Zusammenfassung des Wissens über Titanmetall

Titanmetall wurde erstmals 1791 von einem britischen Amateurmineralogen namens Gregor entdeckt. Im Jahr 1795 benannte der deutsche Chemiker Klaprus diese unbekannte metallische Substanz nach dem griechischen Gott Titanen. Die chinesisch-englische Übersetzung lautet „Titanium“. Titan ist auf der Erde reichlich vorhanden. Es sind mehr als 140 Titanmineralien bekannt, die wichtigsten industriellen Anwendungen sind jedoch Ilmenit und Rutil. Unter ihnen machen Chinas Ilmenitreserven 28 % der weltweiten Reserven aus und stehen weltweit an erster Stelle.

Titan ist ein weltweit anerkanntes, ungiftiges Element, dessen Abbau- und Produktionskosten jedoch hoch und teuer sind. Da es über eine Reihe von Eigenschaften verfügt, wie z. B. hohe und niedrige Temperaturbeständigkeit, starke Säure- und Alkalibeständigkeit, hohe Festigkeit und geringe Dichte, ist es zu einem besonderen Material für NASA-Raketen und Satellitenmodelle geworden. Es wurde auch in den Flugzeugträgern Yutu, J-20, Shandong und anderen Superprojekten meines Landes eingesetzt. Nach seinem Eintritt in den zivilen Bereich in den 1980er Jahren wurde es aufgrund seiner natürlichen antibakteriellen und biophilen Eigenschaften zum „Ehrenmetallkönig“ der Lebensmittelindustrie.
Die Titanindustrie meines Landes begann in den 1950er Jahren. Mitte der -1960er Jahre hatte mein Land Titanschwamm- und Titanverarbeitungs- und -produktionsanlagen in Zunyi bzw. Baoji gebaut, was bedeutet, dass mein Land zu einer der Titanindustriemächte der Welt geworden ist. Mit Beginn des 21. Jahrhunderts ist die Titanindustrie meines Landes in eine neue Phase beschleunigter Entwicklung eingetreten, wobei die Titanproduktionskapazität zu den Spitzenreitern der Welt zählt.

Reines Titan
Es wird auch als industrielles Reintitan oder kommerzielles Reintitan bezeichnet und nach dem Gehalt an Verunreinigungselementen klassifiziert. Es verfügt über eine hervorragende Stanzprozessleistung und Schweißleistung, ist unempfindlich gegenüber Wärmebehandlung und Strukturtyp und weist unter zufriedenstellenden Plastizitätsbedingungen eine gewisse Festigkeit auf. Seine Stärke hängt hauptsächlich vom Gehalt der interstitiellen Elemente Sauerstoff und Stickstoff ab. Die Eigenschaften von 99,5 % industriellem Reintitan sind: Dichte P=4,5 g/cm3, Schmelzpunkt 1800 Grad, Wärmeleitfähigkeit λ=15,24 W/(MK), Zugfestigkeit σb=539 MPa, Dehnung: δ=25 %, Flächenschrumpfung Die Rate ψ=25 %, der Elastizitätsmodul E=1.078×105 MPa und die Härte HB195.
Titanlegierung
Eine Titanlegierung ist eine Legierung, die auf Titan basiert und mit anderen Elementen versetzt wird. Es handelt sich um ein relativ junges Metall, das seit seiner Entdeckung erst sechzig oder siebzig Jahre alt ist. Titanlegierungsmaterialien zeichnen sich durch geringes Gewicht, hohe Festigkeit, geringe Elastizität, hohe Temperaturbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit aus. Sie werden hauptsächlich in Triebwerken, Raketen, Flugkörpern und anderen Komponenten der Luft- und Raumfahrt eingesetzt. Titan hat zwei isomorphe Kristalle. Titan ist ein Isomer mit einem Schmelzpunkt von 1720 Grad. Es hat eine dicht gepackte hexagonale Gitterstruktur unterhalb von 882 Grad und wird Titan genannt; Es hat eine körperzentrierte Struktur über 882 Grad. Die kubische Gitterstruktur, Beta-Titan genannt, nutzt die unterschiedlichen Eigenschaften der beiden oben genannten Titanstrukturen, fügt geeignete Legierungselemente hinzu und ändert schrittweise ihre Phasenumwandlungstemperatur und ihren Phasengehalt, um Titanlegierungen (Titanlegierungen) mit unterschiedlichen Strukturen zu erhalten.
Titanlegierungselemente können entsprechend ihrem Einfluss auf die Phasenübergangstemperatur in drei Kategorien eingeteilt werden: ① Elemente, die die Phase stabilisieren und die Phasenübergangstemperatur erhöhen, sind stabile Elemente wie Aluminium, Magnesium, Sauerstoff, Stickstoff usw. Darunter sind: Aluminium ist das Hauptlegierungselement der Titanlegierung. Es hat offensichtliche Auswirkungen auf die Verbesserung der Normal- und Hochtemperaturfestigkeit der Legierung, die Verringerung des spezifischen Gewichts und die Erhöhung der Elastizität. ②Elemente, die die Phase stabilisieren und die Phasenübergangstemperatur senken, sind -stabilisierende Elemente. Es kann in zwei Typen unterteilt werden: isomorph und eutektoid. Ersteres umfasst Molybdän, Niob, Vanadium usw.; Letzteres umfasst Chrom, Mangan, Kupfer, Silizium usw. ③ Elemente, die nur einen geringen Einfluss auf die Phasenübergangstemperatur haben, sind neutrale Elemente, einschließlich Zirkonium, Zinn usw.

TA1 (amerikanischer Standard Gr1)
Gr1-Titan ist die erste von vier Sorten industriell reinen Titans. Es ist die weichste und formbarste dieser Sorten. Es bietet maximale Formbarkeit, hervorragende Korrosionsbeständigkeit und hohe Schlagzähigkeit. Güteklasse 1 ist das Material der Wahl für alle Anwendungen, bei denen eine einfache Umformung erforderlich ist, und wird üblicherweise als Titanplatte und Titanrohr verwendet.
TA2-Klasse (amerikanischer Standard Gr2).
Titan der Güteklasse 2 gilt aufgrund seiner Vielseitigkeit und breiten Verfügbarkeit als „Arbeitspferd“ der kommerziellen Reintitanindustrie. Es hat viele der gleichen Eigenschaften wie Titan Grad 1, ist jedoch etwas stärker. Beide haben die gleiche Korrosionsbeständigkeit. Diese Sorte weist eine gute Schweißbarkeit, Festigkeit, Duktilität und Formbarkeit auf. Dies macht Titanstäbe und -platten der Güteklasse 2 zur ersten Wahl für viele Anwendungen, einschließlich der Bau-, Energieerzeugungs- und Medizinindustrie.
TA3-Klasse (amerikanischer Standard Gr3).
Bei dieser Sorte wird mindestens eine kommerziell reine Titansorte verwendet, was sie jedoch nicht weniger wertvoll macht. Die Güteklasse Gr3 ist fester als die Güteklassen Gr1 und Gr2 und weist eine ähnliche Duktilität, jedoch nur eine geringe Formbarkeit auf. Es verfügt jedoch über höhere mechanische Eigenschaften als sein Vorgänger. Klasse Gr3 wird in Anwendungen verwendet, die mäßige Festigkeit und primäre Korrosionsbeständigkeit erfordern, wie z. B. Luft- und Raumfahrt, chemische Verarbeitung, Schiffsindustrie usw.
TA4-Klasse (amerikanischer Standard Gr4).
Die Güteklasse Gr4 gilt als die stärkste der vier Arten von kommerziell reinem Titan. Es ist außerdem für seine hervorragende Korrosionsbeständigkeit, gute Formbarkeit und Schweißbarkeit bekannt. Wird in einigen Flugzeugkomponenten, Kryobehältern, Wärmetauschern und anderen Anwendungen verwendet, die eine hohe Auflösung erfordern.
Klasse TA9 (amerikanischer Standard Gr7).
Die Güteklasse Gr7 ist mechanisch und physikalisch mit der Güteklasse 2 identisch, mit der Ausnahme, dass das interstitielle Element Palladium hinzugefügt wurde, um daraus eine Legierung zu machen. Grad 7 bietet hervorragende Schweißbarkeit und Leistung und ist die korrosionsbeständigste aller Titanlegierungen. Tatsächlich ist es die korrosionsbeständigste aller reduzierenden Säuren. Level 7 wird für chemische Prozess- und Produktionsanlagenkomponenten verwendet. Gr7 ist äußerst korrosionsbeständig, insbesondere in reduzierend sauren Umgebungen.
TA9-1-Klasse (amerikanischer Standard Gr11).
Die Güteklasse Gr11 ist der Güteklasse Gr1 sehr ähnlich, außer dass eine kleine Menge Palladium hinzugefügt wird, um die Korrosionsbeständigkeit zu erhöhen, was sie zu einer Legierung macht. Diese Korrosionsbeständigkeit kann genutzt werden, um Spaltkorrosion zu verhindern und Säuren in Chloridumgebungen zu reduzieren. Weitere nützliche Eigenschaften sind optimale Duktilität, Kaltformbarkeit, Nutzfestigkeit, Schlagzähigkeit und hervorragende Schweißbarkeit. Diese Legierung kann in den gleichen Anwendungen wie Titan der Güteklasse 1 verwendet werden, insbesondere dort, wo Korrosion erforderlich ist.
Sorte Ti 6Al-4V (nationaler Standard TC4, amerikanischer Standard Gr5).
Ti6Al-4V oder Titan der Güteklasse 5 ist als „Arbeitspferd“ unter den Titanlegierungen bekannt und wird von allen Titanlegierungen am häufigsten verwendet. Macht 50 % des weltweiten gesamten Titanverbrauchs aus. Seine Benutzerfreundlichkeit liegt in seinen vielen Vorteilen. Ti6Al-4V kann zur Erhöhung seiner Festigkeit wärmebehandelt werden. Es kann für Schweißkonstruktionen mit Betriebstemperaturen von bis zu 600 °F verwendet werden. Die Legierung vereint hohe Festigkeit, geringes Gewicht, gute Formbarkeit und hohe Korrosionsbeständigkeit. Die Verfügbarkeit von Ti6AI-4V macht es zur besten Legierung für verschiedene Branchen, darunter Luft- und Raumfahrt, Medizintechnik, Schifffahrt und chemische Verarbeitungsindustrie. Es kann verwendet werden, um technische Inhalte zu erstellen wie:

Flugzeugturbine
Motorenteile
Strukturteile für Flugzeuge
Verbindungselemente für die Luft- und Raumfahrt
Hochleistungs-Automatisierungsteile
Marineanwendungen
Sportausrüstung
Ti 6AL-4V ELI-Niveau (nationaler Standard TC4ELI, amerikanischer Standard Gr23).
Ti 6AL-4V ELI oder Gr23 ist eine Form von Ti 6Al-4V mit höherer Reinheit. Es kann zu Spulen, Litzen, Drähten oder Flachdrähten verarbeitet werden. Es ist die erste Wahl für alle Fälle, in denen hohe Festigkeit, geringes Gewicht, gute Korrosionsbeständigkeit und hohe Zähigkeit erforderlich sind. Im Vergleich zu anderen Legierungen weist es eine ausgezeichnete Schadenstoleranz auf. Diese Vorteile machen die Sorte Gr23 zur ultimativen zahnmedizinischen und medizinischen Titansorte. Aufgrund seiner Biokompatibilität, guten Ermüdungsfestigkeit und seines niedrigen Moduls kann es in biomedizinischen Anwendungen wie implantierbaren Komponenten eingesetzt werden. Es kann auch für detaillierte chirurgische Eingriffe verwendet werden, wie zum Beispiel:
Orthopädisches Kabel
Orthopädische Stifte und Schrauben
Ligatur
bei Gelenkersatzoperationen
kryogener Behälter
Kieferorthopädische Geräte
chirurgische Implantate
Vorrichtung zur Knochenfixierung
Klasse TA10 (amerikanischer Standard Gr12).
Titanlegierungen der Güteklasse Gr12 erhalten aufgrund ihrer hochwertigen Schweißbarkeit die Bewertung „Ausgezeichnet“. Es handelt sich um eine äußerst haltbare Legierung, die bei hohen Temperaturen eine hohe Festigkeit bietet. Titan der Güteklasse Gr12 hat ähnliche Eigenschaften wie Edelstahl der Serie 300. Die Legierung kann durch Pressformen, Hydroformen, Streckformen oder das Fallgewichtsverfahren warm oder kalt geformt werden. Seine Fähigkeit, auf vielfältige Weise geformt zu werden, macht es für viele Anwendungen nützlich. Die hohe Korrosionsbeständigkeit der Legierung macht sie auch für Fertigungsanlagen von unschätzbarem Wert, bei denen Spaltkorrosion ein Problem darstellt. Die Sorte Gr12 kann in den folgenden Branchen und Anwendungen eingesetzt werden:
Gehäuse und Wärmetauscher
Hydrometallurgische Anwendungen
Hochtemperatur-Chemikalienherstellung
Marine- und Luftfahrtkomponenten
Titan 5Al-2.5Sn
Ti 5Al-2.5Sn ist eine nicht wärmebehandelbare Legierung, die eine gute Schweißbarkeit und Stabilität ermöglicht. Es verfügt außerdem über eine hohe Temperaturstabilität, eine hohe Festigkeit, eine gute Korrosionsbeständigkeit und eine gute Kriechfestigkeit. Kriechen ist ein Phänomen der plastischen Dehnung, das bei hohen Temperaturen über einen längeren Zeitraum auftritt. Ti 5Al-2.5Sn wird hauptsächlich in Flugzeug- und Flugzeugzellenanwendungen sowie in kryogenen Anwendungen eingesetzt.

Obwohl Titan und Titanlegierungsmaterialien reichlich vorhanden sind, sind sie sehr teuer. Dies liegt daran, dass Titan unter Hochtemperaturbedingungen nur eine sehr geringe chemische Aktivität aufweist und seine Schmelztechnologie und Betriebsumgebung sehr rau sind. Es muss unter Hochtemperatur- und Vakuumbedingungen geschmolzen werden, und die Temperatur erreicht oft über 800 Grad, was viel schwieriger zu schmelzen ist als Stahl. Wenn es um Titanlegierungen geht, denken die Leute daher, dass es sich um ein hochwertiges Metallmaterial mit geringer Leistung, hohem Preis und wenigen Anwendungen handelt.
Aufgrund der hervorragenden Eigenschaften von Titanlegierungen wie geringes Gewicht, hohe Festigkeit und hohe Temperaturbeständigkeit werden Titan und Titanlegierungsmaterialien derzeit in verschiedenen Ländern häufig bei der Herstellung modernster Waffen und nationaler Waffen verwendet, und zwar insbesondere Geeignet für den Einsatz im Luft- und Raumfahrtbereich. Beispiele für Anwendungsbereiche sind:

Chemieindustrie
⑴Soda-Industrie
Das Aufkommen von Titankühlschränken in der Alkaliproduktionsindustrie kann das Problem des unqualifizierten Chlorgases, das durch unzumutbare herkömmliche Kühlprozesse verursacht wird, wirksam lösen. Gleichzeitig hat es das Produktionsgesicht der Chlor-Alkali-Industrie verändert. Die Lebensdauer des investierten Kühlschranks aus Titanlegierung kann bis zu 20 Jahre betragen.
⑵ Salzindustrie
Das derzeit fortschrittlichere Salzproduktionsverfahren ist die Vakuumsalzproduktion. Die bei diesem Verfahren erzeugte konzentrierte Hochtemperatursole verursacht schwere Schäden an der Struktur aus Kohlenstoffstahl und führt zum Tropfen der Ausrüstung. Die Heizkammer und die Verdampfungskammer verfügen über eine Titanstahl-Verbundstruktur, die Salzablagerungen wirksam verhindern und die Qualität der Salzproduktion verbessern kann. Gleichzeitig kann es die Korrosion von hochkonzentriertem Salzwasser an der Rohrwand während des Verdunstungsprozesses reduzieren und den Wartungszyklus verlängern.
Luft- und Raumfahrtbereich
⑴Luftfahrtindustrie
Die Anwendung von Titanlegierungen in der Luftfahrt wird in Titanlegierungen für Flugzeugstrukturen und Titanlegierungen für Triebwerksstrukturen unterteilt. Zu den Hauptanwendungsteilen von Strukturteilen aus Titanlegierungen für Flugzeuge gehören Fahrwerksteile, Rahmen, Träger, Rumpfhäute, Hitzeschilde usw. Das russische Flugzeug IL{{0}} verwendet die hochfeste Titanlegierung BT22 zur Herstellung von Schlüsseln Komponenten wie Fahrwerk und Last – Tragbalken; Das Material für den Hauptfahrwerksträger der Boeing 747 ist Ti-6Al-4V. Das Schmiedestück ist 6,20 Meter lang, 0,95 Meter breit und wiegt 1.545 Kilogramm; Die wichtigsten Teile der horizontalen Stabilisatorwelle des C-17-Flugzeugs bestehen aus einer hochfesten und hochfesten Ti-62222S-Titanlegierung. In Luft- und Raumfahrttriebwerken werden Titanlegierungen in Kompressorscheiben, Schaufeln, Trommeln, Hochdruckkompressorrotoren, Kompressorgehäusen usw. verwendet. Die Vorderkanten und Spitzen der Boeing 747-8GENX-Triebwerkslüfterblätter verwenden Schutzhüllen aus Titanlegierung. die innerhalb einer 10-jährigen Lebensdauer nur dreimal ausgetauscht werden kann.
⑵Luft- und Raumfahrtindustrie
Die Arbeitsbedingungen von Luft- und Raumfahrzeugen sind sehr extrem. Neben der hervorragenden Technologie, die für die strukturelle Gestaltung von Materialien erforderlich ist, sind auch die hervorragenden Leistungen und Funktionen der Materialien selbst wichtig. Daher stechen Titanlegierungen unter vielen Materialien hervor. Was die Luft- und Raumfahrtausrüstung betrifft, so bestanden in den 1960er Jahren die Doppelkabine und die luftdichten Kabinenflügelholme und -rippen des US-Apollo-Programms aus Ti-5Al-2.5Sn, und die Innenauskleidung bestand aus Ti-5Al-2.5Sn reines Titan; vorbereitet von der deutschen MT Aerospace Company. Der Antriebssystem-Kraftstofftank aus einer hochfesten Ti-15V-3Cr-Legierung wird auf der riesigen Plattform des europäischen Kommunikationssatelliten Alpha verwendet. Russische Titanlegierungen finden zahlreiche Anwendungen in der Luft- und Raumfahrttechnik. Beispielsweise verwendet die Energieträgerrakete große Gesenkschmiedeteile aus BT23-Titanlegierung mit einem Gewicht von 3,5 Tonnen und Schmiedeteile. Darüber hinaus werden Titanlegierungen auch in Treibstofftanks von Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerken, Lagertanks für kryogene Flüssigkeiten, Laufrädern von Flüssigwasserstoff-Transferpumpen usw. verwendet.
In ähnlicher Weise wurden in der rasanten Entwicklung der heimischen Luft- und Raumfahrttechnik auch häufig Titanlegierungen verwendet. Vom Wostok-1-Satelliten im Jahr 1970 bis zur aktuellen Raumsonde der Shenzhou-Serie, der Chang'e-Sonde usw. wurden Titanlegierungen verwendet. Darüber hinaus werden Titanlegierungen in in unserem Land entwickelten Flüssigwasserstoffumgebungen verwendet. Niedertemperatur-Ti-5Al-2.5Sn ELI-Gaszylinder aus Titanlegierung wurden in der Long March-Serie von Trägerraketen verwendet; Das Harbin Institute of Technology verwendet Gr5-Titanlegierung zur Herstellung von Felgen für Mondrover; Darüber hinaus verwendet mein Land auch hochfeste Titanlegierungen wie BT20 zur Herstellung von Gehäusen und Düsen für Raketentriebwerke, Rohren und anderen Komponenten.
Schiffsfeld
Titan und Titanlegierungen werden häufig in Atom-U-Booten, Tieftauchbooten, atomaren Eisbrechern, Tragflächenbooten, Luftkissenfahrzeugen, Minensuchbooten, Propellern, Peitschenantennen, Meerwasserleitungen, Kondensatoren, Wärmetauschern, akustischen Geräten, Feuerlöschgeräten usw. verwendet. Überwiegend. Beispielsweise ist das amerikanische Tieftauchboot „Haiya“ mit einer Beobachtungskabine und einer Steuerkabine aus Titanlegierung ausgestattet und ermöglicht eine Tauchtiefe von bis zu 6100 m; das komplett aus Titan gefertigte Schnellboot „Morris Sky 2“, gemeinsam gebaut von der japanischen Toho Titanium Company und Fuji New Shipbuilding. Es erfreut sich in den Vereinigten Staaten seit einiger Zeit großer Beliebtheit; Das erste selbst entworfene und integrierte bemannte Tauchboot meines Landes, die „Jiaolong“, verwendete ebenfalls eine Titanlegierung. Der Einsatzbereich von „Jiaolong“ umfasst 99,8 % der weltweiten Meeresfläche.

Obwohl Titan und Titanlegierungen erhebliche Fortschritte gemacht haben, wurden auch bestehende Probleme aufgedeckt, und auch die Entwicklung von Titanlegierungen steht vor erheblichen Herausforderungen. Dies spiegelt sich hauptsächlich in den folgenden drei Aspekten wider:
1) Aus der Perspektive des Outputs
Obwohl unser Land ein großes Land in der Titanindustrie ist, werden dort nicht viele hochwertige Produkte hergestellt und es gibt weniger Arten von Titanprodukten mit besonderen Eigenschaften. Zweitens ist mein Land immer noch nicht in der Lage, Titanstreifen und Titan-Strangpressprofile stabil in Massenproduktion herzustellen, was die Verwendung von Titan und Titanlegierungen im Luft- und Raumfahrtbereich einschränkt. , Entwicklung und Nutzung in der Schifffahrt und anderen Bereichen. Es ist immer noch sehr schwierig, den Titanverbrauch von Flugtriebwerken weiter auf etwa 50 % zu steigern.
2) Leistung
Da Titanmetall chemisch hochaktiv ist und leicht durch andere Elemente verunreinigt wird, ist die Verarbeitungs- und Herstellungstechnologie von Titanlegierungen sehr anspruchsvoll. Gleichzeitig müssen die verarbeiteten Hochleistungsprodukte umfassend hinsichtlich ihrer mechanischen, physikalischen, chemischen und prozesstechnischen Eigenschaften berücksichtigt werden. Wenn bestehende Titanlegierungen eine Temperatur von über 600 Grad haben, sinken ihre Kriechfestigkeit und ihre Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit stark, was zwei große Hindernisse darstellt, die die erweiterte Anwendung von Titanlegierungen einschränken.
3) Kostenaspekt
Derzeit arbeiten verschiedene Länder intensiv daran, die Anwendungskosten von Titanlegierungen zu senken, und haben viele Ergebnisse erzielt. Aber gemessen an der aktuellen Situation in unserem Land haben das Management und das technische Niveau unseres Landes noch nicht das ideale Niveau erreicht. Die Preise für inländische Titanlegierungsprodukte sind international relativ wettbewerbsfähig. Schlecht und einer weiteren Ausweitung der Nutzung nicht förderlich.
Hauptanwendungsgebiete von Titanlegierungen sind derzeit die Luft- und Raumfahrt sowie andere militärische Bereiche. Die Entwicklung neuer Anwendungsbereiche wie Automobile, Züge, Hochgeschwindigkeitszüge und zivile Bereiche, die im täglichen Leben häufig verwendet werden, bietet weiterhin breite Anwendungsaussichten. Darüber hinaus sind der Ersatz teurer Legierungselemente durch günstigere Elemente und die Reduzierung der Kosten von Titanlegierungsteilen durch technische Mittel wichtige Themen zukünftiger Forschungsarbeiten zu Titanlegierungen. Nachdem in Zukunft eine kostengünstige Herstellung von Titanlegierungen für High-End-Anwendungen erreicht ist, werden Titanlegierungen in verschiedenen Bereichen eingesetzt.