A titán és titánötvözetek új eljárásai, technológiái és alkalmazásai

1. Nagy szilárdságú. A titánötvözetek nagyon nagy szilárdságúak, szakítószilárdságuk 686 - 1176 MPa, míg sűrűségük csak körülbelül 60%-a az acélénak, így fajlagos szilárdságuk nagyon magas.

2. Nagy keménység. A titánötvözetek keménysége (lágyított állapotban) HRC 32 - 38.

3. Alacsony rugalmassági modulus. A titánötvözetek rugalmassági modulusa (hevített állapot) 1,078×10-1,176×10 MPa, ami körülbelül fele az acélnak és a rozsdamentes acélnak.

4. Kiváló magas és alacsony hőmérsékleti teljesítmény. Magas hőmérsékleten a titánötvözetek még mindig jó mechanikai tulajdonságokat tudnak megőrizni, hőállóságuk pedig jóval nagyobb, mint az alumíniumötvözeteké, széles üzemi hőmérséklet-tartomány mellett. Jelenleg az új hőálló-titánötvözetek üzemi hőmérséklete elérheti a 550 - 600 fokot; alacsony hőmérsékleten a titánötvözetek szilárdsága szobahőmérséklet helyett nő, és jó a szívósságuk. Az alacsony hőmérsékletű titánötvözetek még -253 fokon is megőrzik jó szívósságukat.

5. A titán erős korrózióállósága. A levegőben 550 fok alatti hőmérsékleten a titán gyorsan vékony és sűrű titán-oxid filmréteget képez a felületén, így korrózióállósága a légkörben, tengervízben, salétromsavban, kénsavban és egyéb oxidáló közegekben, valamint erős lúgokban jobb, mint a legtöbb rozsdamentes acélé.

2.1 A titán előkészítésének módszerei
Bár a titán viszonylag nagy mennyiségben fordul elő a természetben, szórt létezése és kitermelési nehézségei miatt ritka fém. Jelenleg a titán előállítása két fő kategóriába sorolható: a hőredukciós módszerre és az olvadt só elektrolízises módszerére.

(1) Termikus redukciós módszer a titán előállítására: A termikus redukciós módszer magában foglalja a titán redukálását vegyületeiből, például TiCl4-ből, TiO2-ból és K2TiF6-ból egy bizonyos hőmérsékleten erős redukálószerekkel, mint például Li, Na, Mg, Ca és ezek hidridjei. A különböző titánvegyületek szerint a titán előállítására szolgáló hőredukciós módszer három kategóriába sorolható:

① A titán-kloridok oxidációs-redukciós módszere, például a Kroll-eljárás, a Hunter-eljárás, az Armstrong-eljárás és az EMR-eljárás;

② A titán-oxidok oxidációs-redukciós módszere, például az OS-eljárás, a PRP-eljárás és az MHR-eljárás;

③ A titanátok oxidációs-redukciós módszere. Jelenleg csak a Kroll eljárást és a Hunter eljárást alkalmazzák sikeresen az ipari termelésben. A Kroll eljárás fémes magnéziumot használ a titán kiszorítására a kloridokból, míg a Hunter eljárás fémes nátriumot használ ehhez. Ezenkívül a chicagói International Titanium Powder Company által kifejlesztett Armstrong-eljárás hasonló a Hunter-eljáráshoz, és nátriumot is használ redukálószerként a fémes titán tisztítására. Az Egyesült Államok ezzel a módszerrel megkezdte az előgyártást-a gyárakban.

(2) Olvadt só elektrolízis módszere a titán előállítására: 1959-ben Kroll azt jósolta, hogy 5-10 éven belül az olvadt só elektrolízis váltja fel a Kroll-eljárást, mint a titán előállításának főbb módszerét. Az évek során a hazai és külföldi kutatóintézetek és laboratóriumok több mint egy tucat új technológiát fejlesztettek ki a titán olvadt sóelektrolízissel történő előállítására. Az alapanyagok alapján három kategóriába sorolhatók:

① Titanátok elektrolízise;

② Titán-kloridok elektrolízise;

③ Titán-oxidok elektrolízise, ​​beleértve az FFC Cambridge-folyamatot, a MER-folyamatot, az USTB-folyamatot, a QIT-folyamatot, a SOM-folyamatot és az ionos folyékony elektrolízist.

2.2 A titán új felhasználási módjai
Az 1940-es évek óta a titán felhasználása gyorsan fejlődött, és széles körben alkalmazzák repülőgépekben, rakétákban, rakétákban, mesterséges műholdakban, űrhajókban, hajókban, hadiiparban, orvosi területen és petrolkémiai iparban. A legújabb kutatások kimutatták, hogy az emberi szervezet bizonyos mennyiségű titánt tartalmaz, és a titán stimulálja a fagocitákat és fokozza az immunrendszer működését. Ezért sok laboratórium foglalkozik a bio-titán fejlesztésével és alkalmazásával.

3.1 A titánötvözetek előállítási módszerei

A titánötvözetek hagyományos feldolgozása általában olvasztási és öntési technikákat alkalmaz. A legújabb feldolgozási technológiákat az alábbiak szerint osztályozzák:

(1) Közel-nettó-alakformáló technológia;

(2) Huzalsúrlódásos hegesztési technológia;

(3) Szuperplasztikus alakítási technológia;

(4) Számítógépes szimulációs technológia anyag-előkészítéshez és -feldolgozáshoz. A közeli-nettó-alakítási technológia magában foglalja a lézeres alakítást, a precíziós öntést, a precíziós kovácsolást, a porkohászatot és a porlasztásos alakítást stb. A porkohászat a titán alkatrészek gyártásának új eljárása, titánpor vagy titánötvözet por nyersanyag felhasználásával, majd ezt követi az alakítás és szinterezés. Először is, a port általában mechanikai ötvözéssel állítják elő, golyósmalom segítségével, hogy a nyersanyagokat intenzív ütésnek, őrlésnek és keverésnek vetik alá. Ezután a megformált ötvözetport formára préselik, két préselési módszerrel: izosztatikus préselés és hideg préselés. Ennek a lépésnek az a célja, hogy meghatározott alakú és méretű, meghatározott sűrűségű és szilárdságú préselt nyersdarabot kapjunk. Ezután a megformált nyersdarabot szikraplazma szinterezésnek vetik alá, ahol specifikus szinterezési teljesítményt és préselési nyomást fejtenek ki a szinterelőporra felső és alsó stancolókon és villamosított elektródákon keresztül. A folyamat kisülési aktiválással, forró képlékeny deformációval és hűtéssel fejeződik be, így nagy teljesítményű titán anyagokat kapnak. Ezt követően a titánötvözet a plazma szinterezés után további feldolgozáson megy keresztül, általában hőkezelésen vagy műanyagfeldolgozáson.

3.2 A titánötvözetek új alkalmazásai

A titánötvözeteket kezdetben széles körben használták a repülőgépiparban, főként repülőgép-hajtóművek vagy pneumatikus alkatrészek gyártására. Később, a technológia folyamatos fejlődésével a titánötvözetek bekerültek a hétköznapi emberek életébe, és megtalálhatóak a gyárakban vagy a háztartási gépekben. Jelenleg országok és intézmények versengenek új, alacsony költségű és nagy teljesítményű titánötvözetek kifejlesztéséért. A titánötvözetek legújabb fejlesztései főként a következő öt szempontra összpontosítanak.

(1) Orvosi titánötvözetek

A titánötvözetek alacsony sűrűséggel és jó biokompatibilitással rendelkeznek, így ideális gyógyászati ​​anyagok, amelyek akár az emberi szervezetbe is beültethetők. Korábban az orvostudományban használt titánötvözetek vanádiumot és alumíniumot tartalmaztak, amelyek károsíthatják az emberi szervezetet. A közelmúltban azonban japán tudósok kifejlesztettek egy új típusú titánötvözetet, amely jó biokompatibilitással rendelkezik. Bár ezt az ötvözetet még nem{3}} gyártották tömegesen, úgy gondoljuk, hogy a közeljövőben az ilyen jó minőségű ötvözetek széles körben használatosak lesznek a mindennapi életben.

(2) Lángálló-titánötvözetek

A titán{0}}alapú ötvözetek, amelyek bizonyos nyomás, hőmérséklet és légáramlási sebesség mellett ellenállnak az égésnek, égésgátló-titánötvözetek. Az Egyesült Államok, Oroszország és Kína egymás után kifejlesztett új égésgátló{3}}titánötvözetek. Az Egyesült Államok ezeket az égésgátló{5}}titánötvözeteket alkalmazta a motorokon, mivel nem érzékenyek az égésre, ami jelentősen javíthatja a motor stabilitását.

(3) Nagy-szilárdságú és nagy-szilárdságú -típusú titánötvözetek

A -típusú titánötvözetek nagy szilárdsággal, jó hegeszthetőséggel, valamint kiváló hideg- és melegmegmunkálási tulajdonságokkal rendelkeznek. A kutatók ezt a tulajdonságot olyan -típusú titánötvözetek kifejlesztésére használták fel, amelyek különböző jellemzőkkel rendelkeznek: jó melegmegmunkálási teljesítmény, jó plaszticitás és jó hegeszthetőség. Sőt, oldatos kezelés és öregedés után mechanikai tulajdonságaik jelentősen javulnak. Jelenleg Japán és Oroszország is kifejlesztett ilyen titánötvözeteket.

(4) Titán-alumíniumvegyületek

Az általános titánötvözetekhez képest a titán-alumíniumvegyületek kiváló magas-hőmérsékleti teljesítményt, jó oxidáció- és kúszási ellenállást, valamint kisebb sűrűséget mutatnak, mint az általános titánötvözetek. Ezek a kiemelkedő tulajdonságok azt jelzik, hogy a titán-alumíniumvegyületek új ötvözeti trendet váltanak ki. Jelenleg az Egyesült Államokban szintetizálták ezt az új titán{5}}alumínium ötvözetet, és folyamatban van a tömeggyártás.

(5) Magas hőmérsékletű{1}}titánötvözetek

A gyors megszilárdulási módszerek és a porkohászat kombinálásával, szál- vagy részecske{0}}erősítésű kompozitok felhasználásával előállított titánötvözetek kiváló magas hőmérsékletű-mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek. A magas hőmérsékletű-titánötvözetek üzemi hőmérsékleti határa sokkal magasabb, mint a közönséges titánötvözeteké. Jelenleg az Egyesült Államok új, magas hőmérsékletű titánötvözeteket fejlesztett ki. (6) A titán-nikkelötvözet, egy titánból és nikkelből álló ötvözet, „memóriaötvözetként” ismert. Ha ezt az ötvözetet előre meghatározott formára{10}}adják, majd formázási kezelésnek vetik alá, ha külső erő hatására deformálódik, már enyhe melegítéssel vissza tudja állítani eredeti megjelenését. Ez az ötvözet különféle területeken használható, mint például műszerek, mérőórák, elektronikus eszközök stb.