Сплавы титана в судостроении

Общая характеристика и механические свойства титана как металла. Оценка главных преимуществ и недостатков титановых сплавов, сферы их практического применения и значение в кораблестроении. Батискаф "Алвин": история проектирования и построения, проблемы.

Рубрика Производство и технологии
Вид реферат
Язык русский
Дата добавления 19.05.2015
Размер файла 161,2 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Сплавы титана в судостроении

Вступление

Оксид титана TiO2 впервые был обнаружен в 1789 году У. Грегором, который при исследовании магнитного железистого песка выделил окись неизвестного металла, назвав ее менакеновой. Первый образец металлического титана получил в 1825 году Й.Я. Берцелиус.

Титан (Ti) (Titanium) - химический элемент с порядковым номером 22, атомный вес 47,88, легкий серебристо-белый металл. Плотность 4,51 г./см3, tпл.=1668+(-) 5°С, tкип.=3260°С. Для технического титана марок ВТ1-00 и ВТ1-0 плотность приблизительно 4,32 г./см3. Титан и титановые сплавы сочетают легкость, прочность, высокую коррозийную стойкость, низкий коэффициент теплового расширения, возможность работы в широком диапазоне температур.

1. Свойства титана

В периодической системе элементов Д.И. Менделеева титан расположен в IV группе 4-го периода под номером 22. В важнейших и наиболее устойчивых соединениях он четырехвалентен. По внешнему виду похож на сталь. Титан относится к переходным элементам. Данный металл плавится при довольно высокой температуре (1668±4°С) и кипит при 3300°С, скрытая теплота плавления и испарения титана почти в два раза больше, чем у железа. 

Известны две аллотропические модификации титана. Низкотемпературная альфа-модификация, существующая до 882,5° С и высокотемпературная бетта-модификация, устойчивая от 882,5°С до температуры плавления. 

По плотности и удельной теплоемкости титан занимает промежуточное место между двумя основными конструкционными металлами: алюминием и железом. Стоит также отметить, что его механическая прочность примерно вдвое больше, чем чистого железа, и почти в шесть раз выше, чем алюминия. Но титан может активно поглощать кислород, азот и водород, которые резко снижают пластические свойства металла. С углеродом титан образует тугоплавкие карбиды, обладающие высокой твердостью. 

Титан обладает низкой теплопроводностью, которая в 13 раз меньше теплопроводности алюминия и в 4 раза - железа. Коэффициент термического расширения при комнатной температуре сравнительно мал, с повышением температуры он возрастает. 

Модули упругости титана невелики и обнаруживают существенную анизотропию. С повышеиием температуры до 350°С модули упругости уменьшаются почти по линейному закону. Небольшое значение модулей упругости титана - существенный его недостаток, т.к. в некоторых случаях для получения достаточно жестких конструкций приходится применять большие сечення изделий по сравнению с теми, которые следуют из условий прочности. 

Титан имеет довольно высокое удельное электросопротивление, которое в зависимости от содержания примесей колеблется в пределах от 42·10-8 до 80·10-6Ом·см. При температурах ниже 0,45 К он становится сверхпроводником. 

Титан - парамагнитный металл. У парамагнитных веществ магнитная восприимчивость при нагревании обычно уменьшается. Титан составляет исключение из этого правила - его восприимчивость существенно увеличивается с температурой.

2. Механические характеристики титана

Механические свойства технического титана зависят от содержания примесей, особенно кислорода, азота и водорода. Повышение содержания кислорода на 0,05% приводит к росту предела прочности примерно на 60 МПа, а повышение на 0,05% содержания азота - на 125 МПа. Несмотря на увеличение прочности титана, эти элементы относят к вредным примесям, поскольку превышение их содержания свыше установленных стандартами пределов приводит к резкой потере пластичности, повышает чувствительность металла к надрезам и охрупчиванию.

Технически чистый титан обладает удовлетворительными технологическими свойствами. Он может подвергаться деформированию в холодном и нагретом состоянии, прокатке, прессованию, штамповке, литью. Прокаткой и прессованием из него изготовляют все виды проката и профилей. Технический титан режут газом и сваривают. Сварку ведут в среде защитных газов-аргона или гелия, а также в вакууме. При длительном воздействии высокой температуры во время ковки, прокатки и газовой резки на воздухе на поверхности изделий из титана и титановых сплавов образуется газонасыщенный слой, состоящий из хрупких окислов. Этот слой во всех случаях должен быть удален химической очисткой или механической обработкой - фрезерованием или строжкой, которые следует выполнять на пониженных скоростях, применяя интенсивное охлаждение. Это сопряжено с нагревом инструмента в связи с низкой теплопроводностью титана.

По механическим характеристикам относятся к пластичным сплавам с низкой и средней прочностью.

Титановые сплавы б + в относятся к группе высокопрочных термически упрочняемых сплавов. Для фиксации в-фазы при комнатной температуре в них вводят стабилизирующие элементы, такие как железо, марганец, хром, молибден, ванадий, ниобий и тантал. Лучшими стабилизирующими свойствами обладают железо, хром, марганец. К сплавам этой группы относятся сплавы марок ВТЗ-1, ВТ6, ВТ14, ВТ22. По механическим характеристикам они относятся к группе конструкционных сплавов с повышенной прочностью. Сплав ВТЗ-1 известен как жаропрочный сплав, предназначенный для изготовления деталей паровых турбин и деталей тяжело нагруженных конструкций. Из него выполняются все виды проката, поковки и штамповки. Он хорошо сваривается и удовлетворительно обрабатывается резанием.

Сплавы типа ВТ6 обладают хорошим комплексом прочностных и технологических свойств. Из них изготовляют все виды проката, поковки и штамповки. Они свариваются, но требуют отжига для восстановления пластических свойств зоны шва. Сплавы удовлетворительно обрабатываются, резанием. Находят применение в транспортном машиностроении и судостроении в отожженном и термически обработанном состоянии.

Сплав ВТ 14 обладает высокой технологичностью в закаленном состоянии. Из сплава выполняют все виды проката, поковки и штамповки. Сплав хорошо деформируется в холодном состоянии, что позволяет из него прокатывать ленту и фольгу, удовлетворительно сваривается. Используется для изготовления нагруженных деталей, работающих при температурах до 673 К.

Сплав ВТ22 обладает высокой прочностью в отожженном состоянии. Используется для изготовления крупногабаритных изделий. Поставляется в виде проката, поковок и штамповок.

В последнее время получают широкое распространение в-титановые сплавы. Они обладают высокой технологической пластичностью в закаленном состоянии, что обеспечивает им хорошую обрабатываемость давлением. Типичным представителем в-титановых сплавов является сплав ВТ15. Он после закалки и старения имеет предел прочности до 1600 МПа при 8%-м относительном удлинении. Однако сплавы этой группы имеют невысокую термическую стабильность и склонность к росту зерна, что затрудняет их сварку.

Титановые сплавы обладают высокой жидкотекучестью. Они позволяют получать плотные отливки. Для фасонного литья используются технический титан и титановые сплавы марок ВТ5Л, ВТЗ-1 Л, ВТ14Л (табл. 8.7). Основные трудности производства фасонных отливок обусловлены взаимодействием титана с формовочными и огнеупорными материалами, а также с газами. Из всех литейных сплавов наибольшее распространение получил сплав ВТ5Л.

3. Преимущество титанового сплава

Титан почти вдвое легче железа и в полтора раза тяжелее алюминия. Плотность титана составляет 4,5 г/см3. Использование титановых сплавов, обладающих высокой прочностью, в конструкциях судов и летательных аппаратов позволяет снизить их массу и, следовательно, улучшить тактико-технические данные.

Коррозионная стойкость титана в морской атмосфере и воде, а также в других агрессивных средах делает его незаменимым материалом в судостроении. Высокая коррозионная стойкость титана связана с его химической активностью. Находясь на воздухе, даже при обычной температуре, он стремится вступить в реакцию с кислородом, азотом и другими элементами. В результате интенсивного окисления на поверхности металла образуется тончайшая прочная пленка двуокиси титана, которая предохраняет его от разрушения вследствие коррозии, эрозии и кавитации. При нарушении целостности защитной пленки она самовосстанавливается. Благодаря защитной пленке титан не разрушается даже в азотной и хромовой кислотах, стоек в среде влажного хлора, в щелочах и расплаве ряда металлов. На него не действуют слабые растворы серной и соляной кислот, но при контакте с плавиковой, фосфорной, концентрированными серной и соляной кислотами он интенсивно корродирует из-за разрушения защитной окисной пленки.

Титан не магнитен, что позволяет использовать его сплавы для изготовления немагнитных корпусов изделий. Титан и титановые сплавы обладают высокой температурой плавления (1933 К) и жаростойкостью. Они сохраняют свои прочностные характеристики при длительной работе при температурах 573 - 773 К, а при кратковременном воздействии - до 873-1073 К Это позволяет использовать их в энергетических установках и конструкциях, а также в трубопроводах для транспортирования сред с высокой температурой.

Большинство титановых сплавов являются хладостойкими. Они без заметного изменения прочностных и пластических свойств работают при отрицательных температурах. Благодаря этому титановые сплавы используются в криогенной технике и для изготовления конструкций, работающих в условиях Крайнего Севера.

Активное взаимодействие титана с кислородом, азотом, водородом и другими газами воздуха долгое время служило препятствием для получения титана из руд. С освоением вакуумной технологии обеспечено промышленное получение титана.

В промышленности для производства сплавов и как конструкционный материал широко используется технически чистый титан. Он содержит до 1% примесей, неизбежно попадающих в расплав в процессе металлургического производства. Технически чистый титан относится к пластичным конструкционным материалам низкой прочности. Различные марки технического титана обладают практически одинаковыми физическими свойствами: низкими коэффициентом теплопроводности, коэффициентом линейного расширения и модулем нормальной упругости

4. Недостатки титанового сплава

К недостаткам технического титана и титановых сплавов следует отнести склонность их к ползучести при комнатных температурах. Это явление начинает наблюдаться при напряжениях свыше 50-60% условного предела текучести сплава. Однако легированием металла склонность к ползучести может быть значительно снижена.

Наибольшим недостатком титана и титановых сплавов является их высокая стоимость. Так, стоимость 1 т листов колеблется от 4 до 7 тыс. руб., профилей - от 10 до 16 тыс. руб., труб - свыше 10 тыс. руб.

Все промышленные титановые сплавы по типу структуры являются твердыми растворами на основе одной из двух аллотропических модификаций титана - б-титана с г. п. у. решеткой или в-титана с о. ц. к. решеткой. Температура аллотропических превращений зависит от степени чистоты титана и степени легирования сплава. В зависимости от легирующих элементов и их содержания могут образовываться три группы сплавов: б-; (б+в)-; в-титановые сплавы. В промышленной практике большое распространение получили ct-титановые сплавы. К ним могут быть отнесены сплавы марок 0Т4-0, 0Т4-1, 0Т4, ВТ5-1 (табл. 8.6). Основным легирующим элементом в сплавах этой группы является алюминий. С повышением его содержания хотя и повышается прочность, но снижаются пластические свойства сплавов. Сплавы б-титановой группы термически неупрочняемые, термически стабильные до температур 673-773 К. Они хорошо свариваются, позволяют осуществлять горячее деформирование, ковку, прокатку, прессование и штамповку. Поставляются в виде прутков, профилей, труб, поковок и штамповок.

Титан пожароопасен, а титановая пыль, находящаяся в воздухе во взвешенном состоянии, взрывоопасна. Тонкие стружки и мелкие частицы титана горят подобно магнию, а покрытые маслом мелкие частицы способны к самовозгоранию. Обычные средства огнетушения (вода, пена, газ) для борьбы с горением титана непригодны. Титан можно тушить сухим мелким песком.

5. Применение титана в судостроении

Широко используются титановые сплавы в морском судостроении. Исключительная стойкость титана и его сплавов при воздействии морской воды делает их незаменимыми материалами для обшивки судов, производства деталей насосов, трубопроводов и для других целей морского судостроения.

Главные свойства титана, которые открывают ему большие перспективы в морском судостроении, - это малая плотность, феноменальная коррозионная стойкость металла в морской воде, стойкость к эрозии и кавитации.

Малая плотность позволяет снижать массу корабля, что повышает его маневренность и дальность хода. Обшитые листами титана корпуса судов никогда не потребуют окраски, так как они десятилетиями не ржавеют и не разрушаются в морской воде. Эрозионная и навигационная стойкость позволят не бояться больших скоростей в морской воде: взвешенные в ней мириады песчинок не повредят титановым рулям, винтам, корпусу. Из титановых сплавов можно изготовлять валы, распорки, опоры, части якоря, выхлопные глушители подлодок. Глушители из титана значительно экономичнее, долговечнее, прочнее медно-никелевых. На подводных лодках титан используется для изготовления различных деталей палубной арматуры, антенн, приборов, рукояток, постоянно погруженных в морскую воду. Они способны служить вечно, не требуя покрасок и ремонтов. Из титана можно сделать и корпуса подводных лодок сверхглубокого погружения (до 6 км).

Кроме того, слабые магнитные свойства титана и его сплавов позволяют применять их для создания самых разнообразных навигационных приборов, устранять девиацию, т.е. влияние металлических частей корабля на навигационные приборы, уменьшать опасность подрыва на магнитных минах. Не исключена возможность создания из титановых сплавов так называемых немагнитных кораблей, крайне необходимых для геолого-геофизических исследований в открытых океанах.

Наибольшие перспективы в судостроении имеет применение титана в производстве конденсаторных труб, турбинных двигателей и паровых котлов. Увеличение размеров кораблей требует резкого повышения мощности двигателей и размеров котлов. Загрязнение последних в процессе эксплуатации приводит к замедлению скорости хода или даже к полной остановке судна. Применение конденсаторов из титана практически снимает проблему очистки котлов. Так, на одном из японских танкеров водоизмещением 164 тыс. т титановый конденсатор после эффективной эксплуатации в течение почти 5 тыс. ч не обнаружил ни следов коррозии и загрязнения, ни изменений в микроструктуре металла и его механических свойств.

Перспективной областью применения сплавов титана является глубокое и сверхглубокое бурение. Сейчас, как известно, человечество для добычи подземных богатств и для изучения глубоких слоев земной коры проникает на очень большие глубины. Согласно проекту «Верхняя мантия Земли» необходимо будет пройти несколько сверхглубоких скважин на глубину 15-20 тыс. м. Как достичь таких глубин? Ведь обычные буровые трубы будут рваться под собственном силой тяжести уже на глубине нескольких тысяч метров! Ясно, что эти трубы нужно делать только из высокопрочных сплавов на основе титана. Благодаря применению таких труб скважины могут быть пройдены до глубин 20 и 30 км.

6. Батискаф «Алвин»

титан сплав кораблестроение батискаф

Серьезно обсуждаются проблемы строительства из титана обитаемых батискафов и батисфер для исследования морских глубин. Американские специалисты создали обитаемый батискаф «Алвин» с титановой оболочкой, который может исследовать глубины океана до 4 км. Действительно, титан с его высочайшей коррозионной стойкостью и способностью выдерживать огромные давления и нагрузки - наилучший материал для создания глубоководных аппаратов.

Рисунок 3.1 - глубоководный аппаратов «Алвин»

5 июня 1964 года, был введен в эксплуатацию один из самых старых пилотируемых глубоководных аппаратов «Алвин» (DSV-2 Alvin, Deep-Submergence Vehicle - аппарат глубокого погружения). В ходе эксплуатации корабля в глубинах океана был совершен ряд открытий. В настоящее время только пять стран - Франция, США, Россия, Япония и Китай - владеют технологиями глубоководных исследований.

«Алвин» вмещает до трех человек, которые могут до десяти часов находиться под водой на глубине до 4,5 километров. Вес устройства достигает 17 тонн, длина корабля равна 7,1 метра, масса полезной нагрузки не может превышать 680 килограммов, ее размеры ограничены диаметром входного люка, равным 48,2 сантиметра. Полная подводная скорость судна может достигать двух узлов.

Среди его достижений значатся и исследование «Титаника», и зондирование первых открытых гидротермальных источников.

В 2004 году при помощи «Элвина» группа учёных обнаружила 38 мельчайших морских блюдечек, которые обычно встречаются у гидротермальных источников, в образцах, взятых за сотни километров от них.

Список использованной литературы

1. http://metallurgu.ru/books/item/f00/s00/z0000004/st011.shtml

2. http://www.metotech.ru/art_titan_2.htm

3. http://scientificrussia.ru/articles/submersible

4. http://melita.com.ua/titan.html

5. http://metall-sklad.ru/spravka/primenenie-titana

Размещено на Allbest.ru


Подобные документы

  • Титан и его распространенность в земной коре. История происхождения титана и его нахождение в природе. Сплавы на основе титана. Влияние легирующих элементов на температуру полиморфного превращения титана. Классификация титана и его основных сплавов.

    реферат [46,4 K], добавлен 29.09.2011

  • Содержание титана в земной коре. Состав титановых концентратов, полученных из титановых руд, находящихся на территории Казахстана. Современная технология получения титанового шлака и металлического титана. Особенности очистки четырёххлористого титана.

    реферат [4,8 M], добавлен 11.03.2015

  • Рассмотрение основных факторов, влияющих на технологические свойства титана и его сплавов. Определение свойств титановых сплавов. Оценка свойств материала для добычи нефти и газа на шельфе. Изучение практики использования в нефтегазовой промышленности.

    реферат [146,1 K], добавлен 02.04.2018

  • Обоснование применения новых полуфабрикатов из титановых сплавов, как наиболее перспективных конструкционных материалов в области стационарной атомной энергетики. Опыт применения титана и его сплавов для конденсаторов отечественных и зарубежных АЭС.

    дипломная работа [11,7 M], добавлен 08.01.2011

  • Процесс получения титана из руды. Свойства титана и область его применения. Несовершенства кристаллического строения реальных металлов, как это отражается на их свойствах. Термическая обработка металлов и сплавов - основной упрочняющий вид обработки.

    контрольная работа [2,3 M], добавлен 19.01.2011

  • Характеристика и механические свойства титана. Исследование влияния вспомогательных компонентов на свойства титанового сплава. Технологические аспекты плавки, определение типа плавильного агрегата. Термическая обработка: отжиг, закалка, старение.

    реферат [1,6 M], добавлен 17.01.2014

  • Устройство работы доменной печи. Технология производства титана. Свойства титана и область его применения. Углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества. Назначение и область применения станков строгальной группы. Лакокрасочные материалы.

    контрольная работа [202,6 K], добавлен 14.03.2014

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.