تیتانیوم در شکل خالص خود یک فلز نقره ای است که به دلیل استحکام و چگالی کم در مقایسه با سایر فلزات سخت مشابه شناخته شده است. با این حال، در بیشتر صنایع، آلیاژ تیتانیوم بسیار رایج تر استفاده می شود.

این فلز به دلیل خواص فیزیکی و شیمیایی آن در صنایع و کاربردهای متنوعی مانند تجهیزات پزشکی، کارخانه های شیمیایی، تاسیسات نظامی و تجهیزات ورزشی مفید است.

خواص تیتانیوم

استحکام بالا، چگالی کم

تیتانیوم خالص به دلیل استحکام خاص خود مشخص می شود که به مقاومت کششی تا 590 مگاپاسکال می رسد. در فرم آلیاژ، این استحکام به طور چشمگیری تا 1250 مگاپاسکال افزایش می یابد (در آلیاژ Ti-15Mo-5Zr-3AI ​​نمایش داده شده است).

استحکام خستگی آن تقریباً نیمی از استحکام کششی آن است و هنگام قرار گرفتن در معرض جوشکاری یا غوطه ور شدن در آب دریا کاهش نمی یابد.

تیتانیوم جزء مناسبی برای کاربردهایی است که به ترکیبی منحصر به فرد از استحکام و سبکی مواد نیاز دارند.

• چگالی: 4.506 گرم بر سانتی متر³
• استحکام کششی: حداقل 200 مگاپاسکال تا بیش از 1300 مگاپاسکال (بسته به خلوص و ترکیب آلیاژ متفاوت است)

مقاومت در برابر خوردگی

از آنجایی که تیتانیوم خالص به راحتی با اکسیژن واکنش می دهد، به طور طبیعی یک لایه اکسیدی تولید می کند که از خود در برابر مواد و محیط های خورنده محافظت می کند. مقاوم در برابر خوردگی در برابر ترکیبات کلر، آب دریا، اسیدهای معمولی و دماهای شدید.

خواص نسوز

تیتانیوم همچنین با خواص فلز نسوز خود مشخص می شود. نقطه ذوب آن فراتر از 1650 درجه سانتیگراد است که به طور قابل توجهی بالاتر از آلومینیوم و فولاد است. در همین حال، ضریب انبساط حرارتی آن 8.6 میکرومتر/(m·K) است که کمتر از فولاد و مس است.

کاربردهای تیتانیوم

صنعت هوافضا

با توجه به دما و مقاومت در برابر خوردگی آلیاژ تیتانیوم، از این ماده در ساخت قطعات هواپیما (قطعات هواپیما و قطعات بست)، اجزای سیستم هیدرولیک و ارابه فرود استفاده می شود.

هواپیمای نظامی لاکهید SR-71 بلک برد عمدتاً از تیتانیوم ساخته شده است و به دلیل سرعت و کارایی طراحی آن مورد توجه قرار گرفته است. اگرچه هواپیمای جاسوسی رادارگریز در اواخر دهه 90 بازنشسته شد، سازندگان هواپیما همچنان به استفاده از تیتانیوم در وسایل نقلیه هوایی مدرن برای افزایش قدرت و در عین حال کاهش وزن ادامه می‌دهند.

شکل 1. هواپیمای نظامی Lockheed SR-71 Blackbird عمدتا از تیتانیوم ساخته شده است.

تجهیزات دریایی

تیتانیوم دارای سطح بالایی از مقاومت در برابر خوردگی در برابر آب دریا است که آن را به یک جزء مناسب برای سکوهای کشتی، تیغه‌ها و شفت‌های پروانه و سایر قطعات غوطه‌ور در آب تبدیل می‌کند.

برنامه های ورزشی

نسبت استحکام به وزن بالای تیتانیوم به طیف وسیعی از کاربردها در صنعت ورزش کمک می کند. این ماده به عنوان اجزای کالاهای ورزشی مانند راکت تنیس، چوب بیسبال، چوب گلف، قاب دوچرخه و تجهیزات اسکی استفاده می شود.

صنعت پزشکی

تیتانیوم به دلیل بی اثر بودن و غیرسمی بودن آن در طیف گسترده ای از کاربردهای پزشکی از جمله ایمپلنت های جراحی، ایمپلنت های دندانی، ابزارهای جراحی و تجهیزات دسترسی استفاده می شود.

پیروتکنیک

تیتانیوم پودری جرقه های سفید روشنی تولید می کند که در آتش بازی استفاده می شود.

رنگدانه

دی اکسید تیتانیوم – شکل اکسید طبیعی فلز – به عنوان یک عامل سفید کننده در رنگ ها، پلاستیک ها و خمیر دندان استفاده می شود.

جواهرات

زیست سازگاری، نسبت استحکام به وزن بالا و خواص مقاوم در برابر خوردگی تیتانیوم در صنعت جواهرسازی برای دستبند، حلقه و زنجیر گردنبند مفید است.

تولید و فرآوری

تیتانیوم خالص به آسانی با اکسیژن واکنش می دهد و بسیاری از تیتانیوم موجود در طبیعت به صورت سنگ معدن یا “اسفنج” به ویژه روتیل (TiO) ظاهر می شود.₂) یا ایلمنیت (FeTiO₃). فرآیند کرول TiOO را استخراج می کند₂ از سنگ معدن از طریق فرآیند احیا در حضور گاز کلر، که تتراکلرید تیتانیوم (TiCl) تولید می کند.₄). پس از خالص سازی از طریق تقطیر جزئی، TiCl₄ توسط فلز منیزیم مذاب در یک ظرف تنظیم شده با درجه حرارت کاهش می یابد تا فلز تیتانیوم خالص تولید شود.

در مورد آلیاژها، تیتانیوم با آلومینیوم، وانادیوم، قلع و/یا پالادیوم و سایر فلزات ترکیب می‌شود. تنوع ترکیبات فهرستی از دسته های تیتانیوم آلفا و بتا را ایجاد می کند. هر درجه برای کاربردهای خاص بر اساس ویژگی های حاصل طراحی شده است.

عملیات حرارتی استحکام آلیاژ تیتانیوم را به ویژه از نظر مقاومت در برابر خستگی، پایداری خزش و یکپارچگی در برابر شکست، بیشتر می‌کند. شرایط عملیات حرارتی تا حد زیادی به ترکیب آلیاژ به منظور بهینه سازی خواص فیزیکی مواد بستگی دارد.