Titanium Metal? Everything About This Magical Metal

Какво е титан?

1. Определение и основни свойства на титана

Титанът е химичен елемент с атомен номер 22 и химически символ на Ti. Това е преходен метал със сравнително лека плътност и добра якост. Металът титан съществува в природата под формата на минерали като илменит и рутил. Това е деветият най-разпространен елемент в земната кора, който обикновено се среща под формата на оксиди.

Титановият метал притежава множество отлични физични и химични свойства, което го прави идеален избор за много приложения. Първо, металът титан има ниска плътност, приблизително 4,5 грама на кубичен сантиметър, по-лек от много други метали като стомана и никел. Това прави титановия метал широко използван в области, изискващи лек дизайн, като космическата и автомобилната промишленост.

Secondly, titanium metal exhibits excellent strength. Despite its low density, it has strength comparable to many commonly used metals. This makes titanium metal highly favored in applications requiring high strength and corrosion resistance, such as aerospace engine components and artificial joints.

2. Историята и откриването на титановия метал

Металът титан е открит за първи път в края на 18 век. През 1801 г. британският химик Грегор открива елемента титан в минерал, известен като илменит. Впоследствие други химици започнаха да изучават металния титан и го откриха в различни руди.

През 1840 г. немският химик Мартин Хайнрих Клапулос успешно извлича титанов метал за първи път и наименува метала “титан” за да отдаде почит на гигантския Титан в гръцката митология. Въпреки това, едва през 40-те години на миналия век титановият метал започва да се използва широко в промишлеността. С развитието на металургичната технология и намаляването на разходите титановият метал постепенно се превърна във важен материал за различни приложения.

3. Характеристики на титана

Като цяло титановият метал има следните основни характеристики:

3.1 Добра устойчивост на корозия: Металният титан може да устои на корозия от много химикали, включително морска вода и киселинни разтвори. Това го прави идеален избор за морското инженерство и химическата промишленост.

3.2 Биосъвместимост: Металният титан показва добра биосъвместимост с човешките тъкани, което го прави широко използван в производството на изкуствени стави и зъбни импланти.

3.3 Добри свойства при висока температура: Титанът има висока точка на топене, около 1668 градуса по Целзий (3034 градуса по Фаренхайт), титановият метал все още поддържа добри механични свойства и стабилност при високи температури, което го прави важен във високотемпературни среди като двигатели на самолети и газови турбини.

3.4 Висока якост и ниска плътност: Въпреки ниската си плътност, титановият метал има висока якост и отлично сравнение на якост и плътност. Това прави титана идеален материал за производство на аерокосмически устройства, автомобилни части и други продукти, които изискват олекотяване.

3.5 Отлична топлопроводимост: Титановият метал има добра топлопроводимост, което му дава предимство при производството на високопроизводителни радиатори, охладители и други продукти.

Производство и обработка на метален титан

1. Методи за извличане и получаване на метален титан

Метод на извличане: Извличането на метален титан се извършва главно по два метода, а именно метода на Клаус и метода на хлориране. Методът на Клаус е най-често използваният метод за получаване на титанов метал с по-висока чистота чрез редуциране на руда от титанов оксид. Правилото за хлориране е титанов оксид да реагира с хлорен газ, за ​​да се генерира титанов хлорид и след това да се получи титанов метал чрез редукционна реакция.

Процес на пречистване: След получаването на метален титан са необходими серия от процеси на пречистване, за да се подобри неговата чистота и производителност. Тези процеси включват вакуумно топене, оксидни методи в газова фаза и плазмени методи.

2. Технология на обработка: коване, валцуване и формоване

Коване: Титановият метал може да бъде горещо или студено кован, за да се подобрят неговите механични и структурни свойства. Горещото коване е подходящо за части с големи деформации и сложни форми, докато студеното коване е подходящо за обработка на малки детайли и прецизни детайли.

Подвижен: Титановият метал може също да бъде произведен чрез горещо валцуване и студено валцуване за получаване на продукти като плочи, ленти и тръби. Горещото валцуване може да получи продукти с по-голям размер и дебелина, докато студеното валцуване може да получи по-високо качество на повърхността и точност на размерите.

Формоване: Титановият метал може също да се използва за изготвяне на части и продукти с различни форми чрез процеси като леене под налягане, леене под налягане и 3D печат. Тези процеси на формоване са подходящи за производство на части със сложни форми и структури.

Разлика между чист титан и титанови сплави

Pure Titanium

It is also called industrial pure titanium or commercial pure titanium. It is graded according to the content of impurity elements. It has excellent stamping process performance and welding performance, is not sensitive to heat treatment and tissue type, and has a certain strength under satisfactory plasticity conditions. Its strength mainly depends on the content of interstitial elements oxygen and nitrogen. The properties of 99.5% industrial pure titanium are: density P=4.5g/cm3, melting point 1800°C, thermal conductivity λ=15.24W/(M.K), tensile strength σ b=539MPa, elongation: δ =25% , area shrinkage ψ=25%, elasticity modulus E=1.078×105MPa, hardness HB195

Titanium Alloy

Това е сплав на базата на титан и добавени други елементи. Това е сравнително млад метал, с история от само шестдесет или седемдесет години от откриването му. Материалите от титанови сплави имат характеристиките на леко тегло, висока якост, ниска еластичност, устойчивост на висока температура и устойчивост на корозия. Те се използват главно в аерокосмически двигатели, ракети, ракети и други компоненти. Титанът има два изоморфни кристала. Титанът е изомер с точка на топене 1720°C. Той има структура на плътна хексагонална кристална решетка, когато е по-ниска от 882°C, което се нарича алфа титан; има структура, центрирана върху тялото над 882°C. Структурата на кубичната решетка, наречена бета титан, използва различните характеристики на горните две структури на титан, добавя подходящи легиращи елементи и постепенно променя температурата на фазовата трансформация и фазовото съдържание, за да се получат титанови сплави с различни структури.

Класове титан

1 клас

Това е първият от четирите степени индустриално чист титан. Той е най-мекият и най-ковък от тези класове. Предлага максимална способност за формоване, отлична устойчивост на корозия и висока якост на удар. Степен 1 ​​е избраният материал за всяко приложение, което изисква лесно формоване и обикновено се използва като титанова плоча и титанови тръби.

2 клас

Благодарение на своята разнообразна наличност и широка наличност, титан от клас 2 е известен като „работния кон“ на комерсиалната индустрия за чист титан. Той има много от същите качества като титан клас 1, но е малко по-здрав. И двете са еднакво устойчиви на корозия. Този клас предлага добра заваряемост, здравина, пластичност и формоспособност. Това прави титаниеви пръти и пластини от клас 2 първият избор за много приложения като строителство, производство на електроенергия и медицинска индустрия.

3 клас

Този клас е най-малко използван от комерсиално чистите класове титан, но това не го прави по-малко ценен. Степен 3 е по-здрава от степени 1 и 2, подобна на пластичност и само малко по-малко формируема – но притежава по-високи механични характеристики от своите предшественици. Степен 3 се използва в приложения, изискващи умерена якост и първична устойчивост на корозия, като космическата промишленост, химическата обработка, морската промишленост и др.

4 клас

Смята се за най-здравия от четирите вида търговски чист титан. Също така е известен със своята отлична устойчивост на корозия, добра формоспособност и заваряемост. Използва се в някои компоненти на фюзелажа, криогенни съдове, топлообменници и други приложения, които изискват висока разделителна способност.

7 клас

Механично и физически същото като клас 2, с изключение на това, че е добавен интерстициалният елемент паладий, за да стане сплав. Степен 7 предлага отлична заваряемост и обработваемост и е най-устойчивата на корозия от всички титанови сплави. Поради това се използва главно като компоненти в химически процеси и производствено оборудване.

11 клас

Много подобен на клас 1, с изключение на това, че се добавя малко количество паладий за подобряване на устойчивостта на корозия, което го прави сплав. Тази устойчивост на корозия може да се използва за предотвратяване на корозия на пукнатини и намаляване на киселините в хлоридни среди. Други полезни свойства включват оптимална пластичност, възможност за студено формоване, полезна якост, ударна якост и отлична заваряемост. Тази сплав може да се използва в същите титанови приложения като степен 1, особено когато се изисква корозия.

5 клас

Known as the “workhorse” of titanium alloys, Ti6Al-4V or Grade 5 titanium is the most commonly used of all titanium alloys. It accounts for 50% of the world’s total titanium consumption. Its usability lies in its many benefits. Ti6Al-4V can be heat treated to increase its strength. It can be used in welded structures at service temperatures up to 600°F. The alloy combines high strength with light weight, useful formability and high corrosion resistance. The availability of Ti6AI-4V makes it the best alloy for use in multiple industries such as aerospace, medical, marine and chemical processing industries.

23 клас

Ti 6AL-4V ELI or Grade 5 ELI grade is a higher purity form of Ti 6Al-4V. It can be made into coils, strands, wires or flat wires. It is the first choice for any situation where high strength, light weight, good corrosion resistance and high toughness are required. It has excellent damage tolerance to other alloys. These advantages make Ti 6Al-4V ELI grade the ultimate dental and medical titanium grade. Due to its biocompatibility, good fatigue strength and low modulus, it can be used in biomedical applications such as implantable components.

12 клас

Това е изключително издръжлива сплав, която осигурява голяма здравина при високи температури. Титанът клас 12 има подобни свойства на неръждаемата стомана от серия 300. Сплавта може да бъде горещо или студено формована с помощта на пресоване, хидроформоване, разтягане или метод на падане на тежестта. Способността му да се формира по различни начини го прави полезен в много приложения. Високата устойчивост на корозия на сплавта също я прави безценна за производствено оборудване, където корозията в пукнатините е проблем.

9 клас

Изработен е от чист титан с добавени около 3% алуминий и около 2,5% ванадий. Тази сплав обикновено има отлична устойчивост на корозия, висока якост и добри заваръчни свойства. Титановата сплав Gr9 се използва широко в космическата промишленост, корабостроенето, химическото оборудване и други области, особено когато се изискват материали с висока производителност при висока температура и корозивна среда. Свойствата на титановата сплав Gr9 я правят идеален структурен материал, който може да се използва за производство на различни части и компоненти.

Пазари на приложения на титан

1. Космонавтика

Титановият метал се използва широко в производството на конструкции на самолети и части на двигатели, като фюзелажи на самолети, лопатки на двигатели и др.
Неговите леки и високоякостни свойства позволяват на самолетите да намалят теглото си, да подобрят горивната ефективност и да подобрят издръжливостта и безопасността на самолета.

2. Медицински

Титановият метал се използва за производство на медицински изделия като костни импланти, изкуствени стави и оборудване за възстановяване на зъбите.
Неговата биосъвместимост и устойчивост на корозия правят титана един от най-идеалните материали в областта на медицината.

3. Автомобилна индустрия

В автомобилостроенето титанът се използва за производство на леки компоненти като изпускателни системи, компоненти на окачването и конструкции на каросерията.
Лекият дизайн може да подобри горивната ефективност, мощността и безопасността на автомобила.

4. Морско инженерство

Приложението на метален титан в океанското инженерство включва обезсоляване, изследване на океана и подводни тръбопроводи.
Неговата устойчивост на корозия и устойчивост на корозия от морска вода правят титана идеален материал за морска среда.

5. Производство на спортни стоки

Титанът се използва за производството на спортни стоки от висок клас като стикове за голф, рамки за велосипеди и ракети за тенис.
Неговата висока якост, леко тегло и устойчивост на корозия придават на титаниевите продукти отлична производителност и издръжливост.

6. Индустрия

Титановият метал се използва в индустрията за производство на химическо оборудване, инструменти за сондиране на нефт и оборудване за предаване на енергия.
Неговата издръжливост при висока температура и устойчивост на корозия правят металния титан обещаващ за използване в тежки индустриални среди.

Някои интересни факти за титана

1. The chemical symbol of titanium is Ti, the atomic number is 22.
2. Titanium is the 9^th most abundant element in the Earth’s crust.
3. The name titanium comes from the Titans in Greek mythology.
4. Titanium does not occur in nature as a metal.
5. Titanium is the only metal that can bond and grow with human bones.
6. The natural color of titanium is silvery white.
7. Titanium is not magnetic.
8. Titanium has a high melting point, about 1,668 degrees Celsius (3,034 degrees Fahrenheit)
9. Titanium won’t rust.
10. Titanium is non-toxic.
11. China is the largest titanium producer in the world.