Титановые сплавы

Национальный  Исследовательский Ядерный Университет МИФИ 
 
 
 

Реферат на тему

«Титановые  сплавы» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнила: Дорофеева  А.А

Гр. Ф8-241 
 
 

Москва 2011

Содержание

1. История открытия титана………………………………………………………………………………3
2. Структура титановых сплавов……………………………………………………………………….4
3. Механические и физические свойства титана и титановых сплавов…………..5
4. Коррозионная стойкость титана и титановых сплавов………………………………..8
5. Влияние легирующих элементов в титане на коррозионную стойкость…….10
6. Водородное охрупчивание титана и титановых сплавов………………..11
7. Высокопрочные титановые сплавы………………………………………………………………16

1. Повышение прочностных свойств термической обработкой…….………16
2. Выбор рационального легирования…………………………………………….……..17
3. Стабилизирующий отжиг……………………………………………………………….…….18

8. Список литературы…………………………………………………………………………………………19 
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
   

История открытия титана

Вряд ли можно  найти еще один такой металл, история  открытия и изучения которого была бы так полна драматических событий, ошибок и заблуждений, как история  титана.

 Первооткрывателем  титана считается 28-летний английский  монах Уильям Грегор. В 1790 г., проводя  минералогические изыскания в  своем приходе, он обратил внимание  на распространенность и необычные  свойства черного песка в долине  Менакэна на юго-западе Англии  и принялся его исследовать.  В песке священник обнаружил  крупицы черного блестящего минерала, притягивающегося обыкновенным  магнитом. Будучи минералогом-любителем  и имея свою небольшую минералогическую  лабораторию, Грегор произвел  с этим магнитным минералом  несколько опытов: растворил его  сначала в соляной, затем в  серной кислоте, упарил раствор  и получил белый порошок, который  при прокалке желтел, а при  спекании с углем приобретал  голубой цвет. Исследованное природное  образование черного цвета Грегор  принял за новый, неизвестный  ранее минерал, а выделенный  из него белый порошок –  за новый элемент. Минералу  и элементу дали название по  местности, где они были найдены:  минерал «менакэнит» и элемент  «менакин». По сегодняшним представлениям  «менакэнит» был смесью ильменита  (FeTiO3) и магнетита (FeTiO3(nFe3O4), а белый  порошок «менакин» – диоксидом титана.

 В 1795 г. немецкий  исследователь-химик Мартин Генрих  Клапрот, изучая рутил, выделил  из него диоксид нового металла  – белый порошок, похожий на  описанный ранее Грегором. И хотя  до получения чистого металла  было еще очень далеко –  почти полтора столетия, Клапрот  известил мир об открытии нового  металла, которому дал название  «титан». 

 Ни один конструкционный  металл не знал такой длительной  истории исследований, как титан.  Первые попытки выделить чистый  материал заканчивались неудачно. Исследователи получали металл  с высоким содержанием примесей  кислорода, азота, серы, фосфора,  водорода и др., в результате  чего, выделенный металл был весьма  хрупким и признавался бесполезным  для дальнейшего использования.  Чистый титан (содержание примесей  менее 0,1%) впервые был получен  в 1875 году русским ученым Д.К.  Кирилловым, но его работа осталась  незамеченной. Полученный в 1925 г.  Ван Аркелем и де Буром иодидным  методом чистейший титан оказался  пластичным и технологичным металлом  со многими ценными свойствами, которые привлекли к нему внимание  широкого круга конструкторов  и инженеров. В 1940 г. Кролль  предложил магниетермический способ  извлечения титана из руд, который  является основным и в настоящее  время. В 1947 г. были выпущены  первые 45 кг технически чистого  титана. Стоимость его, конечно,  была баснословно высокой –  10 долл. за 1 кг, т. е. этот новый  конструкционный материал был  во много раз дороже железа, алюминия, магния. (Интересно, что  стоимость технически чистого  титана сегодня приблизительна  такая же: 11 долл. за 1 кг, а стоимость  сплавов титана достигает 15 долл. за 1 кг). Тем не менее выпуск  металлического титана осуществлялся  такими гигантскими темпами, каких  не знало никакое другое металлургическое  производство. Первая промышленная  партия титана массой 2 т была  получена в 1948 г., и этот год  считается началом практического  применения титана. Мировое производство  титана (без СССР) за период с  1953 г. по 1996 г возросло более  чем в 30 раз. Производство титана  в нашей стране началось в  1950 г. и нарастало довольно  быстро. В 1960-1990 гг. в СССР было  создано крупнейшее в мире производство титана и его сплавов. В конце 80-х годов объем промышленного производства титана в СССР превышал объем его производства во всех остальных странах мира вместе взятых. 

Структура титановых  сплавов

Титан — легкий серебристо-белый  металл. Существует в двух кристаллических  модификациях: α-Ti с гексагональной плотноупакованной решёткой (a=2,951 Å; с=4,679 Å[9]; z=2; β-Ti с кубической объёмноцентрированной  упаковкой (a=3,269 Å; z=2; пространственная группа Im3m), температура перехода α↔β 883 °C, ΔH перехода 3,8 кДж/моль. Точка плавления 1660±20 °C, точка кипения 3260 °C, плотность  α-Ti и β-Ti соответственно равна 4,505 (20 °C) и 4,32 (900 °C) г/см³[1], атомная плотность 5,71×1022 ат/см³[источник не указан 591 день]. Пластичен, сваривается в инертной атмосфере. Удельное сопротивление 0,42 мкОм·м при 20 °C

При обычной температуре  покрывается защитной пассивирующей плёнкой оксида TiO₂

Титан упрочняется  легированием α- и β-стабилизирующими элементами, а также термической  обработкой двухфазных (α+β)-сплавов. К  элементам, стабилизирующим α-фазу титана, относятся алюминий, в меньшей степени олово и цирконий. α-стабилизаторы упрочняют титан, образуя твердый раствор с α-модификацией титана.

За последние годы было установлено, что, кроме алюминия, существуют и другие металлы, стабилизирующие  α-модификацию титана, которые могут  представлять интерес в качестве легирующих добавок к промышленным титановым сплавам. К таким металлам относятся галлий, индий, сурьма, висмут. Особый интерес представляет галлий для жаропрочных титановых сплавов благодаря высокой растворимости в α  - титане. Как известно повышение жаропрочности сплавов системы Ti – Al ограничено пределом 7 – 8% вследствие образования хрупкой фазы. Добавкой галлия можно дополнительно повысить жаропрочность предельнолегированных алюминием сплавов без образования α2-фазы.

Алюминий практически  применяется почти во всех промышленных сплавах, так как является наиболее эффективным упрочнителем, улучшая  прочностные  и жаропрочные свойства титана. В последнее время наряду с алюминием в качестве легирующих элементов применяют цирконий и олово.

Цирконий положительно влияет на свойства сплавов при повышенных температурах, образует с титаном  непрерывный ряд твердых растворов  на основе α – титана и не участвует в упорядочении твердого раствора.

Олово, особенно в  сочетании с алюминием и цирконием, повышает жаропрочные свойства сплавов, но в отличие от циркония образует в сплаве упорядоченную фазу .

Преимущество титановых  сплавов с α-структурой – в  высокой термической стабильности, хорошей свариваемости и высоком сопротивлении окислению. Однако сплавы типа α чувствительны к водородной хрупкости ( вследствие малой растворимости водорода в α-титане) и не поддаются упрочнению термической обработкой. Высокая прочность, полученная за счет легирования, сопровождается низкой технологической пластичностью этих сплавов, что вызывает ряд трудностей в промышленном производстве.

Для повышения прочности, жаропрочности и технологической  пластичности титановых сплавов типа α в качестве легирующих элементов наряду с α-стабилизаторами применяются элементы, стабилизирующие β-фазу.

Элементы из группы β-стабилизаторов упрочняют титан, образуя α- и β-твердые растворы.

В зависимости от содержания указанных элементов  можно получить сплавы с α+β- и  β-структурой.

Таким образом, по структуре  титановые сплавы условно делятся  на три группы: сплавы с α-, (α+β)- и  β-структурой.

В структуре каждой группы могут присутствовать интерметаллидные фазы.

Преимущество двухфазных (α+β)-сплавов – способность упрочняться  термической обработкой (закалкой и  старением), что позволяет получить существенный выигрыш в прочности и жаропрочности.

Механические и  физические свойства титана и титановых сплавов

Важнейшей особенностью титана как металла являются его  уникальные физико-химические свойства: низкая плотность, высокая прочность, твердость, жаропрочность, высокая коррозионная стойкость и др. Главное же, что эти свойства не меняются существенно при высоких температурах.

 Титан весьма  тугоплавкий металл. Долгое время  считалось, что он плавится  при 1800° С, однако в середине 50-х гг. английские ученые Диардорф  и Хейс установили температуру  плавления для чистого элементарного  титана. Она составила 1668±3° С.  По своей тугоплавкости титан  уступает лишь таким металлам, как вольфрам, тантал, ниобий, рений,  молибден, платиноиды, цирконий, а среди  основных конструкционных металлов он стоит на первом месте.

Модули упругости  титана невелики и обнаруживают существенную анизотропию. При измерении в  направлении оси с модуль Юнга равен 146 ГПа, а в перпендикулярном направлении – 106 Гпа. Для поликристаллического титана среднее значение модуля Юнга 103 ГПа. Небольшое значение модулей  упругости титана – существенный его недостаток, так как в некоторых  случаях для получения достаточно жестких конструкций приходится применять большие сечения изделий  по сравнению с теми, которые следуют  из условий прочности.

Титан–легкий металл, его плотность при 0° С составляет всего 4,517 г/см8, а при 100° С – 4,506 г/см3. Титан относится к группе металлов с удельной массой менее 5 г/см3. Сюда входят все щелочные металлы (натрий, кадий, литий, рубидий, цезий) с  удельной массой 0,9–1,5 г/см3, магний (1,7 г/см3), алюминий (2,7 г/см3) и др. Титан  более чем в 1,5 раза тяжелее алюминия, и в этом он, конечно, ему проигрывает, но зато в 1,5 раза легче железа (7,8 г/см3). Однако, занимая по удельной плотности  промежуточное положение между  алюминием и железом, титан по своим механическим свойствам во много раз их превосходит.

Каковы же эти  свойства, которые позволяют широко использовать титан как конструкционный  материал? Прежде всего прочность  металла, т. е. его способность сопротивляться разрушению, а также необратимому изменению формы (пластические деформации). Титан обладает значительной твердостью: он в 12 раз тверже алюминия, в 4 раза–железа  и меди. Еще одна важная характеристика металла – предел текучести. Чем  он выше тем лучше детали из этого  металла сопротивляются эксплуатационным нагрузкам. Предел текучести у титана почти в 18 раз выше, чем у алюминия. Удельная прочность сплавов титана может быть повышена в 1,5–2 раза. Его  высокие механические свойства хорошо сохраняются при температурах вплоть до нескольких сот градусов.

 Чистый титан  пригоден для любых видов обработки  в горячем и холодном состоянии:  его можно ковать, как железо, вытягивать и даже делать из  него проволоку, прокатывать в  листы, ленты, в фольгу толщиной  до 0,01 мм.

Титан обладает еще  одним удивительным свойством–«памятью». В сплаве с некоторыми металлами (например, с никелем, и особенно с никелкм и водородом) он «запоминает» форму изделия, которую из него сделали  при определенной температуре. Если такое изделие потом деформировать, например, свернуть в пружину, изогнуть, то оно останется в таком положении  на долгое время. После нагревания до той температуры, при которой  это изделие было сделано, оно  принимает первоначальную форму. Это  свойство титана широко используется в космической технике (на корабле  разворачиваются вынесенные в космическое  пространство большие антенны, до этого  компактно сложенные). Недавно это  свойство титана стали использовать медики для бескровных операций на сосудах: в больной, суженный сосуд  вводится проволочка из титанового сплава, а потом она, разогреваясь до температуры  тела, скручивается в первоначальную пружинку и расширяет сосуд.

Титан имеет довольно высокое удельное электросопротивление, которое в зависимости от содержания примесей колеблется от 42*10^-6 до 70*10^-6 Ом*см. Однако при температурах ниже 0.45 К титан становится сверхпроводником.

Титан обладает сравнительно низкой теплопроводностью, всего 22,07 Вт/(мК), что приблизительно в 3 раза ниже теплопроводности железа, в 7 раз–магния, в 17–20 раз–алюминия и меди. Соответственно и коэффициент  линейного термического расширения у титана ниже, чем у других конструкционных  материалов: при 20 С он в 1,5 раза ниже чем у железа, в 2 - у меди и почти  в 3 - у алюминия. Титан парамагнитный металл. Его магнитная восприимчивость очень слаба, это свойство можно использовать при строительстве, например, немагнитных кораблей, приборов, аппаратов.