Материалы для низких и криогенных температур: Энциклопедический справочник

Солнцев Ю.П., Ермаков Б.С., Слепцов О.И.

Химиздат, 2008 г.

ПРИМЕНЕНИЕ ТИТАНА И ЕГО СПЛАВОВ

Титановые сплавы являются перспективным конструкционным материалом для роторов криотурбогенераторов. Они немагнитны, обладают высокой прочностью и хорошей пластичностью в диапазоне температур 4,2-300 К, имеют низкий модуль упругости, низкие коэффициенты теплового расширения и теплопроводности.

Показано, что для всех исследованных сплавов с изменением температуры от 300 до 4,2 К прочностные свойства повышаются, а пластические, как правило, изменяются незначительно.

При исследовании малоцикловой усталости титановых сплавов для криогенной техники установлено, что с понижением температуры от 300 до 4,2 К статическая и циклическая прочность сплавов значительно возрастает. Понижение температуры в указанном интервале замедляет процессы циклической ползучести, протекающие в сплавах при пульсирующем нагружении, и вызывает повышение их сопротивляемости квазистатическому разрушению.

Исследование ползучести при низких температурах показало, что накопление деформации ползучести не происходит при напряжениях ниже предела текучести материала при данной температуре.

Важнейшими преимуществами титановых сплавов перед другими конструкционными материалами являются их высокая удельная прочность в сочетании с высокой коррозионной стойкостью. Кроме того, титан и его сплавы хорошо свариваются, парамагнитны и обладают некоторыми другими свойствами, имеющими важное значение в ряде отраслей техники. Перечисленные качества титановых сплавов открывают большие перспективы их применения в тех областях машиностроения, где требуется высокая удельная прочность и жаропрочность в сочетании с высокой коррозионной стойкостью. Это относится, в первую очередь, к таким отраслям техники, как авиастроение, ракетостроение, судостроение, химическое, пищевое и транспортное машиностроение.

Из сплавов титана делают обшивку фюзеляжа и крыльев сверхскоростных самолетов, панели и шпангоуты ракет, диски и лопатки турбин. Первым потребителем титана стала авиационная промышленность. Применение высокопрочных титановых сплавов для изготовления ряда узлов и деталей вместо алюминиевых позволило самолетам преодолеть звуковой барьер.

В самолете большинство стальных деталей могут быть заменены деталями из титана с выигрышем в массе на 30-35 %. Единственными недостатками титана по сравнению со сталью являются его более низкие модуль нормальной упругости и фрикционные свойства.

Титановые сплавы пригодны для изготовления планеров летательных аппаратов, имеющих скорость полета порядка 4000 км/ч. Из титана могут изготавливаться статоры и роторы двигателей, лонжероны, шпангоуты, детали шасси, что позволяет снизить их массу на 40 % по сравнению с массой стальных деталей.

Ракетостроение. С самого начала развития ракетно-космическая техника всех стран широко использует титановые сплавы. Сплав Ti-6A1-4V применен для изготовления баллонов высокого давления ракет США.

Титановые сплавы широко использовались в пилотируемых ракетных комплексах "Восток" и "Союз", беспилотных "Луна", "Марс", "Венера", а также в более поздних космических системах - "Энергия" и орбитальном корабле "Буран". Применение титана в этих конструкциях было весьма эффективно вследствие уменьшения массы, особенно в многоступенчатых ракетных конструкциях.

Основными объектами применения титана являются твердотопливные и жидкостные ракетные двигатели, обшивки, корпуса пороховых двигателей, трубчатые конструкции стыковки отсеков, агрегаты различного назначения, в частности газовые баллоны высокого давления, детали креплений и др.

В ракетно-космической и авиационной технике в настоящее время используется до 75-80 % от общего объема производства титана.

Благодаря высокой коррозионной стойкости в морской воде, хорошему сопротивлению эрозии и кавитации, титан и его сплавы относятся к материалам, практически идеально подходящим для строительства судов и морских сооружений.

Из титановых сплавов изготовляют обшивку судов, гребные винты, теплообменники и другую судовую аппаратуру. Как правило, используют низкопрочиые и среднепрочные сплавы, хорошо сваривающиеся всеми видами сварки и обладающие удовлетворительной технологической пластичностью. Существует специальная номенклатура титановых сплавов для судостроения, включающая сплавы ПТ-7М,ПТ-ЗВидр.

В первую очередь титановые сплавы нашли применение для оборудования подводных лодок. Еще в 1980-х гг. подводные лодки США класса "Sea Wolf были оснащены деталями и узлами из титановых сплавов. После военного конфликта в Персидском заливе принято решение о широком применении титана для строительства надводных кораблей ВМФ США. В Норвегии, США, Японии и России ведутся работы по использованию титановых сплавов для морских платформ, предназначенных для добычи нефти, газа и железомарганцевых конкреций со дна мирового океана.

В отечественной промышленности титановые сплавы применяются главным образом в химическом, тяжелом, энергетическом и транспортном машиностроении, машиностроении для легкой, пищевой промышленности и в бытовых приборах.

Стандартное оборудование в основном изготовляется заводами химического машиностроения. Номенклатура этих заводов достаточно широка и включает в себя запорную (вентили, шаровые краны), перекачивающую (насосы), емкостную и специальную аппаратуру.

Титан используется в медицине благодаря полной биологической совместимости с тканями человеческого организма. Титан не отторгается костной и мышечной тканями и легко обрастает ими. По своей биологической инертности он превосходит все известные коррозионностойкие стали и сплавы. Титан и его сплавы (например, ВТб и ВТ14) являются идеальным материалом для протезирования. Сочетание высокой удельной прочности и практически идеальной совместимости титана и его сплавов с тканями человеческого организма делает их наиболее перспективным материалом для изготовления протезов (замена костей), имплантатов, зубных металлоке-рамических коронок и каркасов мостовидных протезов, базисов съемных зубных протезов. В ортопедической хирургии титановые сплавы используют в качестве протезов плечевых, бедренных, коленных суставов, а также для соединения и сращивания переломов, Их применяют для изготовления сердечно-сосудистых клапанов и электронных стимуляторов.

На титановых изделиях методом анодного окисления можно образовывать слои оксидов различной толщины, изменяющие цвет их поверхности. Регулируя уровень напряжения и время обработки, можно получить темно-синий, светло-синий, желтый, розовый, бирюзовый, зеленый цвета. Отжиг титановых изделий в атмосфере азота или ионно-плазменная обработка позволяют формировать на поверхности стойкие нитриды титана золотых оттенков. Эта технология использована для реставрации памятников и изготовления крестов на восстанавливаемых церковных зданиях Санкт-Петербурга.

Широкое внедрение титановых сплавов пока сдерживается их сравнительно высокой стоимостью. Объясняется это высоким сродством титана ко многим элементам и прочностью химических связей в его природных соединениях. Совершенствование технологических процессов производства и широкие перспективы применения титановых сплавов в различных отраслях позволяют с уверенностью утверждать, что они станут важнейшими конструкционными материалами ближайшего будущего (рис. 4.1).

Титан успешно используется и как броневой материал. Масса конструкций из титанового сплава Ti-6%A1-4%V на 30-45% меньше массы конструкций из катаной броневой стали и алюминия.

Титановые сплавы обладают высокой хладостойкостью (их механические свойства при низких температурах существенно не меняются), что позволяет рекомендовать их заводам горного оборудования для использования в бурильных перфораторах, работающих на рудниках Крайнего Севера и Заполярья.