Области применения

Области применения

Титан и его сплавы находят все более широкое применение в различных отраслях промышленности. Сравнительно высокая стоимость титана и его сплавов компенсируется высокими эксплуатационными характеристиками металла, в некоторых случаях титановые сплавы являются единственным материалом, из которого можно изготовить работоспособную конструкцию.

Титановые сплавы в промышленном масштабе впервые были использованы в конструкциях авиационных двигателей, что позволило уменьшить массу двигателей на 100–500 кг. Из титановых сплавов изготовляют диски и лопатки компрессора, детали воздухосборника, корпусные и крепежные детали.

Титановые сплавы все больше используют для изготовления планера самолета, где еще недавно доминирующими были алюминиевые сплавы. Увеличение скоростей полета летательных аппаратов привело к повышению температуры обшивки, в результате чего алюминиевые сплавы перестали удовлетворять требованиям, которые предъявляются авиационной техникой сверхзвуковых скоростей.

Высокая антикоррозийная стойкость на основе титана обусловливает использование их в химическом машиностроении . Из титана изготовляют компрессоры и насосы для перекачки таких агрессивных сред, как серная и соляная кислота и их соли. Титановые вентили для подачи агрессивных жидкостей под давлением 2 кгс/мм2 работают более 1700 ч, в то время как подобные вентили из коррозионностойкой стали требуют замены через каждые 70 ч работы.

Из титана изготовляют оборудование хлорной промышленности, так как он является единственным коррозионностойким материалом в средах влажного хлора, водных и кислых растворов хлора, а также теплообменники, работающие в коррозионно-активных средах, например в не дымящей азотной кислоте. В титановых теплообменниках, работающих в 65 %-ной азотной кислоте, скорость коррозии при 160°С уменьшается в 60 раз по сравнению со скоростью коррозии в теплообменниках из коррозионностойкой стали, что позволяет уменьшать толщину стенки теплообменника. На поверхности титана не образуется накипь. Поэтому использование теплообменников из титана целесообразно, несмотря на низкую теплопроводность последнего. Благодаря высокой коррозионной стойкости в морской воде титан и его сплавы применяют в судостроении для изготовления гребных винтов, обшивки морских судов и подводных лодок. На титан и его сплавы не налипают ракушки. В химической и нефтехимической промышленности титан рекомендуется использовать для работы более чем в 130 агрессивных средах.

Титановые сплавы широко применяют для изготовления различных видов медицинского инструмента. Хорошее сочетание таких качеств, как коррозионная стойкость, биологическая инертность, прочность, твёрдость и эластичность, выявлено на сплавах ВТ5, ВТ6, ВТ6С.

Области применения титана постоянно расширяются. Опубликованы данные о применении титана и его сплавов в ядерной технике, электронике, производстве опреснительных установок, автомобилестроении.

Ожидается, что титановые сплавы найдут широкое применение в легкой и пищевой промышленности, в производстве приборов бытового назначения.

Применение титана в самолетостроении.

Авиационная промышленность была первым потребителем титана. Создание летательных аппаратов со скоростями близкими к скорости звука и  превосходящими ее, определило ряд технических и экономических требований к конструкционным материалам, идущим на изготовление корпуса самолета и его обшивки, а также двигателей, которые невозможно было удовлетворить без применения материалов на основе титана.

Малый удельный вес и высокая прочность (особенно при повышенных температурах) титана и его сплавов делают их весьма ценными авиационными материалами. В области самолетостроения и производства авиационных двигателей титан все больше вытесняет алюминий и нержавеющую сталь. С повышением температуры алюминий быстро утрачивает свою прочность. С другой стороны, титан обладает явным преимуществом в отношении прочности при температуре до 430° С, а повышенные температуры такого порядка возникают при больших скоростях благодаря аэродинамическому нагреванию. Преимущество замены стали титаном в авиации заключается в снижении веса без потери прочности. Общее снижение веса с повышением показателей при повышенных температурах позволяет увеличить полезную нагрузку, дальность действия и маневренность самолетов. Этим объясняются усилия, направленные на расширение применения титана в самолетостроении при производстве двигателей, постройке фюзеляжей, изготовлении обшивки и даже крепежных деталей.
При постройке реактивных двигателей титан применяется преимущественно для изготовления лопаток компрессора, дисков турбины и многих других штампованных деталей. Здесь титан вытесняет нержавеющую и термически обрабатываемую легированную стали. Экономия в весе двигателя в один килограмм позволяет сберегать до 10 кг в общем весе самолета благодаря облегчению фюзеляжа. В дальнейшем намечено применять листовой титан для изготовления кожухов камер сгорания двигателя.
В конструкции самолета титан находит широкое применение для деталей фюзеляжа, работающих при повышенных температурах. Листовой титан применяется для изготовления всевозможных кожухов, защитных оболочек кабелей и направляющих для снарядов. Из листов легированного титана изготовляются различные элементы жесткости, шпангоуты фюзеляжа, нервюры и т. д.
Кожухи, закрылки, защитные оболочки для кабелей и направляющие для снарядов изготовляются из нелегированного титана. Легированный титан применяется для изготовления каркаса фюзеляжа, шпангоутов, трубопроводов и противопожарных перегородок.

Вращающиеся детали роторов авиадвигателей испытывают в полете колоссальную нагрузку. Им приходится работать в условиях высоких температур и динамических воздействий. От их надежности зависят безопасность самолета и жизни людей, что находятся на борту воздушного судна. Следовательно, титан, используемый в этих ответственных узлах, должен быть не просто прочным, а суперпрочным.
Титан получает все большее применение при постройке самолетов F-86 и F-100. В будущем из титана будут делать створки шасси, трубопроводы гидросистем, выхлопные патрубки и сопла, лонжероны, закрылки, откидные стойки и т. д.
Титан можно применять для изготовления броневых плит, лопастей пропеллера и снарядных ящиков.
В настоящее время титан применяется в конструкции самолетов военной авиации Дуглас Х-3 для обшивки, Рипаблик F-84F, Кертисс-Райт J-65 и Боинг В-52.
Применяется титан и при постройке гражданских самолетов DC-7. Фирма «Дуглас» заменой алюминиевых сплавов и нержавеющей стали титаном при изготовлении мотогондолы и противопожарных перегородок уже добилась экономии в весе конструкции самолета около 90 кг. В настоящее время вес титановых деталей в этом самолете составляет 2%, причем эту цифру предусматривается довести до 20% общего веса самолета.

Растет потребление титана в гражданском самолетостроении. И понятно почему: титан сочетает в себе основные параметры эффективности самолета – веса, надежности, стоимости обслуживания и прибыли от эксплуатации. Это главные критерии для авиаперевозчиков.

В настоящее время разработчики авиатехники перестраивают всю материаловедческую концепцию строительства самолетов, активно привлекая и используя композиционные материалы на основе углеволокна и титановые сплавы. Первые заменяют алюминий и сталь, вторые коррозийноустойчивы и исключительно прочны.

Причин перехода на композиционные материалы несколько. Во-первых, наметился быстрый рост пассажирских и грузовых перевозок, объем которых, по прогнозам специализированной аналитической группы Airline Monitor, в период с 2008 по 2026 год увеличится втрое, что потребует в два раза увеличить парк магистральных авиалайнеров. Во-вторых, в условиях высоких цен на топливо cамолетостроительным компаниям приходится разрабатывать и готовить серийный выпуск экономичных моделей авиалайнеров.

Поскольку с композитами «уживается» только титан, спрос гражданского самолетостроения на титановые полуфабрикаты возрастет к 2015 году примерно в два раза.

В «самолете мечты» Boeing 787 – лидере нового поколения самолетов – половина применяемого титана – ВСМПО-АВИСМЫ. В самолете использован новый высокопрочный титановый сплав VST 5553, созданный профессионалами ВСМПО. Из него изготавливают десятки наименований штамповок, в производстве которых ВСМПО нет равных. А первый заказ на продукцию российской корпорации ВСМПО-АВИСМА Boeing разместил в 1997 году.

Самая большая штамповка балки шасси самолета А380 весом 3,5 тонны изготовлена из титана ВСМПО-АВИСМА. Таких крупногабаритных изделий больше никто делать не может. Изготавливают штамповки на модернизированном кузнечном оборудовании, самом мощном в мире.

В заказах такого гранда авиации, как Boeing, доля российского титана составляет 30–40%, в европейской компании Airbus – 55–60%, бразильской Embraer – 90%, в канадской Goodrich – крупнейшего в мире производителя шасси – 90%.

Применение титана в кораблестроении.

Коррозионная стойкость титана и его сплавов делает их весьма ценным материалом на море. Военно-морское министерство США обстоятельно исследует коррозионную стойкость титана против воздействия дымовых газов, пара, масла и морской воды. Почти такое же значение в военно-морском деле имеет и высокое значение удельной прочности титана.
Малый удельный вес металла в сочетании с коррозионной стойкостью повышает маневренность и дальность действия кораблей, а также снижает расходы по уходу за материальной частью и ее ремонту.
Применение титана в военно-морском деле включает изготовление выхлопных глушителей для дизельных двигателей подводных лодок, дисков измерительных приборов, тонкостенных труб для конденсаторов и теплообменников. По мнению специалистов, титан, как никакой другой металл, способен увеличить срок службы выхлопных глушителей на подводных лодках. Применительно к дискам измерительных приборов, работающих в условиях соприкосновения с соленой водой, бензином или маслом, титан обеспечит лучшую стойкость. Исследуется возможность применения титана для изготовления труб теплообменников, которые должны обладать коррозионной стойкостью в морской воде, омывающей трубы снаружи, и одновременно противостоять воздействию выхлопного конденсата, протекающего внутри них. Рассматривается возможность изготовления из титана антенн и узлов радиолокационных установок, от которых требуется стойкость к воздействию дымовых газов и морской воды. Титан может найти применение и для производства таких деталей, как клапаны, пропеллеры, детали турбин и т. д.

Специалисты научно-исследовательского института конструкционных материалов «Прометей» при государственной поддержке Федерального агентства по науке и инновациям (Роснаука) начали в 2009 году разработку усовершенствованных технологий производства из титановых сплавов так называемых крупногабаритных полуфабрикатов (заготовок крупных узлов и деталей) для морских судов и «оффшорной техники», предназначенной для работ на шельфах.

Такие заготовки из титановых сплавов могут применяться для изготовления сверхлёгких, прочных и стойких к коррозии деталей самых разных типов судов, например, исследующих морские глубины, или связанные с добычей углеводородного сырья.

Существенный недостаток титановых сплавов только один — высокий коэффициент трения «металл по металлу», титан попросту «задирается» при трении из-за повышенной вязкости. Поэтому для деталей из титановых сплавов (в первую очередь, для различных т. н. «узлов трения») необходимо напыление специальных покрытий, придающих необходимые антифрикционные свойства. В качестве «кандидатов» на создание таких покрытий ученые намерены всесторонне исследовать различные высокопрочные материалы на основе оксидов алюминия, циркония и хрома.

Применение титана для изготовления военной техники.

Металл потребляет артиллерия, где в настоящее время ведутся интенсивные исследования различных опытных образцов. Тем не менее в этой области стандартизовано производство лишь отдельных деталей и частей из титана. Весьма ограниченное использование титана в артиллерии при большом размахе исследований объясняется его высокой стоимостью.
Были исследованы различные детали артиллерийского оборудования с точки зрения возможности замены титаном обычных материалов при условии снижения цен на титан. Главное внимание уделялось деталям, для которых существенно снижение веса (детали, переносимые вручную и перевозимые по воздуху).
Опорная плита миномета, изготовленная из титана вместо стали. Путем такой замены и после некоторой переделки вместо стальной плиты из двух половинок общим весом 22 кг удалось создать одну деталь весом 11 кг. Благодаря такой замене можно уменьшить число обслуживающего персонала с трех человек до двух. Рассматривается возможность применения титана для изготовления орудийных пламегасителей.
Проходят испытания изготовленные из титана орудийные станки, крестовины лафетов и цилиндры противооткатных приспособлений. Широкое применение титан может получить при производстве управляемых снарядов и ракет.
Проведенные первые исследования титана и его сплавов показали возможность изготовления из них броневых плит. Замена стальной брони (толщиной 12,7 мм) титановой броней одинаковой снарядостойкости (толщиной 16 мм) позволяет получить, по данным этих исследований, экономию в весе до 25%.
Сплавы титана повышенного качества позволяют надеяться на возможность замены стальных плит титановыми равной толщины, что дает экономию в весе до 44%. Промышленное применение титана позволит обеспечить большую маневренность, увеличит дальность перевозки и долговечность орудия. Современный уровень развития воздушного транспорта делает очевидными преимущества легких броневиков и других машин из титана. Артиллерийское ведомство намерено снарядить в будущем пехоту касками, штыками, гранатометами и ручными огнеметами, сделанными из титана. Первое применение в артиллерии титановый сплав получил для изготовления поршня некоторых автоматических орудий.

Как отмечает менеджер по продажам американской компании Howmet Ti-Cast Боб Фаннелл, «...текущее состояние рынка можно рассматривать, как рост возможностей в новых областях, таких как вращающиеся части устройств турбонадува у грузовиков, ракеты и насосы. Одним из наших текущих проектов является развитие лёгких артиллерийских систем ВАЕ Ноwitzer ХМ777 калибром 155 мм». Ноwmet: поставит 17 из 28 узлов структурного титанового литья для каждой орудийной установки. «При общем весе орудия 9800 фунтов (приблизительно 4,44 тонн) в его конструкции на долю титана приходится около 2600 фунтов (приблизительно 1,18 тонн) - используется сплав 6А14У с большим количеством отливок», говорит Фрэнк Хёрстер, руководитель систем огневой поддержки ВАЕ 8у81ет8. Эта система [ХМ777] должна заменить находящуюся на вооружение систему М198 Ноwitzег, которая весит около 17000 фунтов (приблизительно 7,71 тонн).

Джон Барбер из Timet: указывает, что примерами военной техники, в конструкции которой используются значительные объёмы титана, являются танк "Абраме" и боевая машина "Брэдли". В течение уже двух лет выполняется совместная программа НАТО, США и Великобритании по интенсификации использования титана в системах вооружений и обороны.Как уже не раз отмечалось, титан очень подходит к использованию в автомобилестроении, правда, доля этого направления довольно скромна - примерно 1% от общего объёма потребляемого титана, или 500 тонн в год, по данным итальянской компании Роggipolini, производителя титановых узлов и деталей для «Формулы-1» и гоночных мотоциклов.

Построенная В 1969 г. АПЛ 661-го проекта в Северодвинске не имела мировых аналогов — она имела корпус полностью из титанового сплава и развивала скорость до 44,7 узла — рекорд, недостижимый даже для современных подлодок.

Титан в строительстве АПЛ применялся и в дальнейшем. Из-за повышенной глубины погружения материалом прочного корпуса подводной лодки «Комсомолец» был выбран титановый сплав 48-Т с пределом текучести около 720 МПа. Применение титана позволило существенно уменьшить массу корпуса. Она составила всего 39 % от нормального водоизмещения, что не превышало соответствующий показатель других АПЛ.

 

Читать далее