Курсовая работа (т): Титан и титановые сплавы: применение в медицине

Титан выпускают в виде губки или слитков, которые затем на других заводах перерабатывают на лист, профили, трубы, поковки и другие полуфабрикаты.[6,29]

Титан и его сплавы маркируют буквами "ВТ" и порядковым номером:

ВТ1-00, ВТЗ-1, ВТ4, ВТ8, ВТ14.

Пять титановых сплавов обозначены иначе:

Т4-0, 0Т4, 0Т4-1, ПТ-7М, ПТ-3В.

Титан упрочняется легированием α- и β- стабилизирующими элементами, а также термической обработкой двухфазных (α+β) - сплавов. К элементам, стабилизирующим α - фазу титана, относятся алюминий, в меньшей степени олово и цирконий. α - стабилизаторы упрочняют титан, образуя твердый раствор с α - модификацией титана.[9]

За последние годы было установлено, что, кроме алюминия, существуют и другие металлы, стабилизирующие α - модификацию титана, которые могут представлять интерес в качестве легирующих добавок к промышленным титановым сплавам. К таким металлам относятся галлий, индий, сурьма, висмут. Особый интерес представляет галлий для жаропрочных титановых сплавов благодаря высокой растворимости в α - титане. Как известно повышение жаропрочности сплавов системы Ti - Al ограничено пределом 7 - 8% вследствие образования хрупкой фазы. Добавкой галлия можно дополнительно повысить жаропрочность предельно легированных алюминием сплавов без образования α2-фазы.

Алюминий практически применяется почти во всех промышленных сплавах, так как является наиболее эффективным упрочнителем, улучшая прочностные и жаропрочные свойства титана. В последнее время наряду с алюминием в качестве легирующих элементов применяют цирконий и олово.

Цирконий положительно влияет на свойства сплавов при повышенных температурах, образует с титаном непрерывный ряд твердых растворов на основе α - титана и не участвует в упорядочении твердого раствора.

Олово, особенно в сочетании с алюминием и цирконием, повышает жаропрочные свойства сплавов, но в отличие от циркония образует в сплаве упорядоченную фазу .

Достоинства α-сплавов - отличная свариваемость, высокий предел ползучести и отсутствие необходимости в термической обработке, а также отличные литейные свойства, что важно для фасонного литья. Малолегированные a-сплавы, а также относимый к этой группе технический титан, имеющие предел прочности менее 700 Мн/м(70 кгс/мм), поддаются листовой штамповке вхолодную. Однако сплавы типа α чувствительны к водородной хрупкости (вследствие малой растворимости водорода в α - титане) и не поддаются упрочнению термической обработкой. Высокая прочность, полученная за счет легирования, сопровождается низкой технологической пластичностью этих сплавов, что вызывает ряд трудностей в промышленном производстве.

Для повышения прочности, жаропрочности и технологической пластичности титановых сплавов типа α в качестве легирующих элементов наряду с α - стабилизаторами применяются элементы, стабилизирующие β - фазу.

Сплавы на основе β-структуры имеют наиболее высокую технологическую пластичность и хорошо поддаются листовой штамповке вхолодную; после старения приобретают высокую прочность; хорошо свариваются, но сварные соединения нельзя подвергать упрочняющей термической обработке из-за охрупчивания, что ограничивает применение сплавов этого типа. Др. недостатком β-сплавов является сравнительно невысокая предельная рабочая температура - примерно 300 °С; при более высоких температурах большинство сплавов этого типа становится хрупким.

Двухфазные α+β -сплавы - наиболее многочисленная группа промышленных титановых сплавов. Эти сплавы отличаются более высокой технологической пластичностью, чем α-сплавы, и вместе с тем могут быть термически обработаны до очень высокой прочности (sb = 1500-1800 Мн/м², или 150-180 кг/мм²); они могут обладать высокой жаропрочностью. К недостаткам двухфазных сплавов следует отнести несколько худшую свариваемость по сравнению со сплавами α- группы, так как в зоне термического влияния возможно появление хрупких участков и образование трещин, для предотвращения чего требуется специальная термическая обработка после сварки.

Таким образом, по структуре титановые сплавы условно делятся на три группы: сплавы с α-, (α+β)- и β - структурой.

В структуре каждой группы могут присутствовать интерметаллидные фазы.

биологический титан сплав имплантат

3. Поведение титана и его сплавов в различных агрессивных средах

Реакции титана со многими элементами происходят только при высоких температурах. При обычных температурах химическая активность титана чрезвычайно мала и он практически не вступает в реакции. Связано это с тем, что на свежей поверхности чистого титана, как только она образуется, очень быстро появляется инертная, хорошо срастающаяся с металлом тончайшая (в несколько ангстрем пленка диоксида титана, предохраняющая его от дальнейшего окисления. Если даже эту пленку снять, то в любой среде, содержащей кислород или другие сильные окислители (например, в азотной или хромовой кислоте), эта пленка появляется вновь, и металл, как говорят, ею «пассивируется», т. е. защищает сам себя от дальнейшего разрушения.

Рассмотрим несколько подробнее поведение чистого титана в различных агрессивных средах: в таких, как азотная, соляная, серная, «царская водка» и другие кислоты и щелочи.

В азотной кислоте, являющейся сильным окислителем, в котором быстро растворяются очень многие металлы, титан исключительно стоек. При любой концентрации азотной кислоты (от 10 до 99%-ной), при любых температурах скорость коррозии титана не превышает 0,1-0,2 мм/год. Опасна только красная дымящая азотная кислота, пересыщенная (20% и более) свободными диоксидами азота: в ней чистый титан бурно, со взрывом, реагирует. Однако стоит добавить в такую кислоту хотя бы немного воды (1-2% и более), как реакция заканчивается, и коррозия титана прекращается.

В соляной кислоте титан стоек лишь в разбавленных ее растворах. Например, в 0,5%-ной соляной кислоте даже при нагревании до 100° С скорость коррозии титана не превышает 0,01 мм/год, в 10%-ной при комнатной температуре скорость коррозии достигает 0,1 мм/год, а в 20%-ной при 20° С-0,58 мм/год. При нагревании скорость коррозии титана в соляной кислоте резко повышается. Так, даже в 1,5%-ной соляной кислоте при 100° С скорость коррозии титана составляет 4,4 мм/год, а в 20%-ной при нагревании до 60° С - уже 29,8 мм/год. Это объясняется тем, что соляная кислота, особенно при нагревании, растворяет пассивирующую пленку диоксида титана и начинается растворение металла. Однако скорость коррозии титана в соляной кислоте при всех условиях остается ниже, чем у нержавеющих сталей.

В серной кислоте слабой концентрации (до 0,5-1%) титан и большинство его сплавов стойкие даже при температуре раствора до 50-95° С. Стоек титан и в более концентрированных растворах (10-20%-ных) при комнатной температуре, в этих условиях скорость коррозии титана не превышает 0,005-0,01 мм/год. Но с повышением температуры раствора титан в серной кислоте даже сравнительно слабой концентрации (10-20%-ной) начинает растворяться, причем скорость коррозии достигает 9-10 мм/год. Серная кислота, так же как и соляная, разрушает защитную пленку диоксида титана и повышает его растворимость. Ее можно резко понизить, если в растворы этих кислот добавлять определенное количество азотной, хромовой, марганцевой кислот, соединений хлора или других окислителей, которые быстро пассивируют поверхность титана защитной пленкой и прекращают его дальнейшее растворение. Вот почему титан практически единственный металл, не растворяющийся в «царской водке»: в ней при обычных температурах (10-20° С) коррозия титана не превышает 0,005 мм/год. Слабо коррозирует титан и в кипящей «царской водке», а ведь в ней, как известно, многие металлы, и даже такие, как золото, растворяются почти мгновенно.

Очень слабо коррозирует титан в большинстве органических кислот (уксусной, молочной, винной), в разбавленных щелочах, в растворах многих хлористых солей, в физиологическом растворе. А вот с расплавами хлоридов при температуре выше 375° С титан взаимодействует очень бурно.

В расплаве многих металлов чистый титан обнаруживает удивительную стойкость. В жидких горячих магнии, олове, галлии, ртути, литии, натрии, калии, в расплавленной сере титан практически не коррозирует, и лишь при очень высоких температурах расплавов (выше 300-400 °С) скорость его коррозии в них может достигать 1 мм/год. Однако есть немало агрессивных растворов и расплавов, в которых титан растворяется очень интенсивно.

Главный «враг» титана - плавиковая кислота (HF). Даже в 1%-ном ее растворе скорость коррозии титана очень высока, а в более концентрированных растворах титан «тает», как лед в горячей воде. Фтор - этот «разрушающий все» (греч.) элемент - бурно реагирует практически со всеми металлами и сжигает их.

Не может противостоять титан кремнефтористоводородной и фосфорной кислотам даже слабой концентрации, перекиси водорода, сухим хлору и брому, спиртам, в том числе спиртовой настойке йода, расплавленному цинку. Однако стойкость титана можно увеличить, если добавить различные окислители - так называемые ингибиторы, например, в растворы соляной и серной кислот - азотную и хромовую. Ингибиторами могут быть и ионы различных металлов в растворе: железо, медь и др.

В титан можно вводить некоторые металлы, повышающие его стойкость в десятки и сотни раз, например до 10% циркония, гафния, тантала, вольфрама. Введение в титан 20-30% молибдена делает, этот сплав настолько устойчивым к любым концентрациям соляной, серной и других кислот, что он может заменить даже золото в работе с этими кислотами. Наибольший эффект достигается благодаря добавкам в титан четырех металлов платиновой группы: платины, палладия, родия и рутения. Достаточно всего 0,2% этих металлов, чтобы снизить скорость коррозии титана в кипящих концентрированных соляной и серной кислотах в десятки раз. Следует отметить, что благородные платиноиды влияют лишь на стойкость титана, а если добавлять их, скажем, в железо, алюминий, магний, разрушение и коррозия этих конструкционных металлов не уменьшаются.

4. Влияние легирующих элементов в титане на коррозионную стойкость

Все присутствующие в титане легирующие элементы по коррозионной стойкости можно разделить на четыре группы.

К первой группе относятся легко пассивирующиеся элементы, повышающие коррозионную стойкость титана за счет торможения анодного процесса (в различной степени и в зависимости от природы среды). К этой группе относятся следующие наиболее важные легирующие элементы: Мо, Та, Nb, Zr, V (расположены в порядке убывания благоприятного воздействия на коррозионную стойкость). Ко второй группе металлов, оказывающих сходное влияние на коррозионную стойкость титана, относятся Cr, Ni, Mn, Fe. Эти элементы, некоторые из которых сами являются коррозионностойкими (Cr, Ni), хотя и не сильно, но снижают коррозионную стойкость титана, особенно в неокислительных кислотах по мере повышения легирования титана. К третьей группе легирующих элементов, имеющих общие черты влияния на коррозионную стойкость титана, относятся Al, Sn, О, N, С. Установлено, что добавки алюминия снижают коррозионную стойкость титана в активном и пассивном состояниях. В нейтральных средах алюминий (до 5% Al) хотя и оказывает отрицательное влияние, но оно невелико. Понижение коррозионной стойкости при легировании алюминием связано с облегчением анодного и катодного процессов вследствие изменения химической природы пассивных пленок. К четвертой группе легирующих элементов, однотипно влияющих на коррозионную стойкость титана, относятся металлы с низким сопротивлением катодному процессу. По возрастанию эффективности воздействия на титан эти элементы располагаются в следующий ряд: Си, W, Мо, Ni, Re, Ru, Pd, Pt. Доказано, что введение в титановые сплавы таких элементов, как молибден, ниобий, цирконий, тантал не лимитируется по количеству. Они повышают коррозионную стойкость, способствуют увеличению прочности.

5. Основные диаграммы состояния

Свойства сплавов титана зависят от фазового состояния в большей степени, чем от химического состава. Поэтому более правильно связывать основные закономерности изменений свойств сплавов с типом диаграммы состояния.

Наиболее глубокие исследования диаграмм состояния сплавов титана были проведены И. И. Корниловым, В. Н. Еременко, С. Г. Глазуновым в СССР, М. К. Макквиллэном и А. Д. Макквиллэном, И. Р. Нильсеном, М. Хансеном в США и Англии и др.

По классификации И. И. Корнилова диаграммы состояния двойных сплавов титана можно привести к четырем характерным типам, учитывающим основные особенности взаимодействия титана с другими элементами.

Тип I. Системы сплавав с непрерывными твердыми растворами с α- и β- фазами титана. Диаграммы такого типа характерны только для сплавов титана с цирконием и гафнием, которые имеют одинаковые с титаном кристаллические решетки в обеих модификациях с близкими параметрами.

Тип II. Системы сплавов с непрерывными твердыми растворами с β-фазой и ограниченными с α-фазой. Такие диаграммы характерны для сплавов титана с молибденом, ниобием, танталом и ванадием. Эти элементы понижают температуру α - β превращения, которая при определенных составах оказывается ниже комнатной. Легирование титана этими элементами позволяет получать устойчивые β-сплавы.

Тип III. Системы сплавов с ограниченными твердыми растворами с α-фазой и эвтектоидным превращением. К элементам, образующим с титаном диаграммы такого типа, относятся марганец, железо, кобальт, никель и др. Марганец, храм и железо дают замедленный эвтектоидный распад, а медь, никель и кремний - ускоренный. Все эти элементы понижают температуру α-β превращения. В этих системах кроме твердых растворов образуются интерметаллические соединения. К диаграммам типа III можно частично отнести и систему титан - хром.

Тип IV. Системы сплавов с ограниченными твердыми растворами с α- и β-фазами титана и перитектоидным превращением. К этому типу диаграмм относятся системы сплавов титана с алюминием, оловом, азотом, кислородом, углеродом и другими элементами, повышающими температуру α-β превращения.

По убывающей степени влияния на прочность титана основные легирующие элементы располагаются в следующем порядке: Fe, Mn, Cr, Co, Mo, W, Сu, V, Al, Sn, Ag.

К наиболее распространенным промышленным α-сплавам титана относятся: технический титан ВТ1-1, ВТ1-2 и ИМП-1А (СССР), RC-55, RC-70 и Т1-75А (США); сплавы ВТ5 с 5% алюминия (СССР), ВТ5-1 (СССР) и А-110АТ (США) с 5% алюминия и 2,5% олова. Сплав А-110АТ обладает наилучшим сочетанием прочности и обрабатываемости давлением. Сплавы, содержащие более 7,5% алюминия, не нашли применения из-за горячеломкости при 850°. Сплавы титана с алюминием не воспринимают закалки. Поэтому единственным способом их упрочнения является нагартовка. Среди α+β сплавов в настоящее время получили промышленное применение сплавы, легированные марганцем, железом, хромом, молибденом, ванадием и алюминием. Свойства сплавов близкого состава отличаются не только из-за неодинакового состояния поставки, но и вследствие различного содержания в них кислорода, азота и углерода. Эти газы и углерод могут существенно повышать прочность и снижать пластичность сплавов титана.

Двухфазные сплавы, содержащие переходные элементы (Mn, Fe, Cr, Mo, V и др.), хорошо поддаются обработке давлением и поэтому находят широкое применение. Однако они резко снижают прочность при повышении температуры, особенно выше 300°. α+β сплавы, содержащие кроме переходных и непереходные элементы (Al, Sn, О, N, С), обладают более высокой прочностью α-фазы. Введение алюминия в α+β сплав титана совместно с переходными элементами улучшает обрабатываемость сплава, не понижая его прочности.

Легированием титана можно существенно повысить его теплоустойчивость. Сплавы титана с алюминием и небольшими добавками элементов, стабилизирующих β-фазу, могут использоваться для конструкций, работающих при температуре до 540°.

Составы сплавов с наиболее высокой теплоустойчивостью соответствуют переходным областям диаграмм состояния из твердых растворов к гетерогенным с грубым выделением избыточной фазы. Наиболее высокой теплоустойчивостью из известных сплавов обладает сплав Ti-371 (13% Sn и 2,75% Аl).

Перспективными системами высокопрочных сплавов считают:

а) сплавы с быстрым эвтектоидным распадом, легированные медью, никелем и кремнием или этими же элементами в сочетании с алюминием и оловом, упрочняющими α-фазу;