Титан — что это такое?

Титан: определение, характеристики, сорта и применение

Титан — серебристо-белый металл, ценящийся за высокую прочность, малый вес и коррозионную стойкость.

Его уникальные и желательные свойства привели к его использованию во многих отраслях промышленности и применениях, прежде всего в аэрокосмической, автомобильной, медицинской и химической промышленности.

Существует несколько марок и сплавов титана, и каждый тип сплава обладает уникальными свойствами, которые делают его пригодным для конкретных применений.

В этой статье дается определение титана и описываются его характеристики, обсуждаются его различные сорта и сплавы, а также объясняются области применения титана.

Что такое титан?

Титан — серебристо-белый металл с атомным номером 22. Это легкий, пластичный, прочный, устойчивый к коррозии и биосовместимый металл с высоким соотношением прочности и веса.

Титан является 9-м наиболее распространенным элементом на Земле. Обычно встречается в камнях, глине и песке. Рутил и ильменит являются двумя основными коммерческими минералами, из которых извлекают и очищают титан.

Титан подразделяется на альфа-сплавы, бета-сплавы и альфа-бета-сплавы. Альфа-сплавы титана легированы только кислородом, часто легированы другими металлами, такими как алюминий, молибден и ванадий.

Добавление этих металлов помогает получить желаемые свойства, такие как повышенная прочность, коррозионная стойкость и уменьшенный вес.

Общие области применения титана и его сплавов включают: коммерческое и аэрокосмическое применение, конденсаторы на электростанциях.

История происхождение титана

Титан был открыт в 1791 году Уильямом Грегором, английским химиком и минералогом, и назван немецким химиком Мартином Генрихом в 1795 году.

Клапрот назвал этот элемент титаном в честь титанов из греческой мифологии. Однако только в 1910 году был получен чистый титан. М. А.

Хантер, ученый, работающий в Политехническом институте Ренсселера, выделил металл путем нагревания тетрахлорида титана (TiCl4) с натрием при высоком давлении и температуре (1292–1472 °F), в результате чего в качестве побочного продукта образовался чистый титан и хлорид натрия.

Затем, в 1932 году, Уильям Джастин Кролл выделил титан путем восстановления TiCl4 фракционной перегонкой с кальцием, а затем с магнием и натрием. Сегодня «процесс Кролла» часто используется для коммерческого производства титана.

Титан иногда называют «чудо-металлом» или «аэрокосмическим металлом» из-за его многочисленных желательных свойств для аэрокосмических применений. Низкая плотность, пластичность, прочность на растяжение и коррозионная стойкость титана влияют на появление разных названий.

Из чего состоит титан?

Титан не встречается в чистом виде в природе из-за его склонности реагировать с кислородом. Вместо этого титан содержится практически во всех горных породах, глине, песке и минералах на Земле в виде диоксида титана.

Рутил и ильменит являются двумя основными минералами, используемыми для коммерческого производства титана.

Анатаз, перовскит, брукит и титанит также содержат титан. Каждый из описанных выше минералов может быть очищен для получения чистого титана.

Как производят титан?

Процесс Кролла является наиболее распространенным методом, используемым для производства чистого титана.

Процесс начинается с нагревания таких руд, как рутил или ильменит, для получения жидкого тетрахлорида титана (TiCl4).

Затем жидкий TiCl4 очищается фракционной перегонкой (аналогично процессу фракционной перегонки, используемому для производства бензина из сырой нефти).

После перегонки к жидкому TiCl4 добавляют расплавленный магний, в результате чего получается пористая титановая «губка» и соль на основе магния.

Затем титановая губка прессуется и плавится в дуговой печи. Наконец, чистый титан отливается в слитки. Сплавы могут быть получены путем смешивания расплава чистого титана с другими металлами перед отливкой в ​​слитки.

Ключевые особенности титана

Свойства и особенности титана различаются в зависимости от марки и конкретного сплава. Однако некоторые общие характеристики титана приведены в списке ниже:

  1. Стойкость к коррозии: титан обладает высокой устойчивостью к коррозии морской воды, хлора и многих других коррозионно-активных веществ, что делает его полезным в морской и химической промышленности.
  2. Легкий: титан имеет низкую плотность по сравнению со многими другими металлами. Он идеально подходит для использования в легких конструкциях и компонентах в аэрокосмической и автомобильной промышленности.
  3. Высокая прочность: прочность титана соперничает со сталью. Однако титановая конструкция эквивалентной прочности весит примерно на 45% меньше, чем соответствующая стальная конструкция, из-за меньшей плотности титана. Благодаря своей высокой прочности и высокому соотношению прочности к весу титан часто используется в аэрокосмической, автомобильной, медицинской и морской промышленности.
  4. Биосовместимость: титан считается наиболее биосовместимым металлом из-за его инертности, устойчивости к коррозии биологическими жидкостями, способности интегрироваться в кость (остеоинтеграция) и высокого предела циклической усталости. Это делает титан полезным в костных, суставных и зубных имплантатах.
  5. Термостойкость: титан имеет низкую теплопроводность. Это делает титан идеальным для высокотемпературных применений в механической обработке, космических кораблях, реактивных двигателях, ракетах и ​​автомобилях.
  6. Немагнитный: титан немагнитен, но становится парамагнитным в присутствии магнитного поля.
  7. Ковкий: Титан — пластичный металл, пластичность которого улучшается при повышении температуры. Кроме того, сплав титана с другими пластичными металлами, такими как алюминий, значительно повышает его пластичность.
  8. Низкое тепловое расширение: титан имеет низкий коэффициент теплового расширения. При экстремальных температурах титан не будет расширяться или сжиматься так сильно, как другие материалы, такие как сталь. Его низкие свойства теплового расширения делают титан идеальным для конструкционных применений, которые испытывают высокие температуры, например, в аэрокосмической и космической промышленности или больших зданиях и небоскребах в случае пожара.
  9. Отличная устойчивость к усталости: титан обладает отличной устойчивостью к усталости. Это делает титан идеальным для аэрокосмических применений, где конструктивные части самолетов, такие как шасси, гидравлические системы и выхлопные трубы, подвергаются циклическим нагрузкам.

Как выглядит титан?

Титан имеет серебристо-серый или серебристо-белый цвет. Тем не менее, титан может достичь полного цветового спектра, если его анодировать определенным образом. Контролируя напряжение в процессе анодирования, можно добиться различных цветов титана.

Титан обычно встречается в магматических и осадочных породах и минералах. Ильменит (оксид титана-железа) и рутил — это два минерала, из которых обычно извлекают титан.

Ильменит представляет собой серовато-черную породу, а рутил представляет собой породу от темно-коричневого до черного цвета с кристаллоподобным внешним видом.

Общие марки и классы титана

Существует несколько различных марок и сплавов титана. В приведенном ниже списке более подробно описаны некоторые распространенные марки титана:

1. 11 класс

Марка 11, также известная как CP Ti-0,15Pd, представляет собой коммерчески чистый титан, аналогичный маркам 1 и 2. Марка 11 обеспечивает повышенную стойкость к щелевой коррозии благодаря добавлению палладия.

Она также обладает высокой пластичностью, ударной вязкостью и свариваемостью. Марка 11 обычно используется в химической обработке и хранении, воздуховодах, насосах и теплообменниках.

2. Марка 12 или Ti 0,3-Mo 0,8-Ni

Титан марки 12, также известный как Ti 0,3 Mo 0,8 Ni, представляет собой прочный, устойчивый к коррозии и термически стабильный титановый сплав, который ценится за его свариваемость и формуемость.

Титановый сплав марки 12 содержит до 99 % титана, 0,6-0,9 % никеля, 0,2-0,4 % молибдена, до 0,3 % железа, до 0,25 % кислорода и другие элементы.

Из-за своей долговечности и устойчивости к коррозии марка 12 обычно используется в судовых компонентах, таких как корабли или морские буровые платформы, в химическом производстве и в теплообменниках.

3. 4 класс

Титан Grade 4 является самым прочным технически чистым титаном. Прочность титана класса 4 соперничает с прочностью нержавеющей и низкоуглеродистой стали, что делает этот материал более легкой альтернативой.

Из-за своей прочности и коррозионной стойкости класс 4 обычно используется в аэрокосмической, химической и морской промышленности, таких как конструкции летательных аппаратов и теплообменники.

4. Марка 5 или Ti 6Al-4V

Марка 5 — наиболее часто используемый титановый сплав. На его долю приходится около половины всего титана, используемого в мире.

Такой титан обладает исключительно высокой прочностью, термостойкостью, способностью к термообработке, формуемостью и коррозионной стойкостью.

Марка 5 также известна как Ti 6Al-4V из-за процентного содержания алюминия и ванадия в сплаве. Титан класса 5 содержит 88-90% титана, 5,5-6,75% алюминия, 3,5-4,5% ванадия и следовые количества других элементов, включая железо, кислород, углерод и водород.

Благодаря своим свойствам титан Grade 5 пользуется большим спросом в аэрокосмической промышленности для изготовления двигателей и конструкционных компонентов.

Кроме того, Ti 6Al-4V часто используется в автомобильных деталях, таких как пружины и выхлопные трубы, а также в медицинских приложениях, таких как суставные имплантаты.

5. 7 класс

Марка 7 — это титановый сплав, который почти идентичен титану марки 2. Единственная разница между Grade 7 и Grade 2 заключается в добавлении палладия в сплавы Grade 7.

В состав титана Grade 7 входит 99 % титана, 0,12-0,25 % палладия, 0,3 % железа, 0,25 % кислорода и других элементов.

Марка 7 обладает самой высокой коррозионной стойкостью среди всех титановых сплавов и демонстрирует превосходную свариваемость и формуемость.

Из-за его превосходных коррозионно-стойких свойств титан Grade 7 часто используется в химическом производстве и для опреснения воды.

6. 1 класс

Марка 1 — это самая мягкая и пластичная марка чистого титана. Таким образом, титан Grade 1 обладает лучшей формуемостью из различных типов титана.

Титан класса 1 состоит из 99% титана, 0,2% железа, 0,18% кислорода и следовых количеств других элементов, таких как азот, углерод и водород.

Он часто используется в гальванике, трубопроводах, трубах и других областях, где формуемость и свариваемость имеют решающее значение, например, в аэрокосмической, автомобильной и энергетической отраслях.

7. 3 класс

Марка 3 является наименее часто используемой маркой чистого титана. Титан класса 3 прочнее титана класса 1 и класса 2, но также имеет немного меньшую пластичность и формуемость.

Класс 3 обычно используется в криогенных сосудах, трубках конденсаторов, теплообменниках и другом оборудовании для химической обработки.

8. Марка 6 или Ti 5Al-2,5Sn

Титан класса 6 представляет собой титановый сплав, содержащий примерно 5% алюминия, 2,5% олова и 0,5% железа. Добавление алюминия и олова улучшает сопротивление ползучести и температурную стабильность титана.

Марка 6 предпочтительна для более высоких рабочих температур около 900 ° F, где она часто используется для корпусов и колец в газотурбинных двигателях, элементов конструкции и рам в самолетах, а также деталей для химической обработки.

9. 2 класс

Марка 2 — это еще один коммерчески чистый титан, наиболее часто используемый коммерчески чистый сорт.

Как и другие коммерчески чистые сорта титана, он содержит 99% титана, но отличается от других чистых сортов тем, что содержит 0,3% железа, 0,25% кислорода и следовые количества других элементов.

Более высокий процент кислорода позволяет титану класса 2 быть прочнее, чем класс 1. Кроме того, его пластичность и свариваемость делают сплав класса 2 очень универсальным.

Титан класса 2 часто более доступен, чем другие сорта титана, потому что он производится в больших объемах для широкого применения.

Титан марки 2 часто используется в энергетике и нефтяной промышленности в качестве футеровочного материала из-за его коррозионной стойкости.

10. Марка 23 или Ti 6AL-4V ELI

Титан марки 23, также известный как Ti 6Al-4V ELI из-за своего химического состава, обладает высокой прочностью на растяжение и пределом текучести, ударной вязкостью, пластичностью и свариваемостью.

Он имеет состав 88-90% титана, 5,5-6,5% алюминия, 3,5-4,5% ванадия, 0,25% железа, 0,13% кислорода и других элементов.

Класс 23 считается более чистой версией титана класса 5 и часто является лучшим выбором для применения в стоматологии и медицине.

Поэтому титан 23 часто используется для замены костей и суставов, хирургических скоб, лигатурных зажимов, зубных имплантатов и т. д.

Какая марка титана лучше?

Титан марки 5 (Ti 6Al-4V) является наиболее универсальной маркой титана благодаря широкому спектру желаемых свойств.

Он обладает высокой прочностью и пластичностью, а также устойчив к коррозии, термически стабилен и легко формуется.

Благодаря своим свойствам титан марки 5 идеально подходит для широкого круга отраслей и областей применения: от автомобильных и аэрокосмических деталей до спортивных товаров и потребительских товаров.

Какой класс титана используется для 3D-печати?

Титан класса 5 (Ti 6Al-4V) используется для 3D-печати. Марка 5 лучше всего подходит для 3D-печати из-за ее высокой прочности, отличной формуемости и термической стабильности.

Для 3D-печати титана используются методы 3D-печати методом порошкового сплавления, такие как селективное лазерное плавление, электронно-лучевое плавление и прямое лазерное спекание металла.

Эти процессы состоят в избирательном плавлении титанового порошка, который точно укладывается на печатную платформу.

Мощный лазерный или электронный луч расплавляет порошок титана и сплавляет его с предыдущими слоями печатного материала для создания готовых деталей.

Какая самая дешевая марка титана?

Титан класса 2 является самым дешевым сортом титана, поскольку он является наиболее широко используемым коммерчески чистым сортом титана. Его широкое использование приводит к большим объемам производства, что снижает его цену.

Какая марка титана используется для анодирования?

Титан марок 2 и 3 подходит для анодирования. Анодирование — это электрохимический процесс, при котором на поверхности материала создается защитный оксидный слой.

Свойства титана

Свойства титана перечислены ниже:

  1. Удельное электрическое сопротивление: удельное электрическое сопротивление титана колеблется от 51 мкОм/см (Ti-0,8Ni-0,3Mo) до 198 мкОм/см (Ti-8Al-1Mo-1V).
  2. Теплопроводность: теплопроводность титана колеблется от 6 Вт/м*К (Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo) до 22,7 Вт/м*К (Ti-0,8Ni-0,3Mo).

Физические свойства титана

Некоторые из физических свойств титана перечислены ниже:

  1. Плотность: плотность титана составляет 4,506 г/см3.
  2. Прочность: Прочность титана зависит от марки титана и концентрации легирующих элементов. Прочность титана колеблется от 240 МПа (ч. ч. 1) до 1241 МПа (сплав Ti-10V-2Fe-3Al).
  3. Цвет: Титан имеет блестящий серебристо-белый цвет.
  4. Пластичность: пластичность титана варьируется от 6% относительного удлинения (Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo) до 25% (коммерчески чистый класс 1).
  5. Долговечность: Титан очень прочен и имеет длительный ожидаемый срок службы благодаря высокому пределу текучести, твердости и отличной усталостной прочности.

Химические свойства титана

Некоторые из химических свойств титана перечислены ниже:

  1. Потенциал окисления: титан обладает потенциалом окисления из-за своей электронной конфигурации и его классификации как переходного металла. Из-за своего высокого окислительного потенциала титан не встречается в чистом виде в природе, а вместо этого встречается в виде оксидов в горных породах и минералах.
  2. Способность образовывать сплавы: титан может легко образовывать сплавы с другими металлами и элементами из-за своего атомного размера и его классификации как переходного металла. Существует множество различных титановых сплавов.
  3. Реакционная способность: Титан реагирует с кислотами и галогенами при высоких температурах и совершенно не реагирует с основаниями.
  4. Коррозионная стойкость: Титан естественно устойчив к коррозии из-за его склонности вступать в реакцию с кислородом и азотом. Образование оксидов на поверхности титана защищает нижележащий материал от коррозионно-активных веществ.

Применения титана

Благодаря своим свойствам титан широко используется в самых разных отраслях и областях. Некоторые области применения титана перечислены ниже:

1. Ювелирные изделия

Титан обычно используется в ювелирных изделиях для изготовления пирсинга, наручных часов, ожерелий, колец и других изделий из-за его прочности, легкого веса и коррозионной стойкости.

Кроме того, титан иногда смешивают с золотом для получения сплавов из 24-каратного золота, которые более твердые и долговечные, чем альтернативы из чистого золота.

Из-за своей биосовместимости титан популярен среди людей, страдающих аллергией на другие металлы, часто встречающиеся в ювелирных изделиях, такие как никель.

2. Медицинские изделия

Титан является очень важным металлом в медицинской промышленности из-за его высокой прочности, сопротивления усталости и биосовместимости.

Титан часто используется в хирургических и стоматологических инструментах, имплантатах и ​​заменителях суставов.

Остеоинтеграция, способность кости и искусственного имплантата образовывать структурно-функциональную связь, возможна с титаном.

Биосовместимость и нетоксичность титана обеспечивают лучшие результаты лечения пациентов, а также долговечные и прочные имплантаты и протезы, которые могут служить до 30 лет.

3. Промышленность

Титан широко используется в широком диапазоне промышленных сред из-за его высокой прочности и сопротивления усталости, коррозионной стойкости, легкого веса и долговечности.

Использование титана в промышленных условиях включает теплообменники, резервуары, реакторы, клапаны, трубы, шатуны, насосы и многое другое.

4. Аэрокосмическая промышленность

Титан — отличный выбор для производства аэрокосмических деталей и транспортных средств, и на его долю приходится почти 50% общего веса самолета.

Он часто используется для изготовления критически важных деталей, таких как шасси, брандмауэры и гидравлические системы.

Титан ценится в аэрокосмической промышленности из-за его низкой плотности, высокого отношения прочности к весу, коррозионной стойкости и сопротивления усталости.

5. Архитектура

Титан идеально подходит для архитектурных изделий из-за его легкого веса, высокой прочности, коррозионной стойкости и долговечности.

В то время как сталь по-прежнему предпочтительнее титана, когда речь идет о каркасах зданий, титан часто используется для стеклянных рам, фасадов, крыш, внутренних поверхностей стен и потолков из-за его коррозионной стойкости и высокого отношения прочности к весу.

6. Композиты

Композиты на основе титана представляют собой недавно разработанные материалы, в которых используются прочностные и весовые характеристики титана для производства композитов, армированных титановым волокном или частицами (порошком).

Композиты из титана обладают более высокой жесткостью, износостойкостью и прочностью, чем обычные сплавы. Хотя титановые композиты были разработаны только в начале 21 века, они начинают применяться в аэрокосмической и автомобильной промышленности.

7. Автомобильная промышленность

Титан часто используется в автомобильной промышленности для изготовления деталей двигателей, коленчатых валов, седел клапанов, шатунов, выхлопных систем, систем подвески и автомобильных рам.

Титан пользуется большим спросом в автомобильной промышленности из-за его низкой плотности, высокого отношения прочности к весу, коррозионной стойкости и термостойкости.

Эти характеристики титана не только обеспечивают улучшенную аэродинамику и характеристики, но его низкая плотность и высокая прочность также приводят к более экономичному производственному процессу, поскольку для удовлетворения конкретных задач используется меньше материала.

8. Химическая обработка

Титан часто используется в химической промышленности из-за его коррозионной стойкости и химической инертности.

Хотя реакционная способность титана значительно увеличивается при более высоких температурах (> 700 ° F), титан обычно нереакционноспособен и стабилен при более низких температурах. Титан часто используется в трубах, фланцах, трубопроводах, резервуарах, насосах и теплообменниках.

Преимущества титана

Некоторые из преимуществ титана перечислены ниже:

  1. Высокая прочность: титан обладает превосходной прочностью и является одним из самых прочных металлов в периодической таблице. Он имеет чрезвычайно высокое отношение прочности к весу, даже больше, чем алюминий. Его прочность и малый вес делают титан популярным вариантом во многих отраслях и областях применения.
  2. Коррозионная стойкость: Титан естественно устойчив к коррозии из-за его готовности вступать в реакцию с кислородом. Оксид титана образуется на поверхности детали при контакте с воздухом. Этот слой оксида титана защищает остальную часть материала от агрессивных веществ и окружающей среды. Его коррозионная стойкость делает титан идеальным для использования в строительстве и на судах.
  3. Биосовместимость: титан нетоксичен и биосовместим как с людьми, так и с животными. Следовательно, титан часто используется в медицинской и стоматологической промышленности, где он используется для имплантатов, хирургических и стоматологических инструментов.
  4. Высокая температура плавления: температура плавления титана составляет около 3034 ° F. Это делает титан идеальным для высокотемпературных применений, таких как реактивные двигатели, ракеты, электростанции и литейные цеха.
  5. Универсальные методы изготовления: хотя титан является исключительно прочным металлом, он мягкий и пластичный. Это позволяет изготавливать детали из титана с помощью широкого спектра производственных процессов, включая механическую обработку, формование, прокатку, литье и сварку.

Недостатки титана?

Некоторые из недостатков титана перечислены ниже.

  1. Реагирует при высоких температурах: титан, как правило, нереакционноспособен и инертен из-за своего защитного оксидного слоя. Однако титан вступает в реакцию при высоких температурах (> 700 ° F). Это делает производство чистого и легированного титана утомительным и строго контролируемым. Производство титана должно осуществляться в тщательно контролируемой бескислородной среде.
  2. Дорого: переработка необработанных пород и минералов для получения чистого титана дорога и сложна. Это связано с реакционной способностью титана при высоких температурах и широтой процессов в рамках процесса Кролла, необходимых для выделения титана.
  3. Трудность обработки: титан может быть трудно обработан из-за его низкой теплопроводности. Тепло, выделяющееся во время обработки, накапливается в инструменте, а не в заготовке. Это может привести к снижению стойкости инструмента и качества обработки.
  4. Низкое сопротивление неустойчивой ползучести: Титан имеет низкое сопротивление ползучести при высоких температурах выше 570 °F. Ползучесть — это медленная деформация материала под действием постоянно приложенных нагрузок, которая более распространена в условиях высоких температур.

Часто задаваемые вопросы о титане:

Является ли титан устойчивым к ржавчине?

Да, титан устойчив к ржавчине. Ржавчина — это оксид железа. Он образуется при взаимодействии железа с воздухом. Титан не содержит железа, поэтому не ржавеет.

Если титан не подвергается воздействию кислот при высоких температурах, он не подвергается коррозии, поскольку при взаимодействии с воздухом на поверхности титана образуется плотно прилегающий слой оксида титана.

Слой оксида титана защищает нижележащий титан от коррозии, вызванной кислотами, щелочами, соленой водой и другими веществами.

Магнитен ли титан?

Да, титан считается парамагнитным металлом. Это означает, что титан притягивается внешними магнитными полями, но не в такой степени, как ферромагнитные материалы, такие как железо, сталь и никель.

Является ли титан металлом?

Да, титан — это металл. Как и другие металлы, он имеет блестящий вид, является хорошим электрическим и тепловым проводником и пластичен.

Является ли титан пуленепробиваемым?

Да, титан пуленепробиваем, когда речь идет о пистолетах и ​​охотничьих ружьях. Однако титан не является пуленепробиваемым, когда речь идет о мощном бронебойном оружии.

В чем разница между титаном и алюминием?

Титан и алюминий — это два металла в периодической таблице, которые обычно сплавляют и используют в самых разных отраслях. Основные различия в различных свойствах и стоимости между двумя металлами показаны в таблице 1 ниже:

Таблица 1: Сравнение титана и алюминия
Атрибут Титан Алюминий
Плотность
Тяжелее (4500 кг/м3)
Легче (2712 кг/м3)
Предел текучести
Нижний (от 170 до 480 МПа)
Высшее (200-600 МПа)
Предел прочности
Высшее (230-1400 МПа)
Нижний (170-1100 МПа)
твердость
Выше
Ниже
Теплопроводность
Нижний (17,0 Вт/мК)
Высшее (210 Вт/мК)
Температура плавления
Выше (3000–3040 °F)
Нижний (1220,7 ° F)
Расходы
Выше
Ниже

В этой статье был представлен титан, объяснено, что это такое, и обсуждены его различные применения.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

двадцать − 17 =

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: