Титан – химический элемент IV группы 4 периода периодической системы Менделеева, атомный номер 22; прочный и легкий металл серебристо-белого цвета. Существует в следующих кристаллических модификациях: α-Ti с гексагональной плотноупакованной решеткой и β-Ti с кубической объемно-центрированной упаковкой.
Титан стал известен человеку всего около 200 лет назад. История его открытия связана с именами немецкого химика Клапрота и английского исследователя-любителя Мак-Грегора. В 1825 году И. Берцелиус первым сумел выделить чистый металлический титан, однако вплоть до XX века этот металл считался редким и поэтому непригодным для практического применения.
Однако к нашему времени установлено, что по распространенности титан занимает девятое место среди других химических элементов, а его массовая доля в земной коре составляет 0,6%. Титан содержится во многих минералах, чьи запасы исчисляются сотнями тысяч тонн. Значительные месторождения титановых руд находятся на территории России, Норвегии, США, на юге Африки, а в Австралии, Бразилии, Индии расположены удобные для добычи открытые россыпи титансодержащих песков.
Титан – легкий и пластичный металл серебристо-белого цвета, температура плавления 1660±20 C, температура кипения 3260 C, плотность двух модификаций и соответственно равна α-Ti - 4,505 (20 C) и β-Ti - 4,32 (900 C) г/см3. Титан отличается высокой механической прочностью, сохраняющейся даже при высоких температурах. Имеет высокую вязкость, что при его механической обработке требует нанесения специальных покрытий на режущий инструмент.
При обычной температуре поверхность титана покрывается пассивирующей оксидной пленкой, что делает титан коррозионностойким в большинстве сред (за исключением щелочной). Титановая стружка пожароопасна, а титановая пыль – взрывоопасна.
Титан не растворяется в разбавленных растворах многих кислот и щелочей (кроме плавиковой, ортофосфорной и концентрированной серной кислот), однако в присутствии комплексообразователей легко взаимодействует даже со слабыми кислотами.
При нагревании на воздухе до температуры 1200С титан загорается, образуя оксидные фазы переменного состава. Из растворов солей титана выпадает в осадок гидроксид титана, прокаливание которого позволяет получить диоксид титана.
При нагревании титан также взаимодействует с галогенами. В частности, так получают тетрахлорид титана. В результате восстановления тетрахлорида титана алюминием, кремнием, водородом и некоторыми другими восстановителями получают трихлорид и дихлорид титана. Титан взаимодействует с бромом и иодом.
При температуре более 400С титан вступает в реакцию с азотом, образуя нитрид титана. Титан взаимодействует и с углеродом с образованием карбида титана. При нагревании титан поглощает водород, при этом образуется гидрид титана, при повторном нагревании разлагающийся с выделением водорода.
Чаще всего в качестве исходного материала для производства титана выступает диоксид титана с небольшим количеством примесей. Это может быть как титановый шлак, получаемый при переработке ильменитовых концентратов, так и рутиловый концентрат, который получают при обогащении титановых руд.
Концентрат титановых руд подвергается пирометаллургической или сернокислотной переработке. Продуктом сернокислотной обработки становится порошок диоксида титана. При использовании пирометаллургического метода руда спекается с коксом и обрабатывается хлором с получением паров тетрахлорида титана, которые затем при 850С восстанавливаются магнием.
Полученная титановая «губка» переплавляется, расплав очищается от примесей. Для рафинирования титана применяется иодидный способ или электролиз. Титановые слитки получают путем дуговой, плазменной или электроннолучевой переработки.
Большая часть производства титана поступает на нужды авиационной и ракетной промышленности, а также морского судостроения. Титан используется как легирующая добавка к качественным сталям и в качестве раскислителя.
Из него изготовляют различные детали электровакуумных приборов, компрессоры и насосы для перекачки агрессивных сред, химические реакторы, опреснительные установки и многое другое оборудование и конструкции. Благодаря своей биологической безвредности титан является превосходным материалом для применения в пищевой и медицинской промышленности.
Титан – уникальный по своим свойствам металл. Благодаря удивительным свойствам его называют металлом будущего. Титан применяют там, где человеку хочется мечту превратить в реальность.
Первоначально титан стали выпускать и применять для военной и оборонной промышленности. Но с каждым днем этот металл получает все большее распространение в других областях.
Авиастроение
Авиационная промышленность - основной потребитель титановой продукции. Именно развитие авиационной техники дало толчок титановому производству. По своим физико-механическим свойствам титановые сплавы являются универсальным конструкционным материалом.
Вплоть до конца 60-х годов ХХ века титан применялся главным образом для изготовления газовых турбин двигателей самолетов (титан очень прочный металл). В 70-х – 80-х годах титановые сплавы начали широко применяться для изготовления различных деталей планерной части самолетов (титан еще и легкий).
Все эти детали с очень умными названиями намного легче деталей, сделанных из стали.
Сейчас из титана делают обшивку для самолета, наиболее нагревающиеся детали, силовые элементы, детали шасси. В авиационных двигателях жаропрочные титановые сплавы применяются для изготовления лопаток, дисков и других элементов вентилятора и компрессора двигателя.
В конструкции современного самолета может быть более 20 тонн титана. Например, в самолете Боинг-787 устанавливают около 2,5 миллионов титановых заклепок, что облегчает вес самолета на несколько тонн (по сравнению со стальными деталями).
Вот основные направления использования титана в авиастроении:
1. Для изготовления изделий сложной пространственной формы:
- окантовка люков и дверей, где возможно скопление влаги (используется высокая коррозионная стойкость титана);
- обшивка, на которую действует струя продуктов сгорания двигателя, противопожарные перегородки (используется высокая температура плавления);
- тонкостенные трубопроводы воздушной системы (титан меньше всех других металлов расширяется под воздействием температуры);
- настил пола грузовой кабины (используется высокая прочность и твердость).
2. Для изготовления узлов и агрегатов, испытывающих сильные нагрузки:
- стойки шасси;
- силовые элементы (кронштейны) крыла;
- гидроцилиндры.
3. Изготовление частей двигателя:
- диски и лопатки для вентиляторов и компрессоров;
- корпуса двигателей.
В России и странах Содружества нет ни одного авиационного двигателя, самолета или вертолета, где бы не применялся титан ПАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА»: истребители МиГ-29, Су-35, Су-30, Су-27, Ту-204, Ту-214, АН-148, SSJ-100, МС-21, транспортные самолеты Ил-76 и Ил-76Т. Кроме этого, наше предприятие - основной поставщик титана для таких крупнейших концернов мировой авиаиндустрии, как AIRBUS INDUSTRIE и компании BOEING.
Для зарубежных и российских заказчиков Корпорация ВСМПО-АВИСМА поставляет следующие титановые полуфабрикаты для изготовления деталей самолетов:
- штамповки для шасси;
- плиты, листы, прутки и биллеты для изготовления поворотных узлов, направляющих рельсов, закрылков, панелей, лонжеронов, элементов крепления;
- цельные конструкции штампованных поковок для электрогидравлической системы.
Ракетостроение и космическая техника
Титан помог человеку преодолеть звуковой барьер в авиации и выйти в космическое пространство. В ракетостроении и космической технике титан практически незаменим.
Давайте посмотрим, почему. Что такое космос? Это глубокий вакуум, где царит ледяной холод. И любое искусственное тело, находящееся в космосе, охлаждается до очень низких температур. С другой стороны, аппарат сильно разогревается, если попадает под солнечные лучи. Кроме того, стенки космического корабля бомбардируются космическими частицами, летящими с огромной скоростью, и находятся под действием космической радиации. Такие сверхтяжелые условия могут выдержать только сталь, вольфрам, платина и титан. Предпочтение, конечно же, отдано титану. Титановые сплавы использовали в пилотируемых ракетных комплексах «Восток» и «Союз», беспилотных «Луна», «Марс», «Венера», а также «Энергия» и в орбитальном корабле «Буран».
Судостроение
Широко используют титан в судостроении. Он незаменим для обшивки судов, производства деталей насосов и трубопроводов.
Такое качество титана, как малая плотность позволяет снижать массу корабля, а значит, повышать его маневренность и дальность хода. Обшитые листами титана корпуса судов никогда не потребуют покраски, ведь они десятилетиями не ржавеют и не разрушаются в морской воде (высокая коррозионная стойкость титана). А эрозионная и кавитационная стойкость позволяет не бояться больших скоростей в морской воде: взвешенные в ней мириады песчинок не повредят титановым рулям, винтам и корпусу.
Слабые магнитные свойства титана и его сплавов используют при изготовлении навигационных приборов. В будущем планируется создание из титановых сплавов так называемых немагнитных кораблей, необходимых для геологогеофизических исследований в открытых океанах (устранится влияние металлических частей корабля на высокоточные навигационные приборы).
Наиболее перспективное направление использования титана в судостроении – производство конденсаторных труб, турбинных двигателей и паровых котлов.
Кроме этого, титан, обладающий высокой коррозионной стойкостью и способностью выдерживать огромные давления и нагрузки, - наилучший материал для создания глубоководных аппаратов.
Машиностроение
Корпорация ВСМПО-АВИСМА успешно выпускает теплообменное оборудование для энергетической промышленности, а также для предприятий химической и нефтехимической отраслей. Оборудование изготавливаются из сплавов на основе титана: трубы для теплообменной аппаратуры различного назначения, конденсаторы турбин и в качестве внутренней поверхности дымовых труб. Использование титана позволяет увеличить долговечность, надежность и, следовательно, снизить расходы на капитальный ремонт и обслуживание этого оборудования. Титановые сплавы по стойкости к коррозии превосходят самые стойкие из имеющихся медных, медно-никелевых сплавов и нержавеющую сталь в 10-20 раз. Благодаря этому свойству можно уменьшить толщину стенки трубы для более быстрой передачи тепла в теплообменных аппаратах. Титановые сплавы применяются на объектах мировой тепловой и атомной энергетики с 1959 года.
Нефтегазовая промышленность
Титану много работы и в небе, и в космосе, и под водой, и даже под землей.
Перспективной областью применения сплавов титана является глубокое и сверхглубокое бурение. Для добычи подземных богатств и для изучения глубоких слоев земной коры нужно проникнуть на очень большие глубины – до 15-20 тысяч метров. Обычные буровые трубы будут рваться под собственной тяжестью уже на глубине нескольких тысяч метров. И только благодаря трубам из высокопрочных сплавов на основе титана можно достичь прохождения действительно глубоких скважин.
В настоящее время титан успешно используется при разработке оборудования для освоения нефтегазовых месторождений на морских шельфах: глубоководные бурильные и добывающие установки; насосы; трубопроводы; теплообменное оборудование различного назначения; сосуды высокого давления и многое другое. По мнению специалистов, в глубоководной нефтедобыче титан и его сплавы должны стать одним из основных конструкционных материалов, поскольку имеют высокую коррозионную стойкость в морской воде. Из нашего титана производят трубы, отводы, фланцы, тройники, переходы для систем забортной, балластной и пластовой воды.
Автомобилестроение
Инженеры при разработке новых конструкций машин ставят перед собой задачу – снизить массу деталей автомобиля и тем самым улучшить движение самого авто. Например, выяснили, что за счет уменьшения массы деталей можно сократить расход топлива и количество выхлопных газов, а это, согласитесь, очень необходимо для современного мегаполиса.
В автомобилестроении титан применяют в конструкциях клапанов, пружин, выхлопных систем, передаточных валов, болтов. Надежность деталей из титана была проверена в течение нескольких лет на гоночных автомобилях и в ходе широкого использования в авиакосмической промышленности.
Строительство
Строители тоже любят титан за его свойства. Отличная устойчивость к коррозии, прочность, легкий вес и долговечность обеспечивают самый длительный срок службы архитектурным деталям при любых условиях и с минимальной необходимостью проведения ремонта. Уникальная и неповторимая отражательная способность титана не сравнима с любым другим металлом.
Он устойчив к загрязнениям городской атмосферы и морской среды, кислотным дождям, осадкам вулканической золы, промышленным выбросам и другим неблагоприятным атмосферным условиям. Титан не подвергается атмосферным влияниям и не обесцвечивается от ультрафиолетовых лучей. Также он обладает отличной устойчивостью к коррозии, которая может появиться в результате кислотных дождей и действия агрессивных газов (газ сернистой кислоты, газ сероводорода и т.д.). Все это является большим плюсом при использовании титана для строительства в крупных городах и промышленных областях.
Титан используется для наружной обшивки зданий, кровельных материалов, облицовки колонн, софитов, карнизов, навесов, внутренней обшивки, легких крепежных приспособлений. Кроме того, титан используется в скульптуре и для изготовления памятников.
Медицина
Титан необыкновенно популярен в медицине: любят титан ортопеды, кардиологи, стоматологи и даже нейрохирурги (врачи, которые лечат нервную систему). Из титановых сплавов делают превосходные хирургические инструменты, легкие и долговечные.
В современном мире люди живут долгой активной жизнью. Но очень часто получают повреждения, например, в результате занятий спортом или в автомобильных авариях и происшествиях. И тут на помощь людям приходит металл будущего. У титана есть очень ценное для медиков свойство – он достаточно легко «вживляется» в организм человека. Ученые называют это свойство - «настоящее родство». Титановые конструкции (имплантанты, внутрикостные фиксаторы, наружные и внутренние протезы) абсолютно безопасны для костей и мышц. Они не вызывают аллергию, не разрушаются при взаимодействии с жидкостями и тканями организма и, конечно, с медицинскими препаратами. Кроме этого, протезы, изготовленные из титановых сплавов, очень прочны и износостойки, хотя все время выдерживают большие нагрузки. Вспомните, титан в 2-4 раза прочнее железа и в 6-12 раз прочнее алюминия (смотри раздел «Титан»).
В стоматологии врачи широко используют самую передовую технологию для изготовления зубных протезов - титановые имплантанты. Титановый корень вживляется в челюсть, после чего на него наращивают верхнюю часть зуба.
Из титана изготавливают протезы маленьких косточек внутри уха – и к людям возвращается слух!
Кардиологи для лечения сердца используют такие приборы, как электронный стимулятор и дефибриллятор, корпуса которых тоже титановые.
У титана есть еще одно положительное качество, которое тоже ценится в медицине. Титан – немагнитный металл. Поэтому больных, у которых есть титановые протезы, можно лечить с помощью физиотерапии (не таблетками, а при помощи приборов, в основе работы которых заложены физические явления – электротоки и магнит).
Спорт
Причина популярности использования титана в спортивном инвентаре заключается в его основных свойствах: легкость и прочность.
Примерно 25-30 лет назад из титана впервые сделали велосипед. И это было первое применение этого металла для изготовления спортивного инвентаря. Сейчас в конструкции велосипеда из титана может быть выполнен не только корпус, но и тормоза, звездочки и пружины сидений.
В Японии нашли еще одно применение титана в спорте. Знаешь ли ты, что такое гольф? Это интересная игра, в которой пытаются забить мяч в лунки специальными клюшками. Легкие и прочные титановые клюшки (опять же благодаря свойствам титана) завоевали популярность среди гольфистов, несмотря на свою дороговизну (по сравнению с другими материалами).
Альпинизм и туризм. Вот где еще нашел свое применение титан. Из него делают практически все предметы, которые несут альпинисты и туристы в своих рюкзаках: бутылки, чашки, наборы для приготовления пищи, столовая посуда, стойки и крепления палаток, ледорубы, ледобуры и даже компактные печки.
Вот еще примеры использования титана в спорте: производство ножей для подводного плавания, изготовление лезвий для коньков. Для спортивной стрельбы (и для правоохранительных органов) недавно начали производить титановые пистолеты.
Товары народного потребления
Нашел применение титан и в изготовлении ювелирных украшений, шариковых и перьевых ручек, наручных часов, кухонной посуды и садового инвентаря.
Корпуса многих портативных компьютеров, мобильных телефонов изготавливают из титана. Вещи, конечно, недешевые, зато легкие и долговечные. Корпуса плазменных телевизоров, монтируемых на стены, также изготавливают из титана: это снижает их вес и позволяет не беспокоиться за крепость монтажа.
Еще одно необычное применение титана – колокольный звон. Колокола из титана обладают необычным, очень красивым звучанием. А еще вы можете услышать голос этого металла в колокольчиках для электрозвонков.
Очень популярным оказался нетоксичный и безвредный диоксид титана (TiO2).
Более половины всего производимого в мире диоксида титана расходуется в качестве белого пигмента в производстве лакокрасочной продукции. Этот белый порошок кроме высокого уровня белизны обладает таким качеством, как высокая укрывистость (способность краски перекрывать цвет поверхности, на которую она наносится). При нанесении на поверхность бумаги диоксида титана, она дополнительно приобретает гладкость и высокие печатные свойства.
И в других отраслях диоксид титана тоже используют. Если внимательно прочитать состав, который написан на фантиках конфет или жевательной резинки, то можно найти там загадочно зашифрованное вещество Е171. Именно так обозначается краситель из диоксида титана. Кроме конфет и жвачки, им окрашивают еще пирожные, крабовые палочки, изделия из фарша и даже лапшу, им осветляют глазурь для кондитерских изделий и муку. В фармакологии (изготовление лекарств) диоксидом титана окрашивают лекарства, а в косметологии – кремы, гели, шампуни и другие средства. Кроме этого, диоксид титана используют при отбеливании зубов (добавляют в зубную пасту).
И это еще не всё. Диоксид титана используют как наполнитель в производстве резины, в производстве пластмасс, он входит в состав тугоплавких стекол, глазурей, фарфоровых масс, из него изготавливают искусственные драгоценные камни.
Области применения титана
При существующих высоких ценах на титан его применяют преимущественно для производства военного оборудования, где главная роль принадлежит не стоимости, а техническим характеристикам. Тем не менее известны случаи использования уникальных свойств титана для гражданских нужд. По мере снижения цен на титан и роста его производства применение этого металла в военных и гражданских целях будет все больше расширяться.
Авиация. Малый удельный вес и высокая прочность (особенно при повышенных температурах) титана и его сплавов делают их весьма ценными авиационными материалами. В области самолетостроения и производства авиационных двигателей титан все больше вытесняет алюминий и нержавеющую сталь. С повышением температуры алюминий быстро утрачивает свою прочность. С другой стороны, титан обладает явным преимуществом в отношении прочности при температуре до 430° С, а повышенные температуры такого порядка возникают при больших скоростях благодаря аэродинамическому нагреванию. Преимущество замены стали титаном в авиации заключается в снижении веса без потери прочности. Общее снижение веса с повышением показателей при повышенных температурах позволяет увеличить полезную нагрузку, дальность действия и маневренность самолетов. Этим объясняются усилия, направленные на расширение применения титана в самолетостроении при производстве двигателей, постройке фюзеляжей, изготовлении обшивки и даже крепежных деталей.
При постройке реактивных двигателей титан применяется преимущественно для изготовления лопаток компрессора, дисков турбины и многих других штампованных деталей. Здесь титан вытесняет нержавеющую и термически обрабатываемую легированную стали. Экономия в весе двигателя в один килограмм позволяет сберегать до 10 кг в общем весе самолета благодаря облегчению фюзеляжа. В дальнейшем намечено применять листовой титан для изготовления кожухов камер сгорания двигателя.
В конструкции самолета титан находит широкое применение для деталей фюзеляжа, работающих при повышенных температурах. Листовой титан применяется для изготовления всевозможных кожухов, защитных оболочек кабелей и направляющих для снарядов. Из листов легированного титана изготовляются различные элементы жесткости, шпангоуты фюзеляжа, нервюры и т. д.
Кожухи, закрылки, защитные оболочки для кабелей и направляющие для снарядов изготовляются из нелегированного титана. Легированный титан применяется для изготовления каркаса фюзеляжа, шпангоутов, трубопроводов и противопожарных перегородок.
Титан получает все большее применение при постройке самолетов F-86 и F-100. В будущем из титана будут делать створки шасси, трубопроводы гидросистем, выхлопные патрубки и сопла, лонжероны, закрылки, откидные стойки и т. д.
Титан можно применять для изготовления броневых плит, лопастей пропеллера и снарядных ящиков.
В настоящее время титан применяется в конструкции самолетов военной авиации Дуглас Х-3 для обшивки, Рипаблик F-84F, Кертисс-Райт J-65 и Боинг В-52.
Применяется титан и при постройке гражданских самолетов DC-7. Фирма «Дуглас» заменой алюминиевых сплавов и нержавеющей стали титаном при изготовлении мотогондолы и противопожарных перегородок уже добилась экономии в весе конструкции самолета около 90 кг. В настоящее время вес титановых деталей в этом самолете составляет 2%, причем эту цифру предусматривается довести до 20% общего веса самолета.
Применение титана позволяет уменьшить вес геликоптеров. Листовой титан используется для полов и дверей. Значительное снижение веса геликоптера (около 30 кг) было достигнуто в результате замены легированной стали титаном для обшивки лопастей его несущих винтов.
Военно-морской флот. Коррозионная стойкость титана и его сплавов делает их весьма ценным материалом на море. Военно-морское министерство США обстоятельно исследует коррозионную стойкость титана против воздействия дымовых газов, пара, масла и морской воды. Почти такое же значение в военно-морском деле имеет и высокое значение удельной прочности титана.
Малый удельный вес металла в сочетании с коррозионной стойкостью повышает маневренность и дальность действия кораблей, а также снижает расходы по уходу за материальной частью и ее ремонту.
Применение титана в военно-морском деле включает изготовление выхлопных глушителей для дизельных двигателей подводных лодок, дисков измерительных приборов, тонкостенных труб для конденсаторов и теплообменников. По мнению специалистов, титан, как никакой другой металл, способен увеличить срок службы выхлопных глушителей на подводных лодках. Применительно к дискам измерительных приборов, работающих в условиях соприкосновения с соленой водой, бензином или маслом, титан обеспечит лучшую стойкость. Исследуется возможность применения титана для изготовления труб теплообменников, которые должны обладать коррозионной стойкостью в морской воде, омывающей трубы снаружи, и одновременно противостоять воздействию выхлопного конденсата, протекающего внутри них. Рассматривается возможность изготовления из титана антенн и узлов радиолокационных установок, от которых требуется стойкость к воздействию дымовых газов и морской воды. Титан может найти применение и для производства таких деталей, как клапаны, пропеллеры, детали турбин и т. д.
Артиллерия. По-видимому, наиболее крупным потенциальным потребителем титана может явиться артиллерия, где в настоящее время ведутся интенсивные исследования различных опытных образцов. Тем не менее в этой области стандартизовано производство лишь отдельных деталей и частей из титана. Весьма ограниченное использование титана в артиллерии при большом размахе исследований объясняется его высокой стоимостью.
Были исследованы различные детали артиллерийского оборудования с точки зрения возможности замены титаном обычных материалов при условии снижения цен на титан. Главное внимание уделялось деталям, для которых существенно снижение веса (детали, переносимые вручную и перевозимые по воздуху).
Опорная плита миномета, изготовленная из титана вместо стали. Путем такой замены и после некоторой переделки вместо стальной плиты из двух половинок общим весом 22 кг удалось создать одну деталь весом 11 кг. Благодаря такой замене можно уменьшить число обслуживающего персонала с трех человек до двух. Рассматривается возможность применения титана для изготовления орудийных пламегасителей.
Проходят испытания изготовленные из титана орудийные станки, крестовины лафетов и цилиндры противооткатных приспособлений. Широкое применение титан может получить при производстве управляемых снарядов и ракет.
Проведенные первые исследования титана и его сплавов показали возможность изготовления из них броневых плит. Замена стальной брони (толщиной 12,7 мм) титановой броней одинаковой снарядостойкости (толщиной 16 мм) позволяет получить, по данным этих исследований, экономию в весе до 25%.
Сплавы титана повышенного качества позволяют надеяться на возможность замены стальных плит титановыми равной толщины, что дает экономию в весе до 44%. Промышленное применение титана позволит обеспечить большую маневренность, увеличит дальность перевозки и долговечность орудия. Современный уровень развития воздушного транспорта делает очевидными преимущества легких броневиков и других машин из титана. Артиллерийское ведомство намерено снарядить в будущем пехоту касками, штыками, гранатометами и ручными огнеметами, сделанными из титана. Первое применение в артиллерии титановый сплав получил для изготовления поршня некоторых автоматических орудий.
Транспорт. Многие из тех выгод, которые сулит использование титана при производстве бронетанковой материальной части, относятся и к транспортным средствам.
Замена конструкционных материалов, потребляемых в настоящее время предприятиями транспортного машиностроения, титаном должна привести к снижению расхода топлива, росту полезной грузоподъемности, повышению предела усталости деталей кривошипно-шатунных механизмов и т. п. На железных дорогах исключительно важно снизить мертвый груз. Существенное уменьшение общего веса подвижного состава за счет применения титана позволит сэкономить в тяге, уменьшить габариты шеек и букс.
Важное значение вес имеет и для прицепных автотранспортных средств. Здесь замена стали титаном при производстве осей и колес также позволила бы увеличить полезную грузоподъемность.
Все эти возможности можно было бы реализовать при снижении цены титана с 15 до 2-3 долларов за фунт титановых полуфабрикатов.
Химическая промышленность. При производстве оборудования для химической промышленности самое важное значение имеет коррозионная стойкость металла. Существенно также снизить вес и повысить прочность оборудования. Логически следует предположить, что титан мог бы дать ряд выгод при производстве из него оборудования для транспортировки кислот, щелочей и неорганических солей. Дополнительные возможности применения титана открываются в производстве такого оборудования, как баки, колонны, фильтры и всевозможные баллоны высокого давления.
Применение трубопроводов из титана способно повысить коэффициент полезного действия нагревательных змеевиков в лабораторных автоклавах и теплообменниках. О применимости титана для производства баллонов, в которых длительно хранятся газы и жидкости под давлением, свидетельствует применяемая при микроанализе продуктов сгорания вместо более тяжелой трубки из стекла (показана в верхней части снимка). Благодаря малой толщине стенок и незначительному удельному весу эта трубка может взвешиваться на более чувствительных аналитических весах меньших размеров. Здесь сочетание легкости и коррозионной стойкости позволяет повысить точность химического анализа.
Прочие области применения. Применение титана целесообразно в пищевой, нефтяной и электротехнической промышленности, а также для изготовления хирургических инструментов и в самой хирургии.
Столы для подготовки пищи, пропарочные столы, изготовленные из титана, по качествам превосходят стальные изделия.
В нефте- и газобурильной областях серьезное значение имеет борьба с коррозией, поэтому применение титана позволит реже заменять корродирующие штанги оборудования. В каталитическом производстве и для изготовления нефтепроводов желательно применять титан, сохраняющий механические свойства при высокой температуре и обладающий хорошей коррозионной устойчивостью.
В электропромышленности титан можно применить для бронирования кабелей благодаря хорошей удельной прочности, высокому электрическому сопротивлению и немагнитным свойствам.
В различных отраслях промышленности начинают применять крепежные детали той или иной формы, изготовленные из титана. Дальнейшее расширение применения титана возможно для изготовления хирургических инструментов главным образом благодаря его коррозионной стойкости. Инструменты из титана в этом отношении превосходят обычные хирургические инструменты при многократном кипячении или обработке в автоклаве.
В области хирургии титан оказался лучше виталлиума и нержавеющих сталей. Присутствие титана в организме вполне допустимо. Пластинка и винты из титана для крепления костей находились в организме животного несколько месяцев, причем имело место прорастание кости в нитки резьбы винтов и в отверстие пластинки.
Преимущество титана заключается также в том, что на пластине образуется мышечная ткань.
Высокопрочный металл, обладающий многими уникальными свойствами. Изначально его применяли в оборонной и военной промышленности. Развитие различных отраслей наук привело к более широкому использованию титана.
Титан в авиастроении
Кроме высокой прочности титан отличается еще и легкостью. Этот металл широко используют в самолетостроении. Титан и его сплавы, благодаря физико-механическим свойствам, являются незаменимыми конструкционными материалами.
Интересный факт: до 60-ых годов титан в основном использовали для изготовления газовых турбин двигателей самолетов. Позднее металл стал применять при производстве деталей консолей самолетов.
Сегодня титан используют для изготовления обшивки самолета, силовых элементов, деталей двигателей и прочего.
Титан в ракетостроении и космической технике
В условиях открытого космоса любой объект подвержен как очень низким, так и высоким температурам. Кроме того, существует еще радиация и частички, которые двигаются с большой скоростью.
К материалам, способным выдержать все тяжелые условия относятся сталь, платина, вольфрам и титан. По ряду показателей предпочтение отдано последнему металлу.
Титан в судостроении
В судостроении титан и его сплавы используют для обшивки судов, а также при изготовлении деталей трубопроводов и насосов.
Малая плотность титана позволяет повысить маневренность судов и вместе с этим снизить их массу. Высокая коррозионная и эрозионная стойкость металла способствует увеличению срока эксплуатации (детали не ржавеют и не поддаются повреждениям).
Также из титана изготавливают навигационные приборы, поскольку этот металл обладает еще и слабыми магнитными свойствами.
Титан в машиностроении
Титановые сплавы используют при выпуске труб для теплообменной аппаратуры, конденсаторов турбин, внутренних поверхностей дымовых труб.
Благодаря своим высокопрочностным свойствам титан позволяет продлить срок эксплуатации оборудования и экономить на ремонтных работах.
Титан в нефтегазовой промышленности
Трубы из титановых сплавов помогут достичь глубины бурения до 15-20 км. Они высокопрочны и не подвержены таким сильным деформациям, как другие металлы.
Сегодня изделия из титана с успехом используются в разработке глубоководных нефтегазовых месторождений. Из высокопрочного металла изготавливают отводы, трубы, фланцы, переходники, прочее. Плюс огромную роль для качественной эксплуатации играет коррозионная стойкость титана к морской воде.
Титан в автомобилестроении
Снижение массы деталей в автомобилестроении помогает уменьшить расход топлива и тем самым сократить объем выхлопных газов. И здесь на помощь приходит титан и его сплавы. Для автомобилей (особенно гоночных) делают пружины, клапана, болты, передаточные валы и выхлопные системы из титана.
Титан в строительстве
Благодаря своей способности противостоять большинству известных негативных факторов окружающей среды, титан нашел применение и в строительстве. Его используют для наружной обшивки зданий, облицовки колонн, в качестве кровельных материалов, карнизов, софитов, крепежных приспособлений и т.д.
Титан в медицине
И в медицине огромную нишу заняли изделия из титана и его сплавов. Из этого прочного, легкого, гипоаллегренного и долговечного металла производят хирургические инструменты, протезы, зубные импланты, внутрикостные фиксаторы.
Титан в спорте
Благодаря все той же прочности и легкости, титан популярен и при производстве спортивного инвентаря. Из указанного металла производят части для велосипедов, клюшки для гольфа, ледорубы, утварь для туризма и альпинизма, лезвия для коньков, ножи для подводного плаванья, пистолеты (спортивная стрельба и органы правопорядка).
Титан в товарах народного потребления
Из титана изготавливают перьевые и шариковые ручки, ювелирные украшения, часы, посуду и садовую утварь, корпуса для мобильных телефонов, компьютеров, телевизоров.
Интересно: из титана изготавливают колокола. Они имеют красивое и необычное звучание.
Другое применение титана
Кроме прочего широкое применение нашел диоксид титана. Его используют в качестве белого пигмента для производства лакокрасочной продукции. Такой белый порошок обладает высокой укрывистостью, т.е. способен перекрыть любой цвет поверх которого его наносят.
При нанесении диоксида титана на поверхность бумаги она приобретает высокие печатные свойства и гладкость.
Именно обозначение Е171 на упаковках жевательных резинок и конфет свидетельствует о наличии диоксида титана. Кроме того этим соединением окрашивают крабовые палочки, пирожные, лекарства, крема, гели, шампуни, фарш, лапшу, осветляют муку и глазурь.
Титановый лист - рулонный и листовой титан ВТ1-0, ВТ20, ОТ4.
Титан в виде оксида (IV) был открыт английским любителем-минералогом У. Грегором в 1791 году в магнитных железистых песках местечка Менакан (Англия); в 1795 году немецкий химик М. Г. Клапрот установил, что минерал рутил представляет собой природный оксид этого же металла, названного им "титаном" [в греческой мифологии титаны - дети Урана (Неба) и Геи (Земли)]. Выделить Титан в чистом виде долго не удавалось; лишь в 1910 году американский ученый М. А. Хантер получил металлический Титан нагреванием его хлорида с натрием в герметичной стальной бомбе; полученный им металл был пластичен только при повышенных температурах и хрупок при комнатной из-за высокого содержания примесей. Возможность изучать свойства чистого Титана появилась только в 1925, когда нидерландские ученые А. Ван-Аркел и И. де Бур методом термической диссоциации иодида титана получили металл высокой чистоты, пластичный при низких температурах.
Распространение Титана в природе. Титан - один из распространенных элементов, среднее содержание его в земной коре (кларк) составляет 0,57% по массе (среди конструкционных металлов по распространенности занимает 4-е место, уступая железу, алюминию и магнию). Больше всего Титана в основных породах так называемых "базальтовой оболочки" (0,9%), меньше в породах "гранитной оболочки" (0,23%) и еще меньше в ультраосновных породах (0,03%) и др. К горным породам, обогащенным Титаном, относятся пегматиты основных пород, щелочные породы, сиениты и связанные с ними пегматиты и другие. Известно 67 минералов Титан, в основном магматического происхождения; важнейшие - рутил и ильменит.
В биосфере Титан в основном рассеян. В морской воде его содержится 10 -7 %; Титан - слабый мигрант.
Физические свойства Титана. Титан существует в виде двух аллотропических модификаций: ниже температуры 882,5 °С устойчива α-форма с гексагональной плотноупакованной решеткой (а = 2,951Å, с = 4,679Å), a выше этой температуры - β-форма с кубической объемноцентрированной решеткой а = 3,269Å. Примеси и легирующие добавки могут существенно изменять температуру α/β превращения.
Плотность α-формы при 20°С 4,505 г/см 3 , a при 870°С 4,35 г/см 3 ; β-формы при 900°С 4,32 г/см 3 ; атомный радиус Ti 1,46 Å, ионные радиусы Ti + 0,94 А, Ti 2+ 0,78 Å, Ti 3+ 0,69 Å, Ti 4+ 0,64 Å; Т пл 1668 °С, Т кип 3227 °С; теплопроводность в интервале 20-25°С 22,065 вт/(м·К) ; температурный коэффициент линейного расширения при 20°С 8,5·10 -6 , в интервале 20-700°С 9,7·10 -6 ; теплоемкость 0,523 кдж/(кг·К) ; удельное электросопротивление 42,1·10 -6 ом·см при 20 °С; температурный коэффициент электросопротивления 0,0035 при 20 °С; обладает сверхпроводимостью ниже 0,38 К. Титан парамагнитен, удельная магнитная восприимчивость 3,2·10 -6 при 20 °С. Предел прочности 256 Мн/м 2 (25,6 кгс/мм 2), относительное удлинение 72% , твердость по Бринеллю менее 1000 Мн/м 2 (100 кгс/мм 2). Модуль нормальной упругости 108 000 Мн/м 2 (10 800 кгс/мм 2). Металл высокой степени чистоты ковок при обычной температуре.
Применяемый в промышленности технический Титан содержит примеси кислорода, азота, железа, кремния и углерода, повышающие его прочность, снижающие пластичность и влияющие на температуру полиморфного превращения, которое происходит в интервале 865-920 °С. Для технического Титана марок ВТ1-00 и ВТ1-0 плотность около 4,32 г/см 3 , предел прочности 300-550 Мн/м 2 (30-55кгс/мм 2), относительное удлинение не ниже 25%, твердость по Бринеллю 1150-1650 Мн/м 2 (115-165 кгс/мм 2). Конфигурация внешней электронной оболочки атома Ti 3d 2 4s 2 .
Химические свойства Титана. Чистый Титан - химически активный переходный элемент, в соединениях имеет степени окисления +4, реже +3 и +2. При обычной температуре и вплоть до 500-550 °С коррозионно устойчив, что объясняется наличием на его поверхности тонкой, но прочной оксидной пленки.
С кислородом воздуха заметно взаимодействует при температуре выше 600 °С с образованием ТiO 2 . Тонкая титановая стружка при недостаточной смазке может загораться в процессе механической обработки. При достаточной концентрации кислорода в окружающей среде и повреждении окисной пленки путем удара или трения возможно загорание металла при комнатной температуре и в сравнительно крупных кусках.
Оксидная пленка не защищает Титан в жидком состоянии от дальнейшего взаимодействия с кислородом (в отличие, например, от алюминия), и поэтому его плавка и сварка должны проводиться в вакууме, в атмосфере нейтрального газа или под флюсом. Титан обладает способностью поглощать атмосферные газы и водород, образуя хрупкие сплавы, непригодные для практическое использования; при наличии активированной поверхности поглощение водорода происходит уже при комнатной температуре с небольшой скоростью, которая значительно возрастает при 400 °С и выше. Растворимость водорода в Титане является обратимой, и этот газ можно удалить почти полностью отжигом в вакууме. С азотом Титан реагирует при температуре выше 700 °С, причем получаются нитриды типа TiN; в виде тонкого порошка или проволоки Титан может гореть в атмосфере азота. Скорость диффузии азота и кислорода в Титане значительно ниже, чем водорода. Получаемый в результате взаимодействия с этими газами слой отличается повышенными твердостью и хрупкостью и должен удаляться с поверхности титановых изделий путем травления или механической обработки. Титан энергично взаимодействует с сухими галогенами, по отношению к влажным галогенам устойчив, так как влага играет роль ингибитора.
Металл устойчив в азотной кислоте всех концентраций (за исключением красной дымящейся, вызывающей коррозионное растрескивание Титана, причем реакция иногда идет со взрывом), в слабых растворах серной кислоты (до 5% по массе). Соляная, плавиковая, концентрированная серная, а также горячие органических кислоты: щавелевая, муравьиная и трихлоруксусная реагируют с Титаном.
Титан коррозионно устойчив в атмосферном воздухе, морской воде и морской атмосфере, во влажном хлоре, хлорной воде, горячих и холодных растворах хлоридов, в различных технологических растворах и реагентах, применяемых в химической, нефтяной, бумагоделательной и других отраслях промышленности, а также в гидрометаллургии. Титан образует с С, В, Se, Si металлоподобные соединения, отличающиеся тугоплавкостью и высокой твердостью. Карбид TiC (t пл 3140 °С) получают нагреванием смеси TiO 2 с сажей при 1900-2000 °С в атмосфере водорода; нитрид TiN (t пл 2950 °С) - нагреванием порошка Титан в азоте при температуре выше 700 °С. Известны силициды TiSi 2 , TiSi и бориды TiB, Ti 2 B 5 , TiB 2 . При температуpax 400-600 °C Титан поглощает водород с образованием твердых растворов и гидридов (TiH, TiH 2). При сплавлении TiO 2 со щелочами образуются соли титановых кислот мета- и ортотитанаты (например, Na 2 TiO 3 и Na 4 TiO 4), а также полититанаты (например, Na 2 Ti 2 O 5 и Na 2 Ti 3 O 7). К титанатам относятся важнейшие минералы Титана, например, ильменит FeTiO 3 , перовскит CaTiO 3 . Все титанаты малорастворимы в воде. Оксид Титана (IV), титановые кислоты (осадки), а также титанаты растворяются в серной кислоте с образованием растворов, содержащих титанилсульфат TiOSO 4 . При разбавлении и нагревании растворов в результате гидролиза осаждается Н 2 ТiO 3 , из которой получают оксид Титана (IV). При добавлении перекиси водорода в кислые растворы, содержащие соединения Ti (IV), образуются перекисные (надтитановые) кислоты состава Н 4 ТiO 5 и H 4 TiO 8 и соответствующие им соли; эти соединения окрашены в желтый или оранжево-красный цвет (в зависимости от концентрации Титана), что используется для аналитического определения Титана.
Получение Титана. Наиболее распространенным методом получения металлического Титана является магниетермический метод, то есть восстановление тетрахлорида Титана металлическим магнием (реже - натрием):
TiCl 4 + 2Mg = Ti + 2MgCl 2 .
В обоих случаях исходным сырьем служат оксидные руды Титана - рутил, ильменит и другие. В случае руд типа ильменитов Титан в форме шлака отделяется от железа путем плавки в электропечах. Шлак (так же, как рутил) подвергают хлорированию в присутствии углерода с образованием тетрахлорида Титана, который после очистки поступает в восстановительный реактор с нейтральной атмосферой.
Титан по этому процессу получается в губчатом виде и после измельчения переплавляется в вакуумных дуговых печах на слитки с введением легирующих добавок, если требуется получить сплав. Магниетермический метод позволяет создать крупное промышленное производство Титана с замкнутым технологическим циклом, так как образующийся при восстановлении побочный продукт - хлорид магния направляется на электролиз для получения магния и хлора.
В ряде случаев для производства изделий из Титана и его сплавов выгодно применять методы порошковой металлургии. Для получения особо тонких порошков (например, для радиоэлектроники) можно использовать восстановление оксида Титана (IV) гидридом кальция.
Применение Титана. Основные преимущества Титана перед другими конструкционными металлами: сочетание легкости, прочности и коррозионной стойкости. Титановые сплавы по абсолютной, а тем более по удельной прочности (т. е. прочности, отнесенной к плотности) превосходят большинство сплавов на основе других металлов (например, железа или никеля) при температурах от -250 до 550 °С, а по коррозионности они сравнимы со сплавами благородных металлов. Однако как самостоятельный конструкционный материал Титан стал применяться только в 50-е годы 20 века в связи с большими техническими трудностями его извлечения из руд и переработки (именно поэтому Титан условно относили к редким металлам). Основная часть Титана расходуется на нужды авиационной и ракетной техники и морского судостроения. Сплавы Титана с железом, известные под названием "ферротитан" (20-50% Титана), в металлургии качественных сталей и специальных сплавов служат легирующей добавкой и раскислителем.
Технический Титан идет на изготовление емкостей, химические реакторов, трубопроводов, арматуры, насосов и других изделий, работающих в агрессивных средах, например, в химическом машиностроении. В гидрометаллургии цветных металлов применяется аппаратура из Титана. Он служит для покрытия изделий из стали. Использование Титана дает во многих случаях большой технико-экономический эффект не только благодаря повышению срока службы оборудования, но и возможности интенсификации процессов (как, например, в гидрометаллургии никеля). Биологическая безвредность Титана делает его превосходным материалом для изготовления оборудования для пищевой промышленности и в восстановительной хирургии. В условиях глубокого холода прочность Титана повышается при сохранении хорошей пластичности, что позволяет применять его как конструкционный материал для криогенной техники. Титан хорошо поддается полировке, цветному анодированию и других методам отделки поверхности и поэтому идет на изготовление различных художественных изделий, в т. ч. и монументальной скульптуры. Примером может служить памятник в Москве, сооруженный в честь запуска первого искусственного спутника Земли. Из соединений Титана практическое значение имеют оксиды, галогениды, а также силициды, используемые в технике высоких температур; бориды и их сплавы, применяемые в качестве замедлителей в ядерных энергетических установках благодаря их тугоплавкости и большому сечению захвата нейтронов. Карбид Титана, обладающий высокой твердостью, входит в состав инструментальных твердых сплавов, используемых для изготовления режущих инструментов и в качестве абразивного материала.
Оксид титана (IV) и титанат бария служат основой титановой керамики, а титанат бария - важнейший сегнетоэлектрик.
Титан в организме. Титан постоянно присутствует в тканях растений и животных. В наземных растениях его концентрация - около 10 -4 % , в морских - от 1,2·10 -3 до 8·10 -2 %, в тканях наземных животных - менее 2·10 -4 %, морских - от 2·10 -4 до 2·10 -2 %. Накапливается у позвоночных животных преимущественно в роговых образованиях, селезенке, надпочечниках, щитовидной железе, плаценте; плохо всасывается из желудочно-кишечного тракта. У человека суточное поступление Титана с продуктами питания и водой составляет 0,85 мг; выводится с мочой и калом (0,33 и 0,52 мг соответственно).