Resum de coneixements relacionats amb el titani metall

El titani metall va ser descobert per primera vegada l'any 1791 per un mineralogista aficionat britànic anomenat Gregor. El 1795, el químic alemany Klaprus va anomenar aquesta substància metàl·lica desconeguda en honor al déu grec Titans. La traducció xinès-anglès és "titanium". El titani és abundant a la terra. Hi ha més de 140 minerals de titani coneguts, però les principals aplicacions industrials són la ilmenita i el rutil. Entre elles, les reserves d'ilmenita de la Xina representen el 28% de les reserves mundials, ocupant el primer lloc del món.

El titani és un element no tòxic reconegut arreu del món, però els seus costos d'extracció i producció són elevats i cars. Com que té una sèrie de qualificacions com ara resistència a alta i baixa temperatura, resistència forta àcid i àlcali, alta resistència i baixa densitat, s'ha convertit en un material especial per a coets i models de satèl·lit de la NASA. També s'ha utilitzat al portaavions Yutu, J-20, Shandong i altres superprojectes del meu país. Després d'entrar en l'àmbit civil a la dècada de 1980, es va convertir en el "rei honorari del metall" de la indústria alimentària per les seves propietats antibacterianes i biòfiles naturals.
la indústria del titani del meu país va començar a la dècada de 1950. A mitjans-1960s, el meu país havia construït plantes de processament i producció d'esponges de titani i titani a Zunyi i Baoji respectivament, la qual cosa significa que el meu país s'ha convertit en una de les potències mundials de la indústria del titani. Entrant al segle XXI, la indústria del titani del meu país ha entrat en un nou període de desenvolupament accelerat, amb la capacitat de producció de titani entre les primeres del món.

Titani pur
També conegut com a titani pur industrial o titani pur comercial, es classifica segons el contingut d'elements d'impuresa. Té un excel·lent rendiment del procés d'estampació i un rendiment de soldadura, no és sensible al tractament tèrmic i al tipus d'estructura, i té una certa resistència en condicions de plasticitat satisfactòries. La seva força depèn principalment del contingut d'elements intersticials oxigen i nitrogen. Les propietats del titani pur industrial al 99,5% són: densitat P=4.5g/cm3, punt de fusió 1800 graus, conductivitat tèrmica λ=15.24W/(MK), resistència a la tracció σb=539 MPa, allargament: δ=25%, contracció de l'àrea La taxa ψ=25%, el mòdul elàstic E{=1,078×105MPa i la duresa HB195.
Aliatge de titani
L'aliatge de titani és un aliatge basat en titani i afegit amb altres elements. És un metall relativament jove, amb només seixanta o setanta anys des del seu descobriment. Els materials d'aliatge de titani tenen les característiques de pes lleuger, alta resistència, baixa elasticitat, resistència a alta temperatura i resistència a la corrosió. S'utilitzen principalment en motors aeroespacials, coets, míssils i altres components. El titani té dos cristalls isomorfs. El titani és un isòmer amb un punt de fusió de 1720 graus. Té una estructura de gelosia hexagonal molt compacta per sota dels 882 graus i s'anomena titani; té una estructura centrada en el cos per sobre dels 882 graus. L'estructura de gelosia cúbica, anomenada titani beta, aprofita les diferents característiques de les dues estructures de titani anteriors, afegeix elements d'aliatge adequats i canvia gradualment la temperatura de transformació de fase i el contingut de fase per obtenir aliatges de titani (aliatges de titani) amb diferents estructures.
Els elements d'aliatge de titani es poden dividir en tres categories segons la seva influència en la temperatura de transició de fase: ① Els elements que estabilitzen la fase i augmenten la temperatura de transició de fase són elements estables, com ara alumini, magnesi, oxigen, nitrogen, etc. Entre ells, L'alumini és l'element d'aliatge principal de l'aliatge de titani. Té efectes evidents en la millora de la resistència a la temperatura normal i alta de l'aliatge, reduint la gravetat específica i augmentant l'elasticitat. ②Els elements que estabilitzen la fase i redueixen la temperatura de transició de fase són elements estabilitzadors. Es pot dividir en dos tipus: isomorf i eutectoide. El primer inclou molibdè, niobi, vanadi, etc.; aquest últim inclou crom, manganès, coure, silici, etc. ③ Els elements que tenen poc efecte sobre la temperatura de transició de fase són elements neutres, com ara el zirconi, l'estany, etc.

TA1 (estàndard americà Gr1)
El titani Gr1 és el primer dels quatre graus de titani pur industrialment. És el més suau i mal·leable d'aquests graus. Ofereix la màxima conformabilitat, una excel·lent resistència a la corrosió i una alta tenacitat a l'impacte. El grau 1 és el material escollit per a qualsevol aplicació que requereixi facilitat de conformació i s'utilitza habitualment com a placa de titani i tub de titani.
Grau TA2 (estàndard americà Gr2).
El titani de grau 2 es coneix com el "cavall de batalla" de la indústria comercial del titani pur per la seva versatilitat i àmplia disponibilitat. Té moltes de les mateixes qualitats que el titani de grau 1, però és una mica més fort. Tots dos tenen la mateixa resistència a la corrosió. Aquest grau té una bona soldabilitat, resistència, ductilitat i conformabilitat. Això fa que les barres i plaques de titani de grau 2 siguin la primera opció per a moltes aplicacions, com ara la construcció, la generació d'energia i les indústries mèdiques.
Grau TA3 (estàndard americà Gr3).
Aquest grau utilitza almenys un grau de titani comercialment pur, però això no el fa menys valuós. El grau Gr3 és més resistent que els graus Gr1 i Gr2 i té una ductilitat similar però només una lleugera formabilitat. Però té propietats mecàniques més altes que el seu predecessor. El grau Gr3 s'utilitza en aplicacions que requereixen força moderada i resistència a la corrosió primària, com ara aeroespacial, processament químic, indústria marina, etc.
Grau TA4 (estàndard americà Gr4).
El grau Gr4 es considera el més fort dels quatre tipus de titani comercialment pur. També és conegut per la seva excel·lent resistència a la corrosió, bona conformabilitat i soldabilitat. S'utilitza en alguns components de la cèl·lula, recipients criogènics, intercanviadors de calor i altres aplicacions que requereixen alta resolució.
Grau TA9 (estàndard americà Gr7).
El grau Gr7 és mecànicament i físicament idèntic al grau 2, excepte que s'ha afegit l'element intersticial pal·ladi per convertir-lo en un aliatge. El grau 7 ofereix una soldabilitat i un rendiment excel·lents i és el més resistent a la corrosió de tots els aliatges de titani. De fet, és el més resistent a la corrosió dels àcids reductors. El nivell 7 s'utilitza per a components d'equips de producció i processos químics. Gr7 és extremadament resistent a la corrosió, especialment en ambients àcids reduïts.
Grau TA9-1 (estàndard americà Gr11).
El grau Gr11 és molt similar al grau Gr1, excepte que s'afegeix una petita quantitat de pal·ladi per millorar la resistència a la corrosió, convertint-lo en un aliatge. Aquesta resistència a la corrosió es pot utilitzar per prevenir la corrosió de les esquerdes i reduir els àcids en ambients de clorur. Altres propietats útils inclouen ductilitat òptima, conformabilitat en fred, resistència útil, resistència a l'impacte i excel·lent soldabilitat. Aquest aliatge es pot utilitzar en les mateixes aplicacions que el titani de grau 1, especialment quan es requereix corrosió.
Grau de Ti 6Al-4V (estàndard nacional TC4, estàndard americà Gr5).
El titani Ti6Al-4V o grau 5 es coneix com el "cavall de batalla" dels aliatges de titani i és el més utilitzat de tots els aliatges de titani. Representa el 50% del consum total de titani del món. La seva usabilitat rau en els seus nombrosos beneficis. El Ti6Al-4V es pot tractar tèrmicament per augmentar la seva força. Es pot utilitzar en estructures soldades amb temperatures de funcionament de fins a 600 graus F. L'aliatge combina alta resistència, pes lleuger, bona conformabilitat i alta resistència a la corrosió. La disponibilitat de Ti6AI-4V el converteix en el millor aliatge per a diverses indústries, com ara la indústria aeroespacial, mèdica, marina i de processament químic. Es pot utilitzar per crear contingut tècnic com ara:

turbina d'avió
peces del motor
peces estructurals de l'aeronau
Elements de fixació aeroespacial
Peces d'automatització d'alt rendiment
Aplicacions marines
Equipament esportiu
Nivell Ti 6AL-4V ELI (estàndard nacional TC4ELI, estàndard americà Gr23)
El grau Ti 6AL-4V ELI o Gr23 és una forma de puresa més alta de Ti 6Al-4V. Es pot convertir en bobines, fils, filferro o fil pla. És la primera opció per a qualsevol ocasió que requereixi alta resistència, pes lleuger, bona resistència a la corrosió i alta tenacitat. Té una excel·lent tolerància als danys a altres aliatges. Aquests avantatges fan que el grau Gr23 sigui el millor grau de titani dental i mèdic. A causa de la seva biocompatibilitat, bona resistència a la fatiga i baix mòdul, es pot utilitzar en aplicacions biomèdiques com ara components implantables. També es pot utilitzar per a procediments quirúrgics detallats com ara:
Cable ortopèdic
Pins i cargols ortopèdics
lligadura
en cirurgia de reemplaçament articular
recipient criogènic
Aparells d'ortodòncia
implants quirúrgics
dispositiu de fixació òssia
Grau TA10 (estàndard americà Gr12).
Els aliatges de titani de grau Gr12 reben una qualificació "Excel·lent" a causa de la seva soldabilitat d'alta qualitat. És un aliatge molt durador que proporciona una gran resistència a altes temperatures. El titani de grau Gr12 té propietats similars a l'acer inoxidable de la sèrie 300. L'aliatge es pot formar en calent o en fred mitjançant la conformació per premsa, l'hidroconformació, la conformació per estirament o el mètode de caiguda de pes. La seva capacitat per formar-se de diverses maneres el fa útil en moltes aplicacions. L'alta resistència a la corrosió de l'aliatge també el fa molt valuós per a la fabricació d'equips on la corrosió de les esquerdes és una preocupació. El grau Gr12 es pot utilitzar en les indústries i aplicacions següents:
Carcassa i intercanviador de calor
Aplicacions hidrometal·lúrgiques
Fabricació química d'alta temperatura
Components marins i d'aviació
Titani 5Al-2.5Sn
Ti 5Al-2.5Sn és un aliatge no tractable tèrmicament que permet una bona soldabilitat i estabilitat. També té estabilitat a alta temperatura, alta resistència, bona resistència a la corrosió i bona resistència a la fluència. La fluència és un fenomen de tensió plàstica que es produeix a altes temperatures durant molt de temps. Ti 5Al-2.5Sn s'utilitza principalment en aplicacions d'aeronaus i fustes, així com en aplicacions criogèniques.

Tot i que els materials de titani i aliatges de titani són abundants en reserves, són molt cars. Això es deu al fet que el titani té molt poca activitat química en condicions d'alta temperatura, i la seva tecnologia de fosa i el seu entorn operatiu són molt durs. S'ha de fondre en condicions d'alta temperatura i buit, i la temperatura sovint arriba als 800 graus, que és molt més difícil de fondre que l'acer. Per tant, quan es tracta d'aliatge de titani, la gent pensa que és un material metàl·lic de gamma alta amb baixa producció, alt preu i poques aplicacions.
En l'actualitat, a causa de les excel·lents propietats dels aliatges de titani, com ara pes lleuger, alta resistència i resistència a alta temperatura, els materials d'aliatge de titani i titani s'utilitzen àmpliament en la fabricació d'armes d'avantguarda i armes nacionals a diversos països, i són especialment adequat per al seu ús en el camp aeroespacial. Alguns exemples d'àmbits d'aplicació inclouen:

indústria química
⑴Indústria de la cendra de sosa
L'aparició de refrigeradors de titani a la indústria de la producció d'àlcali pot resoldre eficaçment el problema del gas de clor no qualificat causat per processos de refrigeració tradicionals irracionals. Al mateix temps, ha canviat la cara de producció de la indústria de clor-àlcali. La vida útil del refrigerador d'aliatge de titani invertit pot ser de fins a 20 anys.
⑵ Indústria de la sal
Actualment, el procés de producció de sal més avançat és la producció de sal al buit. La salmorra concentrada a alta temperatura produïda per aquest procés causarà danys greus a l'estructura d'acer al carboni i farà que l'equip degoteixi. La cambra de calefacció i la cambra d'evaporació adopten una estructura composta d'acer de titani, que pot prevenir eficaçment l'escala de sal i millorar la qualitat de la producció de sal. Al mateix temps, pot reduir la corrosió de l'aigua salada d'alta concentració a la paret de la canonada durant el procés d'evaporació i allargar el cicle de manteniment.
Àmbit aeroespacial
⑴Indústria de l'aviació
L'aplicació dels aliatges de titani a l'aviació es divideix en aliatges de titani per a estructures d'avions i aliatges de titani per a estructures de motors. Les parts d'aplicació principals de les peces estructurals d'aliatge de titani d'avions inclouen peces del tren d'aterratge, marcs, bigues, pells del fuselatge, escuts tèrmics, etc. L'avió rus IL{{0}} utilitza aliatge de titani BT22 d'alta resistència per fabricar claus. components com el tren d'aterratge i la biga de càrrega; el material del feix de transmissió del tren d'aterratge principal del Boeing 747 és Ti-6Al-4V. La forja fa 6,20 metres de llargada, 0,95 metres d'amplada, i té una massa de 1.545 quilograms; les parts clau de l'eix estabilitzador horitzontal de l'avió C-17 estan fetes d'aliatge de titani Ti-62222S d'alta resistència i alta tenacitat. En els motors aeroespacials, els aliatges de titani s'utilitzen en discos de compressors, pales, tambors, rotors de compressors d'alta pressió, carcassas de compressors, etc. Les vores d'atac i les puntes de les pales del ventilador del motor Boeing 747-8GENX utilitzen beines protectores d'aliatge de titani, que només es pot substituir tres vegades en un 10-any de vida útil.
⑵Indústria aeroespacial
Les condicions de treball dels vehicles aeroespacials són molt extremes. A més de l'excel·lent tecnologia necessària per al disseny estructural dels materials, també són importants l'excel·lent rendiment i les funcions dels mateixos materials. Per tant, els aliatges de titani destaquen entre molts materials. Pel que fa a l'equip aeroespacial, a la dècada de 1960, els llargs i les costelles de la cabina doble i la cabina hermètica del programa Apollo dels Estats Units estaven fets de Ti{-5Al{-2.5Sn, i el revestiment interior estava fet de titani pur; preparat per l'empresa aeroespacial alemanya MT. El dipòsit de combustible del sistema de propulsió d'aliatge Ti-15V{-3Cr d'alta resistència s'utilitza a la plataforma gegant europea de satèl·lits de comunicacions Alpha; Els aliatges de titani russos tenen moltes aplicacions en enginyeria aeroespacial. Per exemple, el vehicle de llançament d'energia utilitza peces forjades grans d'aliatge de titani BT23 amb un pes de 3,5 t i forjades. A més, els aliatges de titani també s'utilitzen en dipòsits de combustible de motors de coets de combustible líquid, dipòsits d'emmagatzematge de líquids criogènics, impulsors de bombes de transferència d'hidrogen líquid, etc.
De la mateixa manera, en el ràpid desenvolupament de l'enginyeria aeroespacial domèstica, els aliatges de titani també s'han utilitzat àmpliament. Des del satèl·lit Vostok-1 el 1970 fins a la nau espacial actual de la sèrie Shenzhou, la sonda Chang'e, etc., s'han utilitzat aliatges de titani. A més, els aliatges de titani s'utilitzen en entorns d'hidrogen líquid desenvolupats al nostre país. S'han utilitzat cilindres de gas d'aliatge de titani Ti-5Al{-2.5Sn de baixa temperatura a la sèrie de vehicles de llançament Long March; L'Institut Tecnològic de Harbin utilitza l'aliatge de titani Gr5 per preparar les llandes dels vehicles lunars; A més, el meu país també utilitza aliatges de titani d'alta resistència com el BT20 per fabricar carcassas i broquets de motors de míssils, canonades i altres components.
Camp de vaixell
El titani i els aliatges de titani s'utilitzen àmpliament en submarins nuclears, submergibles profunds, trencaglaços atòmics, hidroalas, aerodeslizadors, dragamines, hèlixs, antenes de fuet, canonades d'aigua de mar, condensadors, intercanviadors de calor, dispositius acústics, equips contra incendis, etc. Predominant. Per exemple, el submergible profund nord-americà "Haiya" està equipat amb una cabina d'observació d'aliatge de titani i una cabina de control, amb una profunditat de busseig de fins a 6100 m; la llanxa ràpida de titani "Morris Sky 2" construïda conjuntament per la companyia japonesa Toho Titanium i Fuji New Shipbuilding Ha estat molt popular als Estats Units des de fa temps; El primer submergible tripulat autodissenyat i autointegrat del meu país, el "Jiaolong", també va utilitzar aliatge de titani. L'abast d'operació de "Jiaolong" cobreix el 99,8% de la superfície marítima del món.

Tot i que el titani i els aliatges de titani han avançat considerablement, també s'han exposat els problemes existents i el desenvolupament d'aliatges de titani també s'enfronta a reptes considerables. Es reflecteix principalment en els tres aspectes següents:
1) Des de la perspectiva de la sortida
Tot i que el nostre país és un gran país en la indústria del titani, no produeix molts productes d'alta qualitat i té menys tipus de productes de titani amb propietats especials. En segon lloc, el meu país encara no pot produir de manera estable tires de titani i perfils extrusats de titani, cosa que limita l'ús de titani i aliatges de titani en el camp aeroespacial. , desenvolupament i utilització en àmbits marí i altres. Encara és molt difícil augmentar encara més el consum de titani dels motors d'aeronau fins a un 50%.
2) Rendiment
Com que el metall de titani és altament actiu químicament i es contamina fàcilment per altres elements, la tecnologia de processament i fabricació dels aliatges de titani és molt exigent. Al mateix temps, els productes processats d'alt rendiment han de considerar exhaustivament les seves propietats mecàniques, físiques, químiques i de procés. Quan els aliatges de titani existents superen els 600 graus, la seva resistència a la fluència i la resistència a l'oxidació a alta temperatura cauen bruscament, que són dos obstacles principals que limiten l'aplicació ampliada dels aliatges de titani.
3) Aspecte del cost
Actualment, diversos països estan treballant dur per reduir el cost d'aplicació dels aliatges de titani i han aconseguit molts resultats. Però a jutjar per la situació actual del nostre país, la gestió i el nivell tècnic del nostre país encara no han arribat al nivell ideal. Els preus dels productes nacionals d'aliatge de titani són relativament competitius a nivell internacional. Pobre i poc propici per a una major expansió de l'ús.
Actualment, les principals àrees d'aplicació dels aliatges de titani són l'aeroespacial i altres camps militars. El desenvolupament de nous camps d'aplicació, com ara automòbils, trens, ferrocarrils d'alta velocitat i camps civils que s'utilitzen habitualment a la vida diària, encara té àmplies perspectives d'aplicació. A més, substituir els elements d'aliatge cars per elements de menor preu i reduir el cost de les peces d'aliatge de titani mitjançant mitjans tècnics són temes importants en el futur treball de recerca d'aliatges de titani. Després d'aconseguir en el futur la fabricació de baix cost d'aliatges de titani per a aplicacions de gamma alta, els aliatges de titani s'utilitzaran en diversos camps.