Nové procesy, technológie a aplikácie titánu a titánových zliatin

1. Vysoká pevnosť. Zliatiny titánu majú veľmi vysokú pevnosť, s pevnosťou v ťahu 686 - 1176 MPa, pričom ich hustota je len asi 60 % hustoty ocele, takže ich špecifická pevnosť je veľmi vysoká.

2. Vysoká tvrdosť. Tvrdosť titánových zliatin (žíhaný stav) je HRC 32 - 38.

3. Nízky modul pružnosti. Modul pružnosti titánových zliatin (žíhaný stav) je 1,078 × 10-1,176 × 10 MPa, čo je približne polovica v porovnaní s oceľou a nehrdzavejúcou oceľou.

4. Vynikajúci výkon pri vysokej a nízkej teplote. Pri vysokých teplotách si titánové zliatiny stále dokážu zachovať dobré mechanické vlastnosti a ich tepelná odolnosť je oveľa vyššia ako u hliníkových zliatin so širokým rozsahom pracovných teplôt. V súčasnosti môže pracovná teplota nových žiaruvzdorných zliatin titánu dosiahnuť 550 - 600 stupeň; pri nízkych teplotách sa pevnosť titánových zliatin zvyšuje namiesto pri izbovej teplote a majú dobrú húževnatosť. Nízkoteplotné zliatiny titánu si stále dokážu zachovať dobrú húževnatosť pri teplote -253 stupňov .

5. Silná odolnosť titánu proti korózii. Pri teplotách nižších ako 550 stupňov na vzduchu titán rýchlo vytvorí na svojom povrchu tenký a hustý film oxidu titánu, takže jeho odolnosť proti korózii v atmosfére, morskej vode, kyseline dusičnej, kyseline sírovej a iných oxidačných médiách a silných alkáliách je lepšia ako u väčšiny nehrdzavejúcich ocelí.

2.1 Spôsoby prípravy titánu
Hoci je titán v prírode pomerne hojný, je to vzácny kov kvôli jeho rozptýlenej existencii a ťažkostiam pri získavaní. V súčasnosti možno prípravu titánu rozdeliť do dvoch hlavných kategórií: metóda tepelnej redukcie a metóda elektrolýzy roztavenej soli.

(1) Metóda tepelnej redukcie na prípravu titánu: Metóda tepelnej redukcie zahŕňa redukciu titánu z jeho zlúčenín ako TiCl4, Ti02 a K2TiF6 pri určitej teplote pomocou silných redukčných činidiel ako Li, Na, Mg, Ca a ich hydridov. Podľa rôznych zlúčenín titánu možno metódu tepelnej redukcie na prípravu titánu rozdeliť do troch kategórií:

① oxid{0}}redukčná metóda chloridov titánu, ako je Krollov proces, Hunterov proces, Armstrongov proces a EMR proces;

② oxid{0}}redukčná metóda oxidov titánu, ako je proces OS, proces PRP a proces MHR;

③ Oxidačná-metóda redukcie titaničitanov. V súčasnosti sa v priemyselnej výrobe úspešne aplikoval iba proces Kroll a proces Hunter. Proces Kroll využíva kovový horčík na nahradenie titánu z chloridov, zatiaľ čo proces Hunter na to používa kovový sodík. Okrem toho, Armstrongov proces vyvinutý International Titanium Powder Company v Chicagu, USA, je podobný Hunterovmu procesu a tiež používa sodík ako redukčné činidlo na čistenie kovového titánu. Spojené štáty americké začali vykonávať pred{5}}výrobu v továrňach pomocou tejto metódy.

(2) Metóda elektrolýzy roztavenej soli na prípravu titánu: V roku 1959 Kroll predpovedal, že elektrolýza roztavenej soli nahradí proces Kroll ako hlavný spôsob výroby titánu do 5 až 10 rokov. V priebehu rokov domáce a zahraničné výskumné inštitúcie a laboratóriá vyvinuli viac ako tucet nových technológií na prípravu titánu elektrolýzou roztavenej soli. Na základe surovín ich možno rozdeliť do troch kategórií:

① Elektrolýza titanátov;

② Elektrolýza chloridov titánu;

③ Elektrolýza oxidov titánu vrátane procesu FFC Cambridge, procesu MER, procesu USTB, procesu QIT, procesu SOM a elektrolýzy iónovej kvapaliny.

2.2 Nové využitie titánu
Od 40. rokov 20. storočia sa použitie titánu rýchlo rozvinulo a široko sa používa v lietadlách, raketách, raketách, umelých satelitoch, kozmických lodiach, lodiach, vojenskom priemysle, medicíne a petrochemickom priemysle. Najnovší výskum zistil, že ľudské telo obsahuje určité množstvo titánu a titán môže stimulovať fagocyty a posilniť imunitné funkcie. Preto sa vývoju a aplikácii bio-titánu venuje veľa laboratórií.

3.1 Spôsoby prípravy zliatin titánu

Tradičné spracovanie titánových zliatin vo všeobecnosti využíva techniky tavenia a odlievania. Najnovšie technológie spracovania sú klasifikované takto:

(1) Technológia takmer{1}}sieťového{2}}tvarovania;

(2) Technológia zvárania trením drôtom;

(3) Technológia superplastického tvarovania;

(4) Počítačová simulačná technológia na prípravu a spracovanie materiálu. Technológia tvarovania takmer{2}}netto{3}}zahŕňa laserové tvarovanie, presné liatie, presné zápustkové kovanie, práškovú metalurgiu a tvarovanie rozprašovaním atď. Prášková metalurgia je nový proces výroby titánových komponentov s použitím titánového prášku alebo prášku z titánovej zliatiny ako surovín, po ktorom nasleduje tvarovanie a spekanie. Po prvé, prášok sa vyrába, zvyčajne mechanickým legovaním, pomocou guľového mlyna, aby sa suroviny vystavili intenzívnemu nárazu, mletiu a miešaniu. Potom sa vytvorený práškový zliatinový prášok lisuje do tvaru dvoma spôsobmi lisovania: izostatickým lisovaním a lisovaním za studena. Účelom tohto kroku je získať lisovaný polotovar určitého tvaru a veľkosti s určitou hustotou a pevnosťou. Potom sa vytvarovaný polotovar podrobí iskrovému plazmovému spekaniu, kde sa na spekací prášok aplikuje špecifická sila spekania a lisovací tlak cez horné a spodné razníky a elektrifikované elektródy. Proces sa dokončí aktiváciou výboja, plastickou deformáciou za tepla a ochladením, čím sa získajú vysokovýkonné titánové materiály. Následne zliatina titánu po plazmovom spekaní prechádza ďalším spracovaním, zvyčajne tepelným spracovaním alebo spracovaním plastov.

3.2 Nové aplikácie zliatin titánu

Zliatiny titánu boli spočiatku široko používané v oblasti letectva, hlavne na výrobu leteckých motorov alebo pneumatických komponentov. Neskôr, s neustálym vývojom technológie, zliatiny titánu vstúpili do života obyčajných ľudí a možno ich nájsť v továrňach alebo domácich spotrebičoch. V súčasnosti krajiny a inštitúcie súťažia vo vývoji nových zliatin titánu s nízkymi nákladmi a vysokým výkonom. Nedávny vývoj zliatin titánu sa zameriava najmä na nasledujúcich päť aspektov.

(1) Lekárske zliatiny titánu

Zliatiny titánu majú nízku hustotu a dobrú biokompatibilitu, čo z nich robí ideálne medicínske materiály, ktoré možno dokonca implantovať do ľudského tela. Predtým zliatiny titánu používané v medicíne obsahovali vanád a hliník, ktoré mohli poškodiť ľudské telo. Nedávno však japonskí vedci vyvinuli nový typ zliatiny titánu s dobrou biokompatibilitou. Hoci táto zliatina ešte nebola sériovo-vyrábaná, predpokladá sa, že v blízkej budúcnosti budú takéto vysokokvalitné-zliatiny široko používané v každodennom živote.

(2) Zliatiny titánu spomaľujúce horenie-

Zliatiny na báze titánu,-ktoré odolávajú spaľovaniu pri určitom tlaku, teplote a rýchlosti prúdenia vzduchu, sú zliatiny titánu spomaľujúce horenie-. Spojené štáty, Rusko a Čína postupne vyvinuli nové-nehorľavé zliatiny titánu. Spojené štáty americké použili tieto zliatiny titánu spomaľujúce horenie- na motory, pretože nie sú citlivé na spaľovanie, čo môže výrazne zlepšiť stabilitu motora.

(3) Zliatiny titánu s vysokou-pevnosťou a vysokou{2}}húževnatosťou -

Zliatiny titánu -typu majú vysokú pevnosť, dobrú zvárateľnosť a vynikajúce spracovateľské vlastnosti za studena aj za tepla. Výskumníci využili túto vlastnosť na vývoj -typov titánových zliatin s odlišnými vlastnosťami: dobrý výkon pri spracovaní za tepla, dobrá plasticita a dobrá zvárateľnosť. Navyše, po spracovaní v roztoku a starnutí sa ich mechanické vlastnosti výrazne zlepšujú. V súčasnosti vyvinuli takéto zliatiny titánu Japonsko aj Rusko.

(4) Titán-zlúčeniny hliníka

V porovnaní so všeobecnými zliatinami titánu majú titánové-zlúčeniny hliníka vynikajúci výkon pri vysokých-teplotách, dobrú odolnosť proti oxidácii a tečeniu a nižšiu hustotu ako bežné zliatiny titánu. Tieto vynikajúce vlastnosti naznačujú, že zlúčeniny titánu-hliníka spustia nový trend zliatin. V súčasnosti Spojené štáty syntetizovali túto novú zliatinu titánu-hliníka a je v procese sériovej výroby.

(5) Vysokoteplotné-zliatiny titánu

Zliatiny titánu pripravené kombináciou metód rýchleho tuhnutia a práškovej metalurgie s použitím kompozitov vystužených vláknami alebo časticami -majú vynikajúce mechanické vlastnosti pri vysokých-teplotách. Limit prevádzkovej teploty vysokoteplotných zliatin titánu je oveľa vyšší ako limit bežných zliatin titánu. V súčasnosti Spojené štáty americké vyvinuli nové vysokoteplotné-zliatiny titánu. (6) Titán{8}}niklová zliatina, zliatina zložená z titánu a niklu, je známa ako "pamäťová zliatina". Keď sa táto zliatina vyrobí do vopred{10}}určeného tvaru a potom sa podrobí tvarovaniu, ak je deformovaná vonkajšou silou, môže obnoviť svoj pôvodný vzhľad iba miernym zahriatím. Táto zliatina môže byť použitá v rôznych oblastiach, ako sú prístroje, merače, elektronické zariadenia atď.