Титан

     Процесс окисления титана на воздухе в  интервале 20-300˚С можно разделить на три периода:

     1. Образование окисной пленки при  температуре до 50˚С; при этом увеличения содержания кислорода методом вакуум-плавления не обнаруживается.

     2. Окисление титана в диапазоне  температур от 60 до 140˚С; в этом интервале температур увеличение содержания кислорода подчиняется линейному уравнению 

     3. Окисление титана в диапазоне  температур от 140 до 300˚С; в этом интервале температур увеличение содержания кислорода в титане выражается параболической зависимостью 

     При температурах выше 400˚С структура пленки нарушается, и скорость окисления титана резко возрастает. Это связано с увеличением скорости диффузии ионов кислорода с поверхности в глубь металла. Окисление титана на воздухе протекает более интенсивно, чем в чистом кислороде. Это связано с присутствием азота, который способствует образованию дефектов в решетке окисла и повышает скорость окисления.

     Взаимодействие  титана с азотом. В результате взаимодействия титана с азотом образуется нитрид титана (TiN). Цвет нитрида титана изменяется от светло-коричневого до бронзово-желтого.

     На  воздухе до 300˚С титан незначительно взаимодействует с азотом. Этот факт подтверждает, что на воздухе прежде всего образуется окисная пленка, которая в значительной степени защищает титан от взаимодействия с азотом. При повышении температуры до 400˚С начинается некоторое растворение окисной пленки в глубь металла, происходит нарушение структуры поверхностной пленки, в результате чего взаимодействие титана с азотом воздуха интенсифицируется.

     В среде азота взаимодействие титана с азотом при 20˚С обнаруживается только по изменению цвета поверхности металла.

     Азот  способен растворяться в титане; до 550˚С диффузия ионов азота в глубь металла протекает медленно, но резко активизируется при 700˚С. Даже незначительное содержание азота в титане приводит к заметному увеличению его твердости. Азотирование является эффективным средством повышения износоустойчивости титана.

     Взаимодействие  титана с водой. При химическом взаимодействии титана с водой по схеме 

     Протекают одновременно два процесс: поглощение титаном водорода и образование  окисных соединений.

     Увеличение  содержания кислорода в титановой  губке при окислении в воде при температуре до 100˚С пропорционально квадрату температуры

     Окисление титана в воде протекает интенсивно; увеличение содержания кислорода в  титане в результате взаимодействия с водой более чем в десять раз превышает окисление на воздухе  при тех же температурах, содержание водорода в титане после контакта с водой возрастает в 3-4 раза.

     Взаимодействие  титана с водородом. При взаимодействии титана с водородом образуется гидрид титана (TiH₂). Кроме того, титан поглощает около 30% (ат.) водорода, который занимает октаэдрические пустоты решетки. Если адсорбировано незначительное количество водорода, то наблюдается только расширение кристаллической решетки без изменения типа ее структуры. Дальнейшая адсорбция создает значительное напряжение. Более богатой водородом фазе соответствует формула TiH₂.

     Адсорбированный при повышенных температурах водород  не остается только на поверхности. Водород  диффундирует в титан с очень  большими скоростями. Так, например, при 500˚С коэффициент диффузии водорода в ά-титане составляет 1,5·10^-5 см²/сек.

     Высокая скорость диффузии водорода в титане определяет высокую интенсивность  их взаимодействия. Диффузия водорода в титан происходит через щели и другие места нарушения структуры  металла. За этим быстрым процессом  следует медленная диффузия водорода и его растворение в металле  с образованием твердого раствора. После того как образование твердого раствора будет закончено, значительное количество водорода может быть адсорбировано  на поверхности межкристаллитных щелей, что приведет к поглощению водорода в количестве, большем стехиометрического.

     Поглощение  титаном водорода – процесс обратимый, при температуре выше 800˚С водород может быть полностью удален из титана.

     Тщательная  дегазация позволяет устранить  один из продуктов реакции титана с водой, однако окисные соединения полностью остаются в металле  и приводят к ухудшению его  качества. В связи с тем, что  первым этапом взаимодействия титана с водой является физическая адсорбция  паров воды из воздуха, этому процессу должно быть уделено особое внимание.[7,c.236] 

Применение 

     Благодаря исключительно высокому сопротивлению  коррозии титан – прекрасный материал для изготовления химической аппаратуры. Но главное свойство титана, способствующее все большему его применению в  современной технике, - высокая жаростойкость как самого титана, так и его сплавов с алюминием и другими металлами. Кроме того эти сплавы обладают жаропрочностью – способностью сохранять высокие механические свойства при высоких температурах. Все это делает сплавы титана весьма ценными материалами для самолето- и ракетостроения.[1,c649] Несмотря на сравнительно высокую стойкость титана, применение его в химическом машиностроении вполне оправдывается, так как окупается продолжительностью службы изготовленного из него оборудования. Многие области техники уже не могут обходиться без титана.[7,c7]

     Титан лишь немного тяжелее алюминия, но в три раза прочнее его. Это  открывает перспективы применения титана в различных областях машиностроения. Достаточно указать, что использование  деталей из титана и его сплавав в двигателях внутреннего сгорания позволяет снизить массу этих двигателей примерно на 30%.

     Широкие возможности применения титана в  технике вызвали бурное развитие его производства. В 1948 г. был получен  первый промышленный титан в количестве 2,5 т, в 1954 г. мировое производство этого  металла составило 7000 т, а в 1957 г. достигло 30 000 т. Таких темпов роста  не наблюдалось в производстве ни одного другого из металлов.[1,c.649]

     Металлический титан похож на сталь; чистый титан  ковок уже на холоду. Он применяется для производства жаропрочных карбидов. Для промышленных целей давно уже получают ферротитан, добавление которого в малых количествах (0,1%) в специальные стали повышает их тягучесть и увеличивает сопротивление на разрыв.[2,c.635]

     Сплавы  с алюминием отличаются хорошей  свариваемостью; прочность их по сравнению  с чистым титаном значительно  выше. Однако такие сплавы недостаточно хорошо поддаются горячей пластической деформации. Для улучшения технологичности  сплавов при ковке и прокатке в их состав вводят марганец, молибден, хром ванадий и другие элементы. Повышение содержания алюминия в  сплавах титана приводит к повышению  жаропрочности.

     Сплавы  титана используют для изготовления широкого ассортимента полуфабрикатов. Из сплавов ВТ-1 и 3А1 изготавливают  поковки, штамповки, листы; из сплава ОТ-4 – листы, из сплава ВТ3 – поковки. Жаропрочный сплав ВТ-6 используют для различного типа полуфабрикатов.[7,c.279]

     В процессе производства титановой губки  и при переработке ее в готовые  изделия образуется значительное количество отходов. Как правило, отходами являются кричная губка крупностью -3+0мм и  гарниссажная крупностью -5+0мм. К отходам относятся и те части губки, которые удаляются при первичной обработке блока: верхняя и нижняя пленка и губка из мест соприкосновения блока со стенками реактора. Часть губки отбраковывается при визуальном осмотре ее на ленте транспортера.[7,c.291]

     Примерно 2/3 общего количества отходов являются кондиционными, но имеют повышенное содержание кислорода, азота и других примесей. Если отходы загрязнены примесями  только с поверхности, то после соответствующей  обработки их можно использовать для подшихтовки при изготовлении расходуемых электродов.

     Отходы  с загрязнением по всему сечению  бруска пока не находят рационального  применения в промышленности. Мелкие куски, четко разделенный сбор которых по сплавам нельзя гарантировать вследствие трудоемкости контроля состава, также относятся к некондиционным отходам. Рациональное использование и переработка отходов титана позволяют значительно увеличить количество изделий без увеличения мощности заводов, производящих титан.

     Наиболее  рациональным путем использования  кондиционных отходов, получаемых при  переработке титановой губки а слитки, листы и литые изделия, является возвращение их в повторную плавку. Если технологический процесс литья идет нормально, то качество металла отходов практически не отличается от качества металла отливок. Если отливка считается годной, то ее отходы могут быть использованы для переплава.[7,c.292]

     Из  губки мелких фракций могут быть изготовлены металлокерамические  фильтры для очистки магния. Отсевы титановой губки более мелких фракций могут быть использованы для изготовления прессованием различного рода металлокерамических деталей  и титановой ленты путем прокатки порошков.[7,c.294]

     В настоящее время в промышленности широко используется метод предотвращения коррозии основного металла путем  пленочного или диффузного покрытия его другим металлом, более стойким  в этой среде. Высокая коррозионная стойкость титана во многих средах является одним из самых ценных его  качеств. В ряде случаев титановые  покрытия обладают более высокими коррозионными  свойствами, чем титан, в частности  при действии серной и соляной  кислот.[7,c.295]

     Химическая  промышленность может использовать значительные количества отходов титана, переработанных тем или иным способом в определенные продукты: двухлористый и треххлористый титан, гидрид титана, титансодержащие хлоридные расплавы и т.д.

     Значительные  количества некондиционных отходов  титана применяются в черной металлургии  для раскисления сталей. Учитывая высокую стоимость титановых отходов, использование их в черной металлургии нельзя признать рациональным.[7,c.296]

     Основная  часть титана расходуется на нужды  авиационной и ракетной техникии и морского судостроения. Титан (ферротитан) используют в качестве лигирующей добавки к качественным сталям и как раскислитель. Технический титан идет на изготовление емкостей, химических реакторов, трубопроводов, арматуры, насосов, клапанов и других изделий, работающих в агрессивных средах. Из компактного титана изготавливают сетки и другие детали элетктровакуумных приборов, работающих при высоких температурах.

     По  использованию в качестве конструкционного материала титан находится на 4-ом месте, уступая лишь Al, Fe и Mg. Алюминиды титана являются очень стойкими к окислению и жаропрочными, что в свою очередь определило их использование в авиации и автомобилестроении в качестве конструкционных материалов. Биологическая безвредность титана делает его превосходным материалом для пищевой промышленности и восстановительной хирургии.

     Титановые сплавы играют большую роль в авиационной технике, где стремятся получить наиболее легкую конструкцию в сочетании с необходимой прочностью. Титан легок по сравнению с другими металлами, но в то же время может работать при высоких температурах (см. рис.2). Из титановых сплавов изготовляют обшивку, детали крепления, силовой набор, детали шасси, различные агрегаты. Также данные материалы применяются в конструкциях авиационных реактивных двигателей. Это позволяет уменьшить их массу на 10-25%. Из титановых сплавов производят диски и лопатки компрессора, детали воздухозаборника и направляющего аппарата, крепеж.

     Также титан и его сплавы используют в ракетостроении. Ввиду кратковременной работы двигателей и быстрого прохождения плотных слоев атмосферы в ракетостроении в значительной мере снимаются проблемы усталостной прочности, статической выносливости и отчасти ползучести.

     Технический титан из-за недостаточно высокой  теплопрочности не пригоден для применення в авиации, но благодаря исключительно высокому сопротивлению коррозии в ряде случаев незаменим в химической промышленности и судостроении. Так его применяют при изготовлении компрессоров и насосов для перекачки таких агрессивных сред, как серная и соляная кислота и их соли, трубопроводов, запорной арматуры, автоклав, различного рода емкостей, фильтров и т. п. Только титан обладает коррозионной стойкостью в таких средах, как влажный хлор, водные и кислые растворы хлора, поэтому из данного металла изготовляют оборудование для хлорной промышленности. Из титана делают теплообменникн, работающие в коррозионно активных средах, например в азотной кислоте (не дымящей). В судостоении титан используется для изготовления гребных винтов, обшивки морских судов, подводных лодок, торпед и т.д. На титан и его сплавы не налипают ракушки, которые резко повышают сопротивление судна при его движении.