Експертиза титану

1 Теоретична частина

1.1 Основні відомості про титан та області його призначення

Титан – (лат. Titanium, символ Ti), хімічний елемент з порядковим номером 22, атомна маса 47,88. Твердий сріблястий метал, температура плавлення 1675°C, температура кипіння 3262°C, густина 4540 кг/м3.

У 1791 році англійський хімік та мінералог Вільям Грегор відкрив новий елемент у мінералі «менакканіті» і назвав його «менаканумом». Німецький хімік Мартін Клапрот 1795 року повторно відкрив його у мінералі «рутил» і надав йому красиву назву «титан». За 2 роки з’ясувалося, що Грегор та Клапрот відкрили один і той самий елемент, який з тих часів носить величне ім’я – титан. Вперше металічний титан добув Берцеліус у 1825 році, але це був дуже забруднений домішками метал. Багато вчених намагались отримати титан у чистому виді і тільки у 1875 р. російський вчений Д.К. Кирилов вперше зміг отримати металічний титан, який містив декілька відсотків суміші. У 1910 році американський хімік Хантер зміг виробити декілька грамів чистого титану, який містив кілька десятих долей відсотка сумішів, які роблять його практично непридатним для обробки. Та хоча солі титана вже знаходили застосування, лише у 1925 році отриманий голландськими вченими Ван Аркелем та де Буре титан високої чистоти продемонстрував свої унікальні властивості.

Лише три технічно важливих метали – алюміній, залізо та магній – розповсюджені у природі більше ніж титан. Кількість титану у земній корі в декілька разів перевищує запаси міді, цинку, свинцю, золота, срібла, платини, хрому, вольфраму, ртуті, молібдену, вісмуту, сурми, нікелю та олова разом узятих. Кларк титану в основних вивержених породах становить 20,46 атомних %. Однак промисловий спосіб добування титану був розроблений лише у 40-х рр. ХХ століття.

Процес видобування титану (Кролль-процес) був розроблений Вільямом Джасті Кроллем - люксембургським металургом у 1940 році.

Завдяки прогресу у сфері літако- та ракетобудування виробництво титану та його сплавів інтенсивно розвивалося. Це пояснюється сполученням таких цінних властивостей титану, як: мала щільність, висока міцність, корозійна стійкість, технологічність при обробці тиском та зварюваність, холодостійкість, немагнітність та інші цінні фізико-механічні характеристики.

Титан є одним з небагатьох металів з надзвичайно високою корозійною стійкістю: він стійкий в атмосферному повітрі, морський воді та морський атмосфері, у вологому хлорі, гарячих та холодних розчинах хлоридів, у різних технологічних розчинах і реагентах, застосовуваних у хімічній, нафтовій, паперовій та інших галузях промисловості, а також у гідрометалургії.

1.2 Хімічні та фізичні властивості титану

З одновалентними галогенами (фтором, бромом, хлором і йодом) титан може утворювати ди- три- і , тетраз'єднання, із сіркою й елементами її групи (селеном, телуром) – моно- і дисульфіди, з киснем – оксиди, діоксиди і триоксиди. Титан утворить також з'єднання з воднем (гідриди), азотом (нітриди), вуглецем (карбіди), фосфором (фосфіди), миш'яком (арсіді), а також з'єднання з багатьма металами – інтерметаліди. Утворить титан не тільки прості, але і численні комплексні з'єднання, відомо чимало його з'єднань з органічними речовинами.

Як видно з переліку з'єднань, у яких може брати участь титан, він хімічно дуже активний. І в той же час титан є одним з деяких металів з винятково високою корозійною стійкістю: він практично вічний в атмосфері повітря, у холодній і киплячій воді, дуже стійок у морській воді, у розчинах багатьох солей, неорганічних і органічних кислотах. По своїй корозійній стійкості в морській воді він перевершує всі метали, за винятком шляхетних – золота, платини і т.п., більшість видів нержавіючої сталі, нікелеві, мідні й інші сплави. У воді, у багатьох агресивних середовищах чистий титан не підданий корозії. Справа в тім, що реакцій титану з багатьма елементами відбуваються тільки при високих температурах. При звичайних температурах хімічна активність титану надзвичайно мала і він практично не вступає в реакції. Зв'язано це з тим, що на свіжій поверхні чистого титану, як тільки вона утвориться, дуже швидко з'являється плівка диоксиду титану, що добре зростається з металом і яка охороняє його від подальшого окислювання. Якщо навіть цю плівку зняти, то в будь-якім середовищі, що містить чи кисень інші сильні окислювачі (наприклад, в азотній чи хромовій кислоті), ця плівка з'являється знову, і метал, як говорять, нею «пасивується», тобто захищає сам себе від подальшого руйнування.

Розглянемо трохи докладніше поводження чистого титану в різних агресивних середовищах. Протистоїть титан і ерозійної корозії, що відбувається в результаті сполучення хімічного і механічного впливу на метал. У цьому відношенні він не уступає кращим маркам нержавіючих сталей, сплавам на основі міді й інших конструкційних матеріалів. Добре протистоїть титан і втомній корозії, що виявляється часто у виді порушень цілісності і міцності металу.

В азотній кислоті, що є сильним окислювачем, у якому швидко розчиняються дуже багато металів, титан винятково стійкий. При будь-якій концентрації азотної кислоти (від 10 до 99%), при будь-яких температурах швидкість корозії титану не перевищує 0,1–0,2 мм/рік. Небезпечна тільки червона азотна кислота, що димить, пересичена (20% і більш) вільними диоксидами азоту: у ній чистий титан бурхливо, з вибухом, реагує. Однак варто додати в таку кислоту хоча б небагато води (1–2% і більш), як реакція закінчується і корозія титану припиняється.

У соляній кислоті титан стійкий лише в розведених її розчинах. Наприклад, у 0,5%-ний соляній кислоті навіть при нагріванні до 100° С швидкість корозії титану не перевищує 0,01 мм/рік, у 10%-ний при кімнатній температурі швидкість корозії досягає 0,1 мм/рік, а в 20%-ний при 20° С–0,58 мм/рік. При нагріванні швидкість корозії титану в соляній кислоті різко підвищується.

У сірчаній кислоті слабкої концентрації (до 0,5–1% ) титан стійкий навіть при температурі розчину до 50–95° С. Стійкий він і в більш концентрованих розчинах (10–20%-них) при кімнатній температурі, у цих умовах швидкість корозії титану не перевищує 0,005–0,01 мм/рік. Але з підвищенням температури розчину титан у сірчаній кислоті навіть порівняно слабкої концентрації (10–20%-ний) починає розчинятися, причому швидкість корозії досягає 9–10 мм/рік. Сірчана кислота, так само як і соляна, руйнує захисну плівку диоксиду титану і підвищує його розчинність. Її можна різко понизити, якщо в розчини цих кислот додавати визначена кількість азотної, хромової, марганцевий кислот, з'єднань чи хлору інших окислювачів, що швидко пасивують поверхня титану захисною плівкою і припиняють його подальше розчинення. От чому титан практично єдиний метал, що не розчиняється в «царській горілці»: у ній при звичайних температурах (10–20° С) корозія титану не перевищує 0,005 мм/рік. Слабко коризує титан і в киплячій «царській горілці», але ж у ній, як відомо, багато металів, і навіть такі, як золото, розчиняються майже миттєво.

Дуже слабко кородує титан у більшості органічних кислот (оцтової, молочної, винної), у розведених лугах, у розчинах багатьох хлористих солей, у фізіологічному розчині. А от з розплавами хлоридів при температурі вище 375°С титан взаємодіє дуже бурхливо.

У розплаві багатьох металів чистий титан виявляє дивну стійкість. У рідких гарячі магнії, олові, галії, ртуті, літії, натрії, калії, у розплавленій сірці титан практично не кородує, і лише при дуже високих температурах розплавів (вище 300–400°С) швидкість його корозії в них може досягати 1 мм/рік. Однак є чимало агресивних розчинів і розплавів, у яких титан розчиняється дуже інтенсивно. Головний «ворог» титану – плавикова кислота (HF). Навіть у 1%-ному її розчині швидкість корозії титану дуже висока, а в більш концентрованих розчинах титан «тане», як лід у гарячій воді. Фтор – бурхливо реагує практично з усіма металами і спалює їх.

У титан можна вводити деякі метали, що підвищують його стійкість у десятки і сотні разів, наприклад до 10% цирконію, гафнію, танталу, вольфраму. Введення в титан 20–30% молібдену робить, цей сплав настільки стійким до будь-яких концентрацій соляний, сарною й іншими кислотами, що він може замінити навіть золото в роботі з цими кислотами. Найбільший ефект досягається завдяки добавкам у титан чотирьох металів платинової групи: платини, палладію, родію і рутенію. Досить всього 0,2% цих металів, щоб знизити швидкість корозії титану в киплячих концентрованих соляний і сарною кислотах у десятки разів.

При питомій міцності титан не має суперників серед промислових металів. Навіть такий метал, як алюміній, поступився рядом позицій титану, який лише у 1,7 рази важче алюмінію, але у шість разів міцніше. І що особливо важливе, титан зберігає свою міцність при високих температурах (до 500 °C, а при додаванні легуючих елементів – 650 °C), в той час як міцність більшості алюмінієвих сплавів різко падає вже при 300 °C. Титан – дуже твердий метал: він у 12 разів твердіший за алюміній, в 4 рази – за залізо та мідь. Що вище межа текучості металу, то краще деталі з нього опираються експлуатаційним навантаженням, то довше вони зберігають свої форми та розміри. Межа текучості титану у 18 разів вища, ніж в алюмінію, і в 2,5 рази – ніж у заліза.

Титан та його сплави мають задовільну зварюваність усіма видами зварювання, що застосовується для титану – електронно-променева, лазерна, контактна, електрозварювання, дугове зварювання та ін. Добре зварюється чистий титан (ВТ1-00, ВТ1-0, ВТ1-1), а також сплави (ВТ5-1, ВТ6, ВТ6С, ВТ14). При цьому пластичність зварного з’єднання дуже близька до пластичності основного металу.

1.3 Сплави на основі чистого титану

Виготовлені в нашій країні сплави титану можна розділити на три групи:

1.      Сплави з α-структурою                (ВТ1-0, ВТ1-00, ВТ5, ВТ5-1, ОТ4, ОТ4-0, ОТ4-1). Ця група сплавів відрізняється гарною зварюваністю та термічною стабільністю, тобто відсутністю крихкості при спільному тривалому впливі високих температур і напруг.

2.      Сплави з α- + β-структурою              (ВТ14, ВТ9, ВТ8, ВТ6, ВТ6С, ВТ3-1, ВТ22, ВТ23). Завдяки більш пластичній β-фазі ці сплави більш технологічні і краще оброблюються тиском, ніж α-сплави.

3.      Сплави з β-структурою              . Це деякі дослідні сплави ВТ15, ТС6 з високим змістом хрому та молібдену. Ці сплави поєднують хорошу технологічну пластичність з дуже високою міцністю та хорошою зварюваністю.

Сплави на основі титану отримали значно більше застосування, чим технічний титан. Легування титану Fe, Al, Mn, Cr, Sn, V, Si підвищує його міцність (σв, σ02), але одночасно знижує пластичність (δ, ψ). Жароміцність підвищують Al, Zr, Mo, а корозійну стійкість у розчинах кислот - Mo, Zr, Nb, Ta і Pd. Титанові сплави мають високу питому міцність.

Наприклад, сплав ВТ 14 (Al - 5,5%, V - 1,2%, Mo - 3,0%) - σв = 900-1050МПа, δ = 10%, KCU = 0.5МДж/м2, σ100 = 400МПа.

Титан і його сплави знайшли широке використання в техніці зважаючи на свою високу механічну міцність, яка зберігається при високих температурах, корозійну стійкість, жароміцність, питому міцність та інших корисних властивостей. Титанові сплави грають велику роль в авіаційній техніці, де прагнуть отримати найбільш легку конструкцію у поєднанні з необхідною міцністю. З титанових сплавів виготовляють обшивку, деталі кріплення, силовий набір, деталі шасі, різні агрегати. Також дані матеріали застосовуються в конструкціях авіаційних реактивних двигунів. Це дозволяє зменшити їхню масу на 10-25%. Також титан і його сплави використовують в ракетобудуванні. Титанові сплави перспективні для використання у багатьох інших згалузях, але їх поширення в техніці стримується високою вартістю і дефіцитністю титану.

В даний час відомо досить велика різноманітність титанових сплавів, що відрізняються за хімічним складом, механічними та технологічними властивостями. Найбільш вживані легуючі елементи в титанових сплавах: алюміній, ванадій, молібден, марганець, хром, кремній, олово, цирконій, залізо.

Титановий сплав ВТ5 містить крім титану 5% алюмінію. Він відрізняється більш високими характеристиками міцності в порівнянні з титаном, але його технологічність порівняно нижча. Сплав кується, прокатується, штампується і добре зварюється. З сплаву ВТ5 отримують титанові прутки, титанова проволока та титанові труби. Його застосовують при виготовленні деталей, що працюють при температурі до 400 °С.

Сплав титану ВТ5-1 крім 5% алюмінію містить 2-3% олова. Олово покращує його технологічні властивості. З титанового сплаву ВТ5-1 виготовляють усі види напівфабрикатів, одержуваних обробкою тиском: титанові листи, плити, поковки, штамповки, профілі, титанові труби і титанова проволока. Він призначений для виготовлення виробів, що працюють в широкому інтервалі температур: від кріогенних до 450 ° .

Титановий сплав ВТ20 розробляли як більш міцний листовий сплав порівняно з ВТ5-1. Зміцнення сплаву ВТ20 обумовлено його легуванням, крім алюмінію, цирконієм і невеликими кількостями молібдену і ванадію. Технологічна пластичність сплаву ВТ20 невисока через великий вміст алюмінію. Титан ВТ20 відрізняється високою жароміцністю. Він добре зварюється, міцність зварного з'єднання дорівнює міцності основного металу. Сплав призначений для виготовлення виробів, що працюють тривалий час при температурах до 500 °С.

Титановий сплав ВТ3-1 належить до системи Ti-Al-Cr-Mo-Fe-Si. Він зазвичай піддається ізотермічному відпалу. Такий відпал забезпечує найбільш високу термічну стабільність і максимальну пластичність. Сплав ВТ3-1 належить до найбільш освоєних у виробництві сплавів. Він призначений для тривалої роботи при 400 - 450 °С; це жароміцний сплав з досить високою тривалою міцністю. З нього поставляють титанові прутки, профілі, плити, поковки, штампування.

Півфабрикати з титану та титанових сплавів виробляються всіляких форм і видів: титанові злитки, титанові сляби, заготовки, титанові листи та титанові плити, титанові стрічки, смуги, титанові прутки (або титанові круги), титановий дріт, титанові труби.