Что изготавливают из титана

Титан благодаря хорошему сочетанию механических и технологических свойств и высокой коррозионной стойкости находит широкое применение в самых различных отраслях промышленности: авиакосмической, химическом и нефтяном машиностроении, черной и цветной металлургии, пищевой промышленности и в других отраслях.

Применение титана в авиастроении. Авиационная промышленность была первым потребителем титана. Создание летательных аппаратов со скоростями близкими к скорости звука и превосходящими ее, определило ряд технических и экономических требований к конструкционным материалам, идущим на изготовление корпуса самолета и его обшивки, а также двигателей, которые невозможно было удовлетворить без применения материалов на основе титана. Авиационнокосмическая техника и сейчас определяет темпы развития титановой промышленности, хотя доля ее в общем объеме потребления титана постепенно снижается.

Применение титана в химической промышленности, машиностроении и других отраслях народного хозяйства. Благодаря высокой коррозионной стойкости титан и его сплавы широко используются в химической промышленности: теплообменники и выпарная аппаратура, реакторы, скрубберы, сушилки, разделительные колонны, емкости, насосы, прочее оборудование. Примерно 30 % титана расходуется на изготовление коммуникаций из титана, применяемых в химической промышленности, используется в хлорном производстве.

Вместе с обломками батискафа «Титан» найдены человеческие останки

Широкое применение титан находит в производстве искусственного волокна, красителей, азотной кислоты, синтетических жирных кислот, хлорированных углеводородов, кальцинированной соды, в хлорорганическом синтезе, во многих агрессивных средах.

Большой интерес вызывает применение фасонного литья для изготовления титановых насосов и запорной арматуры.

В мировой практике трубы из титана широко применяют в нефтяной промышленности.

В судостроении с увеличением размеров кораблей требуются все более мощные турбинные двигатели, паровые котлы и конденсаторы.

По объему применения титана цветная металлургия занимает второе место среди гражданских отраслей промышленности. Наибольшее распространение титановое оборудование получило на предприятиях кобальтово-никелевой и титаново-магниевой промышлености, а также в производстве меди, цинка, свинца, ртути и других металлов.

Титан применяется в качестве элемента, повышающего твердость алюминиевых сплавов, и модификатора, позволяющего получать мелкозернистую структуру металла.

Добавки титана повышают качество чугуна и стали. Отдельно или с другими элементами титан применяется как раскислитель при производстве многих низколегированных и углеродистых сталей.

2.4.4. Титановые минералы, руды и рудные концентраты

Титан является одним из наиболее распространенных химических элементов как по содержанию его в земной коре (0,61 %), так и по наличию минералов этого металла в очень многих горных породах.

Известно более 80 минералов. Важнейшие минералы титана, в основном, входят в состав пяти характерных групп – рутила, ильменита, перовскита, ниоботанталотитанатов и сфена, из которых наибольшее значение имеют группы рутила и ильменита.

Как выглядит настоящий титан. часть 1

Рутил – природный диоксид титана TiO2 (другие модификации – анатаз и брукит). Обычно содержит примесь оксида железа (II) FeO. Плотность 4,18 – 4,28 г/см 3 , цвет красно-коричневый. Крупные месторождения редки. Известны месторождения в Австралии, Канаде, Бразилии.

Рутиловые концентраты содержат 90 – 95 % TiO2.

Перовскит – титанат кальция CaO∙TiO2 (58,7 % TiO2). Часто содержит примеси ниобия, иттрия, марганца, магния. Плотность 3,95 – 4,04 г/см 3 , цвет черный, красно-бурый. Крупные месторождения найдены на Кольском полуострове. В перспективе может стать важнейшим источником получения титана.

Сфен или титанит – титаносиликат кальция CaO∙TiO2∙SiO2 (38,8 % TiO2). Цвет желтый, плотность 3,4 – 3,56 г/см 3 . Месторождения найдены во многих районах бывшего СССР, известны в США, Канаде и Мадагаскаре. Может служить титановым сырьем при комплексной добыче с другими рудами (апатитом и нефелином).

Различные по величине и генетическому типу месторождения титана распространены во многих районах земного шара. Месторождения титана магматического вида формируются на значительных глубинах, где при содержании в базальтовой магме хотя бы 1 % диоксида титана в процессе медленной ее кристаллизации возможно образование участков, значительно обогащенным этим диоксидом и представляющих собой месторождения титановых руд.

Месторождения титана экзогенного типа приурочены к массивам, подверженным глубокому химическому выветриванию древних метаморфогенных комплексов, содержащих устойчивые соединения титана.

Обогащение руд всех россыпных и большей части руд коренных месторождений осуществляется с использованием в начале процесса наиболее простого и дешевого гравитационного способа. При обогащении сложных коренных руд иногда используют флотацию, что, в частности, относится к переработке руд месторождения титаномагнетиков Телнес в Норвегии.

Процесс нефлотационного обогащения, как правило, осуществляется в две стадии. Первая стадия заключается в первичном гравитационном обогащении, при котором получается черновой коллективный концентрат. Вторая стадия заключается в селекции (доводке) указанного коллективного концентрата методами магнитной и электрической сепарации с получением индивидуальных рутилового, ильменитового, циркониевого, монацитового, дистенсиллиманитового, ставролитового и других концентратов.

В процессах первичного обогащения широкое применение получили усовершенствованные гидроциклоны, многоярусные конические и многосекционные винтовые сепараторы и в меньшей степени концентрационные столы и другое сепарационное оборудование.

Доводка черновых коллективных концентратов основана на использовании в различном сочетании электромагнитной и электростатической сепарации. Наибольшей магнитной восприимчивостью среди входящих в состав коллективных концентратов минералов обладает ильменит и следующий за ним монацит, в то время как рутил и циркон не магнитны.

Селекция входящих в состав коллективных концентратов немагнитных минералов основана на использовании различной их электрической проводимости, по мере убывания которой указанные минералы располагаются в следующий ряд: магнетит – ильменит – рутил – хромит – лейскосен – гранат – монацит – турмалин – циркон – кварц.

Таким образом, если в коллективном концентрате преобладают рутил, циркон и алюмосиликаты, то процесс доводки начинается обычно с передела электростатической сепарации. Если же в коллективном концентрате преобладает ильменит, то технологический процесс доводки начинается с передела магнитной сепарации.

При доводке черновых коллективных концентратов широко применяется винтовые сепараторы, пластинчатые и роликовые магнитные сепараторы мокрого и сухого действия с высокой напряженностью магнитного поля, магнитные сепараторы с перекрещивающимися лентами, а также пневматические и мокрые концентрационные столы и другое оборудование.

В последнее время для повышения извлечения минералов из исходного сырья все чаще используется так называемый процесс оттирки, заключающийся в обработке коллективного концентрата растворами щелочи или слабой плавиковой кислоты при интенсивном перемешивании. При этом с поверхности минералов, в частности рутила и циркона, удаляются железистые и глинистые пленки, затрудняющие селекцию материалов.

Промышленные способы получения титана и его основных соединений базируются на использовании в качестве исходного сырья титановых концентратов, содержащих не менее 92 — 94 % TiO2 в рутиловых концентратах, 52 — 65 % TiO2 в ильменитовых концентратах из россыпей и 42 — 47 % TiO2 в ильменитовых концентратах из коренных месторождений.

В России ильменитовые концентраты используются главным образом в качестве сырья для выпуска диоксида титана и металла, а также выплавки ферросплавов и карбидов, а рутиловые – для производства обмазки сварочных электродов.

Около 50 % мирового производства титановых концентратов базируется на переработке руд россыпных месторождений и 50 % – на переработке руд коренных месторождений.

Источник: studfile.net

Применение титана и сплавов

В ХХ-м веке титан по праву получил название металла будущего, поскольку он по многим показателям обходит ближайшие аналоги. На сегодняшний день этот материал активно используется во многих сферах деятельности. Первоначально его использовали в оборонной промышленности, но сейчас его применение значительно расширилось. Это машиностроительная и химическая промышленность, авиастроение и судостроение, медицина и изготовление бытовой техники. Коротко рассмотрим основные области его применения.

1. Авиастроение

Титан является одновременно очень прочным и лёгким металлом – именно по этой причине он нашёл широкое применение именно в авиастроении. Здесь титановые сплавы активно применяются для создания авиационных конструкций, прежде всего для фюзеляжа, крыльев, кабины и хвостового оснащения самолётов. С появлением газотурбинных воздушных судов этот редкий металл стал использоваться для создания основных компонентов самолётных турбин. Как показала практика, такие детали могут эксплуатироваться на протяжении многих лет. Они обладают высоким запасом прочности и намного легче деталей и узлов, изготовленных из других металлов.

Сейчас сплавы на основе титана широко применяются для создания корпусных самолётных конструкций и элементов двигательных установок. Так же элементы из этого металла используются шасси и других частей самолётов.

Среди которых можно назвать:

• Лопатки;
• Диски;
• Детали вентилятора;
• Компрессор.

В среднем для одного пассажирского самолёта стандартной вместимости применяется более 20-ти тонн титана. К примеру, изделия из этого металла сменили стальные заклёпки, снизив общий вес воздушного судна сразу на несколько тонн.

Применяются детали на основе титановых сплавов и для производства других компонентов, к примеру:

• Окантовку люков и дверей.
• Обшивку, которая регулярно испытывает на себе неблагоприятное воздействие продуктов сгорания двигателя самолета;
• Противопожарные перегородки;
• Тонкостенные трубопроводы воздушной системы. Титан является наиболее стойким к высоким температурам металлом;
• Настил пола грузовой кабины. Здесь данный металл широко применяется из-за своей высокой прочности и твердости;
• Стойки шасси;
• Кронштейны крыла;
• Гидроцилиндры;
• Диски и лопатки вентиляторов и компрессоров;
• Корпуса двигателей.

Титановые детали на сегодняшний день используются в конструкции практически всех авиалайнеров, которые изготавливаются российскими компаниями в сотрудничестве со странами, входящими в СНГ.

2. Судостроение

Большое значение имеет использование титана в судостроении. Здесь он используется как для создания обшивки кораблей, так и для внутреннего оснащения – двигательных установок, насосных систем, соединительных трубок. Уже упоминалось о лёгкости и прочности этого материала – это создаёт значительные преимущества не только при создании самолётов, но и водных судов. Для судостроения так же большое значение имеет такой показатель титана, как стойкость к коррозии. В результате обшивка кораблей из этого металла не требует дополнительного защитного покрытия и покраски, что снижает общую стоимость судовой техники.

Большим плюсом при создании кораблей считается так же низкие магнитные показатели титана. Благодаря этому используемые на судах навигационные инструменты имеют меньшую погрешность и позволяют более точно прокладывать курс. Так же эти показатели создают заметные преимущества при проведении геофизических и геологических исследований.

Сплавы на основе титана так же широко используются при создании двигательных турбин, соединительных и конденсаторных трубок, паровых котлов, глубоководного оборудования.

3. Машиностроение

Для машиностроения большое значение имеет создание оборудования, имеющего высокие теплообменные показатели. Прежде всего это трубы и трубки, способные к охлаждению сложного технического оборудования. Примером могут служить конденсаторы турбин или теплообменные трубки двигательных установок. При этом обеспечивается не только необходимый теплообмен, но и существенно продлевается срок службы оборудования.

В атомной энергетике большое значение имеют высокие антикоррозийные показатели титана, которые во много раз выше, чем у других металлов. По этой причине можно создавать корпусные детали оборудования, которые будут способны к эксплуатации на протяжении многих лет без необходимости проведения частых ремонтных работ.

4. Нефтегазовая промышленность

В нефтегазовой промышленности важнейшее значение имеет разведка и добыча топливных ресурсов. а проведение подобных работ просто невозможно без бурения, эффективность которого зависит от используемых труб. Часто разведка и добыча происходят на глубине нескольких километров и обычные стальные трубы для этого не подходят. Именно по этой причине на сегодняшний день в нефтегазовой отрасли всё большее применение имеют компоненты, изготовленные на основе титановых сплавов. Такие трубы и элементы буровых установок способны выдерживать значительные нагрузки и использоваться на протяжении длительного времени без замены. Таким образом обеспечивается эффективность проведения буровых работ и снижается себестоимость добываемых ресурсов.

На основе титана сейчас происходит изготовление такого оборудования, как:

• Глубоководные бурильные установки;
• Добывающие установки;
• Насосы;
• Трубопроводы;
• Теплообменные конструкции и агрегаты;
• Сосуды высокого давления и др.

5. Медицина

Высокие антикоррозийные свойства, прочность в сочетании с лёгкостью объясняют широкое применение инструментов из титановых сплавов в медицине. Сегодня они используются в таких областях медицинской деятельности, как хирургия и ортопедия, стоматология и кардиология. Не случайно самые прочные, надёжные и долговечные медицинские инструменты и детали специального оборудования изготавливаются именно на основе титана.

Другой отраслью медицины, где используется титан, считается ортопедия. Ведь большинство проблем, связанных со здоровьем, происходит в результате внешних повреждений – ран и гематом, ушибов и растяжений, переломов и вывихов. Это может произойти по разным причинам – бытовым или аварийным.

Для лечения подобных повреждений необходимо не только использование медицинских препаратов и инструментов, но и специальных конструкций. К ним относятся импланты и протезы, ортезы и внешние каркасы. Благодаря особым свойствам титан не только способен противостоять окислению и разрушению, но и максимально безболезненно вживляться в человеческий организм. К этому следует добавить уже отмечавшиеся прочность и лёгкость титановых сплавов, конструкции на основе которых гораздо надёжнее и долговечнее, чем стальные или алюминиевые.

Обеззараживающие и антимикробные свойства титана объясняют его использование в стоматологии. Из него изготавливаются импланты, которые могут легко вживляться в челюсть и служить основой для установки искусственных зубов.

Благодаря небольшому весу из этого металла сейчас изготавливаются заменители внутриушных косточек, позволяющих восстанавливать слух.

В кардиологии титановые детали используются для создания корпусных частей дефибрилляторов и сердечных электростимуляторов.

Здесь важное значение имеет так же немагнитность титана, благодаря чему можно с большим успехом проводить физиотерапию с применением электромагнитного медицинского оборудования.

6. Спорт

Указанные выше преимущества изделий из титана объясняют его широкое применение в спорте для изготовления специального инвентаря. В бытовых целях применять этот металл нецелесообразно, потому что он достаточно редок и дорог. А вот делать из него спортивное оборудование или компоненты к нему вполне оправдано. Примером могут служить велосипеды – рамы, обода колёс, спицы, части тормозной системы, рули и пружины из титанового сплава позволяют достигать высоких спортивных результатов. То же самое можно сказать об инвентаре для санного спорта или автомобильных гонок.

Широкое использование титан получил при изготовлении клюшек для гольфа, которые получаются одновременно прочными и лёгкими. Из этого металла так же ограниченными партиями выпускаются мячики для этой элитной игры.

Небольшой вес и противостояние вредным воздействиям окружающей среды объясняют применение титана для туризма и альпинизма. Конструкции из таких сплавов считаются наиболее удобными и долговечными.

Также его применяют в производстве:

• Ножей для подводного плавания;
• Лезвий для коньков;
• Пистолетов для спортивной стрельбы и др.

Источник: ntitan.ru

Использование металла титана

Титан является относительно новым металлом и дорогим в производстве, но его выдающиеся свойства, такие как высокое соотношение прочности и веса, отличная коррозионная и термостойкость, сделали титан и его сплавы хорошо зарекомендовавшим себя инженерным материалом. Металл титан — химический элемент периодической таблицы Менделеева, имеющий символ Ti и атомный номер 22.

Он представляет собой переходной металл, который является легким, прочным, блестящим, устойчивым к коррозии (в том числе устойчивым к морской воде и хлору) с белым цветом: металлически-серебристым. Металл титан обладает исключительной устойчивостью к коррозии под воздействием широкого спектра химических веществ. Его высокое сродство к кислороду, азоту и водороду которое приводит к образованию тонкого, но плотного, самовосстанавливающегося стабильного оксидного слоя, который обеспечивает эффективный барьер против начинающейся коррозии. Кроме того, высокое соотношение прочности и веса, поддерживается при повышенных температурах, что делает сплавы металлов привлекательными для многих критически важных применений.

Применение металла титана

Металл титан и его сплавы широко используются в аэрокосмической и авиационной, химической и медицинской промышленности, где важна высокая безопасность. Следовательно, контроль качества макро и микроструктуры (металлография) при производстве и переработке чрезвычайно важна.

Металлография титана является неотъемлемой частью контроля качества, начиная с мониторинга начального производственного процесса и заканчивая проверкой пористости литых деталей при управлении процессами термообработки. Кроме того, металлография играет важную роль в исследованиях и разработках титановых сплавов и изделий. Титан — очень пластичный металл, склонный к механическому деформированию. Для абразивных процессов металлографической резки, шлифования и полировки этот аспект необходимо принимать во внимание. Применение нержавеющей стали легче, но изделие получается тяжелее и менее прочно.

Производство металла титана

1. Первым этапом является производство титановой губки и включает хлорирование рутиловой руды (TiO2). Газообразный хлор и кокс соединяются с рутилом и вступают в реакцию с образованием тетрахлорида титана. Он очищается дистилляцией, а затем восстанавливается магнием до титановой губки и хлорида магния.

1. Затем эта титановая губка измельчается в зернистый порошок, смешивается с ломом и/или легирующими металлами, такими как ванадий, алюминий, молибден, олово и цирконий, и расплавляется вакуумной дугой в восстановительной печи для производства титановых слитков.

1. Из слитков первого расплава делают электроды, которые затем используются во втором расплаве в качестве расходуемых электродов. Этот процесс называется “процессом вакуумной плавки с двойным расходуемым электродом”. Если необходим очень чистый титан с однородной структурой может быть проведена дополнительная третья плавка.

На первом этапе изготовления получаются литые заготовки, цилиндрические весом 15 метрических тонн или квадратные весом 10 метрических тонн. В дальнейшем они подвергаются горячей штамповке в изделия общего назначения, такие как заготовки меньшего размера, слябы (плиты), прутки или тарелки. Поскольку литые слитки могут иметь врожденную грубую микроструктуру они чувствительны к растрескиванию. В этом случае во время операции ковки поддерживается точная температура и контроль процесса.

Готовая продукция состоит из заготовок для аэрокосмического применения, а также слябов, прутков и другого сырья для дальнейшей переработки в прутки, прутки, проволоку, лист или пластину.

Вторичное производство для изготовления деталей из прокатных изделий включает в себя такие производственные процессы, как ковка, экструзия, горячая и холодная штамповка и т.д. Горячее формование металла титана — это не только процедура формообразования, но и метод получения и контроля микроструктуры.

Применение в аэрокосмической промышленности

Высокая прочность/низкая плотность титана делают его важнейшим материалом в аэрокосмической промышленности. Его основные области применения в газотурбинных двигателях включают компрессорные кольца, диски и распорные кожухи, воздуховоды и кожухи. В конструкционных рамах самолетов титановые сплавы используются в деталях под кареткой, креплениях двигателей и деталях механизмов управления, листах и каркасах для наружной конструкции кузова.

В химической, медицинской и пищевой промышленности

Превосходная коррозионная стойкость и биосовместимость титана делают его идеальным материалом для химической, медицинской и пищевой промышленности, а также для исследований и разработок в области океана. Благодаря пассивной оксидной пленке он обладает высокой коррозионной стойкостью к растворам солей, растворам азотной кислоты, морской воде, жидкостям организма, фруктовым и овощным сокам. Типичными продуктами являются реакционные сосуды, теплообменники, клапаны и насосы, протезные устройства, такие как имплантаты, искусственные кости, искусственные сердечные насосы и детали клапанов.

Потребительские товары

Наиболее широко используемым сплавом для потребительских товаров является Ti-6Al-4V. Легкий вес этого титанового сплава в сочетании с эстетичным дизайном сделал его излюбленным для потребительских товаров высокого класса, таких как ювелирные изделия, клюшки для гольфа, очки, велосипеды, часы, а в архитектуре он используется для декоративных фасадов.

Из-за особых свойств титана пружины из титана могут быть сконструированы с меньшим диаметром, меньшим количеством витков пружинной стали для практического применения. По форме можно видеть, что металл титан может уменьшить вес. Стальные пружины будут иметь большую длину и больший диаметр.

Интересным является титановая велосипедная рама, которую делали с 90-х годов из углеродного волокна используемого в качестве материала каркаса. Велосипедная рама из титанового материала является лучшей по сравнению с материалами рамы, изготовленными из углерода, стали и сплавов. Титан легче стали (железа) и алюминия и прочнее углеродного волокна. Брендовые велосипеды, которые производят рамы из титана, например, велосипеды «Litespeed», «Knolly», «J.Laverack GRiT titanium».

Цена титановой велосипедной рамы относительно высока, потому что изготовить раму из титана очень сложно и требует немалых затрат. Однако дорогая цена сопоставима с качеством, что очень удобно для езды на велосипеде. Характеристиками материала титановой велосипедной рамы является цвет металла титаново-серый, как маслянистый. Разница в материале рамы из титанового и алюминиевого материала состоит в том, что из титана рама блестящая.

Особенным является процесс полировки титана

Особенностью является то, что нельзя использовать алмаз для полировки. Алмазная полировка фактически приводит к непрерывной механической деформации, которая оставляет царапины и пятна на поверхности. Этот слой деформации трудно удалить даже с помощью смеси коллоидного диоксида кремния и перекиси водорода. Поэтому следует избегать алмазной полировки, особенно с использованием коммерчески чистого металла титана.

Время полировки зависит от площади образца и сплава. Чем больше образец, тем больше время подготовки к заключительной стадии оксидной полировки, которая может занять до 45 минут для чистого титана. Правильно отполированная, не обработанная поверхность титана выглядит белой при рассмотрении в оптический микроскоп, и полировка должна продолжаться до тех пор, пока не будет достигнуто чистое состояние поверхности.

Благодаря производственному процессу титан и его сплавы получаются достаточно чистые, что означает, что маленькие черные точки, появляющиеся на полированной поверхности, являются остатками деформации шлифования, а не включениями или частью структуры. Возникший артефакт необходимо удалить с помощью дальнейшей химико-механической полировки. Как только поверхность достаточно отполирована, структуру можно увидеть в поляризованном свете без травления.

В качестве альтернативы механической полировке, когда требуются быстрые результаты, может быть рекомендована электролитическая полировка. Электролитическая полировка не оставляет механических деформаций на поверхности образца.

Источник: v-nayke.ru