке. Хуже, чем малопрочные и среднепрочные сплавы, марка поддается свариванию и резанию – но при должном мастерстве и оборудовании это осуществимые операции. Кстати, резку прочных титановых листов лучше проводить на лазерном оборудовании.
Область применения
Большая часть титанового проката (до 80%) используется в авиакосмической отрасли. Это и понятно: небольшой вес, удивительная прочность и устойчивость к высоким температурам делают материал неимоверно подходящим для построения самолетов, ракет и спутников.
Кроме того, титан активно используют в судостроении. Этому способствует малый вес металла. Корабли, обшитые титановыми листами, зачительно легче стальных, а значит, более маневренные и быстроходные. Дополнительный бонус: отсутствие коррозии. Из-за этого судна не обязательно красить, даже при постоянном контакте с влагой они долгие годы остаются прочными и внешне безупречными.
Титан нашел свое применение и в медицине. Протезы и имплантаты, хирургические инструменты и вспомогательное медицинское оборудование делают из титановых сплавов. Это возможно, благодаря химической инертности, безопасности для человека и прочности металла.
Очень хорошо зарекомендовал себя титан в оборудовании, связанным с высокими температурными перепадами. Как криогенные установки с резко отрицательными температурами, так и двигатели внутреннего сгорания, промышленные печи, сопла ракет, где температура достигает очень высоких значений, изготавливают с применением титана.
Большая часть добываемого металла также идет на выплавку сталей и на добавку в качестве легирующего элемента в другие металлические сплавы – алюминиевые, никелевые. Титан сильно повышает прочность и жароустойчивость сплавов, не увеличивая при этом вес металла.
Основной недостаток титана – его высокая стоимость. Но это легко объясняется сложным процессов выплавки металла из руды. Со временем, когда производство титана выходит на новый уровень, его стоимость постепенно снижается, а сферы применения – расширяются. Ювелирное дело, химическая промышленность, изготовление оружия, электроника, ядерная и нефтехимическая отрасли не могут представить производственные процессы без применения титана и сплавов на его основе.