Caracterizarea și aplicarea titanului și a aliajelor bazate pe acesta

Caracteristici și proprietăți

Titanul este un element chimic cu simbolul Ti și numărul atomic 22. Acesta este un metal strălucitor cu culoare argintie, densitate scăzută și rezistență ridicată. Este rezistent la coroziune în apa de mare și clor.

Elementul are loc într-o serie de depozite minerale, în principal rutile și ilmenitul, care sunt răspândite pe scară largă în crusta și litosfera pământului.

Titanul este utilizat pentru producerea de aliaje ușoare puternice. Cele două proprietăți cele mai utile ale metalului sunt rezistența la coroziune și raportul dintre duritate și densitate, cea mai mare din orice element metalic. În statul său nelegat, acest metal este la fel de puternic ca o oțel, dar mai puțin dens.

Proprietățile fizice ale metalului

Acesta este un metal puternic cu o densitate scăzută, mai degrabă plastic (mai ales într-un mediu lipsit de oxigen), strălucitor și alb-metalic. Un punct de topire relativ ridicat de peste 1650 ° C (sau 3000 ° F) îl face util ca metal refractar. Este paramagnetic și are o conductivitate electrică și termică relativ scăzută.

Conform scalei Mohs, duritatea titanului este 6. Potrivit acestui indice, este ușor inferior la oțelul întărit și la tungsten.

Titanul pur comercial (99,2%) are o rezistență maximă la tracțiune de aproximativ 434 MPa, care corespunde aliajelor convenționale de oțel inferior, dar titanul este mult mai ușor.

Proprietăți chimice ale titanului

Ca și aluminiul și magneziul, titanul și aliajele sale sunt imediat oxidate când sunt expuse aerului. Reacționează încet cu apă și aer la temperatura ambiantă, deoarece formează un strat pasiv de oxid, care protejează metalul în vrac de oxidare ulterioară.

Pasivarea atmosferică conferă titanului o excelentă rezistență la coroziune aproape echivalentă cu platina. Titanul este capabil să reziste la atacul acizilor sulfurici și acizilor clorurați diluați, soluțiile de clor și majoritatea acizilor organici.

Titanul este unul dintre puținele elemente care ard în azot pur, reacționând la 800 ° C (1470 ° F) pentru a forma nitrura de titan. Datorită reactivității lor înalte cu oxigen, azot și alte gaze, filamentele de titan sunt folosite în pompele de sublimare de titan ca agenți de curățare pentru aceste gaze. Astfel de pompe sunt ieftine și produc în mod fiabil o presiune extrem de scăzută în sistemele de vid ultrahigh.

Mineralele tipice cu titan sunt anataza, brookitul, ilmenitul, perovskitul, rutilul si titanitul (sfera). Dintre aceste minerale, numai rutile și ilmenitul sunt de importanță economică, dar chiar și ele sunt greu de găsit în concentrații mari.

Titanul se găsește în meteoriți și se găsește pe stelele de tip Sun și M, cu o temperatură a suprafeței de 3200 ° C (5790 ° F).

Metodele actuale cunoscute de extragere a titanului din diferite minereuri sunt consumatoare de timp și costisitoare.

Producție și producție

În prezent, sunt dezvoltate și utilizate aproximativ 50 de grade de titan și aliaje de titan. Până în prezent sunt recunoscute 31 de clase de metal și aliaje de titan, din care clasele 1-4 sunt pure din comerț (nealiniate). Acestea diferă în rezistența la tracțiune în funcție de concentrația de oxigen, cu clasa 1 este cea mai ductil (cea mai mică rezistență la tracțiune, cu un conținut de oxigen de 0,18%) și Clasa 4 - cel mai puțin plastic (rezistența maximă la tracțiune la un conținut de oxigen de 0,40% ).

Restul clasei sunt aliaje, fiecare având proprietăți specifice:

• plasticitate;
• rezistență;
• tenacitate;
• rezistența electrică;
• rezistența specifică la coroziune și combinațiile acestora.

În plus față de aceste specificații, aliaje de titan sunt, de asemenea, făcute pentru a îndeplini cerințele tehnologiei aerospațială și de apărare (SAE-AMS, MIL-T), standardele ISO și specificațiile pentru anumite țări, precum și cerințele utilizatorului final pentru industria aerospațială, militare, medicale și aplicații industriale.

Produsul plat (comercializat pe bază de placă) poate fi ușor format, dar tratamentul trebuie să țină cont de faptul că metalul are o "memorie" și tendința de a se întoarce. Acest lucru este valabil mai ales pentru unele aliaje cu rezistență ridicată.

Titanul este adesea folosit pentru fabricarea aliajelor:

• cu aluminiu;
• cu vanadiu;
• cu cupru (pentru solidificare);
• cu fier;
• cu mangan;
• cu molibden și alte metale.

aplicații

Aliajele de titan sub formă de foi, plăci, tije, fire, piese turnate sunt utilizate pe piețele industriale, aerospațiale, recreaționale și emergente. Titanul sub formă de pudră este utilizat în pirotehnica ca sursă de particule de ardere strălucitoare.

Deoarece aliaje de titan au o rezistență ridicată la tracțiune la o densitate, o bună rezistență la coroziune, oboseală, rezistență ridicată la fisurare și capacitatea de a rezista la rezistență la temperaturi ridicate moderat, acestea sunt utilizate pentru aeronave, cu rezerve, în vehicule marine, nave spațiale și rachete.

Pentru aceste aplicații, titan aliat cu aluminiu, zirconiu, nichel, vanadiu, și alte elemente pentru producerea diferitelor componente, inclusiv componente critice, pereți de incendiu, șasiul, țeava de eșapament (elicoptere) și sistemul hidraulic. De fapt, aproximativ două treimi din metalul de titan produs este utilizat în motoare și rame de aeronave.

Deoarece aliaje de titan rezistente la coroziune apa de mare, acestea sunt utilizate pentru producerea schimbătoarelor de căldură de arbori de fabricație, etc ... Aceste aliaje sunt folosite în carcasele și componentele dispozitivelor de observare pentru știință de monitorizare și oceanelor și militare.

Aliajele specifice sunt utilizate în puțuri și puțuri de țiței și hidrometalurgie de nichel pentru rezistența lor ridicată. Industria celulozei și hârtiei utilizează titan în echipamentele de prelucrare expuse la medii corozive, cum ar fi hipocloritul de sodiu sau gazul de clor umed (în decolorare). Alte aplicații includ sudarea cu ultrasunete, lipirea cu valuri.

În plus, aceste aliaje sunt folosite în automobile, în special în cursele de automobile și motociclete, unde greutatea redusă, rezistența ridicată și rigiditatea sunt extrem de importante.

Titan este utilizat în mai multe articole sportive, cum ar fi rachete de tenis, cluburi de golf, arbori de cricket lakrossa-, hochei, lacrosse, și căști de fotbal, precum și cadre de biciclete și componente.

Datorită durabilității sale, titanul a devenit mai popular pentru bijuterii de designer (în special inele de titan). Inerția sa face o alegere bună pentru persoanele cu alergii sau pentru cei care vor purta bijuterii în medii precum piscinele. Titanul este, de asemenea, aliat cu aur pentru a produce un aliaj care poate fi vândut ca aur de 24 de carate, deoarece 1% din aliajul Ti nu este suficient pentru a solicita o marcă mai mică. Aliajul rezultat este aproximativ duritatea aurului de 14 carate și este mai puternic decât aurul pur de 24 de carate.

măsuri de precauție

Titanul este netoxic chiar și la doze mari. Sub formă de pulbere sau sub formă de așchii de metal, reprezintă un pericol grav de incendiu și, atunci când este încălzit în aer, riscul unei explozii.

Proprietăți și aplicații ale aliajelor de titan

Mai jos este o prezentare generală a celor mai uzuale aliaje de titan, care sunt împărțite în clase, proprietățile, avantajele și aplicațiile industriale.

Gradul 7

Clasa 7 este echivalent mecanic și fizic cu titanul pur clasa 2, cu excepția adăugării unui element intermediar de paladiu, care îl face un aliaj. Are o sudabilitate și o elasticitate excelentă, cea mai mare rezistență la coroziune a tuturor aliajelor de acest tip.

Clasa 7 este utilizată în procesele chimice și în componentele echipamentelor de producție.

Gradul 11

Clasa 11 este foarte asemănătoare cu cea din clasa 1, cu excepția adăugării de paladiu pentru a îmbunătăți rezistența la coroziune, ceea ce îl face un aliaj.

Alte proprietăți utile includ ductilitatea optimă, rezistența, duritatea și o sudabilitate excelentă. Acest aliaj poate fi folosit în special în cazurile în care coroziunea provoacă probleme:

• tratament chimic;
• producția de clorați;
• desalinizarea;
• aplicații marine.

Ti 6Al-4V, clasa 5

Aliajul Ti 6AL-4V sau titanul 5 este cel mai frecvent utilizat. Acesta reprezintă 50% din consumul total de titan în întreaga lume.

Ușurința de utilizare constă în numeroasele sale avantaje. Ti 6Al-4V poate fi tratat termic pentru a-și îmbunătăți rezistența. Acest aliaj are o rezistență ridicată la o masă mică.

Acesta este cel mai bun aliaj de utilizat în mai multe industrii, cum ar fi industria aerospațială, medicală, marină și chimică. Poate fi folosit atunci când creați:

• turbine de aeronave;
• componentele motoarelor;
• elemente structurale ale aeronavei;
• dispozitive de fixare aerospațială;
• piese automate de înaltă performanță;
• echipament sportiv.

Ti 6AL-4V ELI, clasa 23

Clasa 23 - titan chirurgical. Aliajul Ti 6AL-4V ELI, sau clasa 23, este o versiune cu puritate superioară Ti 6Al-4V. Poate fi făcută din role, fire, fire sau fire plate. Aceasta este cea mai bună alegere pentru orice situație în care este necesară o combinație de rezistență ridicată, greutate redusă, rezistență la coroziune bună și vâscozitate ridicată. Are rezistență excelentă la deteriorare.

Poate fi utilizat în aplicații biomedicale, cum ar fi componente implantabile datorită biocompatibilității sale, rezistență la oboseală bună. Se poate folosi și în procedurile chirurgicale pentru fabricarea unor astfel de structuri:

• pini și șuruburi ortopedice;
• cleme pentru ligatură;
• capse chirurgicale;
• arcuri;
• aparate ortodontice;
• vase criogenice;
• dispozitive de fixare a oaselor.

Gradul 12

Titanul de gradul 12 are o calitate excelentă a sudabilității. Este un aliaj de înaltă rezistență care asigură rezistență bună la temperaturi ridicate. Titanul de calitate 12 are caracteristici similare cu seria 300 din oțel inoxidabil.

Capacitatea sa de a forma în diferite moduri îl face util în multe aplicații. Rezistenta ridicata la coroziune a acestui aliaj o face de asemenea inestimabila pentru echipamentele de productie. Clasa 12 poate fi utilizată în următoarele industrii:

• schimbătoare de căldură;
• aplicații hidrometalurgice;
• producția chimică cu temperaturi ridicate;
• maritim și aerian.

Ti5Al-2,5Sn

Ti 5Al-2,5Sn este un aliaj care asigură o bună sudabilitate cu stabilitate. De asemenea, are stabilitate la temperaturi ridicate și rezistență ridicată.

Ti 5Al-2.5Sn este utilizat în principal în sfera aviației, precum și în instalațiile criogenice.