» » Свойства и области применения чистого титана
22.09.2015

Краткие общие сведения

Несмотря на многие ценные свойства титана и большую распространенность его в природе, долго считали, что металлический титан не может быть конструкционным материалом вследствие его хрупкости. Однако, как показали позднейшие исследования, хрупкость титану придают примеси, в частности водород.
В 1925 г. впервые был получен очень чистый йодид-ный титан, который оказался весьма пластичным металлом. Поэтому чистый титан стал перспективным материалом для применения в ряде отраслей техники, в том числе в авиации и ракетостроении.
Основным способом производства технического титана в настоящее время является магние- или натриетермический способ, который заключается в восстановлении очищенного тетрахлорида титана магнием или натрием в атмосфере сухого аргона:
TiCl4 + 2Mg = Ti + 2MgCl2

или
TiCl4 + 4Na = Ti + 4NaCl.

Образующиеся дендриты титана оседают на дно и стенки реакционного сосуда, спекаясь в плотную губчатую массу — титановую губку. Заключительной операцией является превращение титановой губки в слиток, что обычно осуществляют плавкой в дуговой печи с расходуемым электродом, изготовленным прессованием губки.
Для ряда областей применения полученный таким образом технический титан удовлетворяет необходимым требованиям. Однако, чтобы получить титан повышенной пластичности и коррозионной стойкости, необходима более глубокая очистка его от примесей. В этом случае технический титан (или губку) подвергают дополнительной очистке, для чего могут быть применены плавка его в вакуумных печах с электронно-лучевым нагревом, электролитическое рафинирование и йодидное рафинирование. Этот последний способ очистки позволяет получать очень чистый пластичный титан, правда, в относительно небольших масштабах. Возможно осуществление глубокой очистки титана от примесей также с помощью субхлоридного процесса.
Свойства титана

Титан находится в IV подгруппе первого большого периода системы элементов Д.И. Менделеева и характеризуется следующими основными физическими свойствами: атомный номер 22; атомная масса 47,90; плотность при 20° С 4,505 г/см3; температура плавления 1665° С и температура кипения 3027° С. Упругость паров титана при его температуре плавления составляет всего 0,45*10в-3 мм рт. ст. Скрытая теплота плавления и испарения почти в 2 раза больше, чем у железа.
Чистый титан обладает весьма низкой теплопроводностью — она в 13 раз меньше, чем у алюминия, и в 4 раза меньше, чем у железа. Он имеет довольно высокое удельное электрическое сопротивление, которое существенно зависит от содержания в нем примесей кислорода и азота. Так, удельное электросопротивление йодидного титана составляет 45*10в-6, а технически чистого — около 55*10в-6 ом*см.
Титан — электрохимически активный металл; в ряду напряжений он занимает место между бериллием и марганцем. Однако на его поверхности образуется защитная пленка из рутила, которая делает его исключительно стойким против коррозии в весьма агрессивных средах, в том числе и в морской воде.
Отличающийся слабой химической активностью при обычной температуре чистый титан при ее повышении активно реагирует со многими веществами, особенно с газами: кислородом, азотом, водородом, окисью и двуокисью углерода, водяным паром, аммиаком. Примеси газов делают металл хрупким, не способным к пластической деформации.
Иодидный титан начинает взаимодействовать с кислородом уже при довольно низких температурах: 250—300° С. Технический же титан взаимодействует с кислородом особенно интенсивно при температуре выше 700° С. Весьма активно титан взаимодействует с водородом. Отожженный предварительно в глубоком вакууме титан начинает поглощать водород уже при комнатной температуре. Для чистейшего йодидного титана, отожженного при высокой температуре в вакууме, наибольшая степень поглощения водорода наблюдается при температурах, близких к 300° С. Для технически чистого титана максимум скорости поглощения водорода сдвигается к более высоким температурам — порядка 700—900° С.
Механические свойства титана определяются неизбежно присутствующими в нем примесями. Чистейший йодидный титан обладает достаточно высокими пластическими свойствами при сравнительно низкой прочности (σb = 25—30 кГ/мм2; δ = 50—60% и ψ= 70—80%).
Обычными примесями в титане являются кислород, азот, водород, углерод, железо и кремний.
Растворимость кислорода в чистом титане достигает примерно 3% (ат.). Атомы кислорода внедряются в кристаллическую решетку титана и сильно искажают ее. Поэтому кислород (до 0,2% ат.) повышает предел прочности и текучести, а также твердость йодидного титана (рис. 49). Однако при более высоком содержании кислорода титан становится хрупким, что приводит к падению предела его прочности и текучести. Кислород сильно понижает пластические свойства чистого титана в области малых концентраций (до 0,1%), далее он сравнительно мало влияет на пластичность, а уже при больших содержаниях кислорода (более 0,7%) титан полностью теряет способность к пластичности.
Азот взаимодействует с титаном с образованием твердых растворов и нитрида титана. Он еще в большей степени (при содержании до 0,2% N2) упрочняет йодидный титан, чем кислород (рис. 50). Пластические свойства чистого титана при введении азота уменьшаются и при содержании свыше 0,2% (по массе) N2 наступает хрупкое разрушение. Большее упрочняющее влияние азота объясняется тем, что азот сильнее искажает решетку титана, чем кислород, введенный в тех же количествах.
Свойства и области применения чистого титана

Водород, растворенный в титане, образует с ним твердые растворы внедрения и гидриды TiH и ТiH2. Он является весьма вредной примесью в титане, так как резко снижает его ударную вязкость и повышает хладноломкость и ползучесть даже при очень небольших концентрациях (водородная хрупкость). В то же время водород незначительно влияет на прочностные свойства чистого титана, что объясняется меньшим искажением решетки титана растворенными в нем атомами водорода.
Необходимо подчеркнуть одну важную особенность в поведении примеси водорода в титане: если кислород и азот поглощаются титаном необратимо, то водород может быть удален из титана при нагревании в вакууме до 1000—1200° С.
Углерод образует с титаном твердые растворы внедрения, но влияет на механические свойства титана меньше, чем кислород и азот. Прочностные свойства чистого титана повышаются до содержания 0,3% (по массе) углерода; при дальнейшем повышении его содержания свойства титана практически не изменяются.
Примеси железа и кремния образуют с титаном твердые растворы замещения, поэтому оказывают значительно меньшее влияние на механические свойства титана, чем примеси внедрения (т. е. кислород, азот, водород и др.), сильнее искажающие его кристаллическую решетку.
Применение чистого титана

Особо чистый (пластичный) титан характеризуется хорошей способностью к обработке, очень большой стойкостью против коррозии и достаточно высокой жаропрочностью. В силу этого такой титан (а также сплавы на его основе) применяются в ракетной технике, сверхскоростном самолетостроении, судостроении и в электронной технике. В этом последнем случае пластичный титан применяется для изготовления анодов, сеток и других деталей вакуумных генераторных ламп средней и малой мощности. В качестве примера может служить конструкция миниатюрного триода, где из титана выполнены анод и выводы подогревателя, катод и сетки. В силу высокой поглощающей способности по отношению к газам тонкие титановые проволоки применяют в качестве газопоглотителя, навивая их на нагревающиеся участки держателей катода. Чистый титан применяется в качестве упрочняющей присадки к важнейшим сплавам вакуумной техники, а также материала антикатода рентгеновских трубок и для других аналогичных целей.