Глава 5. СТРАТЕГИЧЕСКИЙ МЕТАЛЛ.

ТИТАНОВЫЙ БУМ.

Тот, кто видел фильм кинорежиссера Михаила Ромма ”9 дней одного года”, вряд ли когда-либо забудет эту сцену. Бетонный коридор, вдоль которого тянутся бесчисленные сгустки проводов. Этот длинный коридор, или туннель, символизирующий долгий путь поисков истины, как бы проходит через весь кинофильм. По коридору к вам приближается группа сотрудников ядерного института. Их несколько, но спорят двое:

Когда-то война не нуждалась в науке, а сейчас она кормит ее, ибо стала нуждаться в ней, — говорит Николай Иванович.

Выходит, спасибо войне? Вот это ловко! — возмущается оппонент.

Зря ухмыляетесь! Что, по-вашему, двинуло вперед авиацию, ракетостроение, кибернетику, радиоэлектронику?

Но оппонента, Валерия Ивановича, переубедить трудно. Однако Николай Иванович не рисуется, когда продолжает аргументировать свою парадоксальную мысль:

Кюри-Складовская своими руками .... перетаскала двадцать тонн урановой руды. А у нас любой опыт готовят триста человек. И никто нас не ограничивает. Почему?

Ну какое мы-то имеем отношение к войне? — недоумевает и возмущается оппонент. — Самый мирный институт!

А сейчас нельзя двигать одну область. Все взаимосвязано, — заявляет Николай Иванович.

Спор продолжается. Подходят знакомые, здороваются и отходят, звучат шутки, раздаются пустячные реплики, а спор не окончен. Оппонента переубедить не удалось, но последнее слово принадлежит все же Николаю Ивановичу. В дверях своей лаборатории он категорически подводит черту:

И тем не менее современная война стремительно движет науку. В этом заключается ядовитейший парадокс двадцатого века.

Парадокс — неожиданное положение, противоречащее здравому смыслу, общепринятым представлениям, но противоречие это нередко только внешнее. По всей сути мнение Николая Ивановича не просто парадоксально.

Собственно говоря, металлургия с давних пор тесно связана с военным делом. Сначала из металлов изготовляли холодное оружие, затем — огнестрельное. Постепенно совершенствовались методы получения металлов, создания сплавов с особыми свойствами. Так родились известные булат и дамасская сталь, из которых делали непревзойденные мечи и клинки.

Потребность в ружьях, пушках, ядрах, снарядах вызывала необходимость увеличения выпуска стали и чугуна, создания металлов и сплавов с особыми свойствами, так как качество материала, из которого изготовлено оружие, нередко определяло исход военных действий. На протяжении всей истории нового и новейшего времени происходит прекращающееся соревнование брони и бронебойных снарядов, дальности действия орудий и их мощи в количественном и качественном отношениях.

Однако справедливость требует того, чтобы признать: военное дело прежде всего стимулировало совершенствование уже имевшихся металлов, полученных человечеством в результате поступательного развития общества. Что же касается титана, то можно вполне уверенно сказать: не будь потребности в подобном материале в военном самолетостроении, титан до сих пор не был бы нам знаком.

С момента своего возникновения производство металлического титана имело исключительно военную направленность, было вызвано к жизни нуждами военной техники, ими поддерживалось. В США этот металл неспроста образно назвали ”\уаг- ЬаЬу” — ”дитя войны”.

По темпам роста производства титан не имеет себе равных среди других промышленных металлов.

Первые несколько килограммов металлического титана были использованы в военных американских самолетах в 1950 году — спустя пять лет после того, как американская военщина впервые применила атомное оружие для уничтожения двух японских городов. Этот зловещий отсвет лежит на становлении и развитии титановой промышленности США в бесславное время военной авантюры в Корее, в период "холодной войны”, политики ”с позиции силы”. Начатое под давлением американских военных производство титана имело сугубо военную направленность и все новшества в этой области первое время охранялись почти с такой же строгостью, как и сведения об атомной бомбе.

Одновременно со стратегическими запасами ядерных бомб интенсивно наращивались мощности по производству металлического титана.Первый титановый завод был пущен в 1951 году в городе Гендерсоне (штат Невада). Один за другим вводились в действие титановые предприятия в штатах Делавер, Мичиган, Теннесси, Огайо. Строительство заводов происходило при непосредственной помощи государства. Правительство США в начале 50-х годов заключило с некоторыми фирмами контракты, предоставив им целый ряд льгот, и обязалось скупать продукцию, которая не будет находить сбыта по заранее оговоренным ценам.

В течение десяти лет в развитие титановой промышленности правительство США вложило около 200 миллионов долларов и неменьшую сумму составили вложения частных фирм. Темпы роста производства нового конструкционного материала в эти годы были почти в четыре раза выше, чем темпы роста выпуска алюминия в первые годы возникновения алюминиевой промышленности. Если в 1949—1950 годах производство титана исчислялось десятками тонн, то в дальнейшем оно составляло сотни и тысячи тонн. В 1957 году выпуск этого металла в США превысил 15000 тонн.

Несмотря на стремительный рост производства, в первые годы ощущалась острая нехватка титанового проката. Американское правительство приняло специальное постановление, запрещавшее фирмам-производителям продавать титановый прокат невоенным предприятиям.

Интерес к титану как к перспективному конструкционному материалу появился в конце второй мировой войны в связи с возникновением реактивной авиации и основным потребителем металла в первое время были военно-воздушные силы. На долю военного самолетостроения в 50-е годы приходилось 95 процентов всего применяемого в США металла.

Титановый бум продолжался до 1957 года. Но уже в следующем году количество произведенного металла уменьшилось вчетверо, а еще через год сократилось до 3,5 тысячи тонн. Резкое падение производства титана было вызвано уменьшением выпуска пилотируемых машин и перенесением центра тяжести на изготовление самолетов-снарядов. В связи с этим значительно сократился выпуск тяжелых бомбардировщиков В-52, для производства которых в основном и применяли новый металл.

Титан не находил спроса, а о том, чтобы использовать его в мирных отраслях промышленности, в те времена даже речи не возникало.

Но вскоре после описанных событий в связи с гонкой ракетно-ядерного вооружения, созданием сверхзвуковых самолетов, исследованием космического пространства уровень производства титана в США начал возрастать. Он пережил и переживает 50 еще немало взлетов и падений, ибо полностью зависит от требований военной промышленности США.

Разительный контраст в этом смысле представляет собой развитие советской титановой индустрии. Она не знала спадов, потому что была ориентирована не только на нужды обороны, но и на потребности всего народного хозяйства. Почти одновременно с обеспечением специальных отраслей титан в нашей стране стал поступать на химические и металлургические заводы, в цехи, лаборатории, повышая надежность техники и производительность труда, улучшая условия работы.

И не случайно в мире нет стран, равных СССР по степени использования титана в невоенных областях — как в абсолютных цифрах, так и по масштабам насыщенности титаном той или иной отрасли народного хозяйства. Выдающийся вклад нашей страны в освоение титана как материала мирного отмечали сами американские специалисты.

АЛЮМИНИЙ . . . ТЯЖЕЛЕЕ?

Нет, алюминий не тяжелее титана. Напротив — в полтора раза легче. Но почему же в таком случае титановые детали используют вместо алюминиевых для облегчения самолета? Когда обычную сталь заменяют "легкой сталью", это понятно, и никаких особенных разъяснений не требуется. Но алюминий ... Если уж облегчать конструкцию, то, казалось бы, алюминий следует заменять более легким металлом. Но все объясняется иной причиной — высокой удельной прочностью титановых сплавов.

Каждый узел, каждая деталь самолета должны с гарантией выдерживать определенную нагрузку, быть достаточно прочными для этого. Есть поговорка: "Где тонко, там и рвется", то есть, говоря иначе, заданная прочность обеспечивается определенной массой материала. Титан несколько тяжелее алюминия, но он и гораздо прочнее его, и для тех же деталей самолета титана требуется меньше, чем алюминия, стало быть, конструкция становится легче.

Благодаря использованию титана взамен алюминия массу самолета удается уменьшить на 20—25 процентов. А это чрезвычайно важно. Облегчить самолет — значит повысить его скорость, потолок и радиус действия, увеличить маневренность и грузоподъемность. Поэтому авиация заинтересована в использовании титана при изготовлении реактивных двигателей, кожухов камер сгорания, капотов, роторов турбин, деталей планера, колес — везде, где только возможно, вплоть до таких несложных изделий, как гайки и болты.

Подсчитано, что если при утяжелении конструкции масса самолета повышается всего на одну десятую, то чтобы сохранить неизменными все его прежние летные характеристики, необходимо настолько увеличить мощность двигателя, запас горючего, площадь крыла и т.п., что полетная масса самолета возрастает вдвое.

Каждый сэкономленный килограмм массы двигателя позволяет сберечь за счет облегчения фюзеляжа до десяти килограммов в общей массе самолета. Отсюда становится еще более понятным, как много значит каждый дополнительный килограмм массы, на который удается облегчить самолет благодаря применению титановых сплавов. В результате замены стали и алюминия титаном масса самолета снижается на сотни килограммов, а нередко и тонны. Крыло сверхзвукового военного самолета, целиком изготовленное из стали, имеет массу более двух тонн, титановое же крыло — чуть больше 1800 килограммов. В этом случае экономится 200—250 килограммов массы.

В самолетах применяется большое количество болтов, гаек, винтов, заклепок и других крепежных деталей, которые должны быть очень прочными и надежными. Казалось бы, что эти изделия незначительно утяжеляют конструкцию, так как масса каждого из них исчисляется граммами. Но если учесть, что число крепежных деталей в истребителе достигает 20 тысяч, а в транспортном реактивном самолете — почти 50 тысяч, то суммарная их масса составляет солидную цифру — около 100 килограммов в истребителе и 300 килограммов в транспортном самолете. Замена стали титаном уменьшает массу крепежных деталей на одну треть. Чем крупнее самолет, тем ощутимее замена. В гигантском военно-транспортном самолете США ”Локхид С-5А” благодаря использованию титановых заклепок взамен алюминиевых сэкономлено 3,5 тонны массы.

Большая, чем у алюминия, прочность титана позволила уменьшить диаметр заклепок, в результате чего конструкции самолета в состоянии нести более высокие динамические нагрузки, так как усталостная прочность титана выше, чем алюминия или стали.

Титановые сплавы применяют для изготовления каркаса фюзеляжа, шпангоутов, трубопроводов, элементов жесткости, лонжеронов. Замена титаном алюминиевых сплавов несколько снижает жесткость конструкции, так как применяют листы более тонкие, чем прежде. Чтобы сохранить высокую жесткость, используют "сотовые” титановые панели. Благодаря высокой сопротивляемости окислению и достаточной жаропрочности титан используют вместо стали для изготовления противопожарных перегородок.

В последнее время титан успешно применяют в конструкциях вертолетов. Из титановых сплавов изготовляют двери, пол, лопасти несущих винтов. В частности, обшивка титаном лопастей винтов позволяет снизить массу вертолета на 30 килограммов.

МЕТАЛЛ СВЕРХЗВУКОВЫХ СКОРОСТЕЙ.

Стремительный рост скоростей полета самолетов и значительное повышение в связи с этим аэродинамического нагрева вызвали резкое увеличение применения титановых сплавов для обшивки фюзеляжа.

При скорости, втрое превышающей скорость звука, на высоте более 20 километров, несмотря на пятидесятиградусный мороз за бортом, поверхность самолета на отдельных участках полета нагревается до 500 градусов и выше. Особенно сильно нагреваются передние кромки стабилизаторов и крыльев, носовые конусы, элероны. Летчик, пилотирующий самолет, видит, что отдельные части обшивки в результате трения о воздух накалены докрасна.

Алюминиевые и магниевые сплавы не выдерживают длительного нагрева при температурах 250°С и выше, размягчаются, теряют прочность. Это делает их непригодными для обшивки сверхзвуковых машин. Специальные жаропрочные сплавы титана не утрачивают своих свойств до 550—600 градусов, а при кратковременном нагреве — и до 800°С. При температуре около 300°С титановые сплавы прочнее алюминиевых в 10 раз! Поэтому титановые плиты и листы широко применяют для изготовления обшивки сверхзвуковых самолетов.

Самолеты нагреваются не только вследствие трения о воздух, но и от находящихся на борту реактивных двигателей — сильных источников тепла. Большое количество титана используют в турбореактивных двигателях 'В виде лопаток и дисков воздушных компрессоров, деталей газовых турбин, кожухов двигателей и т.д.

У реактивных двигателей самолетов, летающих со скоростями, вдвое превышающими скорость звука, температура воздуха на входе в компрессор составляет более 200°С, а на выходе — 500. При таких температурах алюминиевые сплавы применять уже нельзя. Можно, правда, использовать стали, но ведь они гораздо тяжелее титановых сплавов, поэтому применяют сплавы нового металла. Титановые сплавы составляют четвертую часть от массы современных зарубежных реактивных двигателей. Двигатель известного американского самолета-разведчика У-2, один из которых, пилотируемый американским разведчиком Пауэрсом, нарушил воздушные границы СССР и был в свое время сбит под Свердловском, содержал в своей конструкции около 1400 килограммов титана.

Применяемые в газовых турбинах титановые детали выдерживают нагрев при температуре 480°С и позволяют снизить массу турбины дозвукового двигателя на 200, а сверхзвукового — на 100 килограммов.

По мере того, как растут скорости полета и размеры самолетов, расширяется и применение титана в конструкциях летательных аппаратов. Если в дозвуковых самолетах количество титана составляет 1—3 процента от общей массы машин, то в самолетах, летающих со скоростью до 2400 километров в час, на титан приходится уже 3—10 процентов, а в самолетах, мчащихся с еще большими скоростями, количество титана в общей массе машины доходит до 90 процентов, то есть самолет практически полностью состоит из титана, за исключением, разумеется, тех деталей, которые вообще не делаются из металлов.

В США разработан и построен самолет-перехватчик ”Локхид.

А-11”. Он достигает высот в 20 километров и более и развивает скорость 3200 километров в час. Это первый американский полностью титановый самолет, в конструкции которого более 30 тонн титана.

Можно назвать десятки серийных военных самолетов, в которых использован титан. Среди них истребители и бомбардировщики, перехватчики, транспортные и военно-морские машины, взлетающие с палуб авианосцев. Титановые сплавы занимают большое' место в конструкции самолета широкого назначения ”Р-4 Фантом” и в экспериментальном, оснащенном ракетным двигателем самолете ”Х-15”, в машине с вертикальными взлетом и посадкой ”ХВ-5А” и в сверхзвуковом бомбардировщике ”ХВ-70А”, в котором число деталей из титана достигает 22 тысяч.

Титан используется не только в американских самолетах. Во Франции новый промышленный материал применяют в самолете ”Мираж-1У”, в реактивном двигателе ”Адур” для самолета ”Ягуар”. Широко применяют его в самолетостроении других стран.

В НЕБЕСАХ . .. НА ЗЕМЛЕ.. . И НА МОРЕ.

Как сообщает американская печать, применение титана в ракетной технике США началось в 1957 году, когда потребовалось снизить массу ракеты ,,Атлас,\ Замена стальных баллонов высокого давления резервуарами из титана позволила облегчить ракету на 68 килограммов.

В последние годы в США почти все резервуары, предназначенные для хранения сжатых и сжиженных газов на ракетах, изготовляли из титановых сплавов. Эти сплавы применяют также для изготовления реактивных сопел, станин двигателя, коммуникаций подачи топлива и окислителя и других важных узлов ракет.

Из титановых сплавов делают корпуса ракет, работающих на твердом топливе, что дает весьма существенные преимущества. Так, например, благодаря применению титана корпус второй ступени межконтинентального баллистического снаряда ”Минитмэн-2” имеет массу всего 160 кг, тогда как точно такой же корпус из стали имел бы массу 290 кг. Стоимость корпуса всего лишь на 20 процентов выше стоимости стального.

Экономия массы ракет улучшает их основные характеристики — скорость и дальность полета, грузоподъемность и т.п. Но уменьшение массы — не единственное преимущество, которое дает титан.

Корпуса ракет, изготовленные из нового промышленного металла, отличаются высокой жесткостью и продольной устойчивостью. Титановый корпус реактивного снаряда легче обрабатывается резанием и не требует в отличие от стали дополнительной термической обработки сварного шва.

Высокая коррозионная стойкость титановых сплавов, их жаропрочность позволяют изготовлять из них форсуночные головки и форсунки ракет. В частности, титановый сплав применен для передней части корпуса ракеты ”Авангард”. В результате трения о воздух эта чать корпуса сильно нагревается, ее температура в некоторые моменты превышает 800°С. Но титановый сплав выдерживает такой нагрев и даже при столь высокой температуре обеспечивает необходимую прочность конструкции.

Сплав системы титан — алюминий — ванадий исследовали и как конструкционный материал ионных ракетных двигателей. Из этого сплава разработана конструкция труб, отходящих от титановых сосудов к двигателю. Такое соединение может выдерживать вибрационные нагрузки, сильные удары, резкие колебания температур за короткий промежуток времени.

Предлагают использовать титановые сплавы в опорной конструкции термоядерного двигателя. Топливные баки из титановых сплавов для хранения жидкого кислорода и водорода не разрушаются при сверхнизких температурах, как это бывает с большинством металлов, напротив — они становятся еще прочнее.

Титан использован в конструкциях таких хорошо известных американский ракет, как ”Аджена*\ ”Тор”, "Титан”, ”Эйблстар”, в управляемом снаряде ”Першинг”, морской ракете ”Поларис”. Новый конструкционный материал используется также в ракетостроении Японии, ФРГ и других зарубежных стран.

Крупными потребителями титана станут со временем артиллерия и бронетанковые войска.

Согласно опубликованной информации, уже довольно продолжительное время в США, например, ведутся исследования опытных образцов армейской боевой техники из сплавов титана. Вполне понятно, что при этом основное внимание направлено на оружие, которое переводят по воздуху или переносят вручную.

Еще в начале 50-х годов сотрудники лаборатории Уотертаунского арсенала предложили изготовить из титана опорную плиту миномета. Замена стали титаном и некоторая конструктивная переделка позволили вместо двух деталей плиты общей массой 22 килограмма изготовить одну деталь массой 11 килограммов, переносить которую в состоянии один человек.Успешно прошли испытания титановые крестовины лафетов, кронштейны зенитных орудий, цилиндры противооткатных приспособлений, орудийные станки и пламегасители. Титановые артиллерийские пламегасители повышают эффективность использования орудий и отлично противостоят развивающимся при стрельбе нагрузкам, а новые крестовины лафетов почти вдвое легче старых стальных.

В 1960 году лаборатория сконструировала безоткатное атомное орудие малой мощности ”Дэви Крокетт” для вооружения пехоты. Применение титановых сплавов позволило сделать это орудие легким и портативным, хорошо противостоящим коррозии.

Самые первые исследования нового промышленного металла показали, что он пригоден и для изготовления брони. Более того, использование титановой брони, снарядостойкость которой такая же, как у стали, дает экономию массы до 25 процентов, а сплавы титана повышенного качества позволяют облегчить броню почти вдвое. Если же при этом массу ее оставить без изменения, то надежность защиты значительно повышается. Опытные работы по изготовлению из титана отдельных деталей среднего танка в США ведут уже давно, однако, по мнению американских специалистов, использование этого металла в серийном танкостроении возможно лишь в будущем.

При современном уровне развития транспортной авиации весьма эффективно использование самолетов для переброски танков и транспортеров, для сбрасывания их с парашютом. Титан позволяет существенно облегчить такой десант, а также стрелковое оружие, радиостанции, комплекты медицинского оборудования и другие виды снаряжения авиадесантных войск.

Широкое использование титановых сплавов для производства средств вооружения сухопутных войск возможно только при некотором снижении стоимости металла. При значительном снижении цен на титан можно ожидать его применения для строительства мостов, посадочных матов аэродромов и прочих сооружений.

Феноменальная коррозионная стойкость титана в морской воде со всеми прочими его достоинствами делает этот металл очень ценным для судостроения.

Малая плотность металла повышает маневренность и дальность действия кораблей, а высокая стойкость против коррозии снижает расходы на ремонт материальной части и уход за нею. Корпуса судов, обшитые листами титана, никогда не потребуют окраски, так как даже намека на ржавчину ожидать не приходится.

Титан, как известно, стоек против эрозии и кавитации. В движущейся морской воде со взвешенными в ней песчинками титан, по меньшей мере, в 12 раз устойчивее, чем самые лучшие распространенные сплавы на основе других металлов. Все это открывает металлу немалые перспективы.

По опубликованным зарубежным данным, в военно-морском флоте США из титановых сплавов изготовляют валы, распорки, опоры, части якоря, фиттинги для крейсеров, выхлопных глушителей подводных лодок, глушители с водяным охлаждением для шлюпочных моторов. Титановые глушители значительно легче и прочнее глушителей из медноникелевых и других сплавов и срок их службы намного выше. Титановые сплавы используют в газотурбинных двигателях некоторых торпедных катеров и кораблей морской пограничной охраны.

Когда диски приборов для измерения уровня масла, газолина, морской воды изготовляют из титана, то срок их службы становится практически неограниченным и намного повышается точность показаний приборов.

Из титана целесообразно делать различные рукоятки и детали морского электронного оборудования, радарные антенны, экраны навигационных приборов, палубную арматуру подводных лодок, детали помп, соприкасающихся с морской водой, и многое другое.

Самому большому коррозионному разрушению на морских судах подвергаются корма, руль и другие части, находящиеся в непосредственной близости от винта, который обычно действует как катод большой площади. Применение титана позволяет в значительной степени снизить интенсивность коррозии.

Немагнитность титана устраняет так называемую девиацию — мешающее воздействие металлических конструкций на навигационные приборы — и тем самым уменьшает опасность подрыва на магнитных минах.

Титановые сплавы весьма перспективные конструкционные материалы для изготовления корпусов подводных лодок сверхглубокого погружения, способных достигать глубин до 6 километров. Далеко не всякий материал способен выдержать чудовищное давление многокилометровых океанских глубин.

Основные конкуренты титана в качестве материалов для подводного кораблестроения — это специальные виды сталей и . . . стекло. Да, и стекло. Особые виды стекла способны выдерживать прямо-таки фантастические нагрузки без всяких следов разрушения. Далеко ходить за примерами не надо: вспомним хотя бы пуленепробиваемые стекла. Подобные материалы несоизмеримо прочнее любых металлов и сплавов, в том числе и титановых. Но назвать стекло конструкционным материалом без существующих оговорок нельзя, так как оно имеет очень важный недостаток. Стекла нельзя соединять и почти невозможно обрабатывать. Они не поддаются ни сварке, ни резке, ни штамповке.

Обработка специальных сталей тоже представляет целую проблему. Пластичность таких сталей очень низка, их высокая твердость достигнута ценой повышения хрупкости. Так что титан во всех отношениях предпочтительнее своих конкурентов.