Титан и его сплавы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1.История происхождения

2.Нахождение в природе

3.Получение

4. Физические свойства

5.Химические свойства

6. Сплавы на основе титана

7.Классификация титана и его сплавов

8.Список литературы

Титан по распространенности в земной коре занимает среди конструкционных металлов четвертое место, уступая лишь алюминию, железу и магнию. Титан - металл IV группы периодической системы с атомным номером 22, атомной массой 47,3, относится к переходным элементам. Титан обладает удельным весом порядка 4500 кг/м3 и довольно высокой температурой плавления, ~1665± 5оС. Модуль упругости у титана низкий Е= 112 ГПа, почти в 2 раза меньше, чем у железа и никеля. Коэффициент теплопроводности составляет 18,85 Вт/(м·К), почти в 13 раз ниже, чем у алюминия и в 4 раза ниже, чем у железа. Имеет низкий коэффициент линейного термического расширения - 8,15 х 106 К-1 (50% от коэффициента расширения аустенитной нержавеющей стали). Титан обладает высоким удельным электросопротивлением.

1.История происхождения

Открытие TiO2 сделали практически одновременно и независимо друг от друга англичанин У. Грегор и немецкий химик М. Г. Клапрот. У. Грегор, исследуя состав магнитного железистого песка (Крид, Корнуолл, Англия, 1789), выделил новую «землю» (окись) неизвестного металла, которую назвал менакеновой. В 1795 г. немецкий химик Клапрот открыл в минерале рутиле новый элемент и назвал его титаном. Спустя два года Клапрот установил, что рутил и менакеновая земля -- окислы одного и того же элемента, за которым и осталось название «титан», предложенное Клапротом. Через 10 лет открытие титана состоялось в третий раз. Французский учёный Л. Воклен обнаружил титан в анатазе и доказал, что рутил и анатаз -- идентичные окислы титана.

Первый образец металлического титана получил в 1825 году Й. Я. Берцелиус. Из-за высокой химической активности титана и сложности его очистки чистый образец Ti получили голландцы А. ван Аркел и И. де Бур в 1925 годутермическим разложением паров иодида титана TiI4.

2. Нахождение в природе

Титан находится на 10-м месте по распространённости в природе. Содержание в земной коре 0,57 % по массе, в морской воде 0,001 мг/л[3]. В ультраосновных породах 300 г/т, в основных -- 9 кг/т, в кислых 2,3 кг/т, в глинах и сланцах 4,5 кг/т. В земной коре титан почти всегда четырёхвалентен и присутствует только в кислородных соединениях. В свободном виде не встречается. Титан в условиях выветривания и осаждения имеет геохимическое сродство с Al2O3. Он концентрируется в бокситах коры выветривания и в морских глинистых осадках. Перенос титана осуществляется в виде механических обломков минералов и в виде коллоидов. До 30 % TiO2 по весу накапливается в некоторых глинах. Минералы титана устойчивы к выветриванию и образуют крупные концентрации в россыпях. Известно более 100 минералов, содержащих титан. Важнейшие из них:рутил TiO2, ильменит FeTiO3, титаномагнетит FeTiO3 + Fe3O4, перовскит CaTiO3, титанит CaTiOSiO4. Различают коренные руды титана -- ильменит-титаномагнетитовые и россыпные -- рутил-ильменит-цирконовые.

Месторождения

Месторождения титана находятся на территории ЮАР, России, Украины, Китая, Японии, Австралии, Индии, Цейлоне, Бразилии, Южной Кореи[4].

3.Получение

Как правило, исходным материалом для производства титана и его соединений служит диоксид титана со сравнительно небольшим количеством примесей. В частности, это может быть рутиловый концентрат, получаемый при обогащении титановых руд. Однако запасы рутила в мире весьма ограничены, и чаще применяют так называемый синтетический рутил или титановый шлак, получаемые при переработке ильменитовых концентратов. Для получения титанового шлака ильменитовый концентрат восстанавливают в электродуговой печи, при этом железо отделяется в металлическую фазу (чугун), а невосстановленные оксиды титана и примесей образуют шлаковую фазу. Богатый шлак перерабатывают хлоридным или сернокислотным способом.

Концентрат титановых руд подвергают сернокислотной или пирометаллургической переработке. Продукт сернокислотной обработки -- порошок диоксида титана TiO2. Пирометаллургическим методом руду спекают с коксом и обрабатывают хлором, получая парытетрахлорида титана

TiCl4: TiO2 + 2C + 2Cl2 =TiCl4 + 2CO

Образующиеся пары TiCl4 при 850 °C восстанавливают магнием:

TiCl4+ 2Mg = 2MgCl2+ Ti

Полученную титановую «губку» переплавляют и очищают. Рафинируют титан иодидным способом или электролизом, выделяя Ti из TiCl4. Для получения титановых слитков применяют дуговую, электроннолучевую или плазменную переработку.

4.Физические свойства

Титан -- легкий серебристо-белый металл. Существует в двух кристаллических модификациях: ?-Ti с гексагональной плотноупакованной решёткой (a=2,951 A; с=4,679 A[9]; z=2; пространственная группа C6mmc), ?-Ti с кубической объёмноцентрированной упаковкой (a=3,269 A; z=2; пространственная группа Im3m), температура перехода ?-? 883 °C, ?H перехода 3,8 кДж/моль. Точка плавления 1660±20 °C, точка кипения 3260 °C, плотность ?-Ti и ?-Ti соответственно равна 4,505 (20 °C) и 4,32 (900 °C) г/см?[1], атомная плотность 5,71?1022 ат/см?[источник не указан 576 дней]. Пластичен, сваривается в инертной атмосфере. Удельное сопротивление 0,42 мкОм·м при 20 °C

Имеет высокую вязкость, при механической обработке склонен к налипанию на режущий инструмент, и поэтому требуется нанесение специальных покрытий на инструмент, различных смазок.

При обычной температуре покрывается защитной пассивирующей плёнкой оксида TiO2, благодаря этому коррозионностоек в большинстве сред (кроме щелочной).

Титановая пыль имеет свойство взрываться. Температура вспышки 400 °C.

5.Химические свойства

Устойчив к коррозии благодаря оксидной плёнке, но при измельчении в порошок, а также в тонкой стружке или проволоке титан пирофорен[10].

Титан устойчив к разбавленным растворам многих кислот и щелочей (кроме HF, H3PO4 и концентрированной H2SO4).

Легко реагирует даже со слабыми кислотами в присутствии комплексообразователей, например, с плавиковой кислотой HF он взаимодействует благодаря образованию комплексного аниона [TiF6]2?.

При нагревании на воздухе до 1200 °C Ti загорается с образованием оксидных фаз переменного состава TiOx. Из растворов солей титана осаждается гидроксид TiO(OH)2·xH2O, осторожным прокаливанием которого получают оксид TiO2. Гидроксид TiO(OH)2·xH2O и диоксид TiO2 амфотерны.

TiO2 взаимодействует с серной кислотой при длительном кипячении. При сплавлении с содой Na2CO3 или поташом K2CO3 оксид TiO2 образует титанат:

TiO2+K2CO3=K2TiO3+CO2.

При нагревании Ti взаимодействует с галогенами. Тетрахлорид титана TiCl4 при обычных условиях -- бесцветная жидкость, сильно дымящая на воздухе, что объясняется сильным гидролизом TiCl4 содержащимися в воздухе парами воды и образованием мельчайших капелек HCl и взвеси гидроксида титана.

Восстановлением TiCl4 водородом, алюминием, кремнием, другими сильными восстановителями, получен трихлорид и дихлорид титана TiCl3 и TiCl2 -- твёрдые вещества с сильно восстановительными свойствами. Ti взаимодействует с Br2 и I2.

С азотом N2 выше 400 °C титан образует нитрид TiNx(x=0,58-1,00). При взаимодействии титана с углеродом образуется карбид титана TiCx (x=0,49-1,00).

При нагревании Ti поглощает H2 с образованием соединения переменного состава TiHх (x=1,0). При нагревании эти гидриды разлагаются с выделением H2. Титан образуетсплавы со многими металлами.

6.Сплавы на основе титана

Титан - твердый металл: он в 12 раз тверже алюминия, в 4 раза - железа и меди. Титан химически стоек. На поверхности титана легко образуется стойкая оксидная пленка TiO2, вследствие чего он обладает высокой сопротивляемостью коррозии в пресной и морской воде и в некоторых кислотах, устойчив против коррозии под напряжением. Во влажном воздухе, в морской воде и азотной кислоте он противостоит коррозии не хуже нержавеющей стали, а в соляной кислоте во много раз лучше ее. При температурах выше 500°С титан и его сплавы легко окисляются и поглощают водород, который вызывает охрупчивание (водородная хрупкость).

Титан имеет две полиморфные модификации:

· · низкотемпературную модификацию a -Ti, устойчивую до 882°С, (ГП - решетка а = 0,296 нм, с = 0,472 нм)

· · высокотемпературную b -Ti, устойчивую выше 882оС (ОЦК решетка а= 0,332 нм).

На механические свойства титана значительно влияют примеси кислорода, водорода, углерода и азота, которые образуют с титаном твердые растворы внедрения и промежуточные фазы: оксиды, гидриды, карбиды и нитриды, повышая его характеристики прочности при одновременном снижении пластичности. Поэтому содержание этих примесей в титане ограничено сотыми и даже тысячными долями процента. Опасность водородной хрупкости, особенно в напряженных сварных конструкциях ограничивает содержание водорода. В техническом титане оно находится в пределах 0,008 - 0,012%.

Титан обладает высокой прочностью и удельной прочностью и в условиях глубокого холода, сохраняя при этом достаточную пластичность.

Сплавы на основе титана

Для получения сплавов титан легируют Al, Mo, V, Mn, Cr, Sn, Fe, Zr, Nb. Титан легируют для улучшения механических свойств, реже -- для повышения коррозионной стойкости. Удельная прочность (sв/r) титановых сплавов выше, чем легированных сталей.

Все легирующие элементы по влиянию на полиморфизм титана подразделяются на три группы:

1. a -стабилизаторы -- элементы, повышающие Тпп титана (Рис. 5.13 а). Из металлов к числу a -стабилизаторов относятся Al, Ga, In, из неметаллов -- C, N, O.

2. b -стабилизаторы --элементы, понижающие Тпп титана. Их можно разбить на три подгруппы. В сплавах титана с элементами 1 подгруппы при достаточно низкой температуре происходит эвтектоидный распад b -фазы b a a +g (Рис. 5.13 б); к их числу относятся Si, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, называемые эвтектоидообразующими b -стабилизаторами.

Рисунок 5.13. Влияние легирующих элементов на температуру полиморфного превращения титана

В сплавах титана с элементами 2 подгруппы b -раствор сохраняется до комнатной температуры. К числу этих элементов принадлежат V, Mo, Nb, Ta. Поскольку они образуют непрерывные твердые растворы с b -титаном, их назвали изоморфными b - стабилизаторами.

В сплавах 3 подгруппы равновесная b - фаза также стабилизируется при комнатной температуре, но непрерывных твердых b - растворов не образуется. К элементам этой подгруппы относятся Re, Ru, родий Rh, осмий, иридий, которые в области, богатой титаном, дают с ним такую же диаграмму состояния, как и изоморфные b -стабилизаторы (см. Рис. 3). Их можно назвать квазиизоморфными b - стабилизаторами.

3. Третья группа представлена легирующими элементами, мало влияющими на Тпп титана. Это олово, цирконий, германий, гафний и торий, которые называют нейтральными упрочнителями.

Почти все промышленные титановые сплавы содержат алюминий.

титан сплав полиморфный

7.Классификация титана и его сплавов

Технический титан и его сплавы получают из титановой губки. Титановая губка -- это пористое серое вещество с насыпной массой 1,5--2,0 г/см3 и очень высокой вязкостью.

В зависимости от содержания примесей технический титан подразделяют на несколько сортов: ВТ1-00 (99,53% Ti), ВТ1-0 (99,48 % Ti) и ВТ1-1 (99,44 % Ti).

Принятая в настоящее время классификация титановых сплавов основана на структуре, которая формируется при отжиге по промышленным режимам. Она включает:

1. a -сплавы, структура которых представлена a -фазой.

2. Псевдо- a -сплавы, структура которых представлена a - фазой и небольшим количеством b -фазы (не более 5%) или интерметаллидов.

3. (a +b ) -сплавы, структура которых представлена a - и b -фазами; сплавы этого типа также могут содержать интерметаллиды.

4. Псевдо-b -сплавы со структурой в отожженном состоянии, представленной a -фазой и большим количеством b -фазы; в этих сплавах закалкой или нормализацией из b -области можно легко получить однофазную b -структуру.

5. b -сплавы, структура которых представлена термически стабильной b -фазой.

6. Сплавы на основе интерметаллидов.

Общая характеристика титановых сплавов

Практически все титановые сплавы, за редким исключением, легируют алюминием, который имеет следующие преимущества перед остальными легирующими компонентами:

а) широко доступен и сравнительно дешев;

б) плотность алюминия значительно меньше плотности титана, поэтому введение алюминия повышает удельную прочность сплавов;

в) алюминий эффективно упрочняет a -, (a +b )- и b - сплавы при сохранении удовлетворительной пластичности;

г) с увеличением содержания алюминия повышается жаропрочность сплавов;

д) алюминий повышает модули упругости;

е) с увеличением содержания алюминия в сплавах уменьшается их склонность к водородной хрупкости.

Однако с увеличением содержания алюминия повышается чувствительность титановых сплавов к солевой коррозии, а также уменьшается их технологическая пластичность. Поэтому если есть опасность контакта сплавов с поваренной солью при работе в интервале температур 250--550°С или необходима высокая технологическая пластичность, содержание алюминия в титановых сплавах следует ограничивать.

Титановые a -сплавы, помимо Al, легируют нейтральными упрочнителями (Sn и Zr). Весьма ценным свойством a -сплавов титана является их хорошая свариваемость; эти сплавы даже при значительном содержании алюминия однофазны, поэтому не возникает охрупчивания шва и околошовной зоны.

К недостаткам a -сплавов относится их сравнительно невысокая прочность, сплавы этого класса термически не упрочняются. При содержании более 6% (по массе) Al технологическая пластичность сплавов невелика. С увеличением содержания алюминия повышаются рабочие температуры титановых a -сплавов. Однако при этом возникает опасность их охрупчивания в результате выделения фазы a 2. Сплавы этого класса, хотя и в меньшей степени, чем титан, склонны к водородной хрупкости.

Сплав ВТ5, содержащий 5%Al отличается более высокими прочностными свойствами по сравнению с титаном, но его технологичность невелика. Применяются для деталей, работающих при температурах до 400°С.

Сплав ВТ5-1, относящийся к системе Ti--Al-- Sn более технологичный, чем BT5 и предназначен для изготовления изделий, работающих в широком интервале температур: от криогенных до 450°С.

Дисперсионно твердеющие a -сплавы представлены английским сплавом Ti+2%Cu. В отожженном и закаленном состоянии сплав малопрочен и пластичен и имеет такую же технологичность, как и технический титан. При старении сплав упрочняется на 30--50% за счет дисперсионного твердения и приобретает sВ=750--800 МПа. Из сплава Ti+2%Cu в Англии изготовляют листы и полосы. Этот сплав сваривается, причем пластичность сварного соединения практически такая же, как у основного металла.

В псевдо-a -сплавы для повышения прочности и жаропрочности при сохранении достаточной технологичности и свариваемости наряду с алюминием следует вводить b -стабилизаторы. Псевдо-a -сплавы при одинаковой с a -сплавами пластичности обладают на 10--20% более высокой прочностью, что обусловлено существенным измельчением зерна при переходе от a - к (a +b ) -структуре. При комнатной температуре псевдо-a -сплавы отличаются более высокой технологической пластичностью по сравнению с a -сплавами.

Псевдо-a -сплавы отличаются высокой термической стабильностью, хорошей свариваемостью. Существенный недостаток псевдо-a -сплавов -- их высокая склонность к водородной хрупкости.

Эту группу представляют сплавы системы Ti--Al--Mn (ОТ4-0; ОТ4-1; ОТ4; ВТ4; ОТ4-2), обладают высокой технологической пластичностью. Сплавы хорошо свариваются всеми видами сварки. Недостатки этих сплавов: а) сравнительно невысокая прочность и жаропрочность; б) большая склонность к водородной хрупкости. С повышением содержания алюминия и марганца в этой серии сплавов прочность их возрастает, а пластичность и технологичность ухудшаются.

К этой группе принадлежат также сплавы ВТ20, ВТ18.

Сплав ВТ20 разрабатывали как более прочный и жаропрочный листовой сплав по сравнению с ВТ5-1. Упрочнение сплава ВТ20 обусловлено его легированием, помимо алюминия, цирконием и небольшими количествами молибдена и ванадия. Технологическая пластичность сплава ВТ20 невысока из-за большого содержания алюминия. Сплав предназначен для изготовления изделий, работающих длительно при температурах до 500°С.

Сплав ВТ18 относится к наиболее жаропрочным титановым сплавам; он может длительно работать при температурах 550--600°С. Высокая жаропрочность сплава обусловлена большим содержанием в нем алюминия и циркония. Однако, в отличие от других псевдо-a -сплавов сплав ВТ18 плохо сваривается.

Большинство a - и псевдо-a -сплавов применяют в отожженном состоянии.

Наиболее благоприятным сочетанием всех свойств отличаются двухфазные сплавы, состоящие из a +b - фаз. Эти сплавы характеризуются лучшей технологической пластичностью в отожженном состоянии по сравнению с a -сплавами, высокой прочностью, способностью к термическому упрочнению закалкой и старением, меньшей склонностью к водородной хрупкости по сравнению с a и псевдо-a сплавами.

В отличие от a - и псевдо-a -сплавов a +b сплавы существенно упрочняются в результате закалки и старения.

Механические свойства отожженных (a +b )-сплавов существенно зависят от характера микроструктуры. Наибольшие различия наблюдаются для сплавов с зернистой и пластинчатой структурой. Для сплавов с зернистой структурой характерны высокая циклическая прочность, пластичность, технологичность.

Сплавы с пластинчатой структурой отличаются высокой вязкостью разрушения, ударной вязкостью, жаропрочностью при пониженных характеристиках пластичности и циклической прочности. Высокая вязкость разрушения титановых сплавов с такой структурой обусловлена сильным ветвлением трещин при их распространении.

Классическим примером таких сплавов является ВТ6 (Ti-6%Al-4%V) ВТ14 - Ti - 5Al - 1V - 3Mo и ВТ16 - Ti -2,5Al -5V - 5Mo). Их применяют в отожженном и термически упрочненном состоянии. К этой же группе принадлежат ВТ22 (Ti - 5Al - 5V - 5Mo - 1Fe - 1Cr) и новый сплав ВТ23 - Ti--4,5Al--4,5V--2Mo--1Cr--0,6Fe. Это среднелегированный (a +b)-сплав мартенситного класса.

Сплав этой группы ВТ8 (Ti - 6,5Al - 3,3Mo - 0,3Si - 0,5Zr) легирован молибденом, алюминием и небольшими количествами кремния, его структура в отожженном состоянии представлена a -фазой, b -фазой (10%) и небольшим количеством дисперсных силицидов. Сплав ВТ8 обладает высокой термической стабильностью; удовлетворительной пластичностью, но плохо сваривается, недостаточно технологичен. Сплав применяют в отожженном и термически упрочненном состоянии при температурах до 450-- 500°С.

Сплав ВТ9 в отличие от ВТ8 дополнительно легирован цирконием (1,6Zr). Введение циркония в сплавы системы Ti--Al--Mo--Si приводит к повышению прочности почти без снижения пластичности при сохранении достаточно высокой термической стабильности. Ввиду благоприятного влияния циркония и высокого содержания алюминия сплав ВТ9 более жаропрочен, чем другие титановые (a +b ) сплавы. Сплав может работать до 500--550°С.

Псевдо-b -сплавы относятся к высоколегированным титановым сплавам, в которых суммарное .содержание легирующих элементов доходит до 20% и более. Хотя при закалке из b -области в этих сплавах фиксируется только b -фаза, она термически нестабильна и при старении распадается с выделением дисперсной a -фазы.

К преимуществам псевдо-b -сплавов относятся:

1. Высокая технологическая пластичность в закаленном состоянии. Это связано с тем, что b -фаза с ОЦК. решеткой по своей природе более пластична, чем гексагональная a -фаза.

2. Большой эффект термического упрочнения, что связано с большим пересыщением закаленной b -фазы. Распад пересыщенной b -фазы при старении обеспечивает повышение прочности сплавов в 1,5--1,7 раза.

3. Малая склонность к водородной хрупкости.

Недостатки псевдо b -сплавов:

а) невысокая термическая стабильность, в результате чего их нельзя применять для длительной работы при температурах выше 350°С;

б) неудовлетворительная свариваемость;

в) большой разброс механических свойств, вызванный химической неоднородностью сплавов в связи с высокой степенью их легирования и большой чувствительностью процесса старения к содержанию примесей внедрения;

г) сравнительно высокая плотность (5--5,1 г/см3).

Разработанные к настоящему времени псевдо-b -титановые сплавы можно разделить на две группы: а) легированные алюминием, b -стабилизаторами, а в некоторых случаях и нейтральными упрочнителями; б) легированные b -стабилизаторами и нейтральными упрочнителями.

Псевдо-b -сплав ВТ15 содержит 3-4% Al; 7- 8% Mo и 10-11,5%Cr. В закаленном состоянии сплав ВТ15 отличается невысокой прочностью, большой пластичностью (s в = 880--1000 МПа; d =12-20%) и хорошо штампуется. Затем сплав термически упрочняют старением. При старении из пересыщенного b -раствора выделяются дисперсные частицы a -фазы, которые и обеспечивают упрочнение. После закалки и старения временное сопротивление разрыву составляет 1300-1500 МПа при удлинении около 6%.

Свариваемость этих сплавов затрудняет бурный рост зерна в b -области. По указанным причинам псевдо-b -сплавы первой группы применяют ограниченно.

Сплав ВТ30 (Ti - 11Mo - 5,5Zr - 4,5Sn). Сплав ВТ30 обладает высокой технологической пластичностью в закаленном состоянии, в котором хорошо поддается холодной обработке давлением. Сплав закаливают с температуры 800°С, а затем подвергают старению при 530°С. Отличительная его особенность -- большая разница в прочностных свойствах в закаленном состоянии и после старения: временное сопротивление разрыву составляет 650--750 МПа после закалки, а после старения достигает 1400--1600 МПа.

В нашей стране в полупромышленном масштабе производят b -сплав 4201 (Ti+33%Мо), отличающийся высокой коррозионной стойкостью. В ряде областей применения он может заменять тантал, коррозионно-стойкие никелевые сплавы и даже золото и платину. Сплав отличается высокой технологической пластичностью, хорошо сваривается всеми видами сварки.

Титановые b - сплавы с термодинамически устойчивой b - фазой можно получить лишь на основе таких систем, в которых легирующие элементы имеют о.ц.к. решетку при комнатной температуре и образуют с b -титаном непрерывный ряд твердых растворов. К таким элементам принадлежат ванадий, молибден, ниобий и тантал. Однако стабильные b - фазы в этих сплавах образуются при таких высоких концентрациях компонентов, что титановые сплавы теряют основное их преимущество, а именно сравнительно малую плотность. Поэтому титановые сплавы со стабильной b - фазой не получили широкого промышленного применения.

Список литературы

1. Фрагмент справочника "Металлы и сплавы - марки и химический состав"

2. "Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов" Б.А. Колачев, В.А.Ливанов,В.И.Елагин

3. "Металлургия цветных металлов" Н.И. Уткин

4. Металлография титана, под ред. С. Г. Глазунова и Б. А. Колачева, М., 1980

Размещено на Allbest.ru