Применение титана

Примерно половина производимой в мире титановой продукции направляется обычно в гражданское авиастроение, но его спад после известных трагических событий вынуждает многих участников отрасли искать новые области применения титана. Данный материал представляет первую часть подборки публикаций в зарубежной «металлургической прессе», посвященных перспективам титана в современных условиях.

По оценкам одного из ведущих американских производителей титана RТ1, из общего объёма производства титана в мировом масштабе на уровне 50-60 тыс. тонн в год на долю аэрокосмического сегмента приходится до 40% потребления, на долю промышленных применений и приложений приходится 34%, на военную область 16%, и около 10% приходится на применение титана в потребительских продуктов.

Промышленное применение титана включает в себя химические процессы, энергетику, нефтегазовую отрасль, опреснительные установки. Военное (не авиационное) применение включает, прежде всего, использование в артиллерии и боевых машинах. Секторами со значительными объёмами применения титана являются автомобилестроение, архитектура и строительство, спортивные товары, ювелирные изделия. Практически весь титан в слитках производится в США, Японии и СНГ - на долю Европы приходится всего 3,6% от общемирового объёма.

Региональные рынки конечного применения титана весьма различаются - наиболее ярким примером своеобразия является Япония, где на гражданский авиакосмический сектор приходится всего 2-3% при использовании 30% от общего потребления титана в оборудовании и конструкционных элементах химических заводов. Примерно 20% от общего спроса в Японии приходится на атомную

энергетику и на электростанции на твёрдом топливе, остальная доля приходится на архитектуру, медицину и спорт.

Противоположная картина наблюдается в США и Европе, где исключительно большое значение имеет потребление в аэрокосмическом секторе - 60-75% и 50-60% для каждого региона соответственно. В США традиционно сильными конечными рынками являются химическая промышленность, медицинское оборудование, промышленное оборудование, в то время как в Европе наибольшая доля приходится на нефтегазовую промышленность и строительную промышленность.

Сильная зависимость от аэрокосмической отрасли была давним предметом беспокойства титановой промышленности, которая пытается расширить области применения титана, что особенно актуально в условиях текущего спада в гражданской авиации в мировом масштабе.

По данным Геологической службы США в первом квартале 2003 года произошёл значительный спад импорта титановой губки - всего лишь 1319 тонн, что на 62% меньше 3431 тонн за аналогичный период 2002 года. Как считает директор по развитию рынка гигантского американского производителя и поставщика титановой продукции Типе!; Джон Барбер, «...аэрокосмический сектор всегда будет одним из ведущих рынков для титана, но мы [титановая промышленность] должны принять вызов и сделать всё, чтобы быть уверенными, что наша промышленность не будет следовать за циклами развития и спадов в аэрокосмическом секторе".

Некоторые из ведущих производителей титановой промышленности видят рост возможностей на уже существующих рынках, одним из которых является рынок оборудования и материалов для подводных работ. Как говорит Мартин Проко, менеджер по продажам и дистрибуции RТ1, «...титан достаточно давно, с начала 1980-х годов используется в энергетике и при подводных работах, но только в последние пять лет эти направления стали устойчиво развивающимися с соответствующим ростом ниши на рынке. Что касается подводных работ, то здесь рост, прежде всего, обусловлен бурильными работами на большей глубине, где титан является наиболее подходящим материалом. Его, так сказать, подводный жизненный цикл составляет пятьдесят лет, что соответствует обычной продолжительности подводных проектов».

Выше уже перечислялись области, в которых вероятен рост применения титана. Как отмечает менеджер по продажам американской компании Howmet Ti-Cast Боб Фаннелл, «...текущее состояние рынка можно рассматривать, как рост возможностей в новых областях, таких как вращающиеся части устройств турбонадува у грузовиков, ракеты и насосы. Одним из наших текущих проектов является развитие лёгких артиллерийских систем ВАЕ Ноwitzer ХМ777 калибром 155 мм». Ноwmet: поставит 17 из 28 узлов структурного титанового литья для каждой орудийной установки, поставки которых в части морской пехоты США должны начаться в августе 2004 года. «При общем весе орудия 9800 фунтов (приблизительно 4,44 тонн) в его конструкции на долю титана приходится около 2600 фунтов (приблизительно 1,18 тонн) - используется сплав 6А14У с большим количеством отливок», говорит Фрэнк Хёрстер, руководитель систем огневой поддержки ВАЕ 8у81ет8. Эта система [ХМ777] должна заменить находящуюся на вооружение систему М198 Ноwitzег, которая весит около 17000 фунтов (приблизительно 7,71 тонн). Массовое производство запланировано на период с 2006 по 2010 год - первоначально расписаны поставки в США, Великобританию и Италию, но возможно расширение программы для поставок в страны-члены НАТО.

Джон Барбер из Timet: указывает, что примерами военной техники, в конструкции которой используются значительные объёмы титана, являются танк "Абраме" и боевая машина "Брэдли". В течение уже двух лет выполняется совместная программа НАТО, США и Великобритании по интенсификации использования титана в системах вооружений и обороны.

Как уже не раз отмечалось, титан очень подходит к использованию в автомобилестроении, правда, доля этого направления довольно скромна - примерно 1% от общего объёма потребляемого титана, или 500 тонн в год, по данным итальянской компании Роggipolini, производителя титановых узлов и деталей для «Формулы-1» и гоночных мотоциклов. Руководитель отдела исследований и развития этой фирмы Даниеле Стопполини считает, что текущий спрос на титан в этом сегменте рынка на уровне 500 тонн при массовом использовании этого материала в конструкциях клапанов, пружин, выхлопных систем, передаточных валов, болтов может в потенциале подняться на уровень чуть ли не 16000 тонн в год! Он добавил, что его компания только начинает развитие автоматизированного производства титановых болтов с целью снижения производственных затрат. По его мнению, сдерживающими факторами, из-за которых использование титана не расширяется значительно [в автомобилестроении], являются непредсказуемость спроса и неопределённость с поставками сырья.

При этом в автомобилестроении сохраняется большая потенциальная "ниша" для титана, соединяющего оптимальные весовые и прочностные характеристики для витых пружин и систем вывода отработанных газов. К сожалению, на американском рынке широким использованием титана в этих системах отмечена только достаточно эксклюзивная полуспортивная модель "Шевроле-Корветт Z06", которая никак не может претендовать на роль массового автомобиля. Однако вследствие постоянных задач экономии топлива и коррозийной стойкости перспективы для титана в этой области сохраняются.

Для утверждения на рынках не авиакосмического и не военного применения недавно было создано совместное предприятие UNITI (в его названии обыгрывается слово unity - единство и Тi - обозначение титана в периодической таблице) в составе ведущих мировых производителей титана - американской Allegheny Technologies и российской ВСМПО-Ависма. Как сказал президент новой компании Карл Мултон, «...эти рынки были преднамеренно исключены - мы намерены сделать новую компанию ведущим поставщиком для отраслей промышленности, использующих детали и сборочные узлы из титана, в первую очередь нефтехимической и энергетической. Кроме того, мы намерены вести активный маркетинг в области опресняющих устройств, транспортных средств, потребительских товаров и электроники. Считаю, что наши производства хорошо дополняют друг друга - у ВСМПО выдающиеся возможности для производства конечной продукции, у Allegheny отличные традиции по производству холодного и горячего титанового проката». Как ожидается, доля продукции UNITI на глобальном рынке титановой продукции составит 45 млн. фунтов (приблизительно 20411 тонн).

Устойчиво развивающимся рынком можно считать рынок медицинского оборудования - по данным английской Titanium International Group ежегодно содержание титана по всему миру в различных имплантантах и протезах составляет около 1000 тонн, и эта цифра будет возрастать, так как растут возможности хирургии по замене человеческих суставов после несчастных случаев или травм. Кроме очевидных преимуществ гибкости, прочности, легкости, титан в высшей степени "совместим" с организмом в биологическом смысле благодаря отсутствию коррозии к тканям и жидкостям в человеческом теле. В стоматологии также резко увеличивается использование протезов и имплантантов - по данным Американской ассоциации стоматологов, за последние десять лет в три раза, во многом благодаря характеристикам титана.

Хотя применение титана в архитектуре насчитывает более 25 лет, его широкое распространение в этой области началось только в последние годы. В работах по расширению аэропорта Абу-Даби в ОАЭ, завершение которых запланировано на 2006 год, будет использовано до 1.5 млн. фунтов (приблизительно 680 тонн) титана. Достаточно много различных архитектурно-строительных проектов с использованием титана планируется осуществить не только в развитых странах (США, Канада, Великобритания, Германия, Швейцария, Бельгия, Сингапур), но и в Египте и Перу.

Сегмент рынка потребительских товаров в настоящее время является наиболее быстро растущим сегментом титанового рынка. В то время как 10 лет назад этот сегмент составлял только 1-2% титанового рынка, сегодня он вырос до 8-10% рынка. В целом потребление титана в производстве потребительских товаров росло примерно в два раза быстрее, чем весь титановый рынок.

Использование титана в спорте является наиболее долговременным и занимает наибольшую долю в применении титана в потребительских товарах. Причина популярности использования титана в спортивном инвентаре проста - он позволяет получить превосходящее любой другой металл соотношение веса и прочности. Использование титана в велосипедах началось примерно 25-30 лет назад и было первым применением титана в спортивном инвентаре. В основном используются трубы из сплава Тi3Аl-2.5V (АSТМ Grade 9). Другие части производимые из титановых сплавов включают в себя тормоза, звёздочки и пружины сидений.

Использование титана в производстве клюшек для гольфа впервые началось в конце 80-х - самом начале 90-х годов производителями клюшек в Японии. До 1994-1995 годов это применение титана было практически неизвестно в США и в Европе. Ситуация изменилась, когда компания Callaway представила на рынок свою титановую клюшку, производимую компанией Ruger Titanium и названную Great Big Bertha. В связи с очевидными преимуществами и с помощью хорошо продуманного компанией Callaway маркетинга, титановые клюшки моментально приобрели огромную популярность. В течение короткого периода времени титановые клюшки прошли путь от эксклюзивного и дорогого инвентаря небольшой группы игроков до широкого использования большинством гольфистов (по прежнему оставаясь более дорогими по сравнению со стальными клюшками).

Хотелось бы привести основные, по моему мнению, тенденции развития гольфого рынка:

он прошел путь от высокотехнологичного до массового производства в короткий период 4-5 лет;

следуя путем других производств с высокими трудозатратами (таких как производство одежды, игрушек и потребительской электроники), производство гольфовых клюшек ушло в страны с наиболее дешевой рабочей силой, - сначала на Тайвань, затем в Китай, и сейчас заводы строятся в странах с еще более дешевым трудом, таких как Вьетнам и Таиланд;

титан определенно используется для драйверов (drivers), где его превосходные качества дают очевидное преимущество и оправдывают более высокую цену. Однако, титан пока еще не нашел очень широкого потребления на последующих клюшках, так как значительное увеличение затрат не подкрепляется соответствующим улучшением игры;

в настоящее время драйверы в основном производятся с кованой ударной поверхностью, кованым или литым верхом и литым низом;

недавно Профессиональная Гольфовая Ассоциация (РОА) разрешила увеличить верхний предел так называемого «коэффициента возврата», в связи с чем все производители клюшек будут стараться увеличить пружинящие свойства ударной поверхности. Для этого приходится уменьшить толщину ударной поверхности и использовать для нее более прочные сплавы, такие как SР700, 15-3-3-3 и ВТ-23.

Теперь остановимся на применении титана и его сплавов на другом спортивном оборудовании. Трубы для гоночных велосипедов и другие детали изготавливают из сплава АSТМ Grade 9 (Тi3Аl-2.5V).

На удивление значительное количество титанового листа используется при производстве ножей для подводного плавания. Большинство производителей используют сплав Тi6Аl-4V, но этот сплав не обеспечивает долговечность кромки лезвия, как другие более прочные сплавы. Некоторые производители переключаются на использование сплава ВТ23. Розничная цена титановых ножей для подводного плавания составляет примерно 70-80 долларов.

Литые титановые подковы дают значительное уменьшение веса по сравнению со стальными, при этом обеспечивая необходимую прочность. К сожалению, это применение титана не вошло в жизнь, потому что титановые подковы искрили и пугали лошадей. Немногие согласятся использовать титановые подковы после первых неудачных опытов.

Компания Titanium Beach, расположенная в Ньюпорт Бич, Калифорния (Newport Beach, Саlifornia), разработала лезвия для коньков из сплава Тi6Аl-4V. К сожалению, здесь опять проблема долговечности кромки лезвий. Я думаю, что у этого продукта есть шанс на жизнь при условии использования производителями более прочных сплавов, таких как 15-3-3-3 или ВТ-23.

Титан очень широко используется в альпинизме и туризме, практически для всех предметов, которые альпинисты и туристы несут в своих рюкзаках: бутылки, чашки (розничная цена 20-30 долларов), наборы для приготовления пищи (розничная цена примерно 50 долларов), столовая посуда, в основном сделанные из коммерчески чистого титана Grade 1 и 2.

Другими примерами альпинистского и туристского снаряжения являются компактные печки, стойки и крепления палаток, ледорубы и ледобуры.

Производители вооружения недавно начали производить титановые пистолеты как для спортивной стрельбы, так и для правоохранительных органов.

Потребительская электроника является достаточно новым и быстро растущим рынком для титана. Во многих случаях применение титана в потребительской электронике вызвано не только его великолепными свойствами, но также и привлекательным внешним видом изделий. Коммерчески чистый титан Grade 1 используется для производства корпусов портативных компьютеров, мобильных телефонов, плазменных телевизоров с плоским экраном и другого электронного оборудования. Использование титана в производстве динамиков обеспечивает лучшие акустические свойства в связи с легкостью титана по сравнению со сталью, приводящей к увеличению акустической чувствительности.

Титановые часы, впервые внедренные на рынок японскими производителями, сейчас являются одним из наиболее доступных и признанных потребительских титановых продуктов.

Мировое потребление титана в производстве традиционных и, так называемых, нательных ювелирных изделий измеряется несколькими десятками тонн. Все чаще можно встретить титановые обручальные кольца, и уж конечно, люди носящие украшения на теле, просто обязаны использовать титан.

Титан широко используется в производстве морского крепежа и фурнитуры, где очень важно сочетание высокой коррозионной стойкости и прочности. Компания Atlas Ti, базирующаяся в Лос-Анджелесе, производит широкий ассортимент этих продуктов из сплава ВТЗ-1.

Использование титана в производстве инструмента впервые началось в Советском Союзе в начале 80-х годов, когда по заданию правительства были изготовлены легкие и удобные инструменты для облегчения труда рабочих. Советский гигант титанового производства Верхне-Салдинское Металлоперерабатывающее Производственное Объединение производило в то время титановые лопаты, гвоздодеры, монтировки, топорики и ключи. Позднее японские и американские производители инструмента начали использовать титан в своей продукции. Не так давно ВСМПО заключило контракт с «Боингом» на поставку титановых плит. Этот контракт, несомненно, очень благотворно сказался на развитии титанового производства России.

Титан широко используется в медицине уже в течение многих лет. Преимущества - прочность, сопротивление коррозии, и главное то, что у некоторых людей возникает аллергия на никель (обязательный компонент нержавеющих сталей), в то время как ни у кого не обнаружена аллергия на титан. Используемые сплавы - коммерчески

чистый титан и Тi6-4Eli. Титан используется в производстве хирургического инструмента, внутренних и внешних протезов, включая такие критические, как сердечный клапан. Из титана изготовляют костыли и инвалидные коляски.

Применение титана в искусстве относится к 1967 году, когда в Москве был поставлен первый титановый монумент. В настоящий момент значительное число титановых монументов и зданий возведено практически на всех континентах, включая такие знаменитые, как музей Гугенхайма, построенный архитектором Френком Гери в Бильбао. Материал очень нравится людям искусства за цвет, внешний вид, прочность и сопротивление коррозии.

По этим причинам титан применяют в сувенирах и бижутерии/галантерее, где он успешно соперничает с такими драгоценными металлами, как серебро и даже золото

Как уже отмечалось в одной из публикаций по титану, одной из главных причин, сдерживающих "титановый" прорыв на широкие рынки, является его высокая стоимость. Как отмечает Мартин Проко из RTi, в США средняя цена титановой губки составляет $3.80 за фунт, в России $3,20 за фунт. Кроме того, цена на метал сильно зависит от цикличности аэрокосмической промышленности коммерческого назначения.

Развитие очень многих проектов может резко ускориться, если удастся найти пути снижения затрат на процессы получения и обработки титана, переработки ломов и технологий выплавки, отмечает Маркус Хольц, управляющий директор немецкой Deutshe Titan. Представитель British Titanium согласен, что расширение производства титановой продукции сдерживается высокими производственными издержками, и до внедрения титана в массовое производство необходимо провести много усовершенствований современных технологий. Одним из шагов в этом направлении является разработка так называемого FFС-процесса, представляющего новый электролитический процесс получения металлического титана и сплавов, стоимость которого существенно ниже.

По мнению Даниеле Стопполини общая стратегия в титановой промышленности требует разработки наиболее подходящих сплавов, технологии производства для каждого нового рынка и области применения титана. Если ученые и инженеры смогут решить эту задачу, никто не скажет, что титан слишком дорогой материал.