Титан получил в современной речи множество эпитетов — «металл космической эры», «металл будущего». Это связано с его широким применением в различных отраслях промышленности: авиационной и ракетостроении, химической промышленности, энергетике, медицине и других сферах. В настоящее время из титана также изготавливают корпуса для смартфонов.
Все ключевые авиационные и ракетно-космические проекты СССР, включая создание космических комплексов, а также масштабные судостроительные проекты, были невозможны без использования изделий из титановых сплавов. Аналогичная ситуация наблюдалась и в США. Например, название серии американских ракет-носителей Titan связано с этим металлом. В данном материале представлено подробное описание истории открытия титана и областей его применения, а также особое внимание уделено его значению и развитию в СССР.
Ресурсы и распространённость титана
Титан содержится преимущественно в минералах анатазе, бруките, ильмените, лейкоксене, перовските, рутиле и сфене. Из них экономическую ценность представляют в первую очередь ильменит, лейкоксен и рутил. Титан как металл известен своей высокой коррозионной устойчивостью и значительным соотношением прочности к массе.
Около 95% мирового потребления титана приходится на диоксид титана (TiO2) — белый пигмент, используемый в производстве красок, бумаги и пластиковых изделий (известный в обиходе как «титановые белила»; отдельная статья будет посвящена этому материалу).
По состоянию на 2023 год разведанные запасы титана оцениваются в 650 миллионов тонн ильменита и 49 миллионов тонн рутила. Мировые ресурсы анатаза, ильменита и рутила превышают 2 миллиарда тонн, при этом около 90% приходится на ильменит. Годовое мировое производство пигментного диоксида титана составляет примерно 6,4 миллиона тонн, губчатого титана — около 250 тысяч тонн, титановых слитков — 240 тысяч тонн, а титанового проката — около 205 тысяч тонн.
Россия обладает одной из крупнейших в мире сырьевых баз титана, контролируя около 15% мировых запасов, однако из-за сложности переработки этих руд долгие годы добыча оставалась на низком уровне. Лишь в декабре 2021 года начал работу Туганский горно-обогатительный комбинат в Томской области, специализирующийся на производстве концентратов ильменита, циркона и рутил-лейкоксена. Крупнейшим потребителем концентратов титана является предприятие «ВСМПО-АВИСМА», ранее поставлявшее продукцию большинству ведущих мировых авиастроительных корпораций.
Титановые сплавы широко используются в аэрокосмической промышленности, составляя около 80% потребления титана благодаря их высокому соотношению прочности к весу и устойчивости к коррозии. Кроме того, титан применяется в производстве медицинских протезов, в морской, нефтегазовой и химической промышленности. В сталелитейном производстве титан служит для раскисления, контроля размера зерен, а также стабилизации содержания углерода и азота. К сталям с высоким содержанием титана относятся междоузельные, свободные, нержавеющие и высокопрочные низколегированные стали.
История открытия титана
Титан в виде диоксида впервые был идентифицирован англичанином Уильямом МакГрегором в 1789 году при изучении минерала менахалита из Корнуолла — титанистого магнитного железняка. В 1795 году немецкий химик Мартин Генрих Клапрот, исследуя рутил, установил наличие в нём нового элемента, которому он присвоил название «титан». Новый оксид металла он назвал «титановой землей». Название «титан» происходит из греческой мифологии: Τιτᾶνες — божества второго поколения, дети Урана (неба) и Геи (земли). Такая терминология оказалась в полной мере оправданной ввиду важности металла в аэрокосмической отрасли. Вероятно, именно поэтому Клапрот предвидел использование титана в таких проектах, как знаменитый советский монумент «Покорители космоса» на ВДНХ, выполненный из титановых листов.
Рисунок 1: «Покорители космоса»
Производство металлического титана
Производство металлического титана представляет собой сложный технологический процесс, который значительно отличается от изготовления таких цветных металлов, как медь, магний или алюминий.
Долгое время попытки получить чистый титан традиционными методами нагревания оксидов с углеродом не приводили к успеху, поскольку вместо металла образовывался карбид титана.
Первого значительного успеха в получении титана удалось достичь в 1887 году шведским химикам Л. Ф. Нильсону и О. Петерсону. Они восстановили четыреххлористый титан с помощью металлического натрия, получив продукт с содержанием титана около 95%.
Промышленное производство титана началось после изобретения процесса Кролля (Гийома Жюстена Кролля, более известного в США как Уильям Джастин Кролль; 24 ноября 1889 — 30 марта 1973). В этом процессе титановая губка — пористые и бесформенные куски металла с низкой плотностью — получалась путем восстановления тетрахлорида титана магнием по реакции:
TiCl4 (жидкость) + 2Mg (расплав) = Ti (твердое) + 2MgCl2 (расплав)
Рисунок 2: Титановая губка
В 1946 году технология была впервые испытана в промышленных условиях в США. В настоящее время данный метод лежит в основе промышленного производства металлического титана.
|
Гийом Жюстен Кроль (известный также как Уильям Кролл) родился в Люксембурге. После окончания школы в период с 1910 по 1914 годы он обучался в Техническом университете Берлина, где также завершил аспирантуру и защитил диссертацию. Позднее он работал в Австрии в области металлургии свинца и алюминия. В 1923 году Кроль возвратился в Люксембург и основал частную лабораторию, в которой разработал сталь с дисперсионным упрочнением карбидом титана . В 1938 году он изобрел титановую губку и посетил США, однако тогда интерес к титану со стороны американских специалистов отсутствовал. Разочарованный, он вернулся в Люксембург. После начала Второй мировой войны Кроль эмигрировал в США, где в 1940 году получил патент № 2205854 на способ производства титана и его сплавов. В 1948 году химическая корпорация DuPont de Nemours, Inc. впервые в мире наладила промышленное производство титана, а Кроль сосредоточился на исследованиях циркония (о котором будет отдельный материал). |
Развитие титана в СССР
Аналогично ряду других технологий, производство титана в СССР начиналось с отставания от ведущих мировых стран. Начало формирования титановой отрасли в Советском Союзе связано с проведением опытно-экспериментальных и опытно-промышленных работ, а также с постановлением Совета Министров СССР № 407-177 от 9 марта 1954 года «О мерах по реализации производства титана». Средина 1950-х годов стала периодом становления отрасли.
Документы, такие как директивы и нормативные акты, отражали приоритеты и направления развития титановой промышленности, а также определяли основные сферы применения титана и ключевые задачи технологического совершенствования производства. В этих документах фиксировались пути решения проблем, связанных с технологией и организацией выпуска продукции, включая переписку между руководством предприятий, Главным управлением титаномагниевой промышленности (Главтитан), 8-м Главным управлением Министерства цветной металлургии и Министерством авиационной промышленности СССР.
В отраслевых, ведомственных и региональных изданиях, таких как «Титан», «Технология легких сплавов», «Цветные металлы», «Металлоснабжение и сбыт», «Уральский рынок металлов», публиковались аналитические и дискуссионные материалы, посвященные технической и технологической модернизации производства, а также перспективам развития титановой отрасли.
Первичные исследования показали, что титановые сплавы обладают важными эксплуатационными характеристиками, включая высокую коррозионную стойкость и значительную прочность при относительно низкой удельной массе. Эти свойства определили основные области применения титана: авиационную и космическую промышленность, а также судостроение.
В период с 1947 по 1954 год осуществлялась подготовительная стадия, в которой участвовали такие организации, как 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 году были получены первые опытные титановые слитки. Промышленное производство титановой губки в СССР началось в начале 1960-х годов.
Березниковский магниевый завод (БМЗ) послужил основой для создания титано-магниевого комбината — БТМК. В течение многих лет предприятие сохраняло неизменное название и ведомственную принадлежность. 26 сентября 1990 года предприятие было переименовано в АВИСМА, что означало «авиастроительные материалы». В настоящее время оно функционирует под наименованием ПАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА».
В Советском Союзе были разработаны различные титановые сплавы с разнообразными эксплуатационными характеристиками. Основную работу в этом направлении выполнили научно-исследовательские центры, среди которых Гиредмет, ВИАМ, ИМЕТ, ЦНИИчермет и другие.
В ВИАМ была организована лаборатория титановых сплавов под руководством С.Г. Глазунова, которая занималась изучением металловедческих основ получения металлического титана, разработкой новых сплавов, технологий плавки и фасонного литья, а также процессов прессования и прокатки слитков.
Результаты этих исследований позволили существенно пересмотреть прежние представления о титане как о хрупком металле, пригодном исключительно для обработки методами порошковой металлургии. В 1956 году на основе комплексных исследований был разработан вакуумно-дуговой метод плавки титана с расходуемым электродом, который до сих пор остается одним из наиболее распространенных в титановой промышленности.
Исследования титана в ВИАМ проходили несколько этапов. На первом этапе изучались механические свойства и технологические особенности технического титана, а также осуществлялась его паспортизация. На последующих этапах исследовались легирующие элементы (алюминий, олово, ванадий) с целью создания сплавов средней прочности с достаточной пластичностью и хорошей свариваемостью. В результате была впервые создана промышленная технология производства листового проката из титановых сплавов и организовано его серийное изготовление.
Полученные сплавы и их модификации (ВТ6, ВТ6С) продолжают широко использоваться для изготовления авиационных конструкций. Помимо этого, ВИАМ совместно с Верхнесалдинским заводом №95 разработали группу конструкционных титановых сплавов (ОТ4–0, ОТ4–1, ОТ4, ОТ4–2), которые отличались улучшенным соотношением прочности и пластичности по сравнению с ранее применяемыми материалами. Вскоре эти сплавы стали основными промышленными материалами с регламентированными стандартами прочности.
В Институте металлургии им. А.А. Байкова были разработаны широко применяемые экономично легированные сплавы серии АТ. Жаропрочные сплавы серии СТ рекомендованы для изготовления дисков высокоскоростных компрессоров и реактивных двигателей.
Помимо центральных научно-исследовательских институтов, задачи, связанные с производством титана, решались отраслевыми НИИ, созданными в середине 1950-х годов непосредственно при производственных предприятиях. Например, в 1956 году в Запорожье был основан Украинский научно-исследовательский и проектный институт титана — головное учреждение, специализировавшееся на разработке и усовершенствовании технологий производства титана и магния в СССР, а также на проектировании титано-магниевых предприятий.
Сотрудники института разработали оборудование для получения губчатого титана, включая руднотермические печи и высокоэффективные хлораторы. Кроме того, были внедрены новые методы очистки тетрахлорида титана, технологии восстановления металла и вакуумной сепарации с использованием полусовмещенных аппаратов.
В 1956 году в Березниках был открыт филиал Всесоюзного научно-исследовательского и проектного института алюминиевой, магниевой и электродной промышленности (ВАМИ), позднее преобразованный в Государственный институт титана и магния (с 1991 года — Российский государственный научно-исследовательский и проектный институт титана и магния РИТМ). В 1961 году на базе московского завода №65 был создан Всесоюзный институт легких сплавов (ВИЛС), который на протяжении более тридцати лет оставался ведущей организацией в области разработки технологических процессов изготовления титановых изделий для авиационной промышленности.
В советский период сформировалась система маркировки отечественных титановых сплавов, насчитывающая несколько сотен наименований, из которых более 50 применяются в промышленности. Как правило, маркировка включает букву, обозначающую организацию-разработчика, и цифру, указывающую порядковый номер сплава. Например, марка ВТ означает «ВИАМ титан» (Москва); ОТ — «Опытный титан», разработанный совместно ВИАМ и ВСМПО; ПТ — «Прометей титан» (Санкт-Петербург); АТ — сплавы института им. А.А. Байкова (Москва).
Развитие советского производства титана происходило в условиях жесткой конкуренции с американской отраслью. По данным из научно-технического отдела ЦРУ, существовали специальные тематические исследования, посвящённые вопросам развития советского титана, особенно для применения в подводных атомных крейсерах и тяжелых стратегических ракетах-носителях.
К 1990 году производство губчатого титана в СССР достигло 97,7 тысячи тонн, что в 1,9 раза превышало суммарный объем производства титана в западных странах и в четыре раза превышало показатели США.
С ростом авиационной, космической и судостроительной отраслей увеличивалась доля применения титана в конструкциях летательных аппаратов, кораблей и подводных лодок. В частности, доля титана в конструкциях советских самолётов, таких как Ил-62М, Ан-124, Ан-77, Ту-334, Ил-86, Ту-204, Ил-96-300, ЯК-42, «Руслан» и «Мрия», составляла от 5 до 10%. Титановые сплавы широко использовались также в военной авиации: в конструкции самолётов серии МиГ, часть планера которых выполнена из нержавеющей стали и титана.
В отличие от авиационной отрасли, для судостроения разрабатывались свариваемые титановые сплавы, обладающие оптимальным сочетанием прочности и пластичности. Эти задачи решались ЦНИИ КМ «Прометей» в 1980-е годы. Для производства крупногабаритных полуфабрикатов привлекались такие предприятия, как Ижорский, Коммунарский машиностроительный, «Большевик» (ныне Обуховский) и Никопольский южно-трубный заводы. Первая в мире титановая подводная лодка — проект 661 «Анчар» (субмарина «Альфа») — эксплуатировалась до 1989 года. Эта лодка установила рекорд подводной скорости — 44,7 узла (около 80,4 км/ч).
В истории отрасли были и аварийные случаи. Например, в сентябре 1971 года на Верхнесалдинском заводе произошёл взрыв печи, вызванный прожогом стенки изложницы и попаданием воды из охлаждающего контура в жидкий металл, что привело к человеческим жертвам и разрушениям. Для разработки мер предотвращения подобных происшествий привлекались ведущие специалисты страны, в том числе лауреат Нобелевской премии академик Н.Н. Семёнов.
Современные разработки
В Федеральном институте промышленной собственности (ФИПС) зарегистрировано 497 действующих патентов Российской Федерации, связанных с титановыми сплавами, а также 70 патентов на полезные модели. Эти патенты охватывают как методы получения сплавов различных составов, так и их применение в разнообразных технических устройствах, включая сочетания с различными сталями.
Например, Санкт-Петербургский государственный морской технический университет получил патент № 2800900 на «Градиентный материал для соединения титанового сплава ВТ1-0 с нержавеющей сталью 316L методом прямого лазерного выращивания».
В Национальном исследовательском технологическом университете «МИСиС» разработан сплав TiFeCuSn (патент № 2798517 ). Корпорация Titanium Metals Corporation (США) получила российский патент № 2725395 на высокопрочный титановый сплав с альфа-бета-структурой.
Области применения титанных сплавов обширны — 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