Titanium Metal? Everything About This Magical Metal

Titan là gì?

1. Định nghĩa và tính chất cơ bản của Titan

Titan là nguyên tố hóa học có số nguyên tử là 22 và ký hiệu hóa học là Ti. Nó là kim loại chuyển tiếp có mật độ tương đối nhẹ và độ bền tốt. Kim loại titan tồn tại trong tự nhiên dưới dạng khoáng chất như ilmenit và rutile. Đây là nguyên tố phổ biến thứ chín trong lớp vỏ Trái đất, thường xuất hiện ở dạng oxit.

Kim loại titan sở hữu nhiều tính chất vật lý và hóa học tuyệt vời, khiến nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho nhiều ứng dụng. Thứ nhất, kim loại titan có mật độ thấp, khoảng 4,5 gam trên centimet khối, nhẹ hơn nhiều kim loại khác như thép và niken. Điều này làm cho kim loại titan được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực đòi hỏi thiết kế nhẹ, chẳng hạn như ngành hàng không vũ trụ và ô tô.

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. Lịch sử và khám phá kim loại Titan

Kim loại titan được phát hiện lần đầu tiên vào cuối thế kỷ 18. Năm 1801, nhà hóa học người Anh Gregor đã phát hiện ra nguyên tố titan trong một khoáng chất gọi là ilmenit. Sau đó, các nhà hóa học khác bắt đầu nghiên cứu kim loại titan và phát hiện ra nó trong nhiều loại quặng khác nhau.

Năm 1840, nhà hóa học người Đức Martin Heinrich Klapoulos lần đầu tiên chiết xuất thành công kim loại titan và đặt tên cho kim loại này là “titan” để tỏ lòng thành kính với Titan khổng lồ trong thần thoại Hy Lạp. Tuy nhiên, phải đến những năm 1940, kim loại titan mới bắt đầu được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Với sự phát triển của công nghệ luyện kim và giảm chi phí, kim loại titan dần trở thành vật liệu quan trọng cho nhiều ứng dụng khác nhau.

3. Tính năng của Titan

Nhìn chung, kim loại titan có những đặc điểm chính sau:

3.1 Chống ăn mòn tốt: Kim loại titan có thể chống lại sự ăn mòn từ nhiều hóa chất, bao gồm cả nước biển và dung dịch axit. Điều này làm cho nó trở thành sự lựa chọn lý tưởng cho các ngành công nghiệp hóa chất và kỹ thuật hàng hải.

3.2 Tương thích sinh học: Kim loại titan có khả năng tương thích sinh học tốt với các mô của con người, khiến nó được sử dụng rộng rãi trong sản xuất khớp nhân tạo và cấy ghép nha khoa.

3.3 Đặc tính chịu nhiệt độ cao tốt: Titanium có điểm nóng chảy cao, khoảng 1.668 độ C (3.034 độ F), kim loại Titanium vẫn duy trì tính chất cơ học tốt và ổn định ở nhiệt độ cao, điều này khiến nó trở nên quan trọng trong môi trường nhiệt độ cao như động cơ máy bay và tua bin khí.

3.4 Cường độ cao và mật độ thấp: Mặc dù mật độ thấp, kim loại titan có độ bền cao và so sánh mật độ và độ bền tuyệt vời. Điều này làm cho titan trở thành vật liệu lý tưởng để sản xuất các thiết bị hàng không vũ trụ, phụ tùng ô tô và các sản phẩm khác cần trọng lượng nhẹ.

3.5 Độ dẫn nhiệt tuyệt vời: Kim loại titan có tính dẫn nhiệt tốt, mang lại lợi thế trong việc sản xuất bộ tản nhiệt, bộ làm mát và các sản phẩm khác hiệu suất cao.

Sản xuất và gia công kim loại Titan

1. Phương pháp chiết xuất và điều chế kim loại titan

Phương pháp chiết xuất: Việc chiết xuất kim loại titan chủ yếu được thực hiện bằng hai phương pháp, đó là phương pháp Claus và phương pháp clo hóa. Phương pháp Claus là phương pháp được sử dụng phổ biến nhất để thu được kim loại titan có độ tinh khiết cao hơn bằng cách khử quặng oxit titan. Nguyên tắc clo hóa là phản ứng oxit titan với khí clo để tạo ra titan clorua, sau đó thu được kim loại titan thông qua phản ứng khử.

Quá trình thanh lọc: Sau khi thu được kim loại titan, cần phải thực hiện một loạt quy trình tinh chế để cải thiện độ tinh khiết và hiệu suất của nó. Các quá trình này bao gồm nấu chảy chân không, phương pháp oxit pha khí và phương pháp plasma.

2. Công nghệ gia công: rèn, cán và tạo hình

Rèn: Kim loại titan có thể được rèn nóng hoặc nguội để cải thiện tính chất cơ học và cấu trúc của nó. Rèn nóng thích hợp cho các bộ phận có biến dạng lớn và hình dạng phức tạp, trong khi rèn nguội thích hợp để gia công các bộ phận nhỏ và các bộ phận chính xác.

Lăn: Kim loại titan cũng có thể được sản xuất bằng cách cán nóng và cán nguội để chuẩn bị các sản phẩm như tấm, dải và ống. Cán nóng có thể thu được sản phẩm có kích thước và độ dày lớn hơn, trong khi cán nguội có thể thu được chất lượng bề mặt và độ chính xác kích thước cao hơn.

Đúc: Kim loại titan cũng có thể được sử dụng để chế tạo các bộ phận và sản phẩm có hình dạng khác nhau thông qua các quy trình như đúc khuôn, ép phun và in 3D. Các quy trình đúc này phù hợp để sản xuất các bộ phận có hình dạng và cấu trúc phức tạp.

Sự khác biệt giữa hợp kim Titan nguyên chất và Titan

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

Nó là một hợp kim dựa trên titan và được bổ sung thêm các nguyên tố khác. Nó là một kim loại tương đối trẻ, có lịch sử chỉ sáu mươi hoặc bảy mươi năm kể từ khi được phát hiện. Vật liệu hợp kim titan có đặc tính trọng lượng nhẹ, độ bền cao, độ đàn hồi thấp, chịu nhiệt độ cao và chống ăn mòn. Chúng chủ yếu được sử dụng trong động cơ hàng không vũ trụ, tên lửa, tên lửa và các bộ phận khác. Titan có hai tinh thể đẳng hình. Titan là một đồng phân có nhiệt độ nóng chảy 1720°C. Nó có cấu trúc mạng tinh thể lục giác khép kín khi nhiệt độ thấp hơn 882°C, được gọi là alpha titan; nó có cấu trúc tập trung vào cơ thể ở nhiệt độ trên 882°C. Cấu trúc mạng tinh thể, được gọi là beta titan, sử dụng các đặc tính khác nhau của hai cấu trúc titan trên, thêm các nguyên tố hợp kim thích hợp và thay đổi dần nhiệt độ chuyển pha và hàm lượng pha để thu được hợp kim titan có cấu trúc khác nhau.

Các lớp Titan

Lớp 1

Đây là loại đầu tiên trong bốn loại titan tinh khiết công nghiệp. Nó là loại mềm nhất và dễ uốn nhất trong số các loại này. Nó cung cấp khả năng định dạng tối đa, khả năng chống ăn mòn tuyệt vời và độ bền va đập cao. Loại 1 là vật liệu được lựa chọn cho bất kỳ ứng dụng nào yêu cầu dễ tạo hình và thường được sử dụng làm vật liệu tấm titan Và ống titan.

Cấp 2

Do tính sẵn có đa dạng và rộng rãi, titan loại 2 được biết đến như là “con ngựa thồ” của ngành công nghiệp titan nguyên chất thương mại. Nó có nhiều đặc tính giống như titan loại 1 nhưng mạnh hơn một chút. Cả hai đều có khả năng chống ăn mòn như nhau. Lớp này cung cấp khả năng hàn, sức mạnh, độ dẻo và khả năng định hình tốt. Điều này làm cho thanh và tấm titan loại 2 trở thành lựa chọn hàng đầu cho nhiều ứng dụng như xây dựng, sản xuất điện và ngành y tế.

Lớp 3

Loại này ít được sử dụng nhất trong số các loại titan nguyên chất về mặt thương mại, nhưng điều đó không làm cho nó kém giá trị hơn. Lớp 3 mạnh hơn Lớp 1 và 2, độ dẻo tương tự và chỉ kém hình thành hơn một chút – nhưng nó sở hữu cơ khí cao hơn so với những người tiền nhiệm. Lớp 3 được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi cường độ vừa phải và khả năng chống ăn mòn sơ cấp, như hàng không vũ trụ, xử lý hóa chất, công nghiệp hàng hải, v.v.

Khối 4

Nó được coi là loại mạnh nhất trong bốn loại titan nguyên chất thương mại. Nó cũng được biết đến với khả năng chống ăn mòn tuyệt vời, khả năng định dạng tốt và khả năng hàn. Được sử dụng trong một số bộ phận thân máy bay, bình đông lạnh, bộ trao đổi nhiệt và các ứng dụng khác đòi hỏi độ nét cao.

lớp 7

Về mặt cơ học và vật lý giống như Loại 2, ngoại trừ nguyên tố xen kẽ palladium đã được thêm vào để biến nó thành hợp kim. Lớp 7 mang lại khả năng hàn và khả năng làm việc tuyệt vời và có khả năng chống ăn mòn cao nhất trong tất cả các hợp kim titan. Vì vậy nó chủ yếu được sử dụng làm linh kiện trong các quy trình hóa học và thiết bị sản xuất.

lớp 11

Rất giống với Loại 1, ngoại trừ một lượng nhỏ paladi được thêm vào để tăng cường khả năng chống ăn mòn, khiến nó trở thành hợp kim. Khả năng chống ăn mòn này có thể được sử dụng để ngăn chặn sự ăn mòn kẽ hở và khử axit trong môi trường clorua. Các đặc tính hữu ích khác bao gồm độ dẻo tối ưu, khả năng tạo hình nguội, độ bền hữu ích, độ bền va đập và khả năng hàn tuyệt vời. Hợp kim này có thể được sử dụng trong các ứng dụng titan tương tự như Lớp 1, đặc biệt khi cần ăn mòn.

Lớp 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.

Lớp 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.

Lớp 12

Nó là một hợp kim có độ bền cao, cung cấp sức mạnh lớn ở nhiệt độ cao. Titan lớp 12 có đặc tính tương tự thép không gỉ 300 series. Hợp kim có thể được tạo hình nóng hoặc lạnh bằng cách sử dụng phương pháp tạo hình ép, tạo hình bằng hydro, tạo hình kéo dài hoặc phương pháp giảm trọng lượng. Khả năng hình thành theo nhiều cách khác nhau khiến nó trở nên hữu ích trong nhiều ứng dụng. Khả năng chống ăn mòn cao của hợp kim cũng làm cho nó trở nên vô giá đối với các thiết bị sản xuất mà vấn đề ăn mòn ở kẽ hở là mối lo ngại.

Lớp 9

Nó được làm bằng titan nguyên chất với khoảng 3% nhôm và khoảng 2,5% vanadi được thêm vào. Hợp kim này thường có khả năng chống ăn mòn tuyệt vời, độ bền cao và đặc tính hàn tốt. Hợp kim titan Gr9 được sử dụng rộng rãi trong ngành hàng không vũ trụ, đóng tàu, thiết bị hóa học và các lĩnh vực khác, đặc biệt khi cần vật liệu hiệu suất cao trong môi trường nhiệt độ cao và ăn mòn. Các đặc tính của hợp kim titan Gr9 làm cho nó trở thành vật liệu kết cấu lý tưởng có thể được sử dụng để sản xuất nhiều bộ phận và linh kiện khác nhau.

Thị trường ứng dụng của Titan

1. Hàng không vũ trụ

Kim loại titan được sử dụng rộng rãi trong sản xuất các cấu trúc và bộ phận động cơ máy bay, như thân máy bay, cánh động cơ, v.v.
Đặc tính nhẹ và độ bền cao của nó cho phép máy bay giảm trọng lượng, cải thiện hiệu suất nhiên liệu và nâng cao độ bền và độ an toàn của máy bay.

2. Y tế

Kim loại titan được sử dụng để sản xuất các thiết bị y tế như cấy ghép xương, khớp nhân tạo và thiết bị phục hồi răng.
Khả năng tương thích sinh học và khả năng chống ăn mòn của nó khiến titan trở thành một trong những vật liệu lý tưởng nhất trong lĩnh vực y tế.

3. Công nghiệp ô tô

Trong sản xuất ô tô, titan được sử dụng để chế tạo các bộ phận nhẹ như hệ thống ống xả, bộ phận treo và cấu trúc thân xe.
Thiết kế nhẹ có thể cải thiện hiệu quả sử dụng nhiên liệu, hiệu suất năng lượng và độ an toàn của xe.

4. Kỹ thuật hàng hải

Việc ứng dụng kim loại titan trong kỹ thuật đại dương liên quan đến việc khử muối, thăm dò đại dương và đường ống dưới biển.
Khả năng chống ăn mòn và chống ăn mòn của nước biển khiến titan trở thành vật liệu lý tưởng cho môi trường biển.

5. Sản xuất đồ thể thao

Titan được sử dụng để sản xuất các mặt hàng thể thao cao cấp như gậy golf, khung xe đạp và vợt tennis.
Độ bền cao, trọng lượng nhẹ và khả năng chống ăn mòn mang lại cho sản phẩm titan hiệu suất và độ bền tuyệt vời.

6. Công nghiệp

Kim loại titan được sử dụng trong công nghiệp để sản xuất thiết bị hóa học, dụng cụ khoan dầu và thiết bị truyền tải điện.
Độ bền nhiệt độ cao và khả năng chống ăn mòn khiến kim loại titan có triển vọng sử dụng trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt.

Một số sự thật thú vị về Titan

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.