Podstawowa wiedza na temat tytanu

Tytan jest ważnym metalem konstrukcyjnym opracowanym w latach 50. XX wieku. Stopy tytanu są szeroko stosowane w różnych dziedzinach ze względu na ich wysoką wytrzymałość właściwą, dobrą odporność na korozję i wysoką odporność na ciepło. Wiele krajów na świecie uznało znaczenie materiałów ze stopu tytanu i sukcesywnie je badało, rozwijało i uzyskało praktyczne zastosowanie. Tytan jest czwartym elementem B w układzie okresowym pierwiastków. Wygląda jak stal i ma temperaturę topnienia 1 672 C. Jest to metal ogniotrwały. Tytan występuje w skorupie obficie, znacznie wyżej niż zwykłe metale, takie jak Cu, Zn, Sn i Pb. Zasoby tytanu w Chinach są niezwykle obfite. Tylko w superdużym magnetycie wanadowo-tytanowym odkrytym w rejonie Panzhihua w prowincji Syczuan powiązane rezerwy tytanu wynoszą około 420 milionów ton, co jest bliskie całkowitej potwierdzonej rezerwy tytanu za granicą. Stopy tytanu można podzielić na stopy żaroodporne, stopy o wysokiej wytrzymałości, stopy odporne na korozję (stopy Ti-Mo, Ti-Pd itp.), Stopy niskotemperaturowe i specjalne stopy funkcjonalne (materiały do przechowywania wodoru Ti-Fe i pamięć 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 kryształów: tytan alfa o gęstej strukturze heksagonalnej poniżej 882 ° C i tytan beta o strukturze kubicznej skoncentrowanej na ciele powyżej 882 C. Elementy stopowe można podzielić na trzy kategorie zgodnie z ich wpływem na temperaturę przemiany fazowej: 1. Elementy stabilizujące fazę alfa i podwyższające temperaturę przemiany fazowej są pierwiastkami stabilnymi alfa, w tym glinem, węglem, tlenem i azotem. Spośród nich aluminium jest głównym elementem stopowym stopu tytanu. Ma oczywisty wpływ na poprawę wytrzymałości w temperaturze pokojowej i wysokiej temperaturze, zmniejszenie ciężaru właściwego i zwiększenie modułu sprężystości stopu. (2) Stabilna faza beta i malejąca temperatura przemiany fazowej są elementami beta stabilnymi, które można podzielić na dwa typy: izomorficzny i eutektoidalny. Pierwszy obejmuje molibden, niob i wanad, a drugi zawiera chrom, mangan, miedź, żelazo i krzem. (3) Pierwiastki neutralne, takie jak cyrkon i cyna, mają niewielki wpływ na temperaturę przejścia fazowego.

Tlen, azot, węgiel i wodór są głównymi zanieczyszczeniami stopów tytanu. Tlen i azot mają wyższą rozpuszczalność w fazie alfa, co ma znaczący wpływ wzmacniający na stop tytanu, ale zmniejsza jego plastyczność. Zazwyczaj zakłada się, że zawartość tlenu i azotu w tytanie wynosi odpowiednio poniżej 0,15-0,2% i 0,04-0,05%. Rozpuszczalność wodoru w fazie alfa jest bardzo mała. Nadmiar wodoru rozpuszczony w stopie tytanu spowoduje wytwarzanie wodorku, co powoduje, że stop jest kruchy. Zwykle zawartość wodoru w stopach tytanu jest kontrolowana poniżej 0,015%. Rozpuszczanie wodoru w tytanie jest odwracalne.

Struktura i klasyfikacja stopów tytanu 2

Klasyfikacja

Tytan jest izomerem o temperaturze topnienia 1720 (a) C i gęstej heksagonalnej strukturze kratowej w temperaturach poniżej 882 (a), która nazywa się alfa tytanem, oraz strukturze sieci przestrzennej o strukturze sześciennej w temperaturze powyżej 882 (a) C , który nazywa się beta tytanem. Stopy tytanu o różnych mikrostrukturach można uzyskać przez dodanie odpowiednich pierwiastków stopowych w celu stopniowej zmiany temperatury przemiany fazowej i zawartości faz. Stopy tytanu mają trzy rodzaje struktur matrycowych w temperaturze pokojowej. Stopy tytanu można również podzielić na trzy kategorie: stopy alfa, stopy (alfa + beta) i stopy beta. Chiny reprezentowane są odpowiednio przez TA, TC i TB.

Alpha stop tytanu

Jest to stop jednofazowy składający się ze stałego roztworu fazy alfa. Jest to faza alfa zarówno w temperaturze ogólnej, jak i wyższej praktycznej temperaturze aplikacji. Ma stabilną strukturę, wyższą odporność na zużycie i silną odporność na utlenianie niż czysty tytan. Jego wytrzymałość i odporność na pełzanie są utrzymywane w temperaturach 500 600 C, ale nie można go wzmocnić przez obróbkę cieplną, a jego wytrzymałość w temperaturze pokojowej nie jest wysoka.

Beta stop tytanu

Jest to stop jednofazowy złożony ze stałego roztworu fazy beta. Ma wysoką wytrzymałość bez obróbki cieplnej. Po hartowaniu i starzeniu stop jest dalej wzmacniany, a jego wytrzymałość w temperaturze pokojowej może osiągnąć 1372-1666 MPa. Jednak jego stabilność termiczna jest słaba i nie nadaje się do stosowania w wysokiej temperaturze.

Stop tytanu Alpha + beta

Jest to stop dwufazowy o dobrych wszechstronnych właściwościach, dobrej stabilności strukturalnej, dobrej udarności, plastyczności i właściwościach odkształcania w wysokiej temperaturze. Można go przetwarzać pod wysokim ciśnieniem i wzmocnić przez hartowanie i starzenie. Po obróbce cieplnej wytrzymałość wzrasta o 50%-100% w porównaniu ze stanem wyżarzania, a wytrzymałość w wysokiej temperaturze może działać przez długi czas w temperaturze 400 500, a jego stabilność termiczna jest gorsza niż w przypadku stopu alfa tytanu.

Spośród trzech rodzajów stopów tytanu najczęściej stosuje się stop alfa-tytanowy i alfa + beta-tytan; Stop alfa-tytanowy ma najlepszą obrabialność, a następnie alfa + beta-tytan i stop beta-tytan. Kod alfa stopu tytanu TA, kod beta stopu tytanu TB, kod alfa + beta stopu tytanu TC.

Struktura i klasyfikacja stopów tytanu 3

Zastosowanie stopu tytanu

Stopy tytanu można podzielić na stopy żaroodporne, stopy o wysokiej wytrzymałości, stopy odporne na korozję (stopy Ti-Mo, Ti-Pd itp.), Stopy niskotemperaturowe i specjalne stopy funkcjonalne (materiały do przechowywania wodoru Ti-Fe i pamięć Ti-Ni stopy). Skład i właściwości typowych stopów pokazano w tabeli.

Różny skład fazowy i strukturę można uzyskać przez dostosowanie procesu obróbki cieplnej. Powszechnie uważa się, że drobno równoosiowa struktura ma lepszą plastyczność, stabilność termiczną i wytrzymałość zmęczeniową; struktura igiełkowa ma wyższą wytrzymałość wytrzymałościową, wytrzymałość na pełzanie i odporność na pękanie; struktura mieszana z wierzchołkami i igiełkami ma lepsze kompleksowe właściwości.

Stopy tytanu mają wysoką wytrzymałość, niską gęstość, dobre właściwości mechaniczne, dobrą wytrzymałość i odporność na korozję. Ponadto stop tytanu ma słabą wydajność technologiczną i trudne cięcie. Podczas obróbki na gorąco łatwo jest wchłonąć zanieczyszczenia, takie jak wodór, tlen, azot i węgiel. Słaba jest również odporność na zużycie i złożony proces produkcji. Uprzemysłowiona produkcja tytanu rozpoczęła się w 1948 roku. Wraz z rozwojem przemysłu lotniczego, przemysł tytanu rośnie średnio w tempie 8% rocznie. Obecnie roczna produkcja materiałów do przetwarzania stopów tytanu na świecie osiągnęła ponad 40 000 ton, a istnieje prawie 30 rodzajów gatunków stopów tytanu. Najczęściej stosowanymi stopami tytanu są Ti-6Al-4V (TC4), Ti-5Al-2.5Sn (TA7) i przemysłowy czysty tytan (TA1, TA 2 i TA3).

Stop tytanu jest wykorzystywany głównie do produkcji części do sprężarek silników lotniczych, a następnie do rakiet, rakiet i szybkich samolotów. W połowie lat 60. tytan i jego stopy były wykorzystywane w przemyśle do produkcji elektrod w przemyśle elektrolizy, skraplaczy w elektrowniach, grzejników do rafinacji ropy naftowej i odsalania wody morskiej oraz urządzeń kontrolujących zanieczyszczenie środowiska. Tytan i jego stopy stały się rodzajem odpornego na korozję materiału konstrukcyjnego. Ponadto jest również wykorzystywany do produkcji materiałów do przechowywania wodoru i stopów z pamięcią kształtu.

Tytan i stopy tytanu badano w 1956 r. W Chinach, aw połowie lat 60. opracowano uprzemysłowioną produkcję materiałów tytanowych i stopów TB2.

Stop tytanu jest nowym ważnym materiałem konstrukcyjnym stosowanym w przemyśle lotniczym. Jego ciężar właściwy, wytrzymałość i temperatura pracy mieszczą się w przedziale pomiędzy aluminium i stalą, ale ma wysoką wytrzymałość właściwą i doskonałą odporność na korozję w wodzie morskiej oraz działanie w ultraniskich temperaturach. W 1950 roku USA po raz pierwszy użyły myśliwca-bombowca F-84 jako elementów nienośnych, takich jak tylna płyta termoizolacyjna kadłuba, maska kierująca powietrzem i maska ogonowa. Od lat 60. XX wieku zastosowanie stopów tytanu przesunęło się z tylnego kadłuba na środkowy, częściowo zastępując stal konstrukcyjną do produkcji ważnych elementów nośnych, takich jak ścianki działowe, belki, klapy i prowadnice. Ilość stopu tytanu stosowanego w samolotach wojskowych gwałtownie wzrasta, osiągając 20%-25% masy konstrukcji samolotu. Stopy tytanu są szeroko stosowane w samolotach cywilnych od lat 70. XX wieku. Na przykład ilość tytanu użytego w samolotach pasażerskich Boeing 747 to ponad 3640 kg. Tytan w samolotach o liczbie Macha poniżej 2,5 jest używany głównie do zastąpienia stali w celu zmniejszenia masy konstrukcyjnej. Na przykład amerykański szybki samolot rozpoznawczy SR-71 na dużych wysokościach (latający numer Macha 3, wysokość lotu 26 212 metrów), tytan stanowił 93% masy konstrukcyjnej samolotu, znanego jako „samolot całkowicie tytanowy”. Gdy stosunek ciągu do masy silnika lotniczego wzrasta z 4 do 6 do 8 do 10, a temperatura na wylocie sprężarki wzrasta z 200 do 300 stopni C do 500 do 600 stopni C, oryginalna tarcza i łopatka sprężarki niskociśnieniowej są wykonane z aluminium musi zostać zastąpione stopem tytanu lub tarcza i ostrze sprężarki wysokociśnieniowej wykonane ze stopu tytanu zamiast stali nierdzewnej, w celu zmniejszenia masy konstrukcyjnej. W latach siedemdziesiątych ilość stopu tytanu stosowanego w silnikach lotniczych generalnie stanowiła 20%-30% całkowitej masy konstrukcji. Stosowano go głównie do produkcji elementów sprężarek, takich jak kute wentylatory tytanowe, tarcze i łopatki sprężarki, obudowa sprężarki z odlewanego tytanu, obudowa pośrednia, obudowa łożyska itp. Statek kosmiczny wykorzystuje głównie wysoką wytrzymałość właściwą, odporność na korozję i niską temperaturę stopu tytanu do produkcji różnych zbiorników ciśnieniowych, zbiorników paliwa, elementów złącznych, pasków przyrządów, ram i pocisków rakietowych. Spawane płyty ze stopu tytanu są również stosowane w sztucznych satelitach Ziemi, modułach księżycowych, załogowych statkach kosmicznych i promach kosmicznych.