Podstawowa wiedza na temat tytanu

Tytan jest wa?nym metalem konstrukcyjnym opracowanym w latach 50. XX wieku. Stopy tytanu s? szeroko stosowane w ró?nych dziedzinach ze wzgl?du na ich wysok? wytrzyma?o?? w?a?ciw?, dobr? odporno?? na korozj? i wysok? odporno?? na ciep?o. Wiele krajów na ?wiecie uzna?o znaczenie materia?ów ze stopu tytanu i sukcesywnie je bada?o, rozwija?o i uzyska?o praktyczne zastosowanie. Tytan jest czwartym elementem B w uk?adzie okresowym pierwiastków. Wygl?da jak stal i ma temperatur? topnienia 1 672 C. Jest to metal ogniotrwa?y. Tytan wyst?puje w skorupie obficie, znacznie wy?ej ni? zwyk?e metale, takie jak Cu, Zn, Sn i Pb. Zasoby tytanu w Chinach s? niezwykle obfite. Tylko w superdu?ym magnetycie wanadowo-tytanowym odkrytym w rejonie Panzhihua w prowincji Syczuan powi?zane rezerwy tytanu wynosz? oko?o 420 milionów ton, co jest bliskie ca?kowitej potwierdzonej rezerwy tytanu za granic?. Stopy tytanu mo?na podzieli? na stopy ?aroodporne, stopy o wysokiej wytrzyma?o?ci, stopy odporne na korozj? (stopy Ti-Mo, Ti-Pd itp.), Stopy niskotemperaturowe i specjalne stopy funkcjonalne (materia?y do przechowywania wodoru Ti-Fe i pami?? Ti-Ni stopy).

Elementy ze stopu tytanu

Stopy tytanu to stopy na bazie tytanu i dodane z innymi pierwiastkami. Tytan ma dwa rodzaje jednorodnych heterogenicznych kryszta?ów: tytan alfa o g?stej strukturze heksagonalnej poni?ej 882 ° C i tytan beta o strukturze kubicznej skoncentrowanej na ciele powy?ej 882 C. Elementy stopowe mo?na podzieli? na trzy kategorie zgodnie z ich wp?ywem na temperatur? przemiany fazowej: 1. Elementy stabilizuj?ce faz? alfa i podwy?szaj?ce temperatur? przemiany fazowej s? pierwiastkami stabilnymi alfa, w tym glinem, w?glem, tlenem i azotem. Spo?ród nich aluminium jest g?ównym elementem stopowym stopu tytanu. Ma oczywisty wp?yw na popraw? wytrzyma?o?ci w temperaturze pokojowej i wysokiej temperaturze, zmniejszenie ci??aru w?a?ciwego i zwi?kszenie modu?u spr??ysto?ci stopu. (2) Stabilna faza beta i malej?ca temperatura przemiany fazowej s? elementami beta stabilnymi, które mo?na podzieli? na dwa typy: izomorficzny i eutektoidalny. Pierwszy obejmuje molibden, niob i wanad, a drugi zawiera chrom, mangan, mied?, ?elazo i krzem. (3) Pierwiastki neutralne, takie jak cyrkon i cyna, maj? niewielki wp?yw na temperatur? przej?cia fazowego.

Tlen, azot, w?giel i wodór s? g?ównymi zanieczyszczeniami stopów tytanu. Tlen i azot maj? wy?sz? rozpuszczalno?? w fazie alfa, co ma znacz?cy wp?yw wzmacniaj?cy na stop tytanu, ale zmniejsza jego plastyczno??. Zazwyczaj zak?ada si?, ?e zawarto?? tlenu i azotu w tytanie wynosi odpowiednio poni?ej 0,15-0,2% i 0,04-0,05%. Rozpuszczalno?? wodoru w fazie alfa jest bardzo ma?a. Nadmiar wodoru rozpuszczony w stopie tytanu spowoduje wytwarzanie wodorku, co powoduje, ?e stop jest kruchy. Zwykle zawarto?? wodoru w stopach tytanu jest kontrolowana poni?ej 0,015%. Rozpuszczanie wodoru w tytanie jest odwracalne.

Klasyfikacja

Tytan jest izomerem o temperaturze topnienia 1720 (a) C i g?stej heksagonalnej strukturze kratowej w temperaturach poni?ej 882 (a), która nazywa si? alfa tytanem, oraz strukturze sieci przestrzennej o strukturze sze?ciennej w temperaturze powy?ej 882 (a) C , który nazywa si? beta tytanem. Stopy tytanu o ró?nych mikrostrukturach mo?na uzyska? przez dodanie odpowiednich pierwiastków stopowych w celu stopniowej zmiany temperatury przemiany fazowej i zawarto?ci faz. Stopy tytanu maj? trzy rodzaje struktur matrycowych w temperaturze pokojowej. Stopy tytanu mo?na równie? podzieli? na trzy kategorie: stopy alfa, stopy (alfa + beta) i stopy beta. Chiny reprezentowane s? odpowiednio przez TA, TC i TB.

Alpha stop tytanu

Jest to stop jednofazowy sk?adaj?cy si? ze sta?ego roztworu fazy alfa. Jest to faza alfa zarówno w temperaturze ogólnej, jak i wy?szej praktycznej temperaturze aplikacji. Ma stabiln? struktur?, wy?sz? odporno?? na zu?ycie i siln? odporno?? na utlenianie ni? czysty tytan. Jego wytrzyma?o?? i odporno?? na pe?zanie s? utrzymywane w temperaturach 500 600 C, ale nie mo?na go wzmocni? przez obróbk? ciepln?, a jego wytrzyma?o?? w temperaturze pokojowej nie jest wysoka.

Beta stop tytanu

Jest to stop jednofazowy z?o?ony ze sta?ego roztworu fazy beta. Ma wysok? wytrzyma?o?? bez obróbki cieplnej. Po hartowaniu i starzeniu stop jest dalej wzmacniany, a jego wytrzyma?o?? w temperaturze pokojowej mo?e osi?gn?? 1372-1666 MPa. Jednak jego stabilno?? termiczna jest s?aba i nie nadaje si? do stosowania w wysokiej temperaturze.

Stop tytanu Alpha + beta

Jest to stop dwufazowy o dobrych wszechstronnych w?a?ciwo?ciach, dobrej stabilno?ci strukturalnej, dobrej udarno?ci, plastyczno?ci i w?a?ciwo?ciach odkszta?cania w wysokiej temperaturze. Mo?na go przetwarza? pod wysokim ci?nieniem i wzmocni? przez hartowanie i starzenie. Po obróbce cieplnej wytrzyma?o?? wzrasta o 50%-100% w porównaniu ze stanem wy?arzania, a wytrzyma?o?? w wysokiej temperaturze mo?e dzia?a? przez d?ugi czas w temperaturze 400 500, a jego stabilno?? termiczna jest gorsza ni? w przypadku stopu alfa tytanu.

Spo?ród trzech rodzajów stopów tytanu najcz??ciej stosuje si? stop alfa-tytanowy i alfa + beta-tytan; Stop alfa-tytanowy ma najlepsz? obrabialno??, a nast?pnie alfa + beta-tytan i stop beta-tytan. Kod alfa stopu tytanu TA, kod beta stopu tytanu TB, kod alfa + beta stopu tytanu TC.

Zastosowanie stopu tytanu

Stopy tytanu mo?na podzieli? na stopy ?aroodporne, stopy o wysokiej wytrzyma?o?ci, stopy odporne na korozj? (stopy Ti-Mo, Ti-Pd itp.), Stopy niskotemperaturowe i specjalne stopy funkcjonalne (materia?y do przechowywania wodoru Ti-Fe i pami?? Ti-Ni stopy). Sk?ad i w?a?ciwo?ci typowych stopów pokazano w tabeli.

Ró?ny sk?ad fazowy i struktur? mo?na uzyska? przez dostosowanie procesu obróbki cieplnej. Powszechnie uwa?a si?, ?e drobno równoosiowa struktura ma lepsz? plastyczno??, stabilno?? termiczn? i wytrzyma?o?? zm?czeniow?; struktura igie?kowa ma wy?sz? wytrzyma?o?? wytrzyma?o?ciow?, wytrzyma?o?? na pe?zanie i odporno?? na p?kanie; struktura mieszana z wierzcho?kami i igie?kami ma lepsze kompleksowe w?a?ciwo?ci.

Stopy tytanu maj? wysok? wytrzyma?o??, nisk? g?sto??, dobre w?a?ciwo?ci mechaniczne, dobr? wytrzyma?o?? i odporno?? na korozj?. Ponadto stop tytanu ma s?ab? wydajno?? technologiczn? i trudne ci?cie. Podczas obróbki na gor?co ?atwo jest wch?on?? zanieczyszczenia, takie jak wodór, tlen, azot i w?giel. S?aba jest równie? odporno?? na zu?ycie i z?o?ony proces produkcji. Uprzemys?owiona produkcja tytanu rozpocz??a si? w 1948 roku. Wraz z rozwojem przemys?u lotniczego, przemys? tytanu ro?nie ?rednio w tempie 8% rocznie. Obecnie roczna produkcja materia?ów do przetwarzania stopów tytanu na ?wiecie osi?gn??a ponad 40 000 ton, a istnieje prawie 30 rodzajów gatunków stopów tytanu. Najcz??ciej stosowanymi stopami tytanu s? Ti-6Al-4V (TC4), Ti-5Al-2.5Sn (TA7) i przemys?owy czysty tytan (TA1, TA 2 i TA3).

Stop tytanu jest wykorzystywany g?ównie do produkcji cz??ci do spr??arek silników lotniczych, a nast?pnie do rakiet, rakiet i szybkich samolotów. W po?owie lat 60. tytan i jego stopy by?y wykorzystywane w przemy?le do produkcji elektrod w przemy?le elektrolizy, skraplaczy w elektrowniach, grzejników do rafinacji ropy naftowej i odsalania wody morskiej oraz urz?dzeń kontroluj?cych zanieczyszczenie ?rodowiska. Tytan i jego stopy sta?y si? rodzajem odpornego na korozj? materia?u konstrukcyjnego. Ponadto jest równie? wykorzystywany do produkcji materia?ów do przechowywania wodoru i stopów z pami?ci? kszta?tu.

Tytan i stopy tytanu badano w 1956 r. W Chinach, aw po?owie lat 60. opracowano uprzemys?owion? produkcj? materia?ów tytanowych i stopów TB2.

Stop tytanu jest nowym wa?nym materia?em konstrukcyjnym stosowanym w przemy?le lotniczym. Jego ci??ar w?a?ciwy, wytrzyma?o?? i temperatura pracy mieszcz? si? w przedziale pomi?dzy aluminium i stal?, ale ma wysok? wytrzyma?o?? w?a?ciw? i doskona?? odporno?? na korozj? w wodzie morskiej oraz dzia?anie w ultraniskich temperaturach. W 1950 roku USA po raz pierwszy u?y?y my?liwca-bombowca F-84 jako elementów nieno?nych, takich jak tylna p?yta termoizolacyjna kad?uba, maska kieruj?ca powietrzem i maska ogonowa. Od lat 60. XX wieku zastosowanie stopów tytanu przesun??o si? z tylnego kad?uba na ?rodkowy, cz??ciowo zast?puj?c stal konstrukcyjn? do produkcji wa?nych elementów no?nych, takich jak ?cianki dzia?owe, belki, klapy i prowadnice. Ilo?? stopu tytanu stosowanego w samolotach wojskowych gwa?townie wzrasta, osi?gaj?c 20%-25% masy konstrukcji samolotu. Stopy tytanu s? szeroko stosowane w samolotach cywilnych od lat 70. XX wieku. Na przyk?ad ilo?? tytanu u?ytego w samolotach pasa?erskich Boeing 747 to ponad 3640 kg. Tytan w samolotach o liczbie Macha poni?ej 2,5 jest u?ywany g?ównie do zast?pienia stali w celu zmniejszenia masy konstrukcyjnej. Na przyk?ad amerykański szybki samolot rozpoznawczy SR-71 na du?ych wysoko?ciach (lataj?cy numer Macha 3, wysoko?? lotu 26 212 metrów), tytan stanowi? 93% masy konstrukcyjnej samolotu, znanego jako ?samolot ca?kowicie tytanowy”. Gdy stosunek ci?gu do masy silnika lotniczego wzrasta z 4 do 6 do 8 do 10, a temperatura na wylocie spr??arki wzrasta z 200 do 300 stopni C do 500 do 600 stopni C, oryginalna tarcza i ?opatka spr??arki niskoci?nieniowej s? wykonane z aluminium musi zosta? zast?pione stopem tytanu lub tarcza i ostrze spr??arki wysokoci?nieniowej wykonane ze stopu tytanu zamiast stali nierdzewnej, w celu zmniejszenia masy konstrukcyjnej. W latach siedemdziesi?tych ilo?? stopu tytanu stosowanego w silnikach lotniczych generalnie stanowi?a 20%-30% ca?kowitej masy konstrukcji. Stosowano go g?ównie do produkcji elementów spr??arek, takich jak kute wentylatory tytanowe, tarcze i ?opatki spr??arki, obudowa spr??arki z odlewanego tytanu, obudowa po?rednia, obudowa ?o?yska itp. Statek kosmiczny wykorzystuje g?ównie wysok? wytrzyma?o?? w?a?ciw?, odporno?? na korozj? i nisk? temperatur? stopu tytanu do produkcji ró?nych zbiorników ci?nieniowych, zbiorników paliwa, elementów z??cznych, pasków przyrz?dów, ram i pocisków rakietowych. Spawane p?yty ze stopu tytanu s? równie? stosowane w sztucznych satelitach Ziemi, modu?ach ksi??ycowych, za?ogowych statkach kosmicznych i promach kosmicznych.