Определение содержания рения в титановых сплавах

Введение

Титановые сплавы играют большую роль в авиационной технике, где стремятся получить наиболее легкую конструкцию в сочетании с необходимой прочностью. По сравнению с другими металлами титан легкий и в то же время может работать при высоких температурах. Из титановых сплавов изготовляют обшивку, детали крепежа, силовой набор, детали шасси, диски и лопатки компрессора, детали воздухозаборника и направляющего аппарата, а также различные агрегаты для авиационной отрасли. Данные материалы применяются в конструкциях авиационных реактивных двигателей, что позволяет уменьшить их массу на 10–25%. Титан и его сплавы используют также в ракетостроении [1–3].

Основным легирующим элементом в титановых сплавах является алюминий. Легирование титана другими химическими элементами, в частности рением, позволяет в несколько раз повысить его прочностные характеристики. В работах [4–8] представлены результаты исследований титановых сплавов за последние годы.

Рений – редкий, дорогостоящий и одновременно стратегически важный химический элемент. Среднее содержание рения в земной коре крайне низкое: 7·10^-8% (в ~5 раз меньше золота и платины). Основные предприятия по производству этого металла находятся в Чили, США, Перу и Польше.

В настоящее время рений является одним из важнейших металлов в аэрокосмической индустрии. Только благодаря уникальным свойствам рения стало возможным создание сверхмощных и экономичных газотурбинных авиадвигателей для самолетов последних поколений. Рений является незаменимым компонентом жаропрочных никелевых сплавов (ЖНС), способных работать в экстремальных условиях реактивных двигателей при температурах ~1200°С. Суперсплавы на основе рения с тугоплавкими металлами (вольфрам, молибден, тантал) имеют высокую твердость и пластичность при температурах 2000–3000°С, что позволяет использовать их в производстве ракетно-космической техники для изготовления частей ракетных сопел, носовых насадок ракет, деталей двигателей.

В настоящее время производство рения в России ограничено лишь скромными объемами (0,5–1,5 т/год) металла, получаемого при переработке вторичного ренийсодержащего сырья. Несмотря на бурное развитие и совершенствование ренийсодержащих сплавов централизованная переработка отходов таких сплавов в России пока не налажена и осуществляется отдельными малыми предприятиями в опытно-промышленном масштабе [9]. За рубежом сложилась практика «рециклинга замкнутого цикла» [10] в области использования ренийсодержащих никелевых суперсплавов, когда крупнейшие производители авиадвигателей, например General Electric, налаживают сбор отработавших деталей из ренийсодержащих ЖНС по всему миру и переработку их на собственных мощностях.

Стратегические пути развития авиационной промышленности, в частности авиационного материаловедения, изложены в работах [11–19].

Таким образом, из вышесказанного следует, что необходим надежный и достоверный контроль содержания рения в сплавах.

Целью настоящей работы является исследование возможности определения содержания рения в титановых сплавах спектрофотометрическим методом, в которых он является легирующим элементом, повышающим жаропрочные свойства сплавов.

Разработанная ранее методика определения содержания рения в титановых сплавах с 8-меркаптохинолином имеет ряд существенных недостатков, к которым можно отнести применение токсичных реагентов (8-меркаптохинолин и хлороформ), а также длительность процесса вследствие проведения экстракции. Методика определения содержания рения роданидным методом с разделением при помощи едкого натра компонентов сплава не позволяет определять содержание рения низкой концентрации (сотые доли) и не обеспечивает необходимой точности при определении содержания рения в количестве 0,1–0,5% (по массе).

В результате проделанной работы разработан фотометрический метод определения содержания рения от 0,05 до 1% (по массе) с использованием реагента (тиомочевина) в сложнолегированных титановых сплавах. В случае необходимости методика позволяет определять из меньших навесок более высокие концентрации рения.

Метод основан на переведении пробы в раствор с помощью смеси фтористоводородной и азотной кислот с отделением мешающего молибдена оксидом кальция. Содержание рения определяется по градуировочному графику.

Разработанный метод не требует применения токсичных реагентов, более избирателен и точен по сравнению с другими существующими. Продолжительность анализа сокращается в 2–3 раза.

Сущность метода заключается в образовании окрашенного в желтый цвет комплексного соединения рения с тиомочевиной в соляно-кислой среде в присутствии восстановителя (двухлористого олова).

Материалы и методы

Для проведения исследований использовали следующие материалы:

– водный раствор фтористо-водородной кислоты (1:4);

– кислота соляная (плотность 1,19 г/см³);

– кислота азотная (плотность 1,4 г/см³);

– кислота борная;

– 20%-ный водный раствор винной кислоты;

– 10%-ный водный раствор тиомочевины;

– 20%-ный водный раствор двухлористого олова;

– оксид кальция;

– титан губчатый;

– стандартный раствор рения.

Выполнение анализа

Навеску сплава массой 1 г помещают в платиновую чашку или фторопластовый стакан и растворяют в 20 мл фтористо-водородной кислоты, разбавленной водой в соотношении 1:4 с добавлением нескольких капель азотной кислоты. Полученный раствор разбавляют водой до объема 30 мл и переносят в мерную колбу емкостью 200 мл, в которую предварительно помещена борная кислота (1 г) для связывания избытка фтористо-водородной кислоты после растворения навески. Объем раствора доводят водой до отметки колбы 100 мл, перемешивают до полного растворения борной кислоты, добавляют оксид кальция в сухом виде в небольшом избытке (до перехода окраски бумаги Конго из синего в красный цвет).

Раствор кипятят с осадком 1 мин, охлаждают, разбавляют водой и перемешивают. Далее его пропускают через фильтр «белая лента». Отбирают аликвотную часть полученного раствора (20 мл) в мерную колбу емкостью 50 мл, добавляют 20%-ный водный раствор винной кислоты (3 мл) и соляную кислоту (10 мл), приливают 10%-ный водный раствор тиомочевины (5 мл) и 20%-ный водный раствор двухлористого олова (2 мл), разбавляют водой, перемешивают и через 40 мин измеряют оптическую плотность на спектрофотометре.

Расчет результатов анализа (C_Re – концентрация рения, % (по массе)) проводят по формуле:

где α – количество рения, полученное в соответствии с показанием прибора, г; V – объем мерной колбы, мл; V₁ – объем аликвотной части раствора, мл; g – масса навески сплава, г.

Обсуждение и заключения

В результате исследования возможности фотометрического определения содержания рения в титановых сплавах применен реагент тиомочевина.

Изучено влияние молибдена на реакцию образования окрашенного комплексного соединения рения с тиомочевиной. Установлено, что молибден, создающий помехи при определении содержания рения, необходимо отделять с помощью сухого оксида кальция. Для предотвращения гидролиза титана к аликвотной части раствора добавляли винную кислоту. Оптическую плотность исследуемых растворов измеряли при λ=400 нм. Градуировочный график строили в интервале концентраций рения 50–500 мкг в объеме 50 мл. К навеске губчатого титана (1 г) добавляли стандартный раствор рения (1,0–10,0 мл). По найденным значениям оптической плотности и соответствующим им концентрациям строили градуировочные кривые. Продолжительность проведения анализа составляла 60 мин. Относительная погрешность результатов измерений составляет 5%.

Разработана методика определения содержания рения в титановых сплавах в диапазоне концентраций от 0,05 до 1% (по массе).