Titanium Metal? Everything About This Magical Metal

Co to jest tytan?

1. Definicja i podstawowe właściwości tytanu

Tytan jest pierwiastkiem chemicznym o liczbie atomowej 22 i symbolu chemicznym Ti. Jest metalem przejściowym o stosunkowo małej gęstości i dobrej wytrzymałości. Tytan metaliczny występuje w przyrodzie w postaci minerałów, takich jak ilmenit i rutyl. Jest dziewiątym najpowszechniejszym pierwiastkiem w skorupie ziemskiej, zwykle występującym w postaci tlenków.

Tytan metaliczny posiada wiele doskonałych właściwości fizycznych i chemicznych, co czyni go idealnym wyborem do wielu zastosowań. Po pierwsze, tytan metaliczny ma niską gęstość, około 4,5 grama na centymetr sześcienny, i jest lżejszy niż wiele innych metali, takich jak stal i nikiel. To sprawia, że ​​tytan metaliczny jest szeroko stosowany w dziedzinach wymagających lekkich konstrukcji, takich jak przemysł lotniczy i motoryzacyjny.

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. Historia i odkrycie tytanu metalicznego

Tytan metaliczny odkryto po raz pierwszy pod koniec XVIII wieku. W 1801 roku brytyjski chemik Gregor odkrył pierwiastek tytan w minerale znanym jako ilmenit. Następnie inni chemicy zaczęli badać tytan metaliczny i odkryli go w różnych rudach.

W 1840 roku niemiecki chemik Martin Heinrich Klapoulos po raz pierwszy z sukcesem wydobył tytan metaliczny i nazwał go metalem “tytan” aby złożyć hołd gigantycznemu Tytanowi z mitologii greckiej. Jednak dopiero w latach czterdziestych XX wieku tytan metaliczny zaczął być szeroko stosowany w przemyśle. Wraz z rozwojem technologii metalurgicznej i redukcją kosztów tytan metaliczny stopniowo stał się ważnym materiałem o różnych zastosowaniach.

3. Cechy tytanu

Ogólnie rzecz biorąc, tytan metaliczny ma następujące główne cechy:

3.1 Dobra odporność na korozję: Tytan metaliczny jest odporny na korozję powodowaną przez wiele substancji chemicznych, w tym wodę morską i roztwory kwaśne. Dzięki temu jest to idealny wybór dla inżynierii morskiej i przemysłu chemicznego.

3.2 Biokompatybilność: Tytan metaliczny wykazuje dobrą biokompatybilność z tkankami ludzkimi, dzięki czemu jest szeroko stosowany w produkcji sztucznych stawów i implantów dentystycznych.

3.3 Dobre właściwości w wysokich temperaturach: Tytan ma wysoką temperaturę topnienia, około 1668 stopni Celsjusza (3034 stopni Fahrenheita). Tytan metaliczny nadal zachowuje dobre właściwości mechaniczne i stabilność w wysokich temperaturach, co czyni go ważnym w środowiskach o wysokiej temperaturze, takich jak silniki lotnicze i turbiny gazowe.

3.4 Wysoka wytrzymałość i niska gęstość: Pomimo małej gęstości tytan metaliczny ma wysoką wytrzymałość i doskonałe porównanie wytrzymałości i gęstości. To sprawia, że ​​tytan jest idealnym materiałem do produkcji urządzeń lotniczych, części samochodowych i innych produktów wymagających lekkości.

3.5 Doskonała przewodność cieplna: Tytan metaliczny ma dobrą przewodność cieplną, co daje mu przewagę w produkcji wysokowydajnych grzejników, chłodnic i innych produktów.

Produkcja i przetwarzanie tytanu

1. Metody ekstrakcji i przygotowania tytanu metalicznego

Metoda ekstrakcji: Ekstrakcję tytanu metalicznego prowadzi się głównie dwiema metodami, a mianowicie metodą Clausa i metodą chlorowania. Metoda Clausa jest najczęściej stosowaną metodą otrzymywania tytanu metalicznego o wyższej czystości poprzez redukcję rudy tlenku tytanu. Zasada chlorowania polega na reakcji tlenku tytanu z gazowym chlorem w celu wytworzenia chlorku tytanu, a następnie uzyskania tytanu metalicznego w reakcji redukcji.

Proces oczyszczania: Po otrzymaniu tytanu metalicznego wymagana jest seria procesów oczyszczania w celu poprawy jego czystości i wydajności. Procesy te obejmują topienie próżniowe, metody tlenkowe w fazie gazowej i metody plazmowe.

2. Technologia przetwarzania: kucie, walcowanie i formowanie

Kucie: Tytan metaliczny można kuć na gorąco lub na zimno, aby poprawić jego właściwości mechaniczne i strukturalne. Kucie na gorąco nadaje się do części o dużych odkształceniach i skomplikowanych kształtach, natomiast kucie na zimno nadaje się do obróbki małych części i części precyzyjnych.

Walcowanie: Tytan metaliczny można również wytwarzać metodą walcowania na gorąco i na zimno w celu przygotowania takich produktów, jak płyty, taśmy i rury. Walcowanie na gorąco pozwala uzyskać produkty o większych rozmiarach i grubościach, podczas gdy walcowanie na zimno pozwala uzyskać wyższą jakość powierzchni i dokładność wymiarową.

Odlewanie: Tytan metaliczny można również wykorzystać do przygotowania części i produktów o różnych kształtach w procesach takich jak odlewanie ciśnieniowe, formowanie wtryskowe i druk 3D. Te procesy formowania nadają się do wytwarzania części o złożonych kształtach i strukturach.

Różnica między czystym tytanem a stopami tytanu

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

Jest to stop na bazie tytanu z dodatkiem innych pierwiastków. Jest to stosunkowo młody metal, którego historia od jego odkrycia sięga zaledwie sześćdziesięciu lub siedemdziesięciu lat. Materiały ze stopów tytanu charakteryzują się lekkością, wysoką wytrzymałością, niską elastycznością, odpornością na wysoką temperaturę i odpornością na korozję. Stosowane są głównie w silnikach lotniczych, rakietach, pociskach i innych komponentach. Tytan ma dwa izomorficzne kryształy. Tytan jest izomerem o temperaturze topnienia 1720°C. Ma zwartą sześciokątną strukturę sieci krystalicznej w temperaturze niższej niż 882°C, co nazywa się tytanem alfa; ma strukturę skupioną wokół ciała w temperaturze powyżej 882°C. Sześcienna struktura siatkowa, zwana beta tytanem, wykorzystuje różne właściwości powyższych dwóch struktur tytanu, dodaje odpowiednie pierwiastki stopowe i stopniowo zmienia temperaturę przemiany fazowej i zawartość faz, aby otrzymać stopy tytanu o różnych strukturach.

Gatunki tytanu

Stopień 1

Jest to pierwszy z czterech gatunków przemysłowo czystego tytanu. Jest to najmiększy i najbardziej plastyczny z tych gatunków. Oferuje maksymalną odkształcalność, doskonałą odporność na korozję i wysoką udarność. Klasa 1 jest materiałem wybieranym do wszelkich zastosowań wymagających łatwości formowania i jest powszechnie stosowana jako płyta tytanowa I rurka tytanowa.

klasa 2

Ze względu na różnorodną i szeroką dostępność tytan klasy 2 jest znany jako „koń pociągowy” komercyjnego przemysłu czystego tytanu. Ma wiele takich samych właściwości jak tytan klasy 1, ale jest nieco mocniejszy. Obydwa są równie odporne na korozję. Gatunek ten zapewnia dobrą spawalność, wytrzymałość, ciągliwość i odkształcalność. To sprawia, że ​​pręty i płytki tytanowe klasy 2 są pierwszym wyborem w wielu zastosowaniach, takich jak budownictwo, wytwarzanie energii i przemysł medyczny.

Ocena 3

Ten gatunek jest najrzadziej używany spośród dostępnych na rynku gatunków tytanu, ale to nie czyni go mniej wartościowym. Klasa 3 jest mocniejsza niż klasy 1 i 2, ma podobną plastyczność i tylko nieco mniej odkształcalną – ale posiada wyższą mechanikę niż jego poprzednicy. Klasa 3 jest stosowana w zastosowaniach wymagających umiarkowanej wytrzymałości i podstawowej odporności na korozję, takich jak przemysł lotniczy, przetwórstwo chemiczne, przemysł morski itp.

Stopień 4

Uważany jest za najsilniejszy z czterech rodzajów tytanu czystego w handlu. Jest również znany ze swojej doskonałej odporności na korozję, dobrej odkształcalności i spawalności. Stosowany w niektórych elementach kadłuba, zbiornikach kriogenicznych, wymiennikach ciepła i innych zastosowaniach wymagających wysokiej rozdzielczości.

7 klasa

Mechanicznie i fizycznie tak samo jak klasa 2, z tą różnicą, że dodano pierwiastek międzywęzłowy pallad, aby uczynić go stopem. Klasa 7 zapewnia doskonałą spawalność i urabialność oraz jest najbardziej odpornym na korozję ze wszystkich stopów tytanu. Dlatego jest stosowany głównie jako komponenty w procesach chemicznych i urządzeniach produkcyjnych.

Klasa 11

Bardzo podobny do klasy 1, z tą różnicą, że dodaje się niewielką ilość palladu w celu zwiększenia odporności na korozję, co czyni go stopem. Tę odporność na korozję można wykorzystać do zapobiegania korozji szczelinowej i redukcji kwasów w środowiskach chlorkowych. Inne przydatne właściwości obejmują optymalną ciągliwość, odkształcalność na zimno, wytrzymałość użyteczną, udarność i doskonałą spawalność. Stop ten może być stosowany w tych samych zastosowaniach, co tytan klasy 1, szczególnie tam, gdzie wymagana jest korozja.

Ocena 5

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.

Klasa 23

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.

Stopień 12

Jest to bardzo trwały stop, który zapewnia dużą wytrzymałość w wysokich temperaturach. Tytan klasy 12 ma właściwości podobne do stali nierdzewnej serii 300. Stop może być formowany na gorąco lub na zimno metodą tłoczenia, hydroformowania, formowania przez rozciąganie lub metodą spadania. Możliwość formowania na różne sposoby sprawia, że ​​jest on przydatny w wielu zastosowaniach. Wysoka odporność na korozję stopu sprawia, że ​​jest on nieoceniony w urządzeniach produkcyjnych, w których problemem jest korozja szczelinowa.

Stopień 9

Wykonany jest z czystego tytanu z dodatkiem około 3% aluminium i około 2,5% wanadu. Stop ten ma ogólnie doskonałą odporność na korozję, wysoką wytrzymałość i dobre właściwości spawalnicze. Stop tytanu Gr9 jest szeroko stosowany w przemyśle lotniczym, stoczniowym, sprzęcie chemicznym i innych dziedzinach, szczególnie tam, gdzie wymagane są materiały o wysokiej wydajności w środowiskach o wysokiej temperaturze i korozyjnym. Właściwości stopu tytanu Gr9 sprawiają, że jest to idealny materiał konstrukcyjny, który można wykorzystać do produkcji różnorodnych części i komponentów.

Rynki zastosowań tytanu

1. Lotnictwo

Tytan metaliczny jest szeroko stosowany w produkcji konstrukcji samolotów i części silników, takich jak kadłuby samolotów, łopatki silników itp.
Jego lekkość i właściwości o wysokiej wytrzymałości pozwalają samolotom zmniejszyć masę, poprawić efektywność paliwową oraz zwiększyć trwałość i bezpieczeństwo samolotu.

2. Medyczne

Tytan metaliczny jest używany do produkcji wyrobów medycznych, takich jak implanty kości, sztuczne stawy i sprzęt do odbudowy zębów.
Jego biokompatybilność i odporność na korozję sprawiają, że tytan jest jednym z najbardziej idealnych materiałów w dziedzinie medycyny.

3. Przemysł samochodowy

W produkcji samochodów tytan jest używany do produkcji lekkich komponentów, takich jak układy wydechowe, elementy zawieszenia i konstrukcje nadwozia.
Lekka konstrukcja może poprawić efektywność paliwową, wydajność mocy i bezpieczeństwo samochodu.

4. Inżynieria morska

Zastosowanie tytanu metalicznego w inżynierii oceanicznej obejmuje odsalanie, eksplorację oceanów i rurociągi podmorskie.
Jego odporność na korozję i odporność na korozję w wodzie morskiej sprawiają, że tytan jest idealnym materiałem do zastosowań w środowiskach morskich.

5. Produkcja artykułów sportowych

Tytan służy do produkcji wysokiej klasy artykułów sportowych, takich jak kije golfowe, ramy rowerowe i rakiety tenisowe.
Wysoka wytrzymałość, lekkość i odporność na korozję zapewniają produktom tytanowym doskonałą wydajność i trwałość.

6. Przemysł

Tytan metaliczny jest używany w przemyśle do produkcji sprzętu chemicznego, narzędzi do wierceń ropy naftowej i sprzętu do przenoszenia mocy.
Jego trwałość w wysokich temperaturach i odporność na korozję sprawiają, że tytan metaliczny jest obiecujący do stosowania w trudnych warunkach przemysłowych.

Kilka interesujących faktów na temat tytanu

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.