Neue Prozesse, Technologien und Anwendungen von Titan und Titanlegierungen

1. Hohe Festigkeit. Titanlegierungen haben mit einer Zugfestigkeit von 686 - 1176 MPa eine sehr hohe Festigkeit, während ihre Dichte nur etwa 60 % der von Stahl beträgt, sodass ihre spezifische Festigkeit sehr hoch ist.

2. Hohe Härte. Die Härte von Titanlegierungen (geglühter Zustand) beträgt HRC 32 - 38.

3. Niedriger Elastizitätsmodul. Der Elastizitätsmodul von Titanlegierungen (geglühter Zustand) beträgt 1,078×10–1,176×10 MPa, was etwa der Hälfte des Elastizitätsmoduls von Stahl und Edelstahl entspricht.

4. Hervorragende Leistung bei hohen und niedrigen Temperaturen. Bei hohen Temperaturen können Titanlegierungen immer noch gute mechanische Eigenschaften beibehalten und ihre Hitzebeständigkeit ist bei einem breiten Arbeitstemperaturbereich viel höher als die von Aluminiumlegierungen. Derzeit kann die Arbeitstemperatur neuer hitzebeständiger Titanlegierungen 550 - 600 Grad erreichen; Bei niedrigen Temperaturen steigt die Festigkeit von Titanlegierungen statt bei Raumtemperatur und sie weisen eine gute Zähigkeit auf. Niedrigtemperatur-Titanlegierungen können bei -253 Grad noch eine gute Zähigkeit beibehalten.

5. Starke Korrosionsbeständigkeit von Titan. Bei Temperaturen unter 550 Grad in der Luft bildet Titan schnell einen dünnen und dichten Titanoxidfilm auf seiner Oberfläche, sodass seine Korrosionsbeständigkeit in der Atmosphäre, Meerwasser, Salpetersäure, Schwefelsäure und anderen oxidierenden Medien sowie starkem Alkali besser ist als die der meisten rostfreien Stähle.

2.1 Methoden zur Herstellung von Titan
Obwohl Titan in der Natur relativ häufig vorkommt, ist es aufgrund seines verstreuten Vorkommens und der schwierigen Gewinnung ein seltenes Metall. Derzeit kann die Herstellung von Titan in zwei Hauptkategorien unterteilt werden: die thermische Reduktionsmethode und die Elektrolysemethode mit geschmolzenem Salz.

(1) Thermische Reduktionsmethode zur Herstellung von Titan: Bei der thermischen Reduktionsmethode wird Titan aus seinen Verbindungen wie TiCl4, TiO2 und K2TiF6 bei einer bestimmten Temperatur unter Verwendung starker Reduktionsmittel wie Li, Na, Mg, Ca und deren Hydride reduziert. Entsprechend den verschiedenen Titanverbindungen kann das thermische Reduktionsverfahren zur Herstellung von Titan in drei Kategorien eingeteilt werden:

① Oxidation-Reduktionsverfahren von Titanchloriden, wie das Kroll-Verfahren, das Hunter-Verfahren, das Armstrong-Verfahren und das EMR-Verfahren;

② Oxidations-Reduktionsverfahren von Titanoxiden, wie das OS-Verfahren, das PRP-Verfahren und das MHR-Verfahren;

③ Oxidation-Reduktionsmethode von Titanaten. Derzeit werden nur das Kroll-Verfahren und das Hunter-Verfahren erfolgreich in der industriellen Produktion eingesetzt. Das Kroll-Verfahren verwendet metallisches Magnesium, um Titan aus Chloriden zu ersetzen, während das Hunter-Verfahren dazu metallisches Natrium verwendet. Darüber hinaus ähnelt das von der International Titanium Powder Company in Chicago, USA, entwickelte Armstrong-Verfahren dem Hunter-Verfahren und verwendet ebenfalls Natrium als Reduktionsmittel zur Reinigung von metallischem Titan. Die Vereinigten Staaten haben damit begonnen, die Vorproduktion in Fabriken durchzuführen, die diese Methode verwenden.

(2) Salzschmelze-Elektrolyseverfahren zur Herstellung von Titan: 1959 prognostizierte Kroll, dass die Salzschmelze-Elektrolyse innerhalb von 5 bis 10 Jahren das Kroll-Verfahren als gängige Methode zur Herstellung von Titan ablösen würde. Im Laufe der Jahre haben in- und ausländische Forschungseinrichtungen und Labore mehr als ein Dutzend neue Technologien zur Herstellung von Titan durch Salzschmelze-Elektrolyse entwickelt. Diese können anhand der Rohstoffe in drei Kategorien eingeteilt werden:

① Elektrolyse von Titanaten;

② Elektrolyse von Titanchloriden;

③ Elektrolyse von Titanoxiden, einschließlich des FFC-Cambridge-Prozesses, des MER-Prozesses, des USTB-Prozesses, des QIT-Prozesses, des SOM-Prozesses und der Elektrolyse ionischer Flüssigkeiten.

2.2 Neue Verwendungsmöglichkeiten von Titan
Seit den 1940er Jahren haben sich die Verwendungsmöglichkeiten von Titan rasant weiterentwickelt und es findet breite Anwendung in Flugzeugen, Raketen, Flugkörpern, künstlichen Satelliten, Raumschiffen, Schiffen, der Militärindustrie, im medizinischen Bereich und in der petrochemischen Industrie. Neueste Forschungen haben ergeben, dass der menschliche Körper eine bestimmte Menge Titan enthält und Titan die Fresszellen stimulieren und die Immunfunktion verbessern kann. Daher widmen sich viele Labore der Entwicklung und Anwendung von Bio-titan.

3.1 Herstellungsmethoden von Titanlegierungen

Bei der traditionellen Verarbeitung von Titanlegierungen werden im Allgemeinen Schmelz- und Gießtechniken eingesetzt. Die neuesten Verarbeitungstechnologien werden wie folgt klassifiziert:

(1) Near-net-Formgebungstechnologie;

(2) Drahtreibschweißtechnologie;

(3) Superplastische Umformtechnologie;

(4) Computersimulationstechnologie für die Materialvorbereitung und -verarbeitung. Die nahezu endkonturnahe Formgebungstechnologie umfasst Laserformen, Präzisionsguss, Präzisionsgesenkschmieden, Pulvermetallurgie und Sprühformen usw. Pulvermetallurgie ist ein neues Verfahren zur Herstellung von Titankomponenten unter Verwendung von Titanpulver oder Titanlegierungspulver als Rohmaterialien, gefolgt von Formen und Sintern. Zunächst wird Pulver hergestellt, meist durch mechanisches Legieren, wobei die Rohstoffe in einer Kugelmühle intensiven Schlägen, Mahlen und Rühren ausgesetzt werden. Anschließend wird das gebildete Legierungspulver mit zwei Pressverfahren in Form gepresst: isostatisches Pressen und Kaltpressen. Der Zweck dieses Schrittes besteht darin, einen gepressten Rohling einer bestimmten Form und Größe mit einer bestimmten Dichte und Festigkeit zu erhalten. Anschließend wird der geformte Rohling dem Funkenplasmasintern unterzogen, wobei über obere und untere Matrizenstempel und elektrifizierte Elektroden eine bestimmte Sinterleistung und ein Pressdruck auf das Sinterpulver ausgeübt werden. Der Prozess wird durch Entladungsaktivierung, heiße plastische Verformung und Abkühlung abgeschlossen, um leistungsstarke Titanmaterialien zu erhalten. Anschließend wird die Titanlegierung nach dem Plasmasintern einer weiteren Bearbeitung unterzogen, meist einer Wärmebehandlung oder einer plastischen Bearbeitung.

3.2 Neue Anwendungen von Titanlegierungen

Titanlegierungen wurden zunächst in großem Umfang in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt, hauptsächlich zur Herstellung von Flugzeugtriebwerken oder pneumatischen Komponenten. Später, mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Technologie, gelangten Titanlegierungen in das Leben der einfachen Leute und sind in Fabriken oder Haushaltsgeräten zu finden. Derzeit konkurrieren Länder und Institutionen um die Entwicklung neuer Titanlegierungen mit niedrigen Kosten und hoher Leistung. Die jüngsten Entwicklungen bei Titanlegierungen konzentrieren sich hauptsächlich auf die folgenden fünf Aspekte.

(1) Medizinische Titanlegierungen

Titanlegierungen haben eine geringe Dichte und eine gute Biokompatibilität und sind daher ideale medizinische Materialien, die sogar in den menschlichen Körper implantiert werden können. Früher enthielten im medizinischen Bereich verwendete Titanlegierungen Vanadium und Aluminium, die den menschlichen Körper schädigen konnten. Allerdings haben japanische Wissenschaftler kürzlich eine neue Art von Titanlegierung mit guter Biokompatibilität entwickelt. Obwohl diese Legierung noch nicht in Massenproduktion-hergestellt wurde, geht man davon aus, dass solche hochwertigen-Legierungen in naher Zukunft weit verbreitet im täglichen Leben Verwendung finden werden.

(2) Flammhemmende Titanlegierungen

Legierungen auf Titan--Basis, die der Verbrennung unter bestimmten Drücken, Temperaturen und Luftströmungsraten widerstehen können, sind flammhemmende Titanlegierungen. Die Vereinigten Staaten, Russland und China haben nacheinander neue flammhemmende Titanlegierungen entwickelt. Die Vereinigten Staaten haben diese flammhemmenden Titanlegierungen in Motoren eingesetzt, da sie unempfindlich gegenüber Verbrennungen sind, was die Stabilität des Motors erheblich verbessern kann.

(3) Titanlegierungen mit hoher-Festigkeit und hoher-Zähigkeit -

Titanlegierungen vom Typ - weisen eine hohe Festigkeit, gute Schweißbarkeit und hervorragende Kalt- und Warmumformeigenschaften auf. Forscher haben diese Eigenschaft genutzt, um Titanlegierungen vom Typ - mit besonderen Eigenschaften zu entwickeln: gute Warmumformbarkeit, gute Plastizität und gute Schweißbarkeit. Darüber hinaus werden ihre mechanischen Eigenschaften nach Lösungsbehandlung und Alterung deutlich verbessert. Derzeit haben sowohl Japan als auch Russland solche Titanlegierungen entwickelt.

(4) Titan-Aluminiumverbindungen

Im Vergleich zu allgemeinen Titanlegierungen weisen Titan-{0}Aluminiumverbindungen eine hervorragende Hochtemperaturleistung, eine gute Oxidations- und Kriechbeständigkeit sowie eine geringere Dichte als allgemeine Titanlegierungen auf. Diese herausragenden Eigenschaften deuten darauf hin, dass Titan--Aluminiumverbindungen einen neuen Legierungstrend auslösen werden. Derzeit haben die Vereinigten Staaten diese neue Titan--Aluminium-Verbindungslegierung synthetisiert und befinden sich im Prozess der Massenproduktion.

(5) Hochtemperatur-Titanlegierungen

Titanlegierungen, die durch eine Kombination von Schnellerstarrungsmethoden und Pulvermetallurgie unter Verwendung von faser- oder partikelverstärkten Verbundwerkstoffen hergestellt werden, weisen hervorragende mechanische Eigenschaften bei hohen Temperaturen auf. Die Betriebstemperaturgrenze von Hochtemperatur-Titanlegierungen ist viel höher als die von gewöhnlichen Titanlegierungen. Derzeit haben die Vereinigten Staaten neue Hochtemperatur-Titanlegierungen entwickelt. (6) Eine Titan-Nickel-Legierung, eine Legierung aus Titan und Nickel, wird als „Memory-Legierung“ bezeichnet. Wenn diese Legierung in eine vorgegebene Form gebracht und anschließend einer Formgebungsbehandlung unterzogen wird, kann sie bei Verformung durch äußere Kraft durch nur leichte Erwärmung ihr ursprüngliches Aussehen wiederherstellen. Diese Legierung kann in verschiedenen Bereichen wie Instrumenten, Messgeräten, elektronischen Geräten usw. verwendet werden.