Titaani ja titaanisulamite uued protsessid, tehnoloogiad ja rakendused

1. Suur tugevus. Titaanisulamitel on väga suur tugevus, mille tõmbetugevus on 686 - 1176 MPa, samas kui nende tihedus on ainult umbes 60% terase omast, seega on nende eritugevus väga kõrge.

2. Kõrge kõvadus. Titaanisulamite kõvadus (lõõmutatud olek) on HRC 32 - 38.

3. Madal elastsusmoodul. Titaanisulamite elastsusmoodul (lõõmutatud olek) on 1,078 × 10–1,176 × 10 MPa, mis on umbes poole väiksem terasest ja roostevabast terasest.

4. Suurepärane kõrge ja madala temperatuuri jõudlus. Kõrgetel temperatuuridel suudavad titaanisulamid säilitada häid mehaanilisi omadusi ja nende kuumakindlus on palju kõrgem kui alumiiniumsulamitel, kusjuures töötemperatuurivahemik on lai. Praegu võib uute kuumus{3}}kindlate titaanisulamite töötemperatuur ulatuda 550 - 600 kraadini; madalatel temperatuuridel suureneb titaanisulamite tugevus toatemperatuuri asemel ja neil on hea sitkus. Madalatemperatuurilised titaanisulamid suudavad säilitada hea sitkuse ka -253 kraadi juures.

5. Titaani tugev korrosioonikindlus. Õhutemperatuuril alla 550 kraadi moodustab titaan oma pinnale kiiresti õhukese ja tiheda titaanoksiidkile, mistõttu on selle korrosioonikindlus atmosfääris, merevees, lämmastikhappes, väävelhappes ja muudes oksüdeerivates ainetes ning tugevates leelistes parem kui enamikul roostevabadel terastel.

2.1 Titaani valmistamise meetodid
Kuigi titaani leidub looduses suhteliselt palju, on see hajutatud olemasolu ja kaevandamisraskuste tõttu haruldane metall. Praegu võib titaani valmistamise jagada kahte suurde kategooriasse: termilise redutseerimise meetod ja sulasoola elektrolüüsi meetod.

(1) Termiline redutseerimismeetod titaani valmistamiseks: termilise redutseerimise meetod hõlmab titaani redutseerimist selle ühenditest, nagu TiCl4, TiO2 ja K2TiF6, teatud temperatuuril, kasutades tugevaid redutseerivaid aineid nagu Li, Na, Mg, Ca ja nende hüdriide. Erinevate titaaniühendite järgi võib titaani valmistamise termilise redutseerimise meetodi liigitada kolme kategooriasse:

① titaankloriidide oksüdatsiooni{0}}redutseerimise meetod, nt Krolli protsess, Hunteri protsess, Armstrongi protsess ja EMR protsess;

② titaanoksiidide oksüdatsiooni{0}}redutseerimise meetod, nt OS-protsess, PRP-protsess ja MHR-protsess;

③ Titanaatide oksüdatsiooni{0}}redutseerimise meetod. Praegu on tööstuslikus tootmises edukalt rakendatud vaid Krolli protsessi ja Hunteri protsessi. Krolli protsessis kasutatakse titaani kloriididest väljatõrjumiseks metallist magneesiumi, Hunteri protsessis aga metallilist naatriumi. Lisaks sarnaneb USA-s Chicagos asuva International Titanium Powder Company väljatöötatud Armstrongi protsess Hunteri protsessiga ja kasutab metallilise titaani puhastamiseks redutseerijana ka naatriumi. Ameerika Ühendriigid on seda meetodit kasutades alustanud{5}}eeltootmist tehastes.

(2) Sulasoola elektrolüüsi meetod titaani valmistamiseks: 1959. aastal ennustas Kroll, et sulasoola elektrolüüs asendab Krolli protsessi kui titaani tootmise peamise meetodi 5–10 aasta jooksul. Aastate jooksul on kodu- ja välismaised uurimisasutused ja laborid välja töötanud rohkem kui tosin uut tehnoloogiat titaani valmistamiseks sulasoola elektrolüüsi teel. Sõltuvalt toorainest võib need jagada kolme kategooriasse:

① Titanaatide elektrolüüs;

② titaankloriidide elektrolüüs;

③ Titaanoksiidide elektrolüüs, sealhulgas FFC Cambridge protsess, MER protsess, USTB protsess, QIT protsess, SOM protsess ja ioonne vedel elektrolüüs.

2.2 Titaani uued kasutusviisid
Alates 1940. aastatest on titaani kasutusalad kiiresti arenenud ja seda on laialdaselt kasutatud lennukites, rakettides, rakettides, tehissatelliitides, kosmoselaevades, laevades, sõjatööstuses, meditsiinivaldkonnas ja naftakeemiatööstuses. Viimased uuringud on leidnud, et inimkeha sisaldab teatud koguses titaani ning titaan võib stimuleerida fagotsüüte ja tugevdada immuunfunktsiooni. Seetõttu on paljud laborid pühendatud bio-titaani väljatöötamisele ja kasutamisele.

3.1 Titaanisulamite valmistamismeetodid

Titaanisulamite traditsiooniline töötlemine kasutab üldiselt sulatus- ja valamistehnikaid. Uusimad töötlemistehnoloogiad liigitatakse järgmiselt:

(1) Ligi-võrgu-kuju moodustamise tehnoloogia;

(2) traadi hõõrdkeevitustehnoloogia;

(3) superplastilise vormimise tehnoloogia;

(4) Arvutisimulatsiooni tehnoloogia materjali ettevalmistamiseks ja töötlemiseks. Near-net-forming tehnoloogia hõlmab laservormimist, täppisvalu, täppisstantsimist, pulbermetallurgiat ja pihustusvormimist jne. Pulbermetallurgia on uus protsess titaankomponentide valmistamiseks, kasutades toorainena titaanipulbrit või titaanisulami pulbrit, millele järgneb vormimine ja paagutamine. Esiteks valmistatakse pulber, tavaliselt mehaanilise legeerimise teel, kasutades kuulveski, et toormaterjale tugevalt kokku lüüa, jahvatada ja segada. Seejärel pressitakse moodustunud sulamipulber kahe pressimismeetodi abil vormi: isostaatiline pressimine ja külmpressimine. Selle etapi eesmärk on saada kindla kuju ja suurusega pressitud toorik, millel on kindel tihedus ja tugevus. Seejärel töödeldakse vormitud toorikuga sädeplasma paagutamist, mille käigus paagutamispulbrile rakendatakse ülemise ja alumise stantsi ja elektrifitseeritud elektroodide kaudu spetsiifilist paagutamisvõimsust ja survet. Protsess viiakse lõpule tühjenduse aktiveerimise, kuuma plastilise deformatsiooni ja jahutamisega, et saada suure jõudlusega{10}}titaanmaterjale. Seejärel töödeldakse titaanisulam pärast plasma paagutamist edasi, tavaliselt kuumtöötlemisel või plasti töötlemisel.

3.2 Titaanisulamite uued rakendused

Titaanisulameid kasutati algselt laialdaselt kosmosetööstuses, peamiselt lennukimootorite või pneumaatiliste komponentide tootmiseks. Hiljem, tehnoloogia pideva arenguga, on titaanisulamid jõudnud tavainimeste ellu ja neid võib leida tehastest või kodumasinatest. Praegu võistlevad riigid ja institutsioonid uute madalate kuludega ja suure jõudlusega titaanisulamite väljatöötamise nimel. Titaanisulamite hiljutised arengud keskenduvad peamiselt viiele järgmisele aspektile.

(1) Meditsiinilised titaanisulamid

Titaanisulamitel on madal tihedus ja hea biosobivus, mistõttu on need ideaalsed meditsiinilised materjalid, mida saab isegi inimkehasse siirdada. Varem sisaldasid meditsiinivaldkonnas kasutatud titaanisulamid vanaadiumi ja alumiiniumi, mis võisid inimkeha kahjustada. Kuid hiljuti on Jaapani teadlased välja töötanud uut tüüpi titaanisulami, millel on hea biosobivus. Kuigi seda sulamit pole veel masstootmises-alganud, arvatakse, et lähitulevikus hakatakse selliseid kvaliteetseid{4}sulameid laialdaselt kasutama igapäevaelus.

(2) Leegiaeglustavad titaanisulamid

Titaan{0}}põhised sulamid, mis taluvad põlemist teatud rõhul, temperatuuril ja õhuvoolukiirustel, on leegiaeglustavad titaanisulamid. USA, Venemaa ja Hiina on järjest välja töötanud uusi leegiaeglustavaid titaanisulameid. Ameerika Ühendriigid on kasutanud neid leegiaeglustavaid titaanisulameid mootorites, kuna need ei ole põlemistundlikud, mis võib oluliselt parandada mootori stabiilsust.

(3) Kõrge-tugevuse ja suure-sitkusega -tüüpi titaanisulamid

-tüüpi titaanisulamitel on kõrge tugevus, hea keevitatavus ning suurepärased külm- ja kuumtöötlemisomadused. Teadlased on seda omadust kasutanud -tüüpi titaanisulamite väljatöötamiseks, millel on erinevad omadused: hea kuumtöötlemine, hea plastilisus ja hea keevitatavus. Pealegi paranevad pärast lahusega töötlemist ja vananemist nende mehaanilised omadused oluliselt. Praegu on sellised titaanisulamid välja töötanud nii Jaapan kui ka Venemaa.

(4) Titaan-alumiiniumühendid

Võrreldes tavaliste titaanisulamitega on titaan{0}}alumiiniumiühenditel suurepärane jõudlus kõrgel-temperatuuril, hea oksüdatsiooni- ja roomamiskindlus ning madalam tihedus kui tavalistel titaanisulamitel. Need silmapaistvad omadused näitavad, et titaan-alumiiniumühendid käivitavad uue sulamite trendi. Praegu on Ameerika Ühendriigid sünteesinud selle uue titaani{5}alumiiniumisulami ja seda hakatakse tootma.

(5) Kõrgetemperatuurilised{1}}titaanisulamid

Titaanisulamitel, mis on valmistatud kiirete tahkumismeetodite ja pulbermetallurgia kombineerimisel, kasutades kiud- või osakestega{0}}tugevdatud komposiite, on suurepärased mehaanilised omadused kõrgel-temperatuuril. Kõrgetemperatuuriliste-titaanisulamite kasutustemperatuuri piirang on palju kõrgem kui tavalistel titaanisulamitel. Praegu on Ameerika Ühendriigid välja töötanud uusi kõrgtemperatuurseid{5}}titaanisulameid. (6) Titaan-niklisulam, titaanist ja niklist koosnev sulam, on tuntud kui "mälusulam". Kui see sulam valmistatakse etteantud kujuga{10}}ja seejärel töödeldakse seda, võib see välisjõu mõjul deformeerumisel taastada oma esialgse välimuse vaid vähese kuumutamisega. Seda sulamit saab kasutada erinevates valdkondades, nagu instrumendid, arvestid, elektroonikaseadmed jne.