Материаловедение и технологии перспективных материалов 1 Температурные

Материаловедение и технологии перспективных материалов 1

Температурные области применения основных конструкционных и жаропрочных сплавов, применяемых в авиакосмической технике 2

Стоимость Металл Стоимость высокопрочных чистого металла, малолегированного легированных сплавов $/т сплава (пруток), $/т Железо 180 1200 8000 Алюминий 1350 3200 4500 Титан 6000 14500 30000 Магний 1600 3300 4600 3

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТИТАНА В ПЛАНЕРЕ САМОЛЕТОВ КОМПАНИИ «БОИНГ» 4

ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА 1791 г – английский химик У. Грегор сообщает о новом элементе, открытом в черном песке района Менаккан (провинция Корнуэлл, Англия), и назвал его «менакканумом» 1795 г – немецкий химик М. Клапрот, проанализировав красные пески Венгрии, обнаружил в них неизвестный металл и назвал его титаном. 1825 г – Берцелиус выделил металлический титан. 1875 г – русский ученый Д. К. Кириллов опубликовал «Исследование над титаном» 1895 г – французский химик А. Муассан получил 98% титан 1910 г – американский химик М. Хантер получил 99 % титан 1925 г – голландские ученые Ван Аркель и де Бур получили 99, 9 % титан 1940 г - американский ученый У. Кролл предложил магниетермический способ производства титановой губки 5

ВАЖНЕЙШИЕ МИНЕРАЛЫ ТИТАНА Минерал Химическая формула Концентрация Ti. O 2 в минерале, % I. Группа рутила Рутил Полиморфные Анатаз модификации Брукит Ti. O 2 90 -98 90 -100 Ильменорутил (Ti, Nb, Fe 2+)O 2 - Стрюверит (Ti, Ta, Fe 2+)O 2 - Лейкоксен Ti. O 2∙n. H 2 O 80 -95 Ксантитан Ti. O 2(Al 2 O 3) ∙n. H 2 O - Нитрин (Ti, Fe)O 2 - Хромрутил (Ti, Cr)O 2 - II. Группа ильменита Ильменит Fe. Ti. O 3 или (Fe. O∙Ti. O 2) 31, 6 Гейкилит Mg. Ti. O 2 67 -68 Манганоильменит (Fe. Mn) Ti. O 3 - Пирофанит Mn. Ti. O 3 - Титаномагнетит Fe. Ti. O 3∙Fe 3 O 4 - Гематитоильменит Fe. TIO 3∙Fe 2 O 3 - Сенаит (Fe, Mn, Pb) Ti. O 3 57 -58 Аризонит Fe 2 O 3∙ 3 Ti. O 2 60 -62 Псевдобрукит Fe 2 O 3∙Ti. O 2 44 -53 Гегмобит 3 Mg. Al. O 4∙Fe 2 O 3∙Mg. Ti. O 3 - III. Группа перовскита Перовскит Ca. Ti. O 3 58, 4 Книпит (Ca, Ce) (Ti, Fe)O 3 - Дизаналит (Ba, Ca, Na) (Ti, Nb, Fe)O 3 - Улигит Ca, (Ti, Al, Zn)9 O 20 - Лопарит (Na, Ce, Ca) (Nb, Ta, Ti)O 3 39 IV. Группа пирохлора Пирохлор (Na, Ca, …)(Nb, Ti)2∙O 6(F, OH) - Микролит (Na, Ca, …)(Ta, Ti)2∙O 5(F, OH) - Сфен Ca. Ti(Si. O 4)O 40, 8 Иттротитанит (Ca, Y, Ce) Ti, Al, Fe (Si. O 4) - Мурманит Na, Ti 2(Si. O 4)2 (OH)∙H 2 O - Феосманит (Ca, Na)2, (Ti, Nb)x (Si. O 4) (OH, F)3 - V. Группа сфена 6

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАПАСОВ ТИТАНА ПО СТРАНАМ МИРА №№ п. п. Страны мира Распределение запасов по странам, отн. % ильменит рутил анатаз 1 Австралия 3 24 - 2 Канада 9 6 - 3 ЮАР 10 18 - 4 КНР 26 1 - 5 Норвегия 15 - - 6 Страны СНГ 26 1 - 7 Индия 7 15 - 8 Италия - 20 - 9 Сьерра-Леоне - 9 - 10 США 2 5 - 11 Финляндия 1 - - 12 Танзания 1 - - 13 Шри-Ланка - 14 Бразилия - - 100 100 ИТОГО 7

ПРОМЫШЛЕННЫЕ МИНЕРАЛЫ ТИТАНА Месторождения: коренные и рассыпные ИЛЬМЕНИТ Метатитанат железа Fe. Ti. O 3 РУТИЛ Двуокись титана Ti. O 2 8

СХЕМА ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ТИТАНА Добыча и обогащение руды на горно-обогатительных предприятиях Концентрат 100 - 600 $/Т Получение губчатого титана на титаномагниевых комбинатах Губчатый титан 6500 - 7500 $/Т Выплавка сплавов на металлургических предприятиях Слитки 9000 - 12000 $/Т 9

СХЕМА ПОЛУЧЕНИЯ КОНЦЕНТРАТОВ Добыча руды Обогащение - гравитационное - электростатическое - электромагнитное Титановый концентрат 10

СХЕМА ПОЛУЧЕНИЯ ГУБЧАТОГО ТИТАНА Титановый шлак Брикетирование и коксование Хлорирование Дистилляция Восстановление Ti. Cl 4 Титановая губка 11

ВЫПЛАВКА ТИТАНОВЫХ ШЛАКОВ Шихта: титановый концентрат + нефтяной кокс, антрацит Температура плавки – 1400 ОС Fe. OTi. O 2 + C = Fe + Ti. O 2 + CO В нижней части ванны – расплав чугуна В верхней части ванны – шлаки титана и других металлов БРИКЕТИРОВАНИЕ и КОКСОВАНИЕ Охлажденные титановые шлаки измельчают и прессуют в брикеты с углем и каменноугольным песком. Спекают при 700 -900 ОС в пористые брикеты без доступа воздуха. 12

ХЛОРИРОВАНИЕ Брикеты взаимодействуют с хлором при 800 -1200 ОС: Ti. O 2+2 Cl 2+C=Ti. Cl 4+CO 2 Ti. O 2+2 Cl 2+2 C=Ti. Cl 4+2 CO При конденсации продуктов реакции отделяют Ti. Cl 4 (температура кипения 136 ОС) ОЧИСТКА ТЕТРАХЛОРИДА ТИТАНА Ø от твердых частиц - фильтрация Ø от соединений ванадия – медный порошок 13

ВОССТАНОВЛЕНИЕ ТИТАНА ИЗ Ti. Cl 4 (МЕТОД КРОЛЛЯ) Ti. Cl 4+Mg = Ti. Cl 2+Mg. Cl 2 Ti. Cl 2+Mg = Ti+Mg. Cl 2 14

БЛОК ГУБЧАТОГО ТИТАНА 15

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ГУБЧАТОГО ТИТАНА 16

ИОДИДНЫЙ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТИТАНА 1 - термостат; 2 - вентилятор; 3 - отверстия для забора воздуха из помещения для охлаждения стенки реторты; 4 - стакан термостата; 5 - аппарат Г- 20; 6 - шибер (заслонка) воздуховода; 7 - термопара; 8 - крышка аппарата; 9 - нити осаждения (4 шт. ); 10 - полки для загрузки сырья. Т 1 - температура стенки реторты; Т 2 - температура крышки; Т 3 - температура воздуха на входе; Т 4 - температура воздуха на выходе; Т 5 - 8 - температура воды для охлаждения крышки на входе; Т 9 -12 - температура воды на выходе. 17

ГУБЧАТЫЙ И ИОДИДНЫЙ ТИТАН Губчатый титан Марка титана Иодидный титан Содержание примесей, % (не более) Fe Si C Cl N O ТГ-100 0, 06 0, 02 0, 03 0, 08 0, 02 0, 04 Иодидный титан 0, 02 - - 0, 006 0, 01 18

СХЕМА ВЫПЛАВКИ СЛИТКОВ ТИТАНА 19

ЛИГАТУРА 20

ПРЕССА ДЛЯ ЭЛЕКТРОДОВ 21

ЭЛЕКТРОДЫ 22

СХЕМА ДУГОВОЙ ВАКУУМНОЙ ПЕЧИ 1 – токоведущий шток с электрододержателем 2 – электрод 3 – рабочая камера 4 – расходуемый электрод 5 – ванна жидкого металла 6 – слиток 7 – водоохлаждаемый кристаллизатор 8 – водоохлаждаемый поддон 23

ЦЕХ ВАКУУМНО-ДУГОВОГО ПЕРЕПЛАВА (ВДП) 24

СЛИТОК, ПОЛУЧЕННЫЙ ВДП 25

СХЕМА ДУГОВОЙ ВАКУУМНОЙ ГАРНИСАЖНОЙ ПЕЧИ 1 – электрод 2 – графитовый тигель 3 – гарнисаж 4 – ванна жидкого металла 5 – водяное охлаждение 26

ЦЕХ ГАРНИСАЖНОЙ ПЛАВКИ Корпус плавильного цеха Внешний вид тигля гарнисажной печи с загруженной шихтой Гарнисажная дуговая печь 27

ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ПЛАВКА 28

ИНДУКЦИОННАЯ ПЛАВКА ТИТАНА 29

30

ЗАГРУЗКА В ПЕЧЬ БИЛЛЕТА 31

ПРОМЕЖУТОЧНАЯ СТАДИЯ БИЛЛЕТА 32

ДЕФОРМАЦИЯ БИЛЛЕТА 33

ГОТОВЫЕ БИЛЛЕТЫ 34

Стан поперечно-винтовой прокатки Стан радиально-сдвиговой прокатки 35

ПРЕСС 36

ШТАМПОВАЯ ОСНАСТКА 37

ШТАМПОВКИ ДИСКОВ КОМПРЕССОРА ГТД 38

ШТАМПОВКА ШАССИ 39

СВЕРЛЕНИЕ 40

РАСКАТКА КОЛЕЦ 41

ПЕЧЬ С ВЫКАТНЫМ ПОДОМ 42

ВАКУУМНАЯ ПЕЧЬ 43

РОБОТИЗИРОВАННЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ЗАКАЛКИ ДЕТАЛЕЙ 44