Nieuwe processen, technologieën en toepassingen van titanium en titaniumlegeringen

1. Hoge sterkte. Titaniumlegeringen hebben een zeer hoge sterkte, met een treksterkte van 686 - 1176 MPa, terwijl hun dichtheid slechts ongeveer 60% van die van staal bedraagt, waardoor hun specifieke sterkte zeer hoog is.

2. Hoge hardheid. De hardheid van titaniumlegeringen (gegloeide toestand) is HRC 32 - 38.

3. Lage elastische modulus. De elasticiteitsmodulus van titaniumlegeringen (gegloeide toestand) is 1,078×10-1,176×10 MPa, wat ongeveer de helft is van die van staal en roestvrij staal.

4. Uitstekende prestaties bij hoge en lage temperaturen. Bij hoge temperaturen kunnen titaniumlegeringen nog steeds goede mechanische eigenschappen behouden, en hun hittebestendigheid is veel hoger dan die van aluminiumlegeringen, met een breed werktemperatuurbereik. Momenteel kan de werktemperatuur van nieuwe hitte-bestendige titaniumlegeringen 550 - 600 graden bereiken; bij lage temperaturen neemt de sterkte van titaniumlegeringen toe in plaats van bij kamertemperatuur, en ze hebben een goede taaiheid. Titaniumlegeringen bij lage-temperaturen kunnen nog steeds een goede taaiheid behouden bij -253 graden.

5. Sterke corrosieweerstand van titanium. Bij temperaturen onder 550 graden in de lucht vormt titanium snel een dunne en dichte titaniumoxidefilm op het oppervlak, zodat de corrosieweerstand in de atmosfeer, zeewater, salpeterzuur, zwavelzuur en andere oxiderende media en sterke alkali beter is dan die van de meeste roestvrij staalsoorten.

2.1 Methoden voor het bereiden van titanium
Hoewel titanium relatief overvloedig aanwezig is in de natuur, is het een zeldzaam metaal vanwege het verspreide bestaan ​​ervan en de moeilijkheidsgraad bij de extractie. Momenteel kan de bereiding van titanium worden onderverdeeld in twee hoofdcategorieën: de thermische reductiemethode en de gesmolten-zoutelektrolysemethode.

(1) Thermische reductiemethode voor het bereiden van titanium: De thermische reductiemethode omvat het reduceren van titanium uit zijn verbindingen zoals TiCl4, TiO2 en K2TiF6 bij een bepaalde temperatuur met behulp van sterke reductiemiddelen zoals Li, Na, Mg, Ca en hun hydriden. Volgens de verschillende titaniumverbindingen kan de thermische reductiemethode voor het bereiden van titanium in drie categorieën worden ingedeeld:

① Oxidatie-reductiemethode van titaniumchloriden, zoals het Kroll-proces, Hunter-proces, Armstrong-proces en EMR-proces;

② Oxidatie-reductiemethode van titaniumoxiden, zoals het OS-proces, het PRP-proces en het MHR-proces;

③ Oxidatie-reductiemethode van titanaten. Momenteel zijn alleen het Kroll-proces en het Hunter-proces met succes toegepast in de industriële productie. Het Kroll-proces gebruikt metallisch magnesium om titanium uit chloriden te vervangen, terwijl het Hunter-proces hiervoor metallisch natrium gebruikt. Bovendien is het Armstrong-proces, ontwikkeld door de International Titanium Powder Company in Chicago, VS, vergelijkbaar met het Hunter-proces en wordt ook natrium gebruikt als reductiemiddel om metallisch titanium te zuiveren. De Verenigde Staten zijn begonnen met het uitvoeren van pre-productie in fabrieken die deze methode gebruiken.

(2) Gesmolten-zoutelektrolysemethode voor de bereiding van titanium: In 1959 voorspelde Kroll dat gesmolten-zoutelektrolyse het Kroll-proces als de reguliere methode voor de productie van titanium binnen 5 tot 10 jaar zou vervangen. Door de jaren heen hebben binnenlandse en buitenlandse onderzoeksinstellingen en laboratoria meer dan een dozijn nieuwe technologieën ontwikkeld voor de bereiding van titanium door middel van gesmolten zoutelektrolyse. Deze kunnen op basis van grondstoffen in drie categorieën worden ingedeeld:

① Elektrolyse van titanaten;

② Elektrolyse van titaniumchloriden;

③ Elektrolyse van titaniumoxiden, inclusief het FFC Cambridge-proces, MER-proces, USTB-proces, QIT-proces, SOM-proces en ionische vloeibare elektrolyse.

2.2 Nieuw gebruik van titanium
Sinds de jaren veertig heeft het gebruik van titanium zich snel ontwikkeld en wordt het op grote schaal toegepast in vliegtuigen, raketten, raketten, kunstmatige satellieten, ruimteschepen, schepen, de militaire industrie, de medische sector en de petrochemische industrie. Uit het laatste onderzoek is gebleken dat het menselijk lichaam een ​​bepaalde hoeveelheid titanium bevat, en titanium kan fagocyten stimuleren en de immuunfunctie verbeteren. Daarom houden veel laboratoria zich bezig met de ontwikkeling en toepassing van bio-titanium.

3.1 Bereidingsmethoden van titaniumlegeringen

Bij de traditionele verwerking van titaniumlegeringen wordt doorgaans gebruik gemaakt van smelt- en giettechnieken. De nieuwste verwerkingstechnologieën zijn als volgt geclassificeerd:

(1) Technologie voor het vormen van bijna-net-vormen;

(2) Draadwrijvingslastechnologie;

(3) Superplastische vormtechnologie;

(4) Computersimulatietechnologie voor materiaalvoorbereiding en -verwerking. Near{2}}net-vormvormtechnologie omvat laservormen, precisiegieten, precisiesmeden van matrijzen, poedermetallurgie en spuitvormen, enz. Poedermetallurgie is een nieuw proces voor het vervaardigen van titaniumcomponenten met behulp van titaniumpoeder of titaniumlegeringspoeder als grondstof, gevolgd door vormen en sinteren. Ten eerste wordt poeder geproduceerd, meestal door mechanisch legeren, met behulp van een kogelmolen, waarbij de grondstoffen worden onderworpen aan intensieve schokken, malen en roeren. Vervolgens wordt het gevormde legeringspoeder in vorm geperst, met twee persmethoden: isostatisch persen en koudpersen. Het doel van deze stap is het verkrijgen van een geperste plano van een bepaalde vorm en afmeting met een bepaalde dichtheid en sterkte. Vervolgens wordt het gevormde stuk materiaal onderworpen aan vonkplasma-sinteren, waarbij specifieke sinterkracht en persdruk op het sinterpoeder worden uitgeoefend via bovenste en onderste stempels en geëlektrificeerde elektroden. Het proces wordt voltooid door ontladingsactivering, hete plastische vervorming en koeling om hoogwaardige titaniummaterialen te verkrijgen. Vervolgens ondergaat de titaniumlegering na het plasmasinteren een verdere verwerking, meestal een warmtebehandeling of kunststofverwerking.

3.2 Nieuwe toepassingen van titaniumlegeringen

Titaniumlegeringen werden aanvankelijk veel gebruikt in de lucht- en ruimtevaart, voornamelijk voor de productie van vliegtuigmotoren of pneumatische componenten. Later, met de voortdurende ontwikkeling van de technologie, zijn titaniumlegeringen in het leven van gewone mensen terechtgekomen en zijn ze te vinden in fabrieken of huishoudelijke apparaten. Momenteel concurreren landen en instellingen om nieuwe titaniumlegeringen te ontwikkelen met lage kosten en hoge prestaties. De recente ontwikkelingen op het gebied van titaniumlegeringen richten zich vooral op de volgende vijf aspecten.

(1) Medische titaniumlegeringen

Titaniumlegeringen hebben een lage dichtheid en een goede biocompatibiliteit, waardoor ze ideale medische materialen zijn die zelfs in het menselijk lichaam kunnen worden geïmplanteerd. Vroeger bevatten titaniumlegeringen die op medisch gebied werden gebruikt vanadium en aluminium, wat schade aan het menselijk lichaam kon veroorzaken. Onlangs hebben Japanse wetenschappers echter een nieuw type titaniumlegering ontwikkeld met goede biocompatibiliteit. Hoewel deze legering nog niet op grote schaal- is geproduceerd, wordt aangenomen dat dergelijke hoogwaardige legeringen- in de nabije toekomst op grote schaal in het dagelijks leven zullen worden gebruikt.

(2) Vlamvertragende titaniumlegeringen

Legeringen op basis van titanium- die bestand zijn tegen verbranding onder bepaalde druk, temperatuur en luchtstroomsnelheden zijn vlam- vlamvertragende titaniumlegeringen. De Verenigde Staten, Rusland en China hebben achtereenvolgens nieuwe vlamvertragende titaniumlegeringen ontwikkeld. De Verenigde Staten hebben deze vlamvertragende titaniumlegeringen op motoren toegepast omdat ze niet gevoelig zijn voor verbranding, wat de stabiliteit van de motor aanzienlijk kan verbeteren.

(3) Titaniumlegeringen van het type titanium met hoge- sterkte en hoge- taaiheid

-type titaniumlegeringen hebben een hoge sterkte, goede lasbaarheid en uitstekende koude en warme verwerkingseigenschappen. Onderzoekers hebben deze eigenschap gebruikt om titaniumlegeringen van het type - te ontwikkelen met verschillende kenmerken: goede prestaties bij warm werken, goede plasticiteit en goede lasbaarheid. Bovendien zijn hun mechanische eigenschappen na oplossingsbehandeling en veroudering aanzienlijk verbeterd. Momenteel hebben zowel Japan als Rusland dergelijke titaniumlegeringen ontwikkeld.

(4) Titanium-aluminiumverbindingen

Vergeleken met algemene titaniumlegeringen hebben titanium-aluminiumverbindingen uitstekende prestaties bij hoge- temperaturen, goede oxidatie- en kruipweerstand, en een lagere dichtheid dan algemene titaniumlegeringen. Deze uitstekende eigenschappen geven aan dat titanium-aluminiumverbindingen een nieuwe legeringstrend zullen veroorzaken. Momenteel hebben de Verenigde Staten deze nieuwe titanium-aluminiumverbindingslegering gesynthetiseerd en zijn ze bezig met massaproductie.

(5) Titaniumlegeringen voor hoge- temperaturen

Titaniumlegeringen die zijn bereid door snelle stollingsmethoden en poedermetallurgie te combineren, met behulp van vezel- of deeltjesversterkte composieten-, hebben uitstekende mechanische eigenschappen- bij hoge temperaturen. De gebruikstemperatuurlimiet van titaniumlegeringen met hoge- temperaturen is veel hoger dan die van gewone titaniumlegeringen. Momenteel hebben de Verenigde Staten nieuwe titaniumlegeringen voor hoge- temperaturen ontwikkeld. (6) Titanium-nikkellegering, een legering bestaande uit titanium en nikkel, staat bekend als "geheugenlegering". Wanneer deze legering in een vooraf-bepaalde vorm wordt gemaakt en vervolgens wordt onderworpen aan een vormgevingsbehandeling, kan deze, als deze door externe krachten wordt vervormd, zijn oorspronkelijke uiterlijk herstellen met slechts een lichte verwarming. Deze legering kan op verschillende gebieden worden gebruikt, zoals instrumenten, meters, elektronische apparaten, enz.