Титан - вечный металл. В 1795 г. немецкий химик М.Г. Клапорт, исследуя руду менаканит, выделил оксид неизвестного ранее металла. Надо было дать имя новорожденному. Сделать это было трудно, особенно в тот период, когда французские коллеги, в том числе и такой авторитет, как А.Л. Лавуазье (1743-1794), предложили в названиях химических элементов отражать их свойства. Клапорт был противником такого подхода и утверждал, что это сделать очень трудно, так как любое существо или вещество при своем рождении не может раскрыть полностью своих свойств и качеств. Он говорил: «Я нахожу, что лучше всего подбирать такие названия, которые ничего не говорили бы о свойствах и не давали бы, таким образом, повода для превратных толкований, поэтому я называю новый металлический осадок титаном - в честь древних обитателей земли».
Имя, данное Клапортом, оказалось пророческим. Правда, долгое время титан не раскрывал своих свойств, так как исследователи имели дело с титаном, содержащим значительное количество примеси. И лишь в 1925 г., т. е. через 130 лет после открытия, голландский исследователь Ван Аркель получил титан высокой чистоты. Технический способ производства титана был разработан в 1947 г.
Первые килограммы титана нашли применение в самолетостроении. Конструкторы летательных аппаратов уже в 1950 г. определили титан металлом сверхзвуковых скоростей. Причина - в свойствах. Первый шаг был робким - некоторые детали обшивки самолета и заклепки. Масса самолета уменьшилась на 300 кг!
Титан является одним из немногих металлов, которые удачно сочетают различные свойства - большую ударную вязкость, высокие прочность и усталость и некоторые другие. Предел текучести титана в 2,5 раза превышает предел текучести железа и в 16 раз - алюминия. А предел текучести - это напряжение, которое для подавляющего большинства конструкций является максимально допустимым. По удельной прочности титановые сплавы уступают только бериллию, а сталь превосходят в 5 раз.
Титан имеет исключительную антикоррозионную стойкость. Вот наиболее впечатляющий пример. Смесь трех частей соляной и одной части азотной кислоты называют «царской водкой» за то, что она растворяет золото. Золото! Титан не поддается действию «царской водки»!
Титан стоек в ряде расплавленных металлов. А в наш век, век атомных реакторов, это очень ценное свойство. Причина высокой стойкости титана - в образовании на его поверхности тонкой пленки диоксида титана. Корродирует титан в средах, разрушающих защитный слой этой пассивирующей пленки. Таких агрессивных сред немного: плавиковая кислота, перекись водорода, фтор, хлор и бром.
В настоящее время основными потребителями титановых сплавов являются авиационная и ракетно-космическая техника. Более конкретно это выглядит так.
В самолетостроении из титановых сплавов изготовляют обшивку фюзеляжа, крепежные детали, детали шасси, силовой набор (шпангоуты, лонжероны и другие элементы жесткости). Необходимо отметить, что применение титановых сплавов в летательных аппаратах диктуется еще и температурным режимом эксплуатации. Так, при скорости, которая в 3 раза превышает скорость звука, передние кромки плоскости нагреваются до 300 °С и выше. Это предельная температура эксплуатации для алюминиевых сплавов. При более высокой температуре теряется прочность. Титановые сплавы в этих условиях в 15 раз прочнее алюминиевых.
Советский лайнер Ту-144, первый вылет которого был в 1968 г., имеет в конструкции более 1000 деталей из титановых сплавов. В конструкциях зарубежных самолетов, таких как «Боинг-747», «Конкорд» и других, также широко используются сплавы на основе титана. На постройку одного самолета типа «аэробус» расходуется более 40 т титановых сплавов.
Самолет ближайшего будущего потребует еще больше титановых сплавов. Скорость его полета в 5 раз превысит скорость звука, а температура обшивки лайнера должна будет выдерживать температуру, превышающую температуру плавления алюминия. Дюралюмины будут применяться только для внутренней отделки салона самолета. Такой летательный аппарат (его макет был представлен нашей страной в 1987 г. в Международном авиасалоне во Франции) доставит 300 пассажиров из Москвы в Токио за 2 ч;
В ракетостроении первыми сборочными единицами, выполненными из титановых сплавов для ракет, были баллоны сжатого воздуха. Их конструкция оказалась легче на 30 %. В настоящее время из сплавов титана изготовляют корпуса ракет, силовой набор, топливные баки и отдельные детали двигательной установки и корпуса двигателей твердого топлива.
Космическая техника - это особый вид, это техника абсолютного вакуума, космической радиации и т. д. Далеко не каждый металл может быть использован в космосе. Одни металлы закипают и испаряются (кадмий, цинк, магний), другие теряют свои «земные» свойства настолько, что в разряд конструкционных их отнести нельзя. Для эксплуатации в космосе могут быть использованы сталь, титановые сплавы, сплавы на основе вольфрама и платины. Авиационная и ракетно-космическая промышленность потребляет около 93 % годового производства титана.
В двигателестроении (роторы и лопатки турбин, диски компрессоров, кожуха камер сгорания, трубопроводы) на отечественных двигателях НК-8 и НК-8-4 впервые в мировой практике широко применены титановые сплавы. Они использованы и для таких отечественных сборочных единиц, как ротор компрессора.
В трубостроении сплавы титана используются для производства роторов турбин. На Костромской ГРЭС, например, такие роторы эксплуатируются с 1981 г. Турбины крупнейшего в мире'энергетического блока построены на Ленинградском металлическом заводе. Первые лопатки турбин из сплавов на основе титана на этом заводе стали изготовлять еще в 1959 г. Это позволило повысить КПД и долговечность изделий, снизить металлоемкость, уменьшить их габаритные размеры и получить экономию свыше 37 тыс. р. на 1 т потребляемого титана.
Используются сплавы титана и в автомобилестроении. В производстве гоночных автомобилей эти сплавы применяются уже более 25 лет. Это детали шатунно-поршневой группы, крепежные детали, несущая рама ит. д. Замена стальных деталей на титановые снижает инерционные нагрузки (для вращающихся деталей), увеличивает срок службы вследствие лучшей коррозионной стойкости, уменьшает массу, дает экономию горючего и ряд других положительных эффектов.
Перспективным является применение титановых сплавов при сверхглубоком бурении. Их высокая удельная прочность и здесь является решающим фактором. Расчеты показывают, что использование титановых сплавов позволит достичь 30-километровой глубины скважины.
А криогенная техника? Техника в арктическом исполнении? В отличие от стали титан совершенно спокойно переносит отрицательные температуры, а некоторые сплавы, например ОТ4-1 и АТ2-2, сохраняют высокое сопротивление ударным нагрузкам и при температуре жидкого гелия, а это минус 269 °С!
Не может обходиться без титана и судостроение. Из всех промышленных металлов самым стойким в морской воде является титан. Исследования показывают, что за 100 лет нахождения титановой пластинки в морской воде коррозия проникает в глубь металла на 2 мкм. Можно предположить, что именно после таких испытаний титан назвали «вечным» металлом.
Высокая коррозионная стойкость обеспечила «зеленый свет» титану в нефтехимическую и пищевую промышленность. В отечественной химической промышленности сплавы титана начали применяться с 1960 г. Это, прежде всего, оборудование, используемое в производстве кислот и аммиака, в перегонке нефти (емкостная и теплообмен-ная аппаратура, фильтры, насосы, детали трубопроводных систем, запорные и регулирующие устройства, ректификационные колонны, выпарные аппараты и другие сборочные единицы, работающие в особо агрессивных средах). Сплавы титана в химической промышленности нашли применение более чем в 100 различных отраслях производства.
В пищевой промышленности, где коррозия недопустима как по техническим соображениям, так и по требованиям санитарно-гигиеническим, титановые сплавы эффективно заменяют нержавеющие стали типа Х18Н9Т. Несмотря на сравнительно высокую стоимость титановых сплавов (цена титановых сплавов на порядок выше, чем сталей типа Х18Н9Т), применять их экономически выгодно: они, как правило, повышают долговечность в 1,5-2 раза.
Начал свою службу титан в строительстве и архитектуре. Первым опытом применения титана для художественных целей является облицовка обелиска в честь запуска первого в мире искусственного спутника Земли, осуществленного в нашей стране. Этот высотный монумент установлен в Москве у ВДНХ. Титаном облицован также меч, который держит монументальная фигура родины-матери (г. Волгоград, Мамаев курган).
Областью оригинального применения титан обязан сплаву марки ТН (50 % титана и 50 % никеля). Этот сплав, обладающий «эффектом памяти», носит название «нитинол». Первой областью применения такого сплава были антенны для искусственных спутников Земли. Многометровая антенна обрабатывается при определенной температуре и затем в свернутом состоянии (например, намотанная на катушку) устанавливается на спутнике. В космосе солнце нагревает антенну, и сплав, «вспоминая» форму, которую ему придали на земле при обработке, в точности принимает ее.
В авиации при монтаже гидросистемы самолета Ту-204 широко используются так называемые термомеханические соединения - это и есть соединения, выполненные на основе «эффекта памяти» металлов. В недалеком будущем области применения таких сплавов значительно расширятся. Ученым удалось разработать уже более 10 композиций.
Однако есть у титана и недостатки. Он менее технологичен, чем, например, железоуглеродистые сплавы. Высокая прочность затрудняет обработку давлением, большая химическая активность - сварку, низкая теплопроводность - обработку резанием. Но это дело времени. Были годы, когда из титана не могли получить листовые заготовки: поверхность титана настолько прочно схватывалась с поверхностью валков, что титановую заготовку разрывало на две половинки. Человек преодолел эту трудность.
Успехи в совершенствовании технологии последних лет позволяют предположить, что в недалеком будущем цена на титан снизится до цены на нержавеющую сталь, т. е. до 1000 р. за 1 т.
Перспективным направлением в повышении эффективности применения титановых сплавов является использование многослойных металлов и биметаллов. Еще в конце XIX в., когда был получен биметалл алюминий - сплав алюминия, стало ясно, что многослойные металлы будут весьма перспективными, а в ряде случаев по техническим и экономическим соображениям им будет отдаваться предпочтение. Такое время настало. Биметаллы титан - алюминий, титан - сталь и другие комбинации используются при изготовлении емкостей для хранения и транспортировки, химической аппаратуры и другого, в основном громоздкого, оборудования во многих отраслях техники.
Отечественная промышленность выпускает более 35 марок сплавов на основе титана. Основным легирующим элементом является алюминий, он отсутствует только в особо коррозионностойких сплавах.
У титановых сплавов прекрасное будущее. По своим свойствам они являются самыми перспективными из новых материалов. По содержанию в земной коре титан уступает только трем конструкционным металлам - алюминию, железу и магнию.
Темпы роста мирового производства титана уникальны: в 1947 г. было получено только 2 кг, а в 1987 г.- более 100 тыс. т! Цена 1 т титана составляет 3000 р.