Ringkasan pengetahuan berkaitan logam titanium

Logam titanium pertama kali ditemui pada tahun 1791 oleh seorang ahli mineralogi amatur British bernama Gregor. Pada tahun 1795, ahli kimia Jerman Klaprus menamakan bahan logam yang tidak diketahui ini sempena dewa Yunani Titans. Terjemahan Cina-Inggeris ialah "titanium". Titanium banyak terdapat di bumi. Terdapat lebih daripada 140 mineral titanium yang diketahui, tetapi aplikasi industri utama adalah ilmenit dan rutil. Antaranya, rizab ilmenit China menyumbang 28% daripada rizab global, menduduki tempat pertama di dunia.

Titanium ialah unsur bukan toksik yang diiktiraf di seluruh dunia, tetapi kos perlombongan dan pengeluarannya tinggi dan mahal. Kerana ia mempunyai beberapa kelayakan seperti rintangan suhu tinggi dan rendah, rintangan asid dan alkali yang kuat, kekuatan tinggi, dan ketumpatan rendah, ia telah menjadi bahan khas untuk roket NASA dan model satelit. Ia juga telah digunakan dalam kapal pengangkut pesawat Yutu, J-20, Shandong dan projek super lain di negara saya. Selepas memasuki bidang awam pada 1980-an, ia menjadi "raja logam kehormat" dalam industri makanan kerana sifat antibakteria dan biofilik semulajadinya.
industri titanium negara saya bermula pada tahun 1950-an. Menjelang pertengahan-1960, negara saya telah membina span titanium dan kilang pemprosesan dan pengeluaran titanium di Zunyi dan Baoji, yang bermakna negara saya telah menjadi salah satu kuasa industri titanium dunia. Memasuki abad ke-21, industri titanium negara saya telah memasuki tempoh baharu pembangunan dipercepatkan, dengan kedudukan kapasiti pengeluaran titanium antara yang teratas di dunia.

Titanium tulen
Juga dikenali sebagai titanium tulen industri atau titanium tulen komersial, ia digredkan mengikut kandungan unsur kekotoran. Ia mempunyai prestasi proses pengecapan dan prestasi kimpalan yang sangat baik, tidak sensitif terhadap rawatan haba dan jenis struktur, dan mempunyai kekuatan tertentu di bawah keadaan keplastikan yang memuaskan. Kekuatannya bergantung terutamanya pada kandungan unsur interstisial oksigen dan nitrogen. Sifat 99.5% titanium tulen industri ialah: ketumpatan P=4.5g/cm3, takat lebur 1800 darjah , kekonduksian terma λ=15.24W/(MK), kekuatan tegangan σb=539 MPa, pemanjangan: δ=25%, pengecutan kawasan Kadar ψ=25%, modulus elastik E=1.078×105MPa dan kekerasan HB195.
Aloi titanium
Aloi titanium adalah aloi berasaskan titanium dan ditambah dengan unsur lain. Ia adalah logam yang agak muda, hanya berumur enam puluh atau tujuh puluh tahun sejak penemuannya. Bahan aloi titanium mempunyai ciri-ciri ringan, kekuatan tinggi, keanjalan rendah, rintangan suhu tinggi dan rintangan kakisan. Ia digunakan terutamanya dalam enjin aeroangkasa, roket, peluru berpandu dan komponen lain. Titanium mempunyai dua kristal isomorfik. Titanium ialah isomer dengan takat lebur 1720 darjah . Ia mempunyai struktur kekisi heksagon padat rapat di bawah 882 darjah dan dipanggil titanium; ia mempunyai struktur berpusatkan badan melebihi 882 darjah . Struktur kekisi padu, dipanggil beta titanium, mengambil kesempatan daripada ciri-ciri berbeza dari dua struktur titanium di atas, menambah unsur pengaloian yang sesuai, dan secara beransur-ansur mengubah suhu transformasi fasa dan kandungan fasanya untuk mendapatkan aloi titanium (aloi titanium) dengan struktur yang berbeza.
Unsur aloi titanium boleh dibahagikan kepada tiga kategori mengikut pengaruhnya terhadap suhu peralihan fasa: ① Unsur yang menstabilkan fasa dan meningkatkan suhu peralihan fasa ialah unsur yang stabil, seperti aluminium, magnesium, oksigen, nitrogen, dll. Antaranya, aluminium adalah unsur pengaloian utama aloi titanium. Ia mempunyai kesan yang jelas untuk meningkatkan kekuatan suhu normal dan tinggi aloi, mengurangkan graviti tentu dan meningkatkan keanjalan. ②Unsur yang menstabilkan fasa dan menurunkan suhu peralihan fasa ialah -unsur penstabil. Ia boleh dibahagikan kepada dua jenis: isomorphous dan eutectoid. Yang pertama termasuk molibdenum, niobium, vanadium, dll.; yang terakhir termasuk kromium, mangan, kuprum, silikon, dll. ③ Unsur yang mempunyai sedikit kesan pada suhu peralihan fasa ialah unsur neutral, termasuk zirkonium, timah, dsb.

TA1 (Gr1 standard Amerika)
Gr1 titanium adalah yang pertama daripada empat gred titanium tulen industri. Ia adalah gred yang paling lembut dan mudah ditempa. Ia menawarkan kebolehbentukan maksimum, rintangan kakisan yang sangat baik dan keliatan impak tinggi. Gred 1 adalah bahan pilihan untuk sebarang aplikasi yang memerlukan kemudahan pembentukan, dan biasanya digunakan sebagai plat titanium dan tiub titanium.
Gred TA2 (American standard Gr2).
Titanium gred 2 dikenali sebagai "kuda kerja" industri titanium tulen komersial kerana serba boleh dan ketersediaannya yang luas. Ia mempunyai banyak kualiti yang sama seperti titanium gred 1, tetapi lebih kuat sedikit. Kedua-duanya mempunyai rintangan kakisan yang sama. Gred ini mempunyai kebolehkimpalan, kekuatan, kemuluran dan kebolehbentukan yang baik. Ini menjadikan rod dan plat titanium Gred 2 pilihan pertama untuk banyak aplikasi termasuk pembinaan, penjanaan kuasa dan industri perubatan.
Gred TA3 (Gr3 standard Amerika).
Gred ini menggunakan sekurang-kurangnya gred titanium tulen secara komersial, tetapi itu tidak menjadikannya kurang berharga. Gred Gr3 lebih kuat daripada gred Gr1 dan Gr2 dan mempunyai kemuluran yang serupa tetapi hanya sedikit kebolehbentukan. Tetapi ia mempunyai sifat mekanikal yang lebih tinggi daripada pendahulunya. Gred Gr3 digunakan dalam aplikasi yang memerlukan kekuatan sederhana dan rintangan kakisan primer, seperti aeroangkasa, pemprosesan kimia, industri marin, dsb.
Gred TA4 (Gr4 standard Amerika).
Gred Gr4 dianggap paling kuat daripada empat jenis titanium tulen secara komersial. Ia juga terkenal dengan rintangan kakisan yang sangat baik, kebolehbentukan yang baik dan kebolehkimpalan. Digunakan dalam beberapa komponen kerangka udara, kapal kriogenik, penukar haba dan aplikasi lain yang memerlukan resolusi tinggi.
Gred TA9 (standard Amerika Gr7).
Gred Gr7 adalah sama secara mekanikal dan fizikal dengan Gred 2 kecuali paladium unsur interstisial telah ditambah untuk menjadikannya aloi. Gred 7 menawarkan kebolehkimpalan dan prestasi yang sangat baik dan merupakan yang paling kalis kakisan daripada semua aloi titanium. Malah, ia adalah yang paling tahan kakisan daripada asid penurun. Tahap 7 digunakan untuk proses kimia dan komponen peralatan pengeluaran. Gr7 sangat tahan kakisan, terutamanya dalam mengurangkan persekitaran berasid.
Gred TA9-1 (American standard Gr11).
Gred Gr11 sangat serupa dengan gred Gr1 kecuali sejumlah kecil paladium ditambah untuk meningkatkan rintangan kakisan, menjadikannya aloi. Rintangan kakisan ini boleh digunakan untuk mencegah kakisan celah dan mengurangkan asid dalam persekitaran klorida. Ciri berguna lain termasuk kemuluran optimum, kebolehbentukan sejuk, kekuatan berguna, keliatan impak dan kebolehkimpalan yang sangat baik. Aloi ini boleh digunakan dalam aplikasi yang sama seperti titanium gred 1, terutamanya apabila kakisan diperlukan.
Gred Ti 6Al-4V (standard kebangsaan TC4, Gr5 standard Amerika).
Ti6Al-4V atau titanium gred 5 dikenali sebagai "kuda kerja" aloi titanium dan merupakan yang paling biasa digunakan bagi semua aloi titanium. Mengambil kira 50% daripada jumlah penggunaan titanium dunia. Kebolehgunaannya terletak pada banyak faedahnya. Ti6Al-4V boleh dirawat haba untuk meningkatkan kekuatannya. Ia boleh digunakan pada struktur yang dikimpal dengan suhu operasi sehingga 600 darjah F. Aloi ini menggabungkan kekuatan tinggi, ringan, kebolehbentukan yang baik dan rintangan kakisan yang tinggi. Ketersediaan Ti6AI-4V menjadikannya aloi terbaik untuk beberapa industri termasuk aeroangkasa, perubatan, marin dan industri pemprosesan kimia. Ia boleh digunakan untuk mencipta kandungan teknikal seperti:

turbin pesawat
bahagian enjin
bahagian struktur pesawat
Pengikat aeroangkasa
Bahagian automasi berprestasi tinggi
Aplikasi marin
Peralatan sukan
Ti 6AL-4V ELI (standard kebangsaan TC4ELI, tahap Gr23 standard Amerika)
Ti 6AL-4V ELI atau gred Gr23 ialah bentuk ketulenan yang lebih tinggi bagi Ti 6Al-4V. Ia boleh dijadikan gegelung, helai, wayar atau wayar rata. Ia adalah pilihan pertama untuk sebarang majlis yang memerlukan kekuatan tinggi, ringan, rintangan kakisan yang baik dan keliatan yang tinggi. Ia mempunyai toleransi kerosakan yang sangat baik terhadap aloi lain. Kelebihan ini menjadikan gred Gr23 sebagai gred titanium pergigian dan perubatan terbaik. Oleh kerana biokompatibilitinya, kekuatan keletihan yang baik dan modulus yang rendah, ia boleh digunakan dalam aplikasi bioperubatan seperti komponen yang boleh ditanam. Ia juga boleh digunakan untuk prosedur pembedahan terperinci seperti:
Kabel ortopedik
Pin dan skru ortopedik
pengikatan
dalam pembedahan penggantian sendi
bekas kriogenik
Perkakas ortodontik
implan pembedahan
alat penetapan tulang
Gred TA10 (American standard Gr12).
Aloi titanium gred Gr12 menerima penarafan "Cemerlang" kerana kebolehkimpalan berkualiti tinggi mereka. Ia adalah aloi yang sangat tahan lama yang memberikan kekuatan hebat pada suhu tinggi. Gr12 gred titanium mempunyai sifat yang serupa dengan 300 siri keluli tahan karat. Aloi boleh dibentuk secara panas atau sejuk menggunakan pembentukan akhbar, pembentukan hidro, pembentukan regangan atau kaedah penurunan berat. Keupayaannya untuk dibentuk dalam pelbagai cara menjadikannya berguna dalam banyak aplikasi. Rintangan kakisan aloi yang tinggi juga menjadikannya tidak ternilai untuk peralatan pembuatan di mana kakisan celah menjadi kebimbangan. Gred Gr12 boleh digunakan dalam industri dan aplikasi berikut:
Perumahan dan penukar haba
Aplikasi hidrometalurgi
Pengilangan kimia suhu tinggi
Komponen marin dan penerbangan
Titanium 5Al-2.5Sn
Ti 5Al-2.5Sn ialah aloi tidak boleh dirawat haba yang membolehkan kebolehkimpalan dan kestabilan yang baik. Ia juga mempunyai kestabilan suhu tinggi, kekuatan tinggi, rintangan kakisan yang baik dan rintangan rayapan yang baik. Rayapan ialah fenomena terikan plastik yang berlaku pada suhu tinggi untuk jangka masa yang lama. Ti 5Al-2.5Sn digunakan terutamanya dalam aplikasi pesawat dan kerangka udara serta aplikasi kriogenik.

Walaupun bahan aloi titanium dan titanium banyak terdapat dalam rizab, ia sangat mahal. Ini kerana titanium mempunyai aktiviti kimia yang sangat sedikit di bawah keadaan suhu tinggi, dan teknologi peleburan dan persekitaran operasinya sangat keras. Ia mesti dilebur di bawah suhu tinggi dan keadaan vakum, dan suhu selalunya mencecah melebihi 800 darjah, yang jauh lebih sukar untuk dihidu daripada keluli. Oleh itu, apabila ia datang kepada aloi titanium, orang berfikir bahawa ia adalah bahan logam mewah dengan output rendah, harga tinggi dan sedikit aplikasi.
Pada masa ini, disebabkan sifat aloi titanium yang sangat baik seperti ringan, kekuatan tinggi, dan rintangan suhu tinggi, bahan aloi titanium dan titanium digunakan secara meluas dalam pembuatan senjata canggih dan senjata negara di pelbagai negara, dan terutamanya sesuai digunakan dalam bidang aeroangkasa. Contoh kawasan permohonan termasuk:

industri kimia
⑴Industri abu soda
Kemunculan peti sejuk titanium dalam industri pengeluaran alkali dengan berkesan dapat menyelesaikan masalah gas klorin yang tidak memenuhi syarat yang disebabkan oleh proses penyejukan tradisional yang tidak munasabah. Pada masa yang sama, ia telah mengubah muka pengeluaran industri klor-alkali. Hayat perkhidmatan peti sejuk aloi titanium yang dilaburkan boleh selama 20 tahun.
⑵ Industri garam
Pada masa ini, proses pengeluaran garam yang lebih maju adalah pengeluaran garam vakum. Air garam pekat suhu tinggi yang dihasilkan oleh proses ini akan menyebabkan kerosakan serius pada struktur keluli karbon dan menyebabkan peralatan menitis. Ruang pemanasan dan ruang penyejatan menggunakan struktur komposit keluli titanium, yang boleh menghalang skala garam secara berkesan dan meningkatkan kualiti pengeluaran garam. Pada masa yang sama, ia boleh mengurangkan kakisan air garam berkepekatan tinggi pada dinding paip semasa proses penyejatan dan memanjangkan kitaran penyelenggaraan.
Medan aeroangkasa
⑴Industri penerbangan
Penggunaan aloi titanium dalam penerbangan dibahagikan kepada aloi titanium untuk struktur pesawat dan aloi titanium untuk struktur enjin. Bahagian aplikasi utama bahagian struktur aloi titanium pesawat termasuk bahagian gear pendaratan, bingkai, rasuk, kulit fiuslaj, pelindung haba, dsb. Pesawat IL{{0}} Rusia menggunakan aloi titanium BT22 berkekuatan tinggi untuk mengeluarkan kunci komponen seperti gear pendaratan dan rasuk galas beban; bahan pancaran transmisi gear pendaratan utama Boeing 747 ialah Ti-6Al-4V. Penempaan adalah 6.20 meter panjang, 0.95 meter lebar, dan mempunyai jisim 1,545 kilogram; bahagian utama aci penstabil mendatar pesawat C-17 diperbuat daripada aloi titanium Ti-62222S berkekuatan tinggi dan berkeliaran tinggi. Dalam enjin aeroangkasa, aloi titanium digunakan dalam cakera pemampat, bilah, dram, pemutar pemampat tekanan tinggi, selongsong pemampat, dsb. Bahagian tepi dan hujung utama bilah kipas enjin Boeing 747-8GENX menggunakan sarung pelindung aloi titanium, yang hanya boleh diganti tiga kali dalam 10-tahun hayat perkhidmatan.
⑵Industri aeroangkasa
Keadaan kerja kenderaan aeroangkasa adalah sangat melampau. Selain teknologi hebat yang diperlukan untuk reka bentuk struktur bahan, prestasi dan fungsi cemerlang bahan itu sendiri juga penting. Oleh itu, aloi titanium menonjol di antara banyak bahan. Dari segi peralatan aeroangkasa, pada tahun 1960-an, kabin berkembar dan spar sayap kabin kedap udara dan rusuk program Apollo AS diperbuat daripada Ti-5Al-2.5Sn, dan lapisan dalam diperbuat daripada titanium tulen; disediakan oleh Syarikat MT Aerospace Jerman Tangki bahan api sistem pendorong aloi Ti-15V-3Cr berkekuatan tinggi digunakan pada platform gergasi satelit komunikasi Alpha Eropah; Aloi titanium Rusia mempunyai banyak aplikasi dalam kejuruteraan aeroangkasa. Sebagai contoh, kenderaan pelancar tenaga menggunakan aloi titanium BT23 tempa cetakan besar seberat 3.5t dan Forgings. Selain itu, aloi titanium juga digunakan dalam tangki bahan api enjin roket bahan api cecair, tangki simpanan cecair kriogenik, pendesak pam pemindahan hidrogen cecair, dsb.
Begitu juga, dalam perkembangan pesat kejuruteraan aeroangkasa domestik, aloi titanium juga telah digunakan secara meluas. Daripada satelit Vostok-1 pada tahun 1970 kepada kapal angkasa siri Shenzhou semasa, kuar Chang'e, dsb., aloi titanium telah digunakan. Di samping itu, aloi titanium digunakan dalam persekitaran hidrogen cecair yang dibangunkan di negara kita. Suhu rendah Ti-5Al-2.5Sn ELI titanium aloi silinder gas telah digunakan dalam siri Long March kenderaan pelancaran; Institut Teknologi Harbin menggunakan aloi titanium Gr5 untuk menyediakan rim rover lunar; Selain itu, negara saya juga menggunakan aloi titanium berkekuatan tinggi seperti BT20 untuk mengeluarkan selongsong enjin peluru berpandu dan muncung Paip dan komponen lain.
Medan kapal
Aloi titanium dan titanium digunakan secara meluas dalam kapal selam nuklear, kapal selam dalam, pemecah ais atom, hidrofoil, hoverkraf, penyapu ranjau, kipas, antena cambuk, saluran paip air laut, pemeluwap, penukar haba, peranti akustik, peralatan pemadam api, dsb. Sebagai contoh, kapal selam dalam Amerika "Haiya" dilengkapi dengan kabin pemerhatian aloi titanium dan kabin kawalan, dengan kedalaman menyelam sehingga 6100m; bot laju semua-titanium "Morris Sky 2" yang dibina bersama oleh Syarikat Toho Titanium Jepun dan Fuji New Shipbuilding Ia telah menjadi sangat popular di Amerika Syarikat untuk beberapa lama; kapal selam berawak yang direka sendiri dan disepadukan sendiri yang pertama di negara saya, "Jiaolong", juga menggunakan aloi titanium. Skop operasi "Jiaolong" meliputi 99.8% daripada kawasan laut dunia.

Walaupun aloi titanium dan titanium telah mencapai kemajuan yang ketara, masalah sedia ada juga telah terdedah, dan pembangunan aloi titanium juga menghadapi cabaran yang besar. Terutamanya dicerminkan dalam tiga aspek berikut:
1) Dari perspektif output
Walaupun negara kita adalah sebuah negara besar dalam industri titanium, ia tidak mengeluarkan banyak produk berkualiti tinggi dan mempunyai lebih sedikit jenis produk titanium dengan ciri khas. Kedua, negara saya masih tidak dapat menghasilkan jalur titanium dan profil tersemperit titanium secara stabil, yang mengehadkan penggunaan aloi titanium dan titanium dalam bidang aeroangkasa. , pembangunan dan penggunaan dalam bidang marin dan lain-lain. Ia masih sangat sukar untuk meningkatkan lagi penggunaan titanium aeroenjin kepada kira-kira 50%.
2) Prestasi
Oleh kerana logam titanium sangat aktif secara kimia dan mudah dicemari oleh unsur lain, teknologi pemprosesan dan pembuatan aloi titanium sangat menuntut. Pada masa yang sama, produk berprestasi tinggi yang diproses perlu mempertimbangkan sifat mekanikal, fizikal, kimia dan prosesnya secara menyeluruh. Apabila aloi titanium sedia ada melebihi 600 darjah, rintangan rayapan dan rintangan pengoksidaan suhu tinggi turun dengan mendadak, yang merupakan dua halangan utama yang mengehadkan penggunaan aloi titanium yang diperluaskan.
3) Aspek kos
Pada masa ini, pelbagai negara sedang berusaha keras untuk mengurangkan kos penggunaan aloi titanium dan telah mencapai banyak keputusan. Tetapi jika dilihat dari keadaan semasa negara kita, tahap pengurusan dan teknikal negara kita masih belum mencapai tahap yang ideal. Harga produk aloi titanium domestik agak kompetitif di peringkat antarabangsa. Kurang dan tidak kondusif untuk pengembangan penggunaan selanjutnya.
Pada masa ini, kawasan aplikasi utama aloi titanium adalah aeroangkasa dan bidang ketenteraan lain. Pembangunan bidang aplikasi baharu, seperti kereta, kereta api, kereta api berkelajuan tinggi dan medan awam yang biasa digunakan dalam kehidupan seharian, masih mempunyai prospek aplikasi yang luas. Di samping itu, menggantikan elemen aloi mahal dengan elemen berharga lebih rendah dan mengurangkan kos bahagian aloi titanium melalui cara teknikal adalah topik penting dalam kerja penyelidikan aloi titanium akan datang. Selepas pembuatan aloi titanium kos rendah untuk aplikasi mewah dicapai pada masa hadapan, aloi titanium akan digunakan dalam pelbagai bidang.