Zliatina titánu sa vzťahuje na rôzne zliatinové kovy vyrobené z titánu a iných kovov. Titán je dôležitý konštrukčný kov vyvinutý v 50. rokoch minulého storočia. Zliatina titánu má vysokú pevnosť, dobrú odolnosť proti korózii a vysokú tepelnú odolnosť. V 50. a 60. rokoch 20. storočia bola hlavná pozornosť venovaná vývoju vysokoteplotných zliatin titánu pre letecké motory a konštrukčných zliatin titánu pre trupy.
V sedemdesiatych rokoch minulého storočia bola vyvinutá séria zliatin titánu odolných voči korózii. Od 80. rokov 20. storočia sa ďalej vyvíjali zliatiny titánu odolné voči korózii a zliatiny titánu s vysokou pevnosťou. Z titánových zliatin sa vyrábajú hlavne časti kompresorov leteckých motorov, nasledujú rakety, strely a konštrukčné časti vysokorýchlostných lietadiel.
Titán je dôležitý konštrukčný kov vyvinutý v 50. rokoch minulého storočia. Zliatiny titánu sú široko používané v rôznych oblastiach kvôli ich vysokej pevnosti, dobrej odolnosti proti korózii a vysokej tepelnej odolnosti. Mnohé krajiny vo svete uznali dôležitosť materiálov zliatiny titánu a postupne na nich uskutočnili výskum a vývoj a získali praktické aplikácie.
Prvou praktickou zliatinou titánu bola zliatina Ti-6Al-4V úspešne vyvinutá v Spojených štátoch v roku 1954. Vďaka svojej dobrej tepelnej odolnosti, pevnosti, plasticite, húževnatosti, tvárnosti, zvárateľnosti, odolnosti voči korózii a biokompatibilita, stala sa eso zliatinou v priemysle titánových zliatin. Použitie tejto zliatiny predstavovalo 75 % až 85 % všetkých zliatin titánu. Mnohé ďalšie zliatiny titánu možno považovať za modifikácie zliatiny Ti-6Al-4V.
V 50. a 60. rokoch 20. storočia bol hlavným zameraním vývoj vysokoteplotných zliatin titánu pre letecké motory a konštrukčných zliatin titánu pre trupy. V 70. rokoch 20. storočia bolo vyvinutých množstvo zliatin titánu odolných voči korózii. Od 80. rokov 20. storočia sa ďalej vyvíjali zliatiny titánu odolné voči korózii a zliatiny titánu s vysokou pevnosťou. Teplota použitia žiaruvzdorných titánových zliatin sa zvýšila zo 400 stupňov v 50. rokoch na 600-650 stupňov v 90. rokoch. Objavenie sa zliatin na báze A2 (Ti3Al) a r (TiAl) posunulo použitie titánu v motore zo studeného konca (ventilátor a kompresor) motora do horúceho konca (turbína) motora. Konštrukčné zliatiny titánu sa vyvíjajú smerom k vysokej pevnosti, vysokej plasticite, vysokej pevnosti a húževnatosti, vysokému modulu a vysokej odolnosti voči poškodeniu.
Okrem toho sa od 70. rokov objavili aj zliatiny s tvarovou pamäťou ako Ti-Ni, Ti-Ni-Fe a Ti-Ni-Nb, ktoré sa v strojárstve stále viac používajú.
Vo svete sú vyvinuté stovky zliatin titánu a najznámejšie zliatiny sú 20 až 30, ako napríklad Ti-6Al-4V, Ti-5Al-2. 5Sn, Ti-2Al-2.5Zr, Ti-32Mo, Ti-Mo-Ni, Ti-Pd, SP-700, Ti-6242, Ti -10-5-3, Ti-1023, BT9, BT20, IMI829, IMI834 atď. [2,4].
Podľa relevantných štatistík dosiahlo množstvo titánu používaného v chemickom priemysle mojej krajiny v roku 2012 25,{1}} ton, čo bol pokles oproti roku 2011. Je to prvýkrát, čo trh s chemickým titánom v mojej krajine zaznamenal negatívny rast od 2009. Chemický priemysel je v posledných rokoch najväčším užívateľom materiálov na spracovanie titánu a jeho využitie vždy predstavovalo viac ako 50 % z celkového použitia titánu a v roku 2011 to bolo až 55 %. Keďže sa však ekonomika prepadla do útlmu, chemický priemysel zaznamenal nielen výrazné zníženie nových projektov, ale bude čeliť aj priemyselnej reštrukturalizácii, pričom nové výrobné kapacity pre niektoré produkty budú kontrolované a zastarané výrobné kapacity budú postupne odstraňované. V dôsledku toho sa zmenšujúce sa používanie materiálov na spracovanie titánu stalo samozrejmosťou. Predtým odborníci z odvetvia predpovedali, že používanie titánu v chemickom priemysle dosiahne vrchol medzi rokmi 2013 a 2015. Podľa súčasnej výkonnosti trhu môže celková ekonomická slabosť v roku 2012 spôsobiť pokles používania titánu v chemickom priemysle.
Titán je nový druh kovu. Výkon titánu súvisí s obsahom nečistôt, ako je uhlík, dusík, vodík a kyslík. Najčistejší jodid titánu má obsah nečistôt maximálne 0,1 %, ale má nízku pevnosť a vysokú plasticitu. Vlastnosti 99,5% priemyselného čistého titánu sú: hustota ρ=4.5g/cm3, bod topenia 1725 stupňov, tepelná vodivosť λ=15.24W/(mK), pevnosť v ťahu σb=539 MPa, predĺženie δ=25%, prierezové zmrštenie ψ=25%, modul pružnosti E=1.078×105MPa, tvrdosť HB195.
Vysoká pevnosť: Hustota zliatiny titánu je vo všeobecnosti okolo 4,51 g/cm3, čo je len 60 % ocele. Niektoré vysokopevnostné zliatiny titánu prevyšujú pevnosť mnohých legovaných konštrukčných ocelí. Preto je špecifická pevnosť (pevnosť/hustota) titánovej zliatiny oveľa väčšia ako u iných kovových konštrukčných materiálov a možno vyrobiť diely s vysokou jednotkovou pevnosťou, dobrou tuhosťou a nízkou hmotnosťou. Komponenty leteckých motorov, kostry, plášte, spojovacie prvky a pristávacie zariadenia používajú zliatiny titánu.
Vysoká tepelná pevnosť
Prevádzková teplota je o niekoľko stoviek stupňov vyššia ako pri hliníkovej zliatine. Stále si dokáže udržať požadovanú pevnosť pri strednej teplote a môže pracovať dlhú dobu pri 450-500 stupňoch . Tieto dva typy titánových zliatin majú stále vysokú špecifickú pevnosť v rozsahu 150 stupňov -500 stupňov, zatiaľ čo špecifická pevnosť hliníkovej zliatiny výrazne klesá pri 150 stupňoch. Pracovná teplota zliatiny titánu môže dosiahnuť 500 stupňov, zatiaľ čo teplota hliníkovej zliatiny je nižšia ako 200 stupňov.
Dobrá odolnosť proti korózii
Zliatina titánu funguje vo vlhkej atmosfére a prostredí s morskou vodou a jej odolnosť proti korózii je oveľa lepšia ako u nehrdzavejúcej ocele; má obzvlášť silnú odolnosť voči jamkovej korózii, kyslej korózii a korózii pod napätím; má vynikajúcu odolnosť proti korózii voči alkáliám, chloridom, organickým látkam chlóru, kyseline dusičnej, kyseline sírovej atď.
Dobrý výkon pri nízkych teplotách
Titánová zliatina si stále dokáže zachovať svoje mechanické vlastnosti pri nízkych a ultranízkych teplotách. Zliatiny titánu s dobrým výkonom pri nízkych teplotách a extrémne nízkymi intersticiálnymi prvkami, ako je TA7, si stále dokážu zachovať určitú plasticitu pri -253 stupňoch . Preto je titánová zliatina tiež dôležitým nízkoteplotným konštrukčným materiálom.
Vysoká chemická aktivita
Titán má vysokú chemickú aktivitu a v atmosfére silne reaguje s O2, N2, H2, CO, CO2, vodnou parou, amoniakom atď. Keď je obsah uhlíka väčší ako 0,2 %, v titánovej zliatine sa vytvorí tvrdý TiC; keď je teplota vysoká, vytvorí tiež tvrdú povrchovú vrstvu TiN, keď reaguje s N; nad 60}0 stupňov absorbuje titán kyslík a vytvára vytvrdenú vrstvu s vysokou tvrdosťou; pri zvýšení obsahu vodíka sa vytvorí aj krehká vrstva. Hĺbka tvrdej a krehkej povrchovej vrstvy vytvorenej absorbovaním plynu môže dosiahnuť 0.{8}},15 mm a stupeň vytvrdnutia je 20 %-30 %. Titán má tiež vysokú chemickú afinitu a je náchylný na priľnavosť k treciemu povrchu.
Nízka elasticita tepelnej vodivosti
Tepelná vodivosť titánu je λ=15,24W/(m·K), čo je asi 1/4 niklu, 1/5 železa a 1/14 hliníka, zatiaľ čo tepelná vodivosť rôznych titánov zliatin je asi o 50 % nižší ako u titánu. Modul pružnosti titánovej zliatiny je asi 1/2 modulu pružnosti ocele, takže má zlú tuhosť a ľahko sa deformuje. Nie je vhodný na výrobu štíhlych prútov a tenkostenných dielov. Odskok opracovaného povrchu počas rezania je veľmi veľký, asi 2 až 3-krát väčší ako v prípade nehrdzavejúcej ocele, čo spôsobuje silné trenie, adhéziu a opotrebovanie lepením na zadnej strane nástroja.
Zliatina titánu má vysokú pevnosť a nízku hustotu, dobré mechanické vlastnosti a dobrú húževnatosť a odolnosť proti korózii. Okrem toho má titánová zliatina slabý procesný výkon a je ťažké ju rezať. Počas spracovania za tepla je veľmi ľahké absorbovať nečistoty ako vodík, kyslík, dusík a uhlík. Má tiež zlú odolnosť proti opotrebovaniu a zložité výrobné procesy. Priemyselná výroba titánu začala v roku 1948. Potreby rozvoja leteckého priemyslu viedli k rozvoju titánového priemyslu s priemerným ročným tempom rastu okolo 8 %. Ročná produkcia materiálov na spracovanie zliatin titánu vo svete dosiahla viac ako 40,000 ton a existuje takmer 30 druhov zliatin titánu. Najpoužívanejšie zliatiny titánu sú Ti-6Al-4V (TC4), Ti-5Al-2.5Sn (TA7) a priemyselne čistý titán (TA1, TA2 a TA3).
Z titánových zliatin sa vyrábajú hlavne časti kompresorov leteckých motorov, nasledujú rakety, strely a konštrukčné časti vysokorýchlostných lietadiel. V polovici-1960 rokov sa titán a jeho zliatiny používali vo všeobecnom priemysle na výrobu elektród pre elektrolýzu, kondenzátorov pre elektrárne, ohrievačov na rafináciu ropy a odsoľovania morskej vody a zariadení na kontrolu znečistenia životného prostredia. Titán a jeho zliatiny sa stali konštrukčným materiálom odolným voči korózii. Okrem toho sa používajú aj na výrobu materiálov na skladovanie vodíka a zliatin s tvarovou pamäťou.
Čína začala výskum titánu a titánových zliatin v roku 1956; v polovici-1960 rokov sa začala priemyselná výroba titánových materiálov a boli vyvinuté zliatiny TB2.
Zliatina titánu je nový dôležitý konštrukčný materiál používaný v leteckom priemysle. Jeho špecifická hmotnosť, pevnosť a prevádzková teplota sú medzi hliníkom a oceľou, ale je pevnejší ako hliník a oceľ a má vynikajúcu odolnosť proti korózii morskou vodou a výkon pri ultra nízkych teplotách. V roku 1950 ho Spojené štáty prvýkrát použili na stíhacom bombardéri F-84 ako nenosné komponenty, ako sú tepelné štíty zadného trupu, kryty navádzačov vetra a kryty chvostov. Od 60. rokov minulého storočia sa používanie titánových zliatin presunulo zo zadnej časti trupu do stredného trupu a čiastočne nahradilo konštrukčnú oceľ na výrobu dôležitých nosných komponentov, ako sú prepážky, nosníky a koľajnice klapiek. Použitie zliatin titánu vo vojenských lietadlách sa rýchlo zvýšilo a dosiahlo 20% až 25% hmotnosti konštrukcie lietadla. Od 70. rokov 20. storočia začali civilné lietadlá vo veľkom využívať zliatiny titánu. Napríklad osobné lietadlo Boeing 747 používa viac ako 3 640 kilogramov titánu. Lietadlá s Machovým číslom väčším ako 2,5 používajú titán hlavne na nahradenie ocele na zníženie konštrukčnej hmotnosti. Napríklad výškové a vysokorýchlostné prieskumné lietadlo US SR-71 (let Machovo číslo 3, letová výška 26 212 metrov), titán predstavuje 93 % hmotnosti konštrukcie lietadla, známy ako „celé -titánové" lietadlá. Keď sa pomer ťahu k hmotnosti leteckého motora zvýši z 4-6 na 8-10 a výstupná teplota kompresora sa zvýši z 200-300 stupňov na 500-600 stupňov, nízka kotúče a lopatky tlakového kompresora pôvodne vyrobené z hliníka musia byť nahradené zliatinami titánu alebo namiesto nehrdzavejúcej ocele použiť zliatiny titánu na výrobu kotúčov a lopatiek vysokotlakového kompresora, aby sa znížila hmotnosť konštrukcie. V sedemdesiatych rokoch 20. storočia množstvo titánovej zliatiny používanej v leteckých motoroch vo všeobecnosti predstavovalo 20 % až 30 % celkovej hmotnosti konštrukcie a používalo sa najmä na výrobu častí kompresorov, ako sú kované titánové ventilátory, disky a lopatky kompresorov, liate titánové kryty kompresorov, medziplášte, ložiskové kryty atď. Kozmické lode využívajú najmä vysokú špecifickú pevnosť, odolnosť proti korózii a odolnosť proti nízkym teplotám zliatin titánu na výrobu rôznych tlakových nádob, palivových nádrží, spojovacích prvkov, pásov prístrojov, rámov a krytov rakiet. Umelé družice Zeme, lunárne moduly, kozmické lode s ľudskou posádkou a raketoplány tiež používajú zvárané diely z titánovej zliatiny.
Rezanie, vŕtanie a rezanie závitov z titánovej zliatiny má obzvlášť vysoké požiadavky na rezné nástroje, vrtáky na spracovanie otvorov a závitníky: Keď je tvrdosť titánovej zliatiny väčšia ako HB350, rezanie je obzvlášť ťažké. Keď je menšia ako HB300, ľahko sa prilepí na nástroj a tiež sa ťažko rezá. Tvrdosť titánovej zliatiny je však len jedným z aspektov náročnosti rezania. Kľúčom je komplexný vplyv chemických, fyzikálnych a mechanických vlastností samotnej titánovej zliatiny na jej reznú spracovateľnosť. Zliatina titánu má nasledujúce rezné vlastnosti:
(1) Malý koeficient deformácie: Toto je významný znak rezania zliatiny titánu. Koeficient deformácie je menší alebo blízky 1. Vzdialenosť klzného trenia triesky na prednej reznej hrane je značne zvýšená, čo urýchľuje opotrebovanie nástroja.
(2) Vysoká teplota rezania: Pretože tepelná vodivosť titánovej zliatiny je veľmi malá (iba ekvivalentná 1/5 až 1/7 ocele 45), kontaktná dĺžka medzi trieskou a prednou reznou hranou je extrémne krátka. Teplo vznikajúce pri rezaní sa ťažko prenáša a koncentruje sa v malom rozsahu v blízkosti reznej plochy a reznej hrany. Teplota rezania je veľmi vysoká. Za rovnakých podmienok rezania môže byť teplota rezania viac ako dvojnásobkom teploty rezania ocele 45.
(3) Veľká rezná sila na jednotku plochy: Hlavná rezná sila je asi o 20% menšia ako pri rezaní ocele. Pretože kontaktná dĺžka medzi trieskou a prednou reznou hranou je extrémne krátka, rezná sila na jednotku kontaktnej plochy sa značne zvýši, čo môže ľahko spôsobiť triesku. Zároveň je vďaka malému modulu pružnosti titánovej zliatiny ľahké vytvárať ohybovú deformáciu pôsobením radiálnej sily počas spracovania, čo spôsobuje vibrácie, zvyšuje opotrebenie nástroja a ovplyvňuje presnosť dielov. Procesný systém by preto mal mať dobrú tuhosť.
(4) Závažný jav vytvrdzovania za studena: Vďaka vysokej chemickej aktivite titánu je ľahké absorbovať kyslík a dusík vo vzduchu, aby sa vytvoril tvrdý a krehký vonkajší plášť pri vysokej teplote rezania; zároveň plastická deformácia pri rezaní spôsobí aj spevnenie povrchu. Fenomén tvrdnutia za studena nielenže znižuje únavovú pevnosť dielov, ale tiež zhoršuje opotrebovanie nástroja. Je to veľmi dôležitá vlastnosť pri rezaní zliatiny titánu.
(5) Nástroj sa ľahko nosí: Po spracovaní polotovaru razením, kovaním, valcovaním za tepla a inými metódami sa vytvorí tvrdá a krehká nerovnomerná vonkajšia koža, ktorá veľmi ľahko spôsobí odštiepenie, čím sa odstráni tvrdá koža najťažší proces pri spracovaní titánových zliatin. Okrem toho je nástroj v dôsledku silnej chemickej afinity titánovej zliatiny k nástrojovým materiálom v podmienkach vysokej reznej teploty a veľkej reznej sily na jednotku plochy náchylný na adhézne opotrebovanie. Pri sústružení titánovej zliatiny je opotrebenie prednej reznej hrany niekedy ešte vážnejšie ako opotrebenie zadnej reznej hrany; keď rýchlosť posuvu f<0.1 mm/r, the wear mainly occurs on the back cutting edge; when f>{{0}}.2 mm/r, predná rezná hrana bude opotrebovaná; pri použití tvrdokovových nástrojov na jemné sústruženie a polodokončovanie je opotrebovanie zadnej reznej hrany vhodnejšie, keď je VBmax menšie ako 0,4 mm.
Pri frézovaní v dôsledku nízkej tepelnej vodivosti materiálov z titánovej zliatiny a extrémne krátkej kontaktnej dĺžky medzi trieskami a prednou reznou hranou sa teplo vznikajúce počas rezania ťažko prenáša a je sústredené v malom rozsahu v blízkosti rezu. deformačná zóna a rezná hrana. Počas spracovania bude rezná hrana generovať extrémne vysoké rezné teploty, ktoré výrazne skrátia životnosť nástroja. Pre titánovú zliatinu Ti6Al4V je za podmienok, ktoré sila nástroja a výkon obrábacieho stroja dovoľujú, kľúčovým faktorom ovplyvňujúcim životnosť nástroja úroveň reznej teploty, nie veľkosť reznej sily.
Materiály nástrojov
Rezanie titánových zliatin by malo začať znížením teploty rezania a znížením adhézie. Mali by sa vybrať nástrojové materiály s dobrou tvrdosťou do červena, vysokou pevnosťou v ohybe, dobrou tepelnou vodivosťou a zlou afinitou k zliatinám titánu. Vhodnejší je slinutý karbid YG. Pretože rýchlorezná oceľ má nízku tepelnú odolnosť, mali by sa čo najviac používať nástroje vyrobené zo slinutého karbidu. Bežne používané nástrojové materiály zo slinutého karbidu zahŕňajú YG8, YG3, YG6X, YG6A, 813, 643, YS2T a YD15.
Čepele s povlakom a slinuté karbidy typu YT budú mať silnú afinitu k zliatinám titánu, čím sa zhorší opotrebovanie nástroja pri lepení, a nie sú vhodné na rezanie zliatin titánu; pre zložité, viachranné nástroje, vysokovanádovú rýchloreznú oceľ (ako W12Cr4V4Mo), vysokokobaltovú rýchloreznú oceľ (ako W2Mo9Cr4VCo8) alebo hliníkovú rýchloreznú oceľ (ako W6Mo5Cr4V2Al, M10Mo4Cr4V3Al) a iné materiály nástrojov možno vybrať, ktoré sú vhodné na výrobu vrtákov, výstružníkov, stopkových fréz, preťahovačiek, závitníkov a iných nástrojov na rezanie zliatin titánu.
Použitie diamantu a kubického nitridu bóru ako nástrojov na rezanie zliatin titánu môže dosiahnuť významné výsledky. Napríklad pri použití nástrojov z prírodného diamantu v podmienkach chladenia emulzie môže rýchlosť rezania dosiahnuť 200 m/min; ak sa nepoužíva rezná kvapalina, povolená rýchlosť rezania je len 100 m/min pri rovnakom opotrebení.
Prevencia
Počas procesu rezania zliatiny titánu je potrebné venovať pozornosť týmto skutočnostiam:
(1) V dôsledku malého modulu pružnosti zliatiny titánu je deformácia upnutia a deformácia napätia obrobku počas spracovania veľká, čo zníži presnosť spracovania obrobku; pri inštalácii obrobku by upínacia sila nemala byť príliš veľká a v prípade potreby je možné pridať pomocnú podporu.
(2) Ak sa použije rezná kvapalina obsahujúca vodík, počas procesu rezania sa pri vysokej teplote rozloží a uvoľní vodík, ktorý bude absorbovaný titánom a spôsobí vodíkové skrehnutie; môže tiež spôsobiť korózne praskanie titánovej zliatiny pri vysokej teplote.
(3) Chloridy v reznej kvapaline môžu počas používania tiež rozkladať alebo prchať toxické plyny. Pri jeho používaní by sa mali prijať bezpečnostné opatrenia, inak by sa nemal používať; po rezaní by mali byť diely dôkladne očistené bezchlórovým čistiacim prostriedkom včas, aby sa odstránili zvyšky obsahujúce chlór.
(4) Na styk so zliatinami titánu je zakázané používať nástroje a prípravky vyrobené zo zliatin na báze olova alebo zinku. Meď, cín, kadmium a ich zliatiny sú tiež zakázané.
(5) Všetky nástroje, prípravky alebo iné zariadenia, ktoré prichádzajú do styku so zliatinami titánu, musia byť čisté; vyčistené diely zo zliatiny titánu musia byť chránené pred znečistením mastnotou alebo odtlačkami prstov, inak môžu v budúcnosti spôsobiť koróziu napätím soli (chlorid sodný).
(6) Za normálnych okolností pri rezaní zliatin titánu nehrozí vznietenie. Len pri rezaní malého množstva zliatin titánu dochádza k rezaniu
Len jemné triesky pod strojom sa môžu vznietiť a spáliť. Aby sa predišlo požiaru, je potrebné okrem naliatia veľkého množstva reznej kvapaliny zabrániť aj hromadeniu triesok na obrábacom stroji, vymeniť nástroj ihneď po jeho otupení, prípadne znížiť reznú rýchlosť a zvýšiť posuv rýchlosť na zvýšenie hrúbky triesky. Ak dôjde k požiaru, na jeho uhasenie by sa mal použiť mastenec, vápencový prášok, suchý piesok a iné hasiace zariadenia. Je prísne zakázané používať hasiace prístroje s tetrachlórmetánom a oxidom uhličitým a voda by sa nemala nalievať, pretože voda môže urýchliť horenie a dokonca spôsobiť výbuch vodíka.
