Jauni titāna un titāna sakausējumu procesi, tehnoloģijas un pielietojumi

1. Augsta izturība. Titāna sakausējumiem ir ļoti augsta izturība, un to stiepes izturība ir 686 - 1176 MPa, savukārt to blīvums ir tikai aptuveni 60% no tērauda blīvuma, tāpēc to īpatnējā izturība ir ļoti augsta.

2. Augsta cietība. Titāna sakausējumu cietība (atkausētais stāvoklis) ir HRC 32 - 38.

3. Zems elastības modulis. Titāna sakausējumu elastības modulis (atkausētais stāvoklis) ir 1,078 × 10–1,176 × 10 MPa, kas ir apmēram puse no tērauda un nerūsējošā tērauda.

4. Lieliska augstas un zemas temperatūras veiktspēja. Augstās temperatūrās titāna sakausējumi joprojām var saglabāt labas mehāniskās īpašības, un to karstumizturība ir daudz augstāka nekā alumīnija sakausējumiem ar plašu darba temperatūras diapazonu. Pašlaik jaunu karstumizturīgu titāna sakausējumu darba temperatūra var sasniegt 550 - 600 grādu; zemā temperatūrā titāna sakausējumu stiprība palielinās, nevis istabas temperatūrā, un tiem ir laba stingrība. Zemas temperatūras titāna sakausējumi joprojām var saglabāt labu izturību pie -253 grādiem.

5. Titāna spēcīga izturība pret koroziju. Gaisa temperatūrā, kas zemāka par 550 grādiem, titāns uz tā virsmas ātri veido plānu un blīvu titāna oksīda plēvi, tāpēc tā izturība pret koroziju atmosfērā, jūras ūdenī, slāpekļskābē, sērskābē un citās oksidējošās vidēs un stiprajos sārmos ir labāka nekā lielākajai daļai nerūsējošā tērauda.

2.1. Titāna sagatavošanas metodes
Lai gan titāna dabā ir salīdzinoši daudz, tas ir rets metāls, jo tas ir izkliedēts un ir grūti iegūt. Pašlaik titāna sagatavošanu var iedalīt divās galvenajās kategorijās: termiskās reducēšanas metode un kausētā sāls elektrolīzes metode.

(1) Termiskās reducēšanas metode titāna pagatavošanai: termiskās reducēšanas metode ietver titāna reducēšanu no tā savienojumiem, piemēram, TiCl4, TiO2 un K2TiF6, noteiktā temperatūrā, izmantojot spēcīgus reducētājus, piemēram, Li, Na, Mg, Ca un to hidrīdus. Saskaņā ar dažādiem titāna savienojumiem termiskās reducēšanas metodi titāna sagatavošanai var iedalīt trīs kategorijās:

① Titāna hlorīdu oksidēšanas{0}}reducēšanas metode, piemēram, Krola process, Hantera process, Ārmstronga process un EMR process;

② Titāna oksīdu oksidēšanas-reducēšanas metode, piemēram, OS process, PRP process un MHR process;

③ Titanātu oksidācijas{0}}reducēšanas metode. Pašlaik rūpnieciskajā ražošanā ir veiksmīgi pielietots tikai Kroll process un Hunter process. Kroll procesā tiek izmantots metālisks magnijs, lai izspiestu titānu no hlorīdiem, savukārt Hantera procesā tiek izmantots metālisks nātrijs. Turklāt Ārmstronga process, ko izstrādājusi Starptautiskā Titāna pulvera kompānija Čikāgā, ASV, ir līdzīgs Hantera procesam, kā arī izmanto nātriju kā reducētāju metāliskā titāna attīrīšanai. Amerikas Savienotajās Valstīs, izmantojot šo metodi, rūpnīcās ir sākusies{5}}priekšražošana.

(2) Izkausētā sāls elektrolīzes metode titāna pagatavošanai: 1959. gadā Krols prognozēja, ka izkausētā sāls elektrolīze aizstās Kroll procesu kā galveno metodi titāna ražošanai 5 līdz 10 gadu laikā. Gadu gaitā vietējās un ārvalstu pētniecības iestādes un laboratorijas ir izstrādājušas vairāk nekā duci jaunu tehnoloģiju titāna sagatavošanai ar kausēta sāls elektrolīzi. Atkarībā no izejvielām tos var iedalīt trīs kategorijās:

① Titanātu elektrolīze;

② Titāna hlorīdu elektrolīze;

③ Titāna oksīdu elektrolīze, ieskaitot FFC Kembridžas procesu, MER procesu, USTB procesu, QIT procesu, SOM procesu un jonu šķidruma elektrolīzi.

2.2. Jauni titāna lietojumi
Kopš 1940. gadiem titāna izmantošanas veidi ir strauji attīstījušies, un tas ir plaši izmantots lidmašīnās, raķetēs, raķetēs, mākslīgajos pavadoņos, kosmosa kuģos, kuģos, militārajā rūpniecībā, medicīnas jomā un naftas ķīmijas rūpniecībā. Jaunākie pētījumi atklāja, ka cilvēka ķermenis satur noteiktu daudzumu titāna, un titāns var stimulēt fagocītus un uzlabot imūnsistēmu. Tāpēc daudzas laboratorijas ir veltītas bio-titāna izstrādei un pielietošanai.

3.1. Titāna sakausējumu sagatavošanas metodes

Tradicionālā titāna sakausējumu apstrāde parasti izmanto kausēšanas un liešanas metodes. Jaunākās apstrādes tehnoloģijas tiek klasificētas šādi:

(1) Tuvas-neto-formas veidošanas tehnoloģija;

(2) stiepļu berzes metināšanas tehnoloģija;

(3) superplastiskās formēšanas tehnoloģija;

(4) Datorsimulācijas tehnoloģija materiālu sagatavošanai un apstrādei. Tuvas-neto-formas formēšanas tehnoloģija ietver lāzerformēšanu, precīzo liešanu, precīzu kalšanu, pulvermetalurģiju un smidzināšanas formēšanu utt. Pulvermetalurģija ir jauns process titāna komponentu ražošanai, kā izejmateriālu izmantojot titāna pulveri vai titāna sakausējuma pulveri, kam seko formēšana un saķepināšana. Pirmkārt, pulveri ražo, parasti mehāniski sakausējot, izmantojot lodīšu dzirnavas, lai izejvielas pakļautu intensīvai ietekmei, slīpēšanai un maisīšanai. Pēc tam izveidoto sakausējuma pulveri presē formā, izmantojot divas presēšanas metodes: izostatisko presēšanu un auksto presēšanu. Šīs darbības mērķis ir iegūt noteiktas formas un izmēra presētu sagatavi ar noteiktu blīvumu un izturību. Pēc tam izveidoto sagatavi pakļauj dzirksteļaizdedzes plazmas saķepināšanai, kur saķepināšanas pulverim tiek pielietota īpaša saķepināšanas jauda un presēšanas spiediens caur augšējo un apakšējo štancēšanas perforatoru un elektrificētiem elektrodiem. Process tiek pabeigts ar izlādes aktivizēšanu, karstu plastisko deformāciju un dzesēšanu, lai iegūtu augstas veiktspējas{10}}titāna materiālus. Pēc tam titāna sakausējums pēc plazmas saķepināšanas tiek pakļauts turpmākai apstrādei, parasti termiskai apstrādei vai plastmasas apstrādei.

3.2. Jauni titāna sakausējumu pielietojumi

Titāna sakausējumi sākotnēji tika plaši izmantoti aviācijas un kosmosa jomā, galvenokārt lidmašīnu dzinēju vai pneimatisko komponentu ražošanā. Vēlāk, nepārtraukti attīstoties tehnoloģijām, titāna sakausējumi ir ienākuši parastu cilvēku dzīvē un ir atrodami rūpnīcās vai sadzīves tehnikā. Pašlaik valstis un institūcijas sacenšas, lai izstrādātu jaunus titāna sakausējumus ar zemām izmaksām un augstu veiktspēju. Nesenā titāna sakausējumu attīstība galvenokārt ir vērsta uz šādiem pieciem aspektiem.

(1) Medicīniskie titāna sakausējumi

Titāna sakausējumiem ir zems blīvums un laba bioloģiskā saderība, kas padara tos par ideāliem medicīniskiem materiāliem, kurus var pat implantēt cilvēka ķermenī. Iepriekš medicīnas jomā izmantotie titāna sakausējumi saturēja vanādiju un alumīniju, kas varēja kaitēt cilvēka ķermenim. Tomēr nesen japāņu zinātnieki ir izstrādājuši jauna veida titāna sakausējumu ar labu bioloģisko saderību. Lai gan šis sakausējums vēl nav masveidā ražots-, tiek uzskatīts, ka tuvākajā nākotnē šādus augstas kvalitātes sakausējumus- plaši izmantos ikdienas dzīvē.

(2) liesmu slāpējoši titāna sakausējumi

Titāna{0}}sakausējumi, kas var izturēt degšanu noteiktā spiedienā, temperatūrā un gaisa plūsmas ātrumā, ir liesmu{1}}aizturoši titāna sakausējumi. Amerikas Savienotās Valstis, Krievija un Ķīna ir secīgi izstrādājušas jaunus liesmu{3}}aizturošus titāna sakausējumus. Amerikas Savienotās Valstis ir izmantojušas šos liesmu{5}}noturīgos titāna sakausējumus dzinējiem, jo ​​tie nav jutīgi pret degšanu, kas var ievērojami uzlabot dzinēja stabilitāti.

(3) Titāna sakausējumi ar augstu -stiprību un augstu{2}}izturību -

-titāna sakausējumiem ir augsta izturība, laba metināmība un lieliskas aukstās un karstās apstrādes īpašības. Pētnieki ir izmantojuši šo īpašību, lai izstrādātu -titāna sakausējumus ar atšķirīgām īpašībām: labu karstās apstrādes veiktspēju, labu plastiskumu un labu metināmību. Turklāt pēc šķīduma apstrādes un novecošanas to mehāniskās īpašības ievērojami uzlabojas. Šobrīd gan Japāna, gan Krievija ir izstrādājušas šādus titāna sakausējumus.

(4) Titāna-alumīnija savienojumi

Salīdzinot ar vispārējiem titāna sakausējumiem, titāna{0}}alumīnija savienojumiem ir lieliska veiktspēja augstā-temperatūra, laba izturība pret oksidāciju un šļūde, kā arī mazāks blīvums nekā parastiem titāna sakausējumiem. Šīs izcilās īpašības norāda, ka titāna-alumīnija savienojumi izraisīs jaunu sakausējuma tendenci. Pašlaik Amerikas Savienotajās Valstīs ir sintezēts šis jaunais titāna{5}alumīnija sakausējums, un tas ir masveida ražošanas procesā.

(5) Augstas temperatūras{1}}titāna sakausējumi

Titāna sakausējumiem, kas sagatavoti, apvienojot ātrās sacietēšanas metodes un pulvermetalurģiju, izmantojot šķiedru vai daļiņu{0}}stiegrotus kompozītmateriālus, ir lieliskas augstas temperatūras{1}}mehāniskās īpašības. Augstas temperatūras-titāna sakausējumu ekspluatācijas temperatūras ierobežojums ir daudz augstāks nekā parastajiem titāna sakausējumiem. Pašlaik Amerikas Savienotās Valstis ir izstrādājušas jaunus augstas temperatūras{5}}titāna sakausējumus. (6) Titāna-niķeļa sakausējums, sakausējums, kas sastāv no titāna un niķeļa, ir pazīstams kā "atmiņas sakausējums". Kad šis sakausējums tiek izveidots iepriekš-noteiktā formā un pēc tam tiek pakļauts formēšanai, ja tas tiek deformēts ārēja spēka ietekmē, tas var atjaunot sākotnējo izskatu, tikai nedaudz uzkarsējot. Šo sakausējumu var izmantot dažādās jomās, piemēram, instrumentos, skaitītājos, elektroniskās ierīcēs utt.