Montagpena.ru

Строительство и Монтаж
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

АЛЮМИНИЙ. ТЯЖЕЛЕЕ

АЛЮМИНИЙ . . . ТЯЖЕЛЕЕ?

Нет, алюминий не тяжелее титана. Напротив — в полтора раза легче. Но почему же в таком случае титановые детали используют вместо алюминиевых для облегчения самолета? Когда обычную сталь заменяют «легкой сталью», это понятно, и никаких особенных разъяснений не требуется. Но алюминий . Если уж облегчать конструкцию, то, казалось бы, алюминий следует заменять более легким металлом. Но все объясняется иной причиной — высокой удельной прочностью титановых сплавов.

Каждый узел, каждая деталь самолета должны с гарантией выдерживать определенную нагрузку, быть достаточно прочными для этого. Есть поговорка: «Где тонко, там и рвется», то есть, говоря иначе, заданная прочность обеспечивается определенной массой материала. Титан несколько тяжелее алюминия, но он и гораздо прочнее его, и для тех же деталей самолета титана требуется меньше, чем алюминия, стало быть, конструкция становится легче.

Благодаря использованию титана взамен алюминия массу самолета удается уменьшить на 20—25 процентов. А это чрезвычайно важно. Облегчить самолет — значит повысить его скорость, потолок и радиус действия, увеличить маневренность и грузоподъемность. Поэтому авиация заинтересована в использовании титана при изготовлении реактивных двигателей, кожухов камер сгорания, капотов, роторов турбин, деталей планера, колес — везде, где только возможно, вплоть до таких несложных изделий, как гайки и болты.

Подсчитано, что если при утяжелении конструкции масса самолета повышается всего на одну десятую, то чтобы сохранить неизменными все его прежние летные характеристики, необходимо настолько увеличить мощность двигателя, запас горючего, площадь крыла и т.п., что полетная масса самолета возрастает вдвое.

Каждый сэкономленный килограмм массы двигателя позволяет сберечь за счет облегчения фюзеляжа до десяти килограммов в общей массе самолета. Отсюда становится еще более понятным, как много значит каждый дополнительный килограмм массы, на который удается облегчить самолет благодаря применению титановых сплавов. В результате замены стали и алюминия титаном масса самолета снижается на сотни килограммов, а нередко и тонны. Крыло сверхзвукового военного самолета, целиком изготовленное из стали, имеет массу более двух тонн, титановое же крыло — чуть больше 1800 килограммов. В этом случае экономится 200—250 килограммов массы.

В самолетах применяется большое количество болтов, гаек, винтов, заклепок и других крепежных деталей, которые должны быть очень прочными и надежными. Казалось бы, что эти изделия незначительно утяжеляют конструкцию, так как масса каждого из них исчисляется граммами. Но если учесть, что число крепежных деталей в истребителе достигает 20 тысяч, а в транспортном реактивном самолете — почти 50 тысяч, то суммарная их масса составляет солидную цифру — около 100 килограммов в истребителе и 300 килограммов в транспортном самолете. Замена стали титаном уменьшает массу крепежных деталей на одну треть. Чем крупнее самолет, тем ощутимее замена. В гигантском военно-транспортном самолете США ”Локхид С-5А” благодаря использованию титановых заклепок взамен алюминиевых сэкономлено 3,5 тонны массы.

Большая, чем у алюминия, прочность титана позволила уменьшить диаметр заклепок, в результате чего конструкции самолета в состоянии нести более высокие динамические нагрузки, так как усталостная прочность титана выше, чем алюминия или стали.

Титановые сплавы применяют для изготовления каркаса фюзеляжа, шпангоутов, трубопроводов, элементов жесткости, лонжеронов. Замена титаном алюминиевых сплавов несколько снижает жесткость конструкции, так как применяют листы более тонкие, чем прежде. Чтобы сохранить высокую жесткость, используют «сотовые” титановые панели. Благодаря высокой сопротивляемости окислению и достаточной жаропрочности титан используют вместо стали для изготовления противопожарных перегородок.

Читайте так же:
Напряжение насыщения биполярного транзистора

В последнее время титан успешно применяют в конструкциях вертолетов. Из титановых сплавов изготовляют двери, пол, лопасти несущих винтов. В частности, обшивка титаном лопастей винтов позволяет снизить массу вертолета на 30 килограммов.

Читайте также

Алюминий

Алюминий Большое распространение в домашних слесарных мастерских получил алюминий (удельный вес 2,7 г/см2) и большинство его сплавов. О таких свойствах алюминия, как мягкость, легкость, довольно хорошая устойчивость к коррозии (благодаря тонкой серой защитной пленке,

44. Алюминий; влияние примесей на свойства алюминия; деформируемые и литейные алюминиевые сплавы

44. Алюминий; влияние примесей на свойства алюминия; деформируемые и литейные алюминиевые сплавы Алюминий отличают низкая плотность, высокие тепло– и электропроводность, хорошая коррозийная стойкость во многих средах за счет образования на поверхности металла плотной

Заменить титан на алюминий

Материалы для аэрокосмоса станут значительно легче — на 10–20%. В НИТУ МИСиС впервые получены образцы алюмоматричных (на основе алюминия) композитов с керамическими наполнителями (оксид и нитрид алюминия). Метод их 3D-печати разработал научный коллектив Центра прототипирования высокой сложности, сообщает пресс-служба МИСиС. Результаты опубликованы в журнале Materials.

«Сейчас проект находится на этапе научно-исследовательских изысканий, — рассказал “Стимулу” руководитель проекта, профессор, доктор технических наук Александр Громов. — Идет разработка составов, рецептур, отработка режимов. Планы на ближайшее будущее — переход к прототипированию изделий из исследованных композиций».

Применение аддитивных технологий позволило повысить прочность получаемых порошковых материалов на 20%. В ближайшем будущем они будут использованы для выращивания деталей космических кораблей и в новейшем отечественном авиастроении.

«Для 3D-печати алюминиевых деталей в качестве исходного сырья преимущественно используются так называемые силумины (сплавы алюминия с кремнием, в частности соединение Al-Si-10Mg), — поясняет Александр Громов. — Однако запросы авиакосмической промышленности растут, и во всем мире сейчас активно ведутся поиски новых составов алюмоматричных композитов (в том числе модифицированных, легированных) для получения деталей с улучшенными эксплуатационными характеристиками (прочностью, твердостью, стойкостью к образованию трещин) и низкой стоимостью по сравнению с содержащими редкоземельные элементы сплавами».

Ежегодные темпы роста мирового рынка аддитивных технологий составляют более 100%. Причина такого стремительного развития — преимущества аддитивных технологий для металлов по сравнению с традиционными промышленными технологиями: литьем, порошковой металлургией, механической обработкой. Это возможность создания 3D-деталей сложной формы, снижение веса детали за счет оптимизации конструкции, повышение прочности деталей, а также технология для быстрого и ситуативного изготовления мелкосерийных деталей сложной формы. Особенно востребованное для сложной промышленности направление аддитивных технологий — создание методов 3D-печати алюминиевых композитов для аэрокосмоса.

Основной задачей материаловедов в данном случае является итоговое снижение веса детали при сохранении прочностных характеристик. Как известно, основным металлом, используемым сейчас при создании летательных аппаратов, является титан. Прочный, коррозионностойкий, устойчивый к нагрузкам материал, единственный существенный минус которого — высокая плотность: 5,4 г/мм. Легкий и пластичный алюминий при этом имеет плотность 2,7 г/мм, то есть он вдвое легче, однако значительно уступает титану по прочности. Ученые активно ищут способы упрочить алюминий.

По словам Александра Громова, прочность алюминиевых порошков удалось повысить благодаря упрочнению керамическими добавками непосредственно в процессе 3D-печати (так называемое модифицирование in situ). Ранее считалось, что получение таких композитов на принтерах типа SLM невозможно, для этого нужны специальные, уникальные 3D-принтеры. Однако группе удалось создать опытные партии нового порошкового материала на обычном принтере SLM-280 HL селективным лазерным сплавлением (SLM).

«Ученые из НИТУ МИСиС приблизились вплотную к осуществлению давней мечты производителей алюминия: полноценной замене титана алюминиевыми композитами. Над проблемой получения легких и прочных композитов из алюминия традиционными металлургическими способами работало не одно поколение исследователей, но научно-инженерная команда под руководством профессора Александра Громова продвинулась еще дальше и работает над выращиванием 3D-изделия из инновационных порошков», — отметил заместитель директора ОК «Русал» по новым проектам Алексей Арнаутов.

Читайте так же:
Перфоратор расположение двигателя какое лучше

Алюминий с «титановой» прочностью

В НИТУ «МИСиС» разработали упрочняющие модификаторы для 3D-печати изделий из алюминиевых композитов для аэрокосмической промышленности. Ученые НИТУ «МИСиС» предложили технологию, позволяющую в 2 раза увеличить прочность композитов, полученных с помощью 3D печати из алюминиевого порошка и приблизить характеристики полученных изделий к качеству титановых сплавов: прочность титана примерно в 6 раз выше, чем у алюминия, но и плотность титана в 1,7 раз выше (самолет или космический корабль из алюминия был бы значительно легче).

Ученые НИТУ «МИСиС» разработали упрочняющие модификаторы для 3D-печати изделий из алюминиевых композитов для аэрокосмической промышленности. Предложенная технология позволяет в 2 раза увеличить прочность композитов, полученных с помощью 3D — печати из алюминиевого порошка и приблизить характеристики полученных изделий к качеству титановых сплавов: прочность титана примерно в 6 раз выше, чем у алюминия, но и плотность титана в 1,7 раз выше. Основой нового композита стали разработанные модификаторы-прекурсоры на основе нитридов и оксидов алюминия, полученные сжиганием. Результаты работы опубликованы в высокорейтинговом научном журнале Sustainable Materials and Technologies.

Еще два десятилетия назад литьё в формы рассматривалось как единственный рентабельный способ изготовления объемных изделий. Прошли годы, прежде чем появился 3D — принтер по металлу, способный составить достойную конкуренцию металлургическим способам производства. Преимущество изготовления изделий сложной формы с помощью аддитивных технологий в получении более сложных конструкций получаемых изделий, низкая себестоимость и теоретически любая комбинация получаемых материалов.

В настоящее время существует несколько технологий, которые используются для печати металлом, основными из которых являются селективное лазерное плавление (Selective Laser Melting, SLM) и селективное лазерное спекание (Selective Laser Sintering, SLS). Обе они подразумевают постепенное наслаивание металлических порошковых «чернил» слой за слоем для построения заданной объемной фигуры. SLS или SLM — технологии аддитивного производства, основанные на послойном спекании порошковых материалов с помощью луча мощного (до 500 Ватт) лазера.

Один из оптимальных по характеристикам металлов для изготовления изделий для аэрокосмической промышленности— это титан, однако в 3D-печати он неприменим по причине пожаро- и взрывоопасности порошков. Альтернативой выступает алюминий, легкий (плотность 2700 кг/м3) — одно из главных требований отрасли, пластичный, обладающий модулем упругости

70 МПа, пригодный для 3D-печати, однако недостаточно прочный и твердый: предел прочности даже для сплава Дюраль до 500 МПа, твердость по Бринелю НВ на уровне 20 кгс/мм2.

Решение задачи упрочения алюминиевой 3D-печати предложил научный коллектив кафедры цветных металлов и золота НИТУ «МИСиС» под руководством приглашенного профессора Александра Громова.

«Мы разработали технологию упрочения алюмоматричных композитов, полученных методом 3D-печати, получив инновационные прекурсоры — модификаторы, полученные сжиганием порошков алюминия. Продукты горения — нитриды и оксиды алюминия — обладают специфически подготовленной для спекания, разветвленной поверхностью со сформированными переходными нанослоями между частицами. Именно особые свойства и структура поверхности позволяет частицам прочно прикрепляться к алюминиевой матрице и в итоге повышает прочность полученных композитов в 2 раза», — рассказал руководитель исследовательской группы Александр Громов.

В настоящее время коллектив разработчиков тестирует полученные с помощью новой технологии прототипы изделий.

Титан (элемент)

Простое вещество титан — это лёгкий прочный переходный металл серебристо-белого цвета. Обладает высокой коррозионной стойкостью.

Читайте так же:
Сеялка для люцерны ручная

Содержание

История [ править | править код ]

Открытие диоксида титана (TiO2) сделали практически одновременно и независимо друг от друга англичанин У. Грегор и немецкий химик М. Г. Клапрот. У. Грегор, исследуя состав магнитного железистого песка (Крид, Корнуолл, Англия, 1791), выделил новую «землю» (оксид) неизвестного металла, которую назвал менакеновой. В 1795 году немецкий химик Клапрот открыл в минерале рутиле новый элемент и назвал его титаном. Спустя два года Клапрот установил, что рутил и менакеновая земля — оксиды одного и того же элемента, за которым и осталось название «титан», предложенное Клапротом. Через 10 лет открытие титана состоялось в третий раз: французский учёный Л. Воклен обнаружил титан в анатазе и доказал, что рутил и анатаз — идентичные оксиды титана.

Первый образец металлического титана получил в 1825 году швед Й. Я. Берцелиус. Из-за высокой химической активности титана и сложности его очистки чистый образец Ti получили голландцы А. ван Аркел и И. де Бур в 1925 году термическим разложением паров иодида титана TiI4.

Титан не находил промышленного применения, пока люксембуржец Г. Кролл     (англ.)  ( рус. в 1940 году не запатентовал простой магниетермический метод восстановления металлического титана из тетрахлорида; этот метод ( процесс Кролла     (англ.)  ( рус. ) до настоящего времени остаётся одним из основных в промышленном получении титана.

Происхождение названия [ править | править код ]

Металл получил своё название в честь титанов, персонажей древнегреческой мифологии, детей Геи. Название элементу дал Мартин Клапрот в соответствии со своими взглядами на химическую номенклатуру в противовес французской химической школе, где элемент старались называть по его химическим свойствам. Поскольку немецкий исследователь сам отметил невозможность определения свойств нового элемента только по его оксиду, он подобрал для него имя из мифологии, по аналогии с открытым им ранее ураном.

Нахождение в природе [ править | править код ]

Титан находится на 9-м месте по распространённости в природе. Содержание в земной коре — 0,57 % по массе, в морской воде — 0,001 мг/л [4] . В ультраосновных породах 300 г/т, в основных — 9 кг/т, в кислых 2,3 кг/т, в глинах и сланцах 4,5 кг/т. В земной коре титан почти всегда четырёхвалентен и присутствует только в кислородных соединениях. В свободном виде не встречается. Титан в условиях выветривания и осаждения имеет геохимическое сродство с Al2O3. Он концентрируется в бокситах коры выветривания и в морских глинистых осадках. Перенос титана осуществляется в виде механических обломков минералов и в виде коллоидов. До 30 % TiO2 по весу накапливается в некоторых глинах. Минералы титана устойчивы к выветриванию и образуют крупные концентрации в россыпях. Известно более 100 минералов, содержащих титан. Важнейшие из них: рутил TiO2, ильменит FeTiO3, титаномагнетит FeTiO3 + Fe3O4, перовскит CaTiO3, титанит (сфен) CaTiSiO5. Различают коренные руды титана — ильменит-титаномагнетитовые и россыпные — рутил-ильменит-цирконовые [3] .

Месторождения [ править | править код ]

Крупные коренные месторождения титана находятся на территории ЮАР, России, Украины, Канады, США, Китая, Норвегии, Швеции, Египта, Австралии, Индии, Южной Кореи, Казахстана; россыпные месторождения имеются в Бразилии, Индии, США, Сьерра-Леоне, Австралии [3] [5] . В странах СНГ ведущее место по разведанным запасам титановых руд занимает РФ (58,5 %) и Украина (40,2 %) [6] . Крупнейшее месторождение в России — Ярегское.

Запасы и добыча [ править | править код ]

По данным на 2002 год, 90 % добываемого титана использовалось на производство диоксида титана TiO2. Мировое производство диоксида титана составляло 4,5 млн т в год. Подтверждённые запасы диоксида титана (без России) составляют около 800 млн т На 2006 год, по оценке Геологической службы США, в пересчёте на диоксид титана и без учёта России, запасы ильменитовых руд составляют 603—673 млн т, а рутиловых — 49,7—52,7 млн т [7] . Таким образом, при нынешних темпах добычи мировых разведанных запасов титана (без учёта России) хватит более чем на 150 лет.

Читайте так же:
Проволока вязальная для чего используется

Россия обладает вторыми в мире, после Китая, запасами титана. Минерально-сырьевую базу титана России составляют 20 месторождений (из них 11 коренных и 9 россыпных), достаточно равномерно рассредоточенных по территории страны. Самое крупное из разведанных месторождений (Ярегское) находится в 25 км от города Ухта (Республика Коми). Запасы месторождения оцениваются в 2 млрд т руды со средним содержанием диоксида титана около 10 % [8] .

Крупнейший в мире производитель титана — российская компания «ВСМПО-Ависма».

Физические свойства [ править | править код ]

Пластичен, сваривается в инертной атмосфере. Прочностные характеристики мало зависят от температуры, однако сильно зависят от чистоты и предварительной обработки [3] . Для технического титана твёрдость по Виккерсу составляет 790—800 МПа, модуль нормальной упругости 103 ГПа, модуль сдвига 39,2 ГПа [9] . У высокочистого предварительно отожжённого в вакууме титана предел текучести 140—170 МПа, относительное удлинение 55—70 %, твёрдость по Бринеллю 175 МПа [3] .

Имеет высокую вязкость, при механической обработке склонен к налипанию на режущий инструмент, и поэтому требуется нанесение специальных покрытий на инструмент, различных смазок.

При обычной температуре покрывается защитной пассивирующей плёнкой оксида TiO2, благодаря этому коррозионностоек в большинстве сред (кроме щелочной).

Изотопы [ править | править код ]

Известны изотопы титана с массовыми числами от 38 до 63 (количество протонов 22, нейтронов от 16 до 41), и 2 ядерных изомера.

Природный титан состоит из смеси пяти стабильных изотопов: 46 Ti (изотопная распространенность 7,95 %), 47 Ti (7,75 %), 48 Ti (73,45 %), 49 Ti (5,51 %), 50 Ti (5,34 %).

Среди искусственных изотопов самые долгоживущие 44 Ti (период полураспада 60 лет) и 45 Ti (период полураспада 184 минуты).

Химические свойства [ править | править код ]

Устойчив к коррозии благодаря оксидной плёнке, но при измельчении в порошок, а также в тонкой стружке или проволоке титан пирофорен [3] . Титановая пыль имеет свойство взрываться. Температура вспышки — 400 °C. Титановая стружка пожароопасна.

Титан устойчив к разбавленным растворам многих кислот и щелочей (кроме HF, H3PO4 и концентрированной H2SO4). Титан устойчив к влажному хлору и водным растворам хлора [2] .

Легко реагирует даже со слабыми кислотами в присутствии комплексообразователей, например, с плавиковой кислотой HF он взаимодействует благодаря образованию комплексного аниона [TiF6] 2− . Титан наиболее подвержен коррозии в органических средах, так как в присутствии воды на поверхности титанового изделия образуется плотная пассивная плёнка из оксидов и гидрида титана. Наиболее заметное повышение коррозионной стойкости титана заметно при повышении содержания воды в агрессивной среде с 0,5 до 8,0 %, что подтверждается электрохимическими исследованиями электродных потенциалов титана в растворах кислот и щелочей в смешанных водно-органических средах [12] .

При нагревании на воздухе до 1200 °C Ti загорается ярким белым пламенем с образованием оксидных фаз переменного состава TiOx. Из растворов солей титана осаждается гидроксид TiO(OH)2·xH2O, осторожным прокаливанием которого получают оксид TiO2. Гидроксид TiO(OH)2·xH2O и диоксид TiO2 амфотерны.

TiO2 взаимодействует с серной кислотой при длительном кипячении. При сплавлении с содой Na2CO3 или поташом K2CO3 оксид TiO2 образует титанаты:

Читайте так же:
Сколько надо лимонной кислоты для чистки стиральной

При нагревании Ti взаимодействует с галогенами (например, с хлором — при 550 °C [2] ). Тетрахлорид титана TiCl4 при обычных условиях — бесцветная жидкость, сильно дымящая на воздухе, что объясняется гидролизом TiCl4, содержащимися в воздухе парами воды и образованием мельчайших капелек HCl и взвеси гидроксида титана.

Восстановлением TiCl4 водородом, алюминием, кремнием, другими сильными восстановителями, получен трихлорид и дихлорид титана TiCl3 и TiCl2 — твёрдые вещества, обладающие сильными восстановительными свойствами. Ti взаимодействует с Br2 и I2.

С азотом N2 выше 400 °C титан образует нитрид TiNx (x = 0,58—1,00). Титан — единственный элемент, который горит в атмосфере азота [2] .

При взаимодействии титана с углеродом образуется карбид титана TiCx (x = 0,49—1,00).

При нагревании Ti поглощает H2 с образованием соединения переменного состава TiHx (x = 2,00—2,98). При нагревании эти гидриды разлагаются с выделением H2.

Титан образует сплавы и интерметаллические соединения со многими металлами.

Получение [ править | править код ]

Как правило, исходным материалом для производства титана и его соединений служит диоксид титана со сравнительно небольшим количеством примесей. В частности, это может быть рутиловый концентрат, получаемый при обогащении титановых руд. Однако запасы рутила в мире весьма ограничены, и чаще применяют так называемый синтетический рутил или титановый шлак, получаемые при переработке ильменитовых концентратов. Для получения титанового шлака ильменитовый концентрат восстанавливают в электродуговой печи, при этом железо отделяется в металлическую фазу (чугун), а невосстановленные оксиды титана и примесей образуют шлаковую фазу. Богатый шлак перерабатывают хлоридным или сернокислотным способом.

Концентрат титановых руд подвергают сернокислотной или пирометаллургической переработке. Продукт сернокислотной обработки — порошок диоксида титана TiO2. Пирометаллургическим методом руду спекают с коксом и обрабатывают хлором, получая пары тетрахлорида титана TiCl4:

Кроме этого, в настоящее время начинает получать популярность так называемый процесс FFC Cambridge, названный по именам его разработчиков Дерека Фрэя, Тома Фартинга и Джорджа Чена из Кембриджского университета, где он был создан. Этот электрохимический процесс позволяет осуществлять прямое непрерывное восстановление титана из оксида в расплаве смеси хлорида кальция и негашёной извести (оксида кальция). В этом процессе используется электролитическая ванна, наполненная смесью хлорида кальция и извести, с графитовым расходуемым (либо нейтральным) анодом и катодом, изготовленным из подлежащего восстановлению оксида. При пропускании через ванну тока температура быстро достигает

1000—1100 °C, и расплав оксида кальция разлагается на аноде на кислород и металлический кальций:

Полученный кислород окисляет анод (в случае использования графита), а кальций мигрирует в расплаве к катоду, где и восстанавливает титан из его оксида:

Образующийся оксид кальция вновь диссоциирует на кислород и металлический кальций, и процесс повторяется вплоть до полного преобразования катода в титановую губку либо исчерпания оксида кальция. Хлорид кальция в данном процессе используется как электролит для придания электропроводности расплаву и подвижности активным ионам кальция и кислорода. При использовании инертного анода (например, диоксида олова), вместо углекислого газа на аноде выделяется молекулярный кислород, что меньше загрязняет окружающую среду, однако процесс в таком случае становится менее стабильным, и, кроме того, в некоторых условиях более энергетически выгодным становится разложение хлорида, а не оксида кальция, что приводит к высвобождению молекулярного хлора.

Полученную титановую «губку» переплавляют и очищают. Рафинируют титан иодидным способом или электролизом, выделяя Ti из TiCl4. Для получения титановых слитков применяют дуговую, электронно-лучевую или плазменную переработку.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector