Роль металла «титана»
2026-09-15
Титан (Titanium) — переходный металл 4-го периода и 4-й группы (подгруппа титана) периодической таблицы элементов, символ Ti, атомный номер 22, относительная атомная масса 47,867. Титан — твёрдый блестящий металл серебристо-белого цвета, имеющий гексагональную α-фазу и кубическую β-фазу. Относительная плотность составляет 4,506, температура плавления — 1668 °C, температура кипения — 3287 °C. Удельное сопротивление составляет 42×10⁻⁸ Ом·м (при 20 °C). В природе титан встречается преимущественно в виде рудин, кальцита и титанита. При высоких температурах пузырчатый титан получают путем восстановления четыреххлористого титана магнием, а затем методом дуговой плавки из него получают титановые слитки.
Титан обладает превосходными свойствами, благодаря чему находит широкое применение. Основные области его применения включают: авиакосмическую промышленность, судостроение, химическую и нефтехимическую промышленность, транспорт, военную промышленность, морскую промышленность, энергетику, строительство, металлургию, медицину, спортивное оборудование, товары повседневного спроса и легкую промышленность.
1. Физические свойства титана
Раньше титан считался редким металлом, однако на самом деле он не является редким: на его долю приходится 0,61 % массы земной коры, и по этому показателю он занимает четвертое место среди металлических элементов, уступая лишь железу, алюминию и магнию. Просто из-за высоких требований к технологиям выплавки долгое время не удавалось производить его в больших количествах, поэтому его и отнесли к категории «редких».
Известно около 140 видов титановых минералов, однако в промышленности в основном используются титанит (FeTiO₃) и рутил (TiO₂). Согласно данным, опубликованным Геологической службой США в 2015 году, мировые запасы титанита составляют около 720 млн тонн, а запасы рутила — около 47 млн тонн; совокупные запасы этих двух минералов составляют около 767 млн тонн. Титановые ресурсы имеются в более чем 30 странах мира, в основном в Китае, Австралии, Индии, Южной Африке, Канаде, Бразилии и других странах. На долю Китая приходится 28 % мировых запасов титанового руды, что ставит страну на первое место в мире; ресурсы рутена в Австралии составляют 60 % от общемирового объема, что делает эту страну самой богатой по запасам рутена.
Чистый титан — это металл серебристо-белого цвета, обладающий множеством превосходных свойств: во-первых, он обладает небольшой массой, его плотность составляет 4,54 г/см³, что на 44 % меньше, чем у стали, и лишь немного больше, чем у легкого металла магния; во-вторых, удельная прочность (то есть отношение прочности материала к его кажущейся плотности) является самой высокой среди современных металлических материалов: механическая прочность титана сопоставима со сталью, в два раза превышает прочность алюминия и в пять раз — магния; в-третьих, он устойчив к высоким температурам: температура плавления составляет 1660 ± 10 °C, а температура кипения — 3287 °C.
▲Карта распределения предприятий титановой промышленности по всему миру
В-четвертых, обладает хорошей пластичностью: относительное удлинение составляет от 50 % до 60 %, а относительное сжатие поперечного сечения — от 70 % до 80 %; в-пятых, обладает превосходной коррозионной стойкостью: при комнатной температуре вступает в реакцию с кислородом, образуя чрезвычайно тонкую и плотную оксидную пленку, которая при комнатной температуре реагирует только с фтористоводородной кислотой, горячей концентрированной соляной кислотой и концентрированной серной кислотой, но не реагирует с разбавленной соляной кислотой, разбавленной серной кислотой, азотной кислотой или разбавленными щелочами; даже «король кислот» — царская водка — бессилен перед ним; во-шестых, он не обладает магнитными свойствами и не намагничивается даже в сильном магнитном поле; во-седьмых, он нетоксичен.
▲Сравнение титановых сплавов с алюминием, углеродными композитными материалами, вольфрамом, сталью и высокопрочной сталью по 7 показателям: плотность, предел текучести, предел прочности, твердость, теплопроводность, температура плавления и стоимость
Однако чистый титан редко используется в практике из-за низкой прочности, что делает его непригодным в качестве конструкционного материала. Поэтому в практике в основном применяются титановые сплавы. Жидкий титан способен растворять практически все металлы, поэтому с ним можно образовывать сплавы с многими металлами; алюминий является основным легирующим элементом титановых сплавов. Наличие примесей в титане оказывает огромное влияние на его механические свойства, в частности, интерстициальные примеси (кислород, азот, углерод) могут значительно повысить прочность титана, но при этом существенно снизить его пластичность. Хорошие механические свойства титановых сплавов, используемых в качестве конструкционных материалов, достигаются за счёт строгого контроля содержания определённых примесей или добавления легирующих элементов.
▲Области применения титана
При комнатной температуре титановые сплавы имеют три типа матричной структуры, в связи с чем они подразделяются на три категории: α-сплавы, β-сплавы и α+β-сплавы, которые в Китае обозначаются соответственно как TA, TB и TC. α-титановые сплавы обладают стабильной структурой, более высокой коррозионной стойкостью по сравнению с чистым титаном и высокой устойчивостью к окислению. При температурах от 500 °C до 600 °C они сохраняют свою прочность и сопротивление ползучести, однако не поддаются упрочнению термической обработкой, а их прочность при комнатной температуре невысока.
▲Три классификации титана и золота
β-титановые сплавы представляют собой однофазные сплавы, состоящие из раствора β-фазы; их прочность при комнатной температуре может достигать 1372–1666 МПа, однако они обладают низкой термической стабильностью и не подходят для использования при высоких температурах. α+β-титановые сплавы являются двухфазными сплавами, обладающими хорошими комплексными характеристиками, стабильной микроструктурой, высокой вязкостью, пластичностью и способностью к деформации при высоких температурах, а также хорошей поддачей горячей штамповке. Прочность после термообработки повышается примерно на 50–100 % по сравнению с отжиганым состоянием; обладают высокой прочностью при высоких температурах и могут длительно работать при температурах от 400 до 500 °C, однако их термостойкость уступает α-титановым сплавам.
▲Серия TA китайских титановых и золотых сплавов
Титановые сплавы по назначению можно разделить на жаропрочные сплавы, высокопрочные сплавы, коррозионно-стойкие сплавы (титан-молибден, титан-палладий и т. п.), низкотемпературные сплавы, а также сплавы со специальными свойствами (титан-железо — материалы для хранения водорода и титан-никель — сплавы с эффектом памяти) и т. п.
2. Сложности в производстве
Титан был открыт в 1789 году, но только в 1908 году в Норвегии и США начали производить титановый белил (диоксид титана, белый порошкообразный твердый вещество) сульфатным способом; в 1910 году в лабораторных условиях впервые был получен губчатый титан натриевым способом, и только в 1948 году американская компания «Дупонт» начала массовое производство губчатого титана по магниевому методу, что ознаменовало начало промышленного производства губчатого титана, то есть титана в целом. Даже в настоящее время годовой объем производства титана не может сравниться с объемом производства стали.
▲7 основных природных титаносодержащих минералов, из которых получают металлический титан
Промышленное производство титана началось довольно поздно, а годовой объём производства всегда оставался на низком уровне, главным образом из-за сложности его извлечения. При комнатной температуре химическая активность титана очень низкая, однако с повышением температуры она быстро возрастает, и особенно при высоких температурах титан может вступать в бурные реакции со многими веществами. Поэтому как при плавке, так и при литье необходимо тщательно предотвращать «воздействие» этих элементов на титан.
▲Сравнительная таблица стандартных марок титановых сплавов, в которой подробно представлены химический состав, эксплуатационные характеристики и типичные области применения 10 основных коммерческих марок титана, является авторитетным справочным материалом для выбора титановых материалов в промышленности
Процесс выплавки титана обычно происходит при высоких температурах, превышающих 800 °C, поэтому его необходимо проводить в вакууме или под защитой инертной атмосферы. При выплавке титана сначала титановий рудный концентрат преобразуют в четыреххлористый титан, затем помещают в герметичный резервуар из нержавеющей стали, наполняют аргоном и вступают в реакцию с металлическим магнием, в результате чего получают губчатый титан. Пористый губчатый титан не может использоваться напрямую; его необходимо расплавить в электропечи до жидкого состояния, чтобы затем отлить титановые слитки.
Схема принципа устройства вакуумной электродуговой переплавки (VAR) для выплавки специальных металлов
Но изготовить такую электропечь — дело не из лёгких! Очистить печь от воздуха — ещё полбеды, а вот настоящая головная боль заключается в том, что практически невозможно найти тигель для расплавленного титана, поскольку обычные огнеупорные материалы содержат оксиды, а кислород из них полностью поглощается расплавленным титаном.
▲Полная схема замкнутого технологического цикла производства губчатого титана по методу магниево-термического восстановления Кролла — классической и до сих пор широко применяемой в мировой титановой промышленности технологии, которая также является стандартным промышленным способом коммерческого производства металлического титана в промышленных масштабах
Позже, наконец, была изобретена электропечь с «водоохлаждаемым медным тиглем». В такой электропечи нагревается только центральная часть, остальные участки остаются холодными. После плавления в электропечи титан стекает на стенки медного тигля, охлаждаемого водой, и сразу же затвердевает в виде титановых слитков.
Процесс плавки титановых сплавов схож с процессом плавки титана, за исключением того, что в жидкий титан контролируемо вводятся различные количества легирующих элементов. В настоящее время в западных странах, таких как США и Япония, для плавки титановых сплавов применяются новые технологии — печи с электронно-лучевой и плазменной холодной кроваткой. Печи с электронно-лучевой холодной кроваткой уже успешно используются для плавки чистого титана и сплава TC4, а плазменная холодная кроватка является наиболее эффективным способом плавки титановых сплавов сложного состава.
▲Полная технологическая схема получения металлического титанового порошка по методу FFC в Кембридже (метод электролизного восстановления в расплавленной соли) — это новая недорогая технология производства титана, заменяющая традиционный метод Кролла, которая обеспечивает непрерывное производство от минерального сырья до титанового порошка высокой чистоты.
В России разработана технология плавки, аналогичная печи с холодным слоем, а именно «плавка с образованием корок и саморасходуемыми электродами». Кроме того, в последние годы значительное развитие получила технология плавки в холодных тиглях, которая в сочетании с процессом центробежного литья используется для прецизионного литья титановых деталей. В настоящее время ведется изготовление печей для плавки в холодных тиглях второго поколения, которые позволят значительно увеличить производительность плавки, сократить время плавки, обеспечить полностью суспензионную плавку и устранить образование металлической корки.
▲Распределение предприятий титановой промышленности по миру: компания «Баоцзи Титан» из провинции Шэньси занимает пятое место
Еще одной важной причиной, сдерживающей широкое применение титановых сплавов, является их низкий коэффициент теплопроводности, высокая твердость, низкий модуль упругости и химическая активность при высоких температурах, что затрудняет их механическую обработку, ковку и сварку. Технические сложности, связанные с никелевыми и титановыми сплавами, а также высокая стоимость, обусловленная ими, затрудняют их широкое применение, однако ряд их превосходных свойств делает их чрезвычайно привлекательными для повышения характеристик вооружений и военной техники.
3. Аэрокосмическая отрасль демонстрирует свои возможности
Титановые сплавы обладают множеством привлекательных для аэрокосмической промышленности свойств: они легкие, обладают высокой прочностью, термостойкостью и коррозионной стойкостью, а также отличаются превосходной вязкостью при низких температурах и вязкостью разрушения. По статистике, от 40 до 50 % мирового годового объема производства титана используется в аэрокосмической отрасли, причем в США эта доля достигает даже 80 %.
В области военной авиации титановые сплавы в основном используются в качестве конструкционных материалов для фюзеляжей самолетов, роторных систем вертолетов и двигателей. Как известно, при сверхзвуковом полете самолета его поверхность подвергается сильному трению и сжатию со стороны воздуха, в результате чего кинетическая энергия преобразуется в тепловую, а температура фюзеляжа повышается: чем выше скорость, тем выше температура фюзеляжа. Как правило, для самолетов с числом Маха менее 2 в конструкции фюзеляжа используются алюминиевые сплавы; для самолетов с числом Маха, равным 2, в начальной части фюзеляжа используются титановые сплавы; для самолетов с числом Маха, превышающим 3, количество титановых сплавов в фюзеляже значительно увеличивается, и это в еще большей степени относится к двигателям. При числе Маха менее 2 необходимо использовать определенную долю титановых сплавов; когда число Маха превышает 3, температура на входе в двигатель становится настолько высокой, что даже титановые сплавы уже не подходят, и приходится прибегать к использованию суперсплавов.
США стали первой страной в мире, применившей титановые сплавы в авиастроении. В 1950 году в США впервые на истребителе F-84 из титановых сплавов были изготовлены ненесущие элементы, такие как теплоизоляционные панели задней части фюзеляжа, воздуховоды и обтекатели хвостового оперения. В 1960-е годы США начали переносить области применения титановых сплавов с задней части фюзеляжа на его среднюю часть, частично заменяя конструкционную сталь при изготовлении таких важных несущих элементов, как ребра жесткости, балки и направляющие крыла. В то время в США был произведен высотный высокоскоростной разведывательный самолет SR-71 «Блэкберд», развивавший скорость 3,31 Маха; доля титановых сплавов в весе конструкции самолета составляла 93 %, и он получил название «полностью титанового» самолета. После 1960-х годов в американских военных самолетах, вступавших в строй, доля титановых сплавов в общем объеме конструкционных материалов еще более увеличилась.
Доля титановых сплавов, используемых в самолетах F-14E, F-15A, F-18C/D, F-117A, B-1B и B-2A, составляет соответственно 24 %, 27 %, 13 %, 25 %, 22 % и 26 %. В этих истребителях титановые сплавы в основном применяются в таких частях, как основные балки фюзеляжа, коробчатые балки средней части крыла, обшивка, противопожарные перегородки, шасси, ребра крыла, несущие перегородки, крепежные детали, трубопроводы, люки, тяги, опоры цилиндров привода и т. д. В истребителе F-22, разработанном в США в 90-е годы прошлого века, титановые сплавы занимают первое место по объему использования среди всех материалов, составляя 41 % от общей массы конструкции самолета. Одной из важнейших причин превосходных тактико-технических характеристик F-22 является широкое применение титановых сплавов.
Истребитель Су-27, разработанный в СССР в 70-е годы прошлого века, для обеспечения высоких эксплуатационных характеристик был тщательно спроектирован с точки зрения конструктивной компоновки и выбора материалов: при практически полном отсутствии композитных материалов в несущих элементах широко использовались титановые сплавы, на долю которых приходилось около 16 % массы самолета.
Объем использования титановых сплавов в конструкции корпуса китайских истребителей также постепенно увеличивается: например, в истребителе второго поколения J-8 доля титановых сплавов составляла всего 2 %, в истребителе третьего поколения J-11B она достигла 15 %, а в истребителе четвертого поколения FC-31 выросла до примерно 25 %, что немного ниже, чем у аналогичного американского истребителя F-35 (около 27 % от массы конструкции самолета). Что касается разработанного в Китае крупного военно-транспортного самолета Y-20, то доля титановых сплавов в его конструкции также достигла 10 %, что практически соответствует показателю американского крупного транспортного самолета C-17 (около 10,3 % от веса конструкции самолета).
В связи с постоянным увеличением взлетной массы вертолетов требования к характеристикам роторной системы становятся все более высокими, а именно в системах с высокоскоростным вращением ротора титановые сплавы демонстрируют свои преимущества. В настоящее время большинство мировых производителей вертолетов используют титановый сплав TB6 для изготовления полужестких роторов, в том числе таких деталей, как лопастные муфты, втулки, опоры, валы ротора, соединения лопастей с валом и т. д. Титановый сплав TB6 отличается высокой прочностью, длительным сроком службы при усталостных нагрузках и относительно низкой жёсткостью; предел прочности при растяжении составляет 1170 МПа.
Объем использования титановых сплавов в военных авиационных двигателях ничуть не уступает объему их использования в корпусе самолета. В военных авиационных двигателях титановые сплавы в основном используются для изготовления деталей компрессора холодного конца (расположенного перед камерой сгорания), таких как кованые титановые вентиляторы, диски и лопатки компрессора, корпус компрессора, промежуточный корпус, внешний корпус камеры сгорания, центральный блок, сопло, корпуса подшипников, сопло выхлопной трубы и т. д. В целом, по мере того как удельное тяговое усилие современных авиационных двигателей повышается с 4–6 до 8–10, а температура на выходе из компрессора соответственно увеличивается с 200–300 °C до 500–600 °C, диски и лопатки низконапорного компрессора, ранее изготавливавшиеся из алюминиевых сплавов, необходимо заменить на титановые, а диски и лопатки высоконапорного компрессора — изготавливать из титановых сплавов вместо нержавеющей стали, чтобы снизить вес конструкции.
▲В двигателе F-119, устанавливаемом на истребитель F-22, доля титановых сплавов достигает 40 %
В 1956 году доля титановых сплавов в американском турбореактивном двигателе J79 составляла всего 2%; в 1960 году в турбовентиляторном двигателе JT3D (TF33) этот показатель вырос до 15%; в 1965 году в турбовентиляторном двигателе TF36 он удвоился по сравнению с JT3D (TF33) и достиг 32%. С тех пор титановые сплавы прочно заняли доминирующее положение в холодной части американских авиационных двигателей военного назначения, их доля обычно составляет от 20 % до 30 % от массы конструкции двигателя, а в двигателе F119 самолета F-22 доля титановых сплавов (в основном инновационного высокотемпературного титанового сплава Timeta 1834 и огнестойкого титанового сплава Alloy C) достигла 40 %.
▲В двигателе F-135, устанавливаемом на F-35, доля титановых сплавов достигает 50 %
В военных авиационных двигателях других стран доля титановых сплавов примерно такая же. Например, в советском/российском турбореактивном двигателе АЛ-31Ф все четыре аксиально-поточных компрессора низкого давления, лопастные диски 1–6-й ступеней 9-ступенчатого аксиально-поточного компрессора высокого давления, лопатки ротора 1–5-й ступеней, импортный направляющий кожух, направляющий кожух 1-й ступени, передний корпус, а также средняя часть вала турбины низкого давления изготовлены из титановых сплавов. Китай значительно отстает от США, Великобритании и других стран в области военных авиационных двигателей, однако темпы прогресса ускоряются. Доля титановых сплавов в турбовентиляторных двигателях «Циньлинь», двигателях «Турбореактивный-13», «Куньлунь» и «Тайхан» составляет 10 %, 10–13 %, 15 % и 25 % соответственно, а в разрабатываемых новых военных турбовентиляторных двигателях она, по оценкам, может достигать 30–35 %.
▲Российский турбореактивный двигатель АЛ-31Ф
В ракетной и военно-космической отраслях титановые сплавы в основном используются для изготовления: корпусов ракетных двигателей стратегических и тактических баллистических ракет, деталей подвески двигателей, топливных баков, трубных соединений и кронштейнов, аккумуляторов систем поддержания давления в резервуарах, рабочих колес насосов для перекачки жидкого гелия в резервуарах для хранения криогенных жидкостей, корпусов военных спутников, крепежных деталей, топливных баков, сосудов под давлением, а также фюзеляжей и обшивки аэрокосмических аппаратов.
▲Доля использования титановых сплавов в пассажирских самолетах — 15 %
Рост использования титановых сплавов в аэрокосмической отрасли обусловлен не только их превосходными свойствами, но и, что более важно, быстрым прогрессом в области технологий прецизионной формовки. Появление технологий прецизионного литья крупных цельных сложных деталей из титановых сплавов открыло новые возможности для расширения их применения в корпусах самолетов и авиационных двигателях. В самолете F-22 в опорах цилиндра привода руля направления вертикального оперения и других ключевых несущих элементах широко используются прецизионные отливки из титановых сплавов (всего 54 штуки), которые составляют примерно 7,1 % от общей массы конструкции.
Детали, изготовленные методом прецизионной формовки, не только обладают высокой геометрической точностью, точными контурами и превосходными механическими свойствами, но и позволяют значительно сократить количество деталей, существенно снизить затраты, сократить сроки изготовления, уменьшить вес конструкции, а также повысить безопасность и надежность. Например, в случае переходного узла для американского конвертоплана MV-22 «Орлан» применение технологии прецизионного литья позволило снизить затраты на 30 % и сократить время обработки и монтажа на 62 %.
В 60-е годы прошлого века в США начались исследования в области применения технологий прецизионного литья из титановых сплавов, и по сей день страна занимает в этой области лидирующие позиции в мире. По сравнению с ней Китай пока отстает, поэтому освоение ключевых технологий производства крупных тонкостенных сложных цельных прецизионных литых деталей станет приоритетной задачей на ближайшее время.
Широкие перспективы применения Сфера применения титановых сплавов в других областях военной техники также постоянно расширяется. В 155-мм буксируемой гаубице модели M77, разработанной британской компанией BAE Systems, для снижения веса в изготовлении деталей широко используются титановые сплавы. Из 3,75 тонн веса этой гаубицы на долю титановых сплавов приходится 960 кг, что составляет 25,63 % от общего веса. Таким образом, вес M777 составляет чуть больше половины веса 155-мм буксируемой гаубицы M198, что позволяет осуществлять её воздушную переброску с помощью вертолётов CH-47, CH-53 и конвертоплана MV-22; её может перевозить даже автомобиль Hummer.
