Titanium Metal? Everything About This Magical Metal

Что такое Титан?

1. Определение и основные свойства титана.

Титан — химический элемент с атомным номером 22 и химическим символом Ti. Это переходный металл с относительно небольшой плотностью и хорошей прочностью. Металлический титан существует в природе в виде минералов, таких как ильменит и рутил. Это девятый по распространенности элемент в земной коре, обычно встречающийся в форме оксидов.

Металлический титан обладает множеством превосходных физических и химических свойств, что делает его идеальным выбором для многих применений. Во-первых, металлический титан имеет низкую плотность, примерно 4,5 грамма на кубический сантиметр, он легче многих других металлов, таких как сталь и никель. Это делает металлический титан широко используемым в областях, требующих легкой конструкции, таких как аэрокосмическая и автомобильная промышленность.

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. История и открытие металлического титана.

Металлический титан был впервые обнаружен в конце 18 века. В 1801 году британский химик Грегор обнаружил элемент титан в минерале, известном как ильменит. Впоследствии другие химики начали изучать металлический титан и обнаружили его в различных рудах.

В 1840 году немецкий химик Мартин Генрих Клапулос впервые успешно извлек металлический титан и назвал его “титан” отдать дань уважения гигантскому Титану в греческой мифологии. Однако только в 1940-х годах металлический титан начал широко использоваться в промышленности. С развитием металлургических технологий и снижением затрат металлический титан постепенно стал важным материалом для различных применений.

3. Особенности титана

В целом металлический титан имеет следующие основные характеристики:

3.1 Хорошая коррозионная стойкость: Металлический титан может противостоять коррозии от многих химикатов, включая морскую воду и кислотные растворы. Это делает его идеальным выбором для морской техники и химической промышленности.

3.2 Биосовместимость: Металлический титан обладает хорошей биосовместимостью с тканями человека, что позволяет широко использовать его при изготовлении искусственных суставов и зубных имплантатов.

3.3 Хорошие высокотемпературные свойства: Титан имеет высокую температуру плавления, около 1668 градусов по Цельсию (3034 градуса по Фаренгейту). Металлический титан по-прежнему сохраняет хорошие механические свойства и стабильность при высоких температурах, что делает его важным в высокотемпературных средах, таких как авиационные двигатели и газовые турбины.

3.4 Высокая прочность и низкая плотность: Несмотря на свою низкую плотность, металлический титан обладает высокой прочностью и отличным соотношением прочности и плотности. Это делает титан идеальным материалом для производства аэрокосмической техники, автомобильных деталей и других изделий, требующих облегчения.

3.5 Отличная теплопроводность: Металлический титан обладает хорошей теплопроводностью, что дает ему преимущество при производстве высокопроизводительных радиаторов, охладителей и других изделий.

Производство и обработка металлического титана

1. Методы извлечения и получения металлического титана.

Метод извлечения: Извлечение металлического титана в основном осуществляется двумя методами: методом Клауса и методом хлорирования. Метод Клауса является наиболее часто используемым методом получения металлического титана более высокой чистоты путем восстановления оксида титана в руде. Правило хлорирования заключается в том, чтобы провести реакцию оксида титана с газообразным хлором с образованием хлорида титана, а затем получить металлический титан посредством реакции восстановления.

Процесс очистки: После получения металлического титана требуется ряд процессов очистки для повышения его чистоты и производительности. Эти процессы включают вакуумную плавку, газофазные оксидные методы и плазменные методы.

2. Технология обработки: ковка, прокатка и формовка.

Ковка: Металлический титан можно подвергать горячей или холодной ковке для улучшения его механических и структурных свойств. Горячая ковка подходит для деталей с большими деформациями и сложной формой, а холодная — для обработки мелких деталей и прецизионных деталей.

Роллинг: Металлический титан также можно производить путем горячей и холодной прокатки для изготовления таких изделий, как пластины, полосы и трубы. Горячая прокатка позволяет получить изделия большего размера и толщины, а холодная прокатка позволяет получить более высокое качество поверхности и точность размеров.

Молдинг: Металлический титан также можно использовать для изготовления деталей и изделий различной формы с помощью таких процессов, как литье под давлением, литье под давлением и 3D-печать. Эти процессы формования подходят для изготовления деталей сложной формы и структуры.

Разница между чистым титаном и титановыми сплавами

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

Это сплав на основе титана с добавлением других элементов. Это относительно молодой металл, история которого насчитывает всего шестьдесят или семьдесят лет с момента его открытия. Материалы из титановых сплавов обладают характеристиками легкого веса, высокой прочности, низкой эластичности, высокой термостойкости и коррозионной стойкости. В основном они используются в авиационно-космических двигателях, ракетах, ракетах и ​​других компонентах. Титан имеет два изоморфных кристалла. Титан – изомер с температурой плавления 1720°С. Он имеет плотноупакованную гексагональную кристаллическую решетку при температуре ниже 882 ° C, которая называется альфа-титаном; при температуре выше 882°C он имеет объемноцентрированную структуру. Структура кубической решетки, называемая бета-титаном, использует различные характеристики двух вышеупомянутых структур титана, добавляет соответствующие легирующие элементы и постепенно меняет температуру фазового превращения и содержание фаз для получения титановых сплавов с различной структурой.

Марки титана

1-й класс

Это первая из четырех марок промышленно чистого титана. Это самый мягкий и податливый из этих сортов. Он обеспечивает максимальную формуемость, отличную коррозионную стойкость и высокую ударную вязкость. Марка 1 является предпочтительным материалом для любого применения, требующего простоты формования, и обычно используется в качестве материала. титановая пластина и титановые трубки.

2 класс

Благодаря разнообразию и широкой доступности титан Grade 2 известен как «рабочая лошадка» в индустрии коммерческого чистого титана. Он имеет многие из тех же качеств, что и титан Grade 1, но немного прочнее. Оба одинаково устойчивы к коррозии. Этот сорт обеспечивает хорошую свариваемость, прочность, пластичность и формуемость. Это делает титановые стержни и пластины класса 2 лучшим выбором для многих применений, таких как строительство, энергетика и медицинская промышленность.

3-й степени

Эта марка используется реже всего из технически чистых марок титана, но это не делает ее менее ценной. Класс 3 прочнее, чем классы 1 и 2, аналогичен по пластичности и лишь немного хуже поддается формованию. – но он обладает более высокими механическими характеристиками, чем его предшественники. Класс 3 используется в приложениях, требующих умеренной прочности и первичной коррозионной стойкости, таких как аэрокосмическая, химическая, морская промышленность и т. д.

4 класс

Он считается самым прочным из четырех типов технически чистого титана. Он также известен своей превосходной коррозионной стойкостью, хорошей формуемостью и свариваемостью. Используется в некоторых компонентах фюзеляжа, криогенных резервуарах, теплообменниках и других устройствах, требующих высокого разрешения.

7 класс

Механически и физически такой же, как и марка 2, за исключением того, что для придания сплаву добавлен межузельный элемент палладий. Марка 7 обеспечивает превосходную свариваемость и обрабатываемость и является наиболее устойчивым к коррозии из всех титановых сплавов. Поэтому он в основном используется в качестве компонентов в химических процессах и производственном оборудовании.

11 класс

Очень похож на сорт 1, за исключением того, что для повышения коррозионной стойкости добавляется небольшое количество палладия, что делает его сплавом. Эту коррозионную стойкость можно использовать для предотвращения щелевой коррозии и снижения кислотности в хлоридных средах. Другие полезные свойства включают оптимальную пластичность, способность к холодной штамповке, полезную прочность, ударную вязкость и отличную свариваемость. Этот сплав можно использовать в тех же областях применения титана, что и класс 1, особенно там, где требуется коррозия.

5 класс

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 класс

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 класс

Это очень прочный сплав, обеспечивающий высокую прочность при высоких температурах. Титан 12-го класса имеет свойства, аналогичные нержавеющей стали 300-й серии. Сплав может быть подвергнут горячей или холодной формовке с использованием прессования, гидроформовки, формовки с растяжением или методом падающего веса. Его способность формироваться различными способами делает его полезным во многих приложениях. Высокая коррозионная стойкость сплава также делает его бесценным для производственного оборудования, где существует проблема щелевой коррозии.

9 класс

Он изготовлен из чистого титана с добавлением около 3% алюминия и около 2,5% ванадия. Этот сплав обычно обладает превосходной коррозионной стойкостью, высокой прочностью и хорошими сварочными свойствами. Титановый сплав Gr9 широко используется в аэрокосмической, судостроительной, химической промышленности и других областях, особенно там, где требуются высокоэффективные материалы в условиях высоких температур и агрессивных сред. Свойства титанового сплава Гр9 делают его идеальным конструкционным материалом, который можно использовать для изготовления самых разных деталей и узлов.

Рынки применения титана

1. Аэрокосмическая промышленность

Металлический титан широко используется при изготовлении авиационных конструкций и деталей двигателей, таких как фюзеляжи самолетов, лопатки двигателей и т. д.
Его легкие и высокопрочные свойства позволяют самолету снизить вес, повысить топливную экономичность, а также повысить долговечность и безопасность самолета.

2. Медицинский

Металлический титан используется для производства медицинских устройств, таких как костные имплантаты, искусственные суставы и оборудование для восстановления зубов.
Его биосовместимость и коррозионная стойкость делают титан одним из самых идеальных материалов в области медицины.

3. Автопром

В автомобилестроении титан используется для изготовления легких компонентов, таких как выхлопные системы, компоненты подвески и конструкции кузова.
Легкая конструкция может улучшить топливную экономичность, энергетические характеристики и безопасность автомобиля.

4. Морская инженерия

Применение металлического титана в океанотехнике включает в себя опреснение, исследование океана и строительство подводных трубопроводов.
Его коррозионная стойкость и устойчивость к коррозии в морской воде делают титан идеальным материалом для морской среды.

5. Производство спортивных товаров

Титан используется для изготовления высококачественных спортивных товаров, таких как клюшки для гольфа, велосипедные рамы и теннисные ракетки.
Высокая прочность, легкий вес и устойчивость к коррозии обеспечивают титановым изделиям превосходные эксплуатационные характеристики и долговечность.

6. Промышленность

Металлический титан используется в промышленности для производства химического оборудования, инструментов для бурения нефтяных скважин и оборудования для передачи электроэнергии.
Его устойчивость к высоким температурам и коррозионная стойкость делают титан перспективным для использования в суровых промышленных условиях.

Некоторые интересные факты о титане

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.