Wprowadzenie do właściwości tytanu i stopów tytanu
1.1 Wprowadzenie do tytanu
Tytan to nowy rodzaj materiału, który ma zalety małej gęstości, wysokiej wytrzymałości właściwej, odporności na ciepło i odporności na korozję. Waży tylko o połowę mniej niż żelazo, ale jego właściwości mechaniczne, takie jak młotkowanie i ciągnienie, są porównywalne z miedzią. Ogólnie rzecz biorąc, wraz ze spadkiem temperatury oporność metali będzie się zmniejszać, ale tytan jest odwrotnie, im niższa temperatura, tytan będzie stawał się coraz twardszy, a po osiągnięciu temperatury krytycznej pojawi się nadprzewodnictwo.
1.2 Wprowadzenie do stopu tytanu
Stop tytanu i tytan mają w pewnym stopniu podobny charakter, charakteryzują się niską gęstością i wysoką wytrzymałością, oprócz doskonałych właściwości mechanicznych i dużej odporności na korozję. Co więcej, jego wytrzymałość termiczna jest wysoka, co jest oczywiście lepsze niż w przypadku stopu aluminium. Jednocześnie jego właściwości mechaniczne niewiele się zmieniają w niskiej i bardzo niskiej temperaturze.
Nowa technologia i zastosowanie tytanu
2.1 Metoda przygotowania tytanu
Chociaż tytan występuje stosunkowo powszechnie w przyrodzie, jest to również metal rzadki, ponieważ jest rozproszony i trudny do ekstrakcji. Obecnie wytwarzanie tytanu dzieli się na dwie kategorie: metodę redukcji termicznej i metodę elektrolizy stopionej soli.
(1) Tytan otrzymano metodą redukcji termicznej
Metoda redukcji termicznej polega na redukcji w określonej temperaturze, z wykorzystaniem Li, Na, Mg, Ca i jego wodorków oraz innych silnych środków redukujących, tytanu ze związków tytanu takich jak TiCl4, TiO2, K2TiF6. W zależności od różnych związków tytanu, technologię przygotowania tytanu poprzez redukcję termiczną można podzielić na trzy kategorie:
① Metoda REDOX z chlorkiem tytanu, taka jak metoda Krolla, metoda Huntera, metoda Armstronga i metoda EMR;
② Metoda REDOX tlenku tytanu, taka jak metoda OS, proces PRP, metoda MHR itp.
③ Metoda REDOX tytanianu.
Obecnie w produkcji przemysłowej z powodzeniem można zastosować jedynie metodę Krolla i metodę Huntera. Metoda Krolla wykorzystuje magnez w celu zastąpienia tytanu z chlorku, a metoda Huntera wykorzystuje metaliczny sód w celu zastąpienia tytanu z chlorku. Ponadto międzynarodowa firma produkująca proszek tytanowy w Stanach Zjednoczonych w Chicago opracowała metodę Armstronga, jej metoda wytwarzania jest podobna do metody Huntera, polega również na zastosowaniu środka redukującego sodu do oczyszczania metalicznego tytanu. Stany Zjednoczone już stosują tę metodę w przedprodukcji w fabrykach.
(2) Wytwarzanie tytanu metodą elektrolizy stopionej soli
W 1959 roku Kroll przewidział, że elektroliza stopionej soli zastąpi Kroll jako dominującą metodę produkcji tytanu w ciągu najbliższych pięciu do dziesięciu lat. Na przestrzeni lat instytucje badawcze i laboratoria w kraju i za granicą opracowały łącznie kilkanaście nowych technologii otrzymywania tytanu metodą elektrolizy stopionej soli, które ze względu na surowiec można podzielić na trzy kategorie:
① Elektroliza tytanianu;
(2) Elektroliza chlorku tytanu;
③ Metoda elektrolityczna tlenku tytanu, w tym metoda FFC Cambridge, proces MER, metoda USTB, proces QIT, metoda SOM i metoda elektrolitycznej cieczy jonowej itp.
2.2 Nowe zastosowania tytanu
Od lat czterdziestych XX wieku zastosowanie tytanu szybko się rozwinęło i jest on szeroko stosowany w samolotach, rakietach, pociskach rakietowych, satelitach, statkach kosmicznych, statkach, przemyśle wojskowym, leczeniu i przemyśle petrochemicznym. Najnowsze badania wykazały, że organizm ludzki zawiera pewną ilość tytanu, tytan będzie stymulował komórki fagocytarne, może wzmacniać funkcje odpornościowe, dlatego wiele laboratoriów angażuje się w rozwój i zastosowanie tytanu biologicznego.
Nowa technologia i zastosowanie stopu tytanu
3.1 Metoda przygotowania stopu tytanu
Tradycyjne przetwarzanie stopu tytanu zazwyczaj wykorzystuje technologię wytapiania i odlewania, najnowsze technologie przetwarzania dzielą się na następujące:
(1) Technologia formowania w pobliżu siatki;
(2) Technologia zgrzewania tarciowego liniowego;
(3) technologia formowania nadplastycznego;
(4) Technologia symulacji komputerowej procesu przygotowania i przetwarzania materiałów.
Technologia formowania bliskiego netto obejmuje formowanie laserowe, odlewanie precyzyjne, precyzyjne kucie matrycowe, metalurgię proszków, formowanie strumieniowe i inne metody. Metalurgia proszków polega na zastosowaniu proszku tytanu lub proszku stopu tytanu jako surowców, po formowaniu i spiekaniu, w celu wytworzenia części tytanowych w nowym procesie. Pierwsza to produkcja proszku, na ogół metodą mechanicznego stopowania, z wykorzystaniem młyna kulowego do silnego udaru, mielenia i mieszania surowca. Następnie stop, z którego powstał proszek, jest prasowany i formowany. Istnieją dwie metody prasowania, a mianowicie formowanie ciśnieniowe i formowanie bezciśnieniowe. Celem tego etapu jest nadanie wytłoczonemu zarodkowi określonego kształtu i rozmiaru oraz nadanie mu określonej gęstości i wytrzymałości. Następnie podczas spiekania plazmowego z wyładowaniem blastoplazmowym, zastosowanie górnego i dolnego wykrawania oraz elektrody elektrycznej będzie polegało na specyficznym zasilaniu spiekania i ciśnieniu prasowania przyłożonym do spiekanego proszku, po aktywacji wyładowania, odkształceniu termoplastycznym i ochłodzeniu w celu zakończenia przygotowania wysokowydajne materiały tytanowe. Następnie spiekany plazmowo stop tytanu poddawany jest dalszej obróbce, zazwyczaj obróbce cieplnej lub obróbce plastycznej.
3.2 Nowe zastosowania stopów tytanu
Na początku stopy tytanu były szeroko stosowane w przemyśle lotniczym, głównie do produkcji silników lotniczych i elementów pneumatycznych. Później, wraz z ciągłym rozwojem technologii, stop tytanu wkroczył w życie zwykłych ludzi, w urządzeniach fabrycznych lub domowych również zastosowano figurę stopu tytanu. Obecnie kraje i instytucje starają się opracować nowe stopy tytanu, tak aby charakteryzowały się niskim kosztem i wysoką wydajnością. Nowy rozwój stopów tytanu w ostatnich latach koncentruje się głównie na pięciu następujących aspektach.
(1) Stop tytanu medycznego
Stopy tytanu o niskiej gęstości i dobrej biokompatybilności są idealnymi materiałami medycznymi i mogą być nawet wszczepiane do organizmu człowieka. Stopy tytanu stosowane wcześniej w medycynie zawierają wanad i aluminium, które mogą powodować szkody dla organizmu ludzkiego. Ale w najbliższej przyszłości japońscy uczeni opracowali nowy rodzaj stopu tytanu, o dobrej biokompatybilności, ale stop nie został jeszcze wyprodukowany masowo, uważa się, że w niedalekiej przyszłości taki wysokiej jakości stop będzie mógł być szeroko stosowany w życiu codziennym.
(2) Stop tytanu zmniejszający palność
Stop na bazie tytanu, który jest odporny na spalanie pod pewnym ciśnieniem, temperaturą i natężeniem przepływu powietrza, to stop tytanu zmniejszający palność. Stany Zjednoczone, Rosja i Chiny opracowały nowe odporne stopy tytanu, spośród których Stany Zjednoczone zastosują te odporne stopy tytanu w silniku, ponieważ te stopy tytanu nie są wrażliwe na spalanie, więc mogą znacznie poprawić stabilność silnika.
(3) typ o dużej wytrzymałości i wytrzymałości
typ stopu tytanu charakteryzuje się wysoką wytrzymałością, dobrą spawalnością i doskonałą wydajnością podczas pracy na zimno i na gorąco. Naukowcy korzystają z tego prawa, właściwości stopu tytanu typu są bardzo oczywiste: dobra wydajność pracy na gorąco, dobra plastyczność, dobra wydajność spawania. Właściwości mechaniczne ulegają znacznej poprawie po obróbce starzenia roztworowego. Obecnie Japonia i Rosja przygotowały takie stopy tytanu.
(4) Związki tytanu i aluminium
W porównaniu z ogólnym stopem tytanu, związek tytanu i aluminium ma dobrą wydajność w wysokich temperaturach, dobrą odporność na utlenianie i odporność na pełzanie, a gęstość jest mniejsza niż ogólny stop tytanu. Te doskonałe właściwości są przeznaczone dla związków Ti-Al i zapoczątkowują nowy boom na stopy. Nowy stop związku tytanu i aluminium został zsyntetyzowany w Stanach Zjednoczonych i znajduje się w produkcji masowej.
(5) Wysokotemperaturowy stop tytanu
Łącząc metodę szybkiego krzepnięcia i metodę metalurgii proszków, stop tytanu przygotowany z kompozytu wzmocnionego włóknem lub cząstkami ma doskonałe właściwości mechaniczne w wysokich temperaturach. Granica temperatury wysokotemperaturowego stopu tytanu jest znacznie wyższa niż w przypadku zwykłego stopu tytanu. Obecnie Stany Zjednoczone przygotowały nowy wysokotemperaturowy stop tytanu.
(6) Stop tytanu i niklu
Stop tytanu i niklu, znany jako „stop z pamięcią”, jest formowany w określony kształt. Po uformowaniu i odkształceniu pod wpływem sił zewnętrznych można go przywrócić do pierwotnego wyglądu za pomocą niewielkiej ilości ciepła. Stop ten może być stosowany w różnych dziedzinach, takich jak oprzyrządowanie i urządzenia elektroniczne.
Obecny stan rozwoju materiałów ze stopów tytanu w Chinach
Stop tytanu odnosi się do różnych metali stopowych wykonanych z tytanu i innych metali. W ostatnich latach Chiny często wydawały polityki zachęcające do badań i rozwoju, produkcji i stosowania materiałów ze stopów tytanu. Na rynku światowym materiały ze stopów tytanu stosowane są głównie w przemyśle lotniczym, przemyśle obronnym i innych gałęziach przemysłu. Wśród nich zapotrzebowanie na aplikacje w przemyśle lotniczym stanowi około 50%, głównie w zakresie produkcji samolotów i silników. W strukturze popytu na materiały tytanowe w naszym kraju materiały do obróbki tytanu wykorzystywane są głównie w przemyśle chemicznym, a udział materiałów tytanowych wykorzystywanych w krajowym przemyśle lotniczym wynosi zaledwie 20%, co wskazuje na duży potencjał na rynku tytanu materiały stosowane w lotnictwie w naszym kraju. Obecnie w dziedzinie wysokiej klasy stopów tytanu niewiele jest przedsiębiorstw, które w naszym kraju mogą masowo produkować pręty i druty ze stopu tytanu dla lotnictwa wojskowego, co stanowi wzór konkurencji „duopolu”.
1. Polityka zachęca do opracowywania materiałów ze stopów tytanu
Stopy tytanu odnoszą się do różnych metali stopowych wykonanych z tytanu i innych metali. Wiele krajów na świecie zdało sobie sprawę ze znaczenia materiałów ze stopów tytanu, przeprowadziło nad nimi prace badawczo-rozwojowe i zostało zastosowane w praktyce. W ostatnich latach Chiny często wydawały polityki zachęcające do badań i rozwoju, produkcji i stosowania materiałów ze stopów tytanu. W 2019 r., zgodnie z informacjami ujawnionymi w Katalogu wytycznych dotyczących regulacji konstrukcji przemysłowych (wersja robocza z 2019 r.), wysokowydajne ultradrobne i ultragrube materiały z węglików spiekanych o strukturze kompozytowej i produkty do głębokiej obróbki, niskomodułowe materiały ze stopów tytanu, odporne na korozję materiały ze stopów tytanu, elementy złączne ze stopów tytanu dla przemysłu lotniczego i tak dalej zostaną wymienione jako projekty promowane w zakresie dostosowania konstrukcji przemysłowych.
2. Materiały ze stopów tytanu są stosowane głównie w przemyśle lotniczym i wojskowym
Na rynku światowym materiały ze stopów tytanu stosowane są głównie w przemyśle lotniczym, przemyśle obronnym i innych gałęziach przemysłu. Wśród nich zapotrzebowanie na aplikacje w przemyśle lotniczym stanowi około 50%, głównie w zakresie produkcji samolotów i silników. W strukturze popytu na materiały tytanowe w Chinach materiały do obróbki tytanu wykorzystywane są głównie w przemyśle chemicznym. Najważniejsza różnica w porównaniu ze światem dotyczy lotnictwa. Materiały tytanowe stosowane w lotnictwie zawsze stanowiły około 53% całkowitego zapotrzebowania na materiały tytanowe na świecie, podczas gdy udział materiałów tytanowych wykorzystywanych w krajowym przemyśle lotniczym wynosi zaledwie 20%, co wskazuje, że na rynku tytanu nadal istnieje duży potencjał materiały stosowane w lotnictwie w Chinach.
Streszczenie
Tytan ma wiele nieporównywalnych zalet metalu, wraz z postępem społeczeństwa, rozwojem nauki i technologii, tytan i stop tytanu będą szerzej stosowane, zapotrzebowanie ludzi na tytan i stop tytanu będzie rosło, a wysokie koszty produkcji są jednym z główne powody ograniczania promocji i stosowania tytanu i jego stopów. Dlatego rozwój i zastosowanie taniego, wielkoskalowego i ekologicznego procesu ciągłej produkcji chroniącego środowisko może sprawić, że tytan i stopy tytanu będą szerzej stosowane.
