Без титановых сплавов уже невозможно представить современную промышленность. Малый удельный вес и высокая прочность (особенно при повышенных температурах) титана и его сплавов, к примеру, незаменимы в авиации. В области самолётостроения и производства авиационных двигателей титан всё больше вытесняет алюминий и нержавеющую сталь.
Где ещё используются титановые сплавы?
Титановые сплавы из-за их высокого соотношения прочности к весу и коррозионной стойкости применяют в мировой аэрокосмической промышленности. Также из них делают медицинские протезы, широко используются в морской, нефтегазовой и химической промышленности. В сталелитейной индустрии титан используется для раскисления, контроля размера зёрен, а также контроля и стабилизации содержания углерода и азота.
Но у титана есть и свои минусы: металл обладает низкой износостойкостью, склонностью к налипанию, большим коэффициентом трения в паре практически со всеми материалами. Эти недостатки титановых сплавов ограничивают их применение для изготовления деталей, работающих на трение. Так, например, если болт и гайку сделать из какого-либо титанового сплава, то болтовое соединение оказывается неразъёмным.
Разновидности лома титана строго регламентированы действующим ГОСТ Р 54564-2011
Дело в том, что титан относится к числу металлов, интенсивно поглощающих азот и кислород и образующих с ними широкие области твёрдых растворов. При литье титановых сплавов большой проблемой является образование так называемого альфированного слоя на поверхности отливки, который очень тяжело поддаётся механической обработке.
Альфированный слой — это слой титана, насыщенный кислородом и азотом. Он является причиной образования трещин при эксплуатации изделия. Другое его название — альфа-слой.
Технологам приходится учитывать его величину при проектировании размеров отливки, а затем проводить дополнительную трудоёмкую обработку деталей для удаления этого слоя. Обычно для решения этой проблемы используют в качестве формовочного материала дорогие керамики, но до конца проблема так и не устранена. В итоге учёные Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) смогли выявить основную причину возникновения альфа-слоя и разработать эффективную технологию, которая значительно снижает вероятность его проявления, вплоть до полного устранения.
Пермский национальный исследовательский политехнический университет (ПНИПУ) – один из ведущих вузов России, основанный в 1953 году
На производстве в процессе литья деталей титановые сплавы, содержащие в качестве одного из компонентов алюминий, заливаются в специальные керамические литейные формы. Весь процесс происходит в вакууме на крупногабаритных установках, которые позволяют одновременное изготовление нескольких деталей. Температура работы — около 1700 °С. После заливки и охлаждения в вакууме керамические оболочки дополнительно охлаждают на воздухе и извлекают из них готовые отливки, которые нуждаются в обработке.
Учёные Пермского политеха обратили внимание на лицевой слой отработанных (сломанных) керамических оболочек. Анализ состава «черепков» по глубине слоя показал, что в керамике содержится большое количество алюминия и частично титана, вплоть до глубины 1-2 мм. Причём чем глубже, тем содержание металлов меньше. Оказалось, что характер их распределения по толщине слоя керамики сильно зависит от технологического приёма, который применяют в каждом конкретном случае при заливке для снижения глубины альфа-слоя в металле: чем меньше величина альфа-слоя, тем меньше металла содержится в «черепках». Учитывая, что материал керамики не смачивается расплавленным металлом, это указывало на то, что внутрь пор керамической оболочки металлы попадают в виде пара.
«Расчёт показал, что при условиях заливки расплав находится в кипящем состоянии, его пары действительно интенсивно проникают внутрь пористой керамики. Но это означает и то, что эти потоки формируются и в жидкой фазе металла, прилегающей к лицевой стенке оболочки. Они разрушают структуру расплава и, вероятно, образуют паровые каналы напротив пор оболочки. При быстром остывании заготовки такая неравновесная структура слоя «замораживается», образуя «газонасыщенный слой». Ранее такое явление не рассматривалось как возможный фактор появления альфа-слоя», — рассказал изданию Naked Science доцент кафедры химических технологий ПНИПУ Николай Углёв.
Титан благодаря лёгкости и прочности — идеальный материал для создания компонентов ракет, спутников и космических аппаратов
В итоге учёные нашли способ предотвратить образования альфа-слоя. Они предлагают перекрыть поры в керамической оболочке специальными наполнителями, в роли которых выступают мелкодисперсные инертные вещества, наилучший из которых — оксид алюминия в виде водного раствора алюмозоля. На основе его использования исследователи разработали технологию пропитки керамической оболочки.
«Необходимо использовать свежий или восстановленный компонент в концентрации 8–10 процентов, который заливается в керамическую оболочку и под действием внешнего давления пропускается через её стенку со стороны лицевой поверхности. При этом поры быстро заполняются оксидом алюминия, за счёт чего существенно снижается газопроницаемость керамики. Внутренняя полость пропитанной оболочки ополаскивается водой и сушится на воздухе 1-2 суток, или при температуре до 80 °С несколько часов. Затем форму необходимо прокалить при температуре примерно 600 °С. После этого она считается подготовленной к заливке титанового сплава. Такая пропитка даёт максимальную герметизацию», — объясняет аспирант кафедры химических технологий ПНИПУ Вячеслав Пунькаев.
Таким образом, учёные Пермского политеха разработали способ нанесения специального покрытия на керамические формы для литья титановых сплавов. Разработка позволит создавать качественные отливки без проведения дополнительной обработки наружного слоя, сэкономит время и средства. Сейчас разработчики ищут возможности для её внедрения на производства.
На изобретения уже выданы патенты. Работа выполнена за счёт средств кафедры химических технологий ПНИПУ в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030».
Егор Петров
