К титану, как сейчас часто говорят, прилипли мемы — «металл космической эры», «металл будущего». И что любопытно, это действительно так. Он нашел применение в различных отраслях: в авиационной и ракетостроении, химической промышленности, энергетике, медицине и т.д. А сейчас из него еще делают корпуса для смартфонов…
Все наиболее значимые авиационные и ракетно-космические проекты СССР, в числе которых создание космических комплексов, а также крупные проекты в судостроении не могли бы осуществиться без применения изделий из титановых сплавов. Аналогичная история произошла и в США. Как известно, Titan — серия американских ракет-носителей. В этом материале мы подробно расскажем о том, как этот металл был открыт и где применялся. А особенно о его довольно интересной судьбе в СССР.
А много ли его?
Титан встречается главным образом в минералах анатазе, бруките, ильмените, лейкоксене, перовските, рутиле и сфене. Из этих минералов только ильменит, лейкоксен и рутил имеют значительное экономическое значение. Как металл титан хорошо известен своей коррозионной стойкостью и высоким соотношением прочности к весу.
Примерно 95% титана потребляется в виде диоксида титана (TiO2), белого пигмента в красках, бумаге и пластмассах (в простонародье «титановые белила» им мы посвятим отдельную статью).
На 2023 г. разведанные запасы оцениваются 650 млн т ильменита и 49 млн т рутила. Мировые ресурсы анатаза, ильменита и рутила составляют более 2 млрд т; на долю ильменита приходится около 90%. Мировое производство пигментного диоксида титана составляет 6,4 млн т (миллионов тонн!), выпуск губчатого титана около 250 тыс. т, титановых слитков 240 тыс. т, титанового проката 205 тыс. т.
Россия располагает одной из крупнейших в мире сырьевых баз титана (15% запасов мира), но руды сложные и долгие годы не осваивались. Только в декабре 2021 г. заработал Туганский ГОК на россыпном месторождении в Томской области. Комбинат производит ильменитовый, цирконовый и рутил-лейкоксеновый концентраты. Крупнейший покупатель титанового концентрата знаменитое предприятие — «ВСМПО-АВИСМА», снабжавшее до недавнего времени почти что все крупные авиастроительные корпорации мира.
Титановые сплавы из-за их высокого соотношения прочности к весу и коррозионной стойкости на 80% использует мировая аэрокосмическая промышленность. Другие области применения включают медицинские протезы, морскую, нефтегазовую и специализированную химическую промышленность. В сталелитейной индустрии титан используется для раскисления, контроля размера зерен, а также контроля и стабилизации содержания углерода и азота. К сталям с высоким содержанием титана относятся междоузельные, свободные, нержавеющие и высокопрочные низколегированные стали.
История открытия титана
Впервые титан в виде диоксида был идентифицирован англичанином Уильямом МакГрегором в 1789 г. при исследовании корнвалийского менахалита — титанистого магнитного железняка. В 1795 г. немецкий химик Мартин Генрих Клапрот, исследуя рутил, пришел к заключению, что этот минерал содержит новый элемент, который он назвал титаном; а новый окисел — «титановой землей». Название титан Мартин Генрих Клапрот взял из греческой мифологии. Напомним, Τιτᾶνες, ед. ч. Τιτάν божества второго поколения, дети Урана (неба) и Геи (земли). Вот это научная прозорливость! Угадать аэрокосмическое значение металла. Не удивлюсь, если это он предугадал дизайн знаменитого монумента советским космонавтам «Покорители космоса» из титановых листов на ВДНХ.
Рисунок 1: «Покорители космоса»
История металлического титана
Изготовление металлического титана сравнительно сложный раздел металлургии, имеющий существенные особенности и серьезно отличающийся от производства меди, магния или алюминия (все они, как известно, входят в группу цветных металлов).
В течение многих лет предпринимались попытки получить чистый титан, но обычные методы нагревания оксида в присутствии углерода были безуспешными, поскольку образовывался карбид титана, а не ожидаемое восстановление до металла.
Впервые значительного успеха удалось достигнуть только в 1887 г. шведским ученым-химикам Л.Ф. Нильсону и О. Петерсону, которые, восстанавливая четыреххлористый титан металлическим натрием, получили продукт, содержащий около 95% титана.
Первый процесс, с помощью которого начали изготавливать титан в промышленном масштабе, был изобретён европейским химиком Кролем (при рождении Гийом Жюстен Кролль, но в США он стал Уильямом Джастином Кроллом; 24 ноября 1889 — 30 марта 1973). Титановая губка (пористые бесформенные куски металла с небольшой плотностью) образовывалась путем восстановления тетрахлорида титана магнием.
TiCl4 (жидкость) + 2Mg (расплав) = Ti (твердое) + 2MgCl2 (расплав)
Рисунок 2: Титановая губка
В 1946 г. технология была опробована в промышленных условиях в США. Этот способ в настоящее время является основой промышленного получения металлического титана.
Гийом Жюстен Кроль (он же Уильям Кролл) родился в Люксембурге, закончил школу, в в 1910-1914 гг. учился в Техническом университете в Берлине, там же закончил аспирантуру и защитил диссертацию. Потом работал в Австрии в области металлургии свинца и алюминия. В 1923 году Кроль вернулся в Люксембург и открыл частную лабораторию; в ней он изобрел сталь с дисперсионным упрочнением карбидом титана. Изобретя в 1938 г. титановую губку, он посетил США, но в то время интереса к титану со стороны американцев не было. Разочарованный, он вернулся в Люксембург. После начала войны в Европе Кроль эмигрировал в Штаты, где в 1940 г. получил патент №2205854 на метод производства титана и его сплавов. В 1948 г. титан в промышленном масштабе впервые в мире начала производить химическая корпорация DuPont de Nemours, Inc., а Кролл переключился на исследования циркония (мы о нём ещё напишем). |
Титан в СССР
Как и с ядерной бомбой, в титане мы были догоняющей страной. Как ранее с автомобилями, аэропланами, танками. Вспомним же начало создания титановой отрасли СССР, связанное с развертыванием опытно-экспериментальных и опытно-промышленных работ, выходом постановления Совета Министров СССР № 407-177 от 9 марта 1954 г. «О мерах по реализации производства титана». Для отрасли середина 1950-х гг. была временем ее становления.
Мы не будем пересказывать директивные и нормативные акты, которые дают представление о приоритетах развития, направлениях и динамике ее формирования, сферах применения титана, основных проблемах технологии и производства, путях их решения, подписанные председателями Совета Министров СССР Г.М. Маленковым, Н.А. Булганиным, Н.С. Хрущевым, первым заместителем председателя СМ СССР Ф.Р. Козловым, а также переписку руководства предприятий, Главного управления титаномагниевой промышленности (Главтитан), 8-го Главного управления Минцветмета и Минавиапрома СССР с Главснабом, Главцветметсбытом.
Ветераны вспомнят, что в отраслевых, ведомственных и региональных изданиях «Титан», «Технология легких сплавов», «Цветные металлы», «Металлоснабжение и сбыт», «Уральский рынок металлов» и других публиковались аналитические и дискуссионные статьи по вопросам технической и технологической модернизации производства, направлений развития титановой отрасли.
Даже первоначальные исследования показали, что сплавы на основе титана демонстрируют полезные характеристики: корозионностойкость и прочность при сравнительно низкой удельной массе. Это предопределило основные области применения — авиацию, космос, судостроение.
В 1947-1954 гг. прошла подготовительная стадия, в которой участвовали Государственный научно-исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности (Гиредмет), Всесоюзный институт авиационных материалов (ВИАМ), Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И.П. Бардина (ЦНИИчермет), Институт металлургии им. А.А. Байкова АН СССР и другие. В 1954 г. были получены первые опытные титановые слитки. Промышленное производство титановой губки в Советском Союзе началось в начале 1960-х гг.
Березниковский магниевый завод (БМЗ) стал базой создания титано-магниевого комбината — БТМК. С момента перехода на титан он на протяжении десятилетий не менял ни названия, ни ведомственной принадлежности. 26 сентября 1990 г. предприятие стало именоваться АВИСМА, значившее «авиастроительные материалы», а сейчас ПАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА».
В СССР осуществлена разработка титановых сплавов, обладавших различными свойствами. Главную работу выполнили научно-исследовательские центры: Гиредмет, ВИАМ, ИМЕТ, ЦНИИЧермет и другие.
Так, в ВИАМ (институт авиационных материалов) была организована лаборатория титановых сплавов под руководством С.Г. Глазунова. Она занималась разработкой металловедческих основ получения металлического титана, новых сплавов, технологии плавки и фасонного литья, а также прессования и прокатки слитков.
Благодаря этим исследованиям удалось коренным образом пересмотреть господствовавшее вплоть до конца 1940-х гг. представление о титане как хрупком металле, который можно обрабатывать только методами порошковой металлургии. Особо следует отметить, что на основе результатов всего комплекса проведенных изысканий в 1956 г. был разработан вакуумно-дуговой метод плавки титана с расходуемым электродом. До настоящего времени этот метод является одним из самых распространенных в титановой промышленности.
Исследования титана в ВИАМ проходили несколько этапов. На первом изучались механические свойства и технологические особенности технического титана, осуществлялась его паспортизация. На следующем этапе исследовались легирующие элементы (алюминий, олово, ванадий) для создания сплавов средней прочности, достаточной пластичности и свариваемости. В результате, была впервые создана промышленная технология производства листового проката из титановых сплавов и организовано его серийное производство.
Полученные сплавы и их модификации (ВТ6, ВТ6С) до настоящего времени широко применяются для изготовления авиационных конструкций. Кроме того, ВИАМ и Верхнесалдинский завод №95 разработали группу конструкционных титановых сплавов (ОТ4–0, ОТ4–1, ОТ4, ОТ4–2), имевших лучшее соотношение прочности и пластичности по сравнению с существовавшими. Вскоре они стали основными промышленными сплавами с регламентированным уровнем прочности.
В ИМет им. А.А. Байкова созданы широко применявшиеся экономно легированные сплавы серии АТ. Жаропрочные сплавы серии СТ были рекомендованы для изготовления дисков высокоскоростных компрессоров и реакторов.
Наряду с центральными НИИ проблемами титанового производства занимались отраслевые научно-исследовательские институты, созданные в середине 1950-х гг. непосредственно на предприятиях. Так, 1956 г. в Запорожье было создано головное учреждение, которое занималось разработкой и совершенствованием способов производства титана и магния в СССР, а также проектированием титано-магниевых предприятий — Украинский научно-исследовательский и проектный институт титана.
Его специалисты спроектировали оборудование для получения губчатого титана (руднотермические печи, высокоэффективные хлораторы), разработали новые способы очистки тетрахлорида титана, технологию восстановления и вакуумной сепарации в новых полусовмещенных аппаратах и т.д.
В 1956 г. в Березниках создан филиал Всесоюзного научно-исследовательского и проектного института алюминиевой, магниевой и электродной промышленности (ВАМИ), позже — государственный институт титана и магния (с 1991 г. Российский государственный научно-исследовательский и проектный институт титана и магния РИТМ). В 1961 г. на базе московского завода №65 был организован Всесоюзный институт легких сплавов (ВИЛС), являвшийся на протяжении 30 с лишним лет головной организацией в области разработки технологических процессов получения титановых изделий для авиационной промышленности.
Именно в советские годы сложилась маркировка отечественных титановых композиций, которых в настоящее время насчитывается несколько сотен, более 50 из них применяется в промышленности. Отечественные титановые сплавы обычно маркируют буквой, отражающей наименование организации-разработчика, и цифрой, соответствующей порядковому номеру сплава. Марка ВТ означает «ВИАМ титан» (Москва); ОТ — «Опытный титан» — сплавы, разработанные совместно ВИАМ и ВСМПО; ПТ — «Прометей титан» (Санкт-Петербург); АТ — сплавы, разработанные в ИМет им.А.А.Байкова (Москва).
Производство советского титана развивалось в острой конкуренции с американским (по информации от агентов в научно-техническом отделе ЦРУ, были несколько специальных тематических исследований, посвященных проблеме развития титана в СССР для подводных атомных крейсеров и тяжелых стратегических ракет-носителей).
В 1990 г. выпуск губчатого титана в СССР достиг 97,7 тыс. т, превысив в 1,9 раза объемы производства титановой губки всего западного мира и в четыре раза США.
По мере развития авиационной, космической техники и судостроения росла доля титана в конструкциях летательных аппаратов, кораблей, подводных лодок и т.д. Применение титановых сплавов в конструкциях отечественных самолетов Ил-62М, Ан-124, Ан-77, Ту-334, Ил-86, Ту-204, Ил-96-300, ЯК-42, «Руслан», «Мрия» составляло 5-10%. Применялись титановые сплавы и в военной авиации. В частности, в серии МиГов часть планера там из нержавейки и титана.
В отличие от авиации, для судостроения разрабатывались свариваемые сплавы, сочетающие прочностные и пластические свойства. Именно эту проблему решал ЦНИИ КМ «Прометей» в 1980-е годы. К выпуску крупногабаритных полуфабрикатов привлекались другие предприятия — Ижорский, Коммунарский машиностроительный, «Большевик» (ныне Обуховский), Никопольский южно-трубный заводы. Первая в мире титановая субмарина — легендарная «Альфа» служила до 1989 года (потом исключена из состава ВМФ, а в 2010-м утилизирована). Подлодке К-162 проекта 661 «Анчар» принадлежит рекорд подводной скорости — 44,7 узла (80,4 километра в час).
Случались и трагические события. Так, на Верхнесалдинском предприятии взрыв печи, повлекший человеческие жертвы и разрушения. Он произошел в сентябре 1971 г. в результате прожога стенки изложницы и попадания воды из контура охлаждения на жидкий металл. Для разработки мер по предотвращению подобных случаев были привлечены ведущие организации и специалисты страны, в том числе лауреат Нобелевской премии академик Н.Н. Семенов.
Современное изобретательство
В базе ФИПС по словосочетанию «титановый сплав» 497 действующих патентов РФ на изобретения и 70 патентов на полезные модели. Они посвящены как получению сплавов различного состава, так и их применению в различных устройствах, в том числе в комбинации со сталями.
Так, Санкт-Петербургский государственный морской технический университет получил патент №2800900 «Градиентный материал для соединения титанового сплава BT1-0 с нержавеющей сталью 316L методом прямого лазерного выращивания».
В МИСИС изобретён сплав TiFeCuSn (патент №2798517). Титаниум Металс Корпорейшн (US) запатентовала в РФ (№2725395) высокопрочный титановый сплав с альфа-бета-структурой.
Области применения титановых сплавов широки — от корпусов газотурбинных двигателей (патент №177607) до эндопротезов коленного сустава.
Литература
Аношкин Н.Ф. Применение титановых сплавов в авиапромышленности. М., 1960.
Titanium: Past, Perfect, Future. Washington D.C., 1983.
Квасов Ф.И., Каганович И.Н., Кожевникова Л.И. Титан. Производство, применение, люди. М., 1992.
Металлургические заводы Урала. XVII – XX вв.: Энциклопедия. Екатеринбург, 2001.
Покорение крылатого металла. Екатеринбург, 2003.
Kathleen L. Housley. Black Sand. The History of Titanium. Metal Management Aerospace Inc., 2007.
Ежов А.О. Становление и развитие титанового производства на Урале (середина 1950-х гг. – начало 1990-х гг.) Диссертация на соискание ученой степени кандидата исторических наук. Екатеринбург. 2018
Полезное от Онлайн Патент:
Какие выгоды можно получит от регистрации программы для ЭВМ?
Не только айтишники: какие компании могут внести свои программы в Реестр отечественного ПО?
Больше контента о сфере интеллектуальной собственности в нашем Telegram-канале