В современной металлургии изготавливают множество титановых сплавов, которые могут сильно отличаться по составу. Тем не менее они обладают комплексом ярко выраженных общих свойств, среди которых можно отметить высокую удельную и ударную прочность, исключительную коррозионную устойчивость, сохранение механических свойств в широком диапазоне температур и малую плотность. Многие задаются вопросом, как именно производят все эти высокотехнологичные материалы, без которых не может обойтись современная авиация, космонавтика, химическая промышленность и медицина. Мы с вами разберём этот сложный процесс пошагово и доступно, не углубляясь в слишком запутанные технологические нюансы.
Шаг 1. Процесс Кролла: получение титановой губки
В 1938 году люксембургский металлург Вильгельм Кролл изобрёл метод переработки титана, который до сих пор используется в индустрии с небольшими технологическими усовершенствованиями. Цель процесса заключается в том, чтобы получить из обогащенного титанового концентрата чистый металл. Классическая плавка для этого не подходит, так как титан слишком активно вступает в реакции с атмосферными газами, и специалисты обходят это ограничение с помощью четырех специфичных манипуляций:
- Концентрат нагревают вместе с угольным сырьем и обрабатывают хлором, получая газообразный тетрахлорид титана (TiCl4), который при охлаждении конденсируется в жидкость.
- Полученную жидкость очищают от примесей сопутствующих элементов с помощью дистилляции, то есть обычной перегонки.
- В очищенный тетрахлорид титана добавляют расплавленный магний, который «забирает» хлор у титана, в результате чего образуется масса, состоящая из титана, хлорида магния (MgCl2) и остатков магния.
- Полученную массу нагревают в вакууме, что позволяет испарить магний и его хлорид, благодаря чему на выходе остается пористый металл высокой чистоты — титановая губка.
Шаг 2. Легирование: добавление компонентов сплава
Сама по себе титановая губка довольно хрупкая — из-за пористой структуры она не годится для практического использования. Чтобы раскрыть те самые удивительные свойства титана, его «усиливают» — смешивают с легирующими добавками. Для примера давайте возьмем один из самых популярных аэрокосмических сплавов Ti-6Al-4V. Для его изготовления титановую губку тщательно измельчают и добавляют в нее порошки других металлов: 6% алюминия для повышения прочности без утяжеления конструкции и 4% ванадия для усиления жаростойкости.
Все эти компоненты засыпают в барабан и тщательно перемешивают, получая исходное сырьё для сплава — шихту. Шихту делят на порции и помещают в мощные гидравлические прессы, где под колоссальным давлением формируются плотные брикеты. Затем эти брикеты укладывают друг на друга и сваривают встык. Так получается расходуемый электрод — длинный монолитный столб, готовый к переплавке.
Шаг 3. Переплавка в вакууме: получение слитков титанового сплава
Самым распространённым методом получения сплавов в титановой индустрии является вакуумно-дуговой переплав (ВДП). На этом этапе изготовленный расходуемый электрод размещают внутри вертикальной печи. Печь герметично закрывают и с помощью мощных насосов откачивают из нее воздух до состояния глубокого вакуума. Столб из сваренных брикетов опускают вниз до тех пор, пока расстояние до дна не станет минимальным. В этот момент специалисты подают высочайший ток в десятки тысяч ампер, и между электродом и дном печи вспыхивает электрическая дуга. Температура в ней достигает 4 000 – 5 000 °C, и титан вместе с легирующими добавками начинает плавиться.
Преимущество ВДП заключается в глубокой очистке. Из расплава полностью удаляется водород и остатки хлорида магния, которые могли остаться в ходе процесса Кролла. Жидкий металл стекает в сильно охлажденную емкость, кристаллизатор, где постепенно застывает. Полученный после первой плавки слиток имеет неоднородную структуру — в нем могут оставаться микропустоты или зоны с неравномерным распределением металлов. Чтобы добиться безупречного качества, сплав извлекают из печи и снова используют как электрод, отправляя на вторую, а в отдельных случаях — и на третью, переплавку.
Автор текста Иван Стефанов
Изображение: Magnific
