خواص تیتانیوم

ویژگی های عمومی تیتانیوم

تیتانیوم خالص در دمای محیط ساختار کریستالی  هگزاگونال (شش وجهی) آلفا α فشرده داشته که در دمای تقریبا 885ºC  (1625 ºF تبدیل به ساختار BCC – بتا  می شود. این دمای انتقال به عنوان تبدیل β شناخته می شود که بسته به نوع و مقادیر ناخالصی یا افزودنی های آلیاژی میتواند کاهش یا افزایش یابد. در دمای محیط تیتانیوم خالص تجاری به شکل فاز آلفا می باشد. با افزودن عناصر آلیاژی به تیتانیوم، مقادیر هر فاز و دمای تبدیل بتا تغییر میکند.

دیاگرام فازی آلیاژ تیتانیوم

تاریخچه تیتانیوم

پس از کشف تیتانیوم در ایلمنیت در سال 1791، توسط  شیمی دان انگلیسی William Gregor ، شیمی دان آلمانی M.H.Klaproth در سال 1793 تیتانیوم رو به عنوان یک فلز مستقل کشف کرد. اون کلمه تیتانیوم را از نام Titan از اساطیر یونانی اقتباس کرد که به معنای ” تجسم استحکام طبیعت” می باشد. در سال 1797 او دریافت  که تیتانیوم اکتشافی او مشابه همان فلزی ست که Gregor یافته بود.

خواص اتمی، فیزیکی و شیمیایی تیتانیوم

خواص اتمی، فیزیکی و شیمیایی تیتانیوم
عدد اتمی	22
جرم اتمی	47.90
نقطه ذوب	1660 ºC
نقطه جوش	3287 ºC
شعاع اتمی	147 pm
ظرفیت	2،3،4
رنگ	نقره ای
حالت استاندارد	جامد
گروه	4B
انرژی یونیزاسیون	658 Kj/mol
شعاع یونی	0.09 nm (+2) ; 0.068 nm (+4)
شکل الکترونی	[Ar] 3d1 4s2
الکترونگاتیوی	1.5
حالت اکسیداسیون	4
چگالی	4.51 g/cm3
دوره تناوبی	4
شماره سطح انرژی یونیزاسیون	4
شعاع کووالانسی	136 pm
شعاع واندروالس	0.147 nm
گرمای تبخیر	425 Kj/mol

ایزوتوپ های تیتانیوم

نیمه عمر	ایزوتوپ
52.0 سال	Ti-44
3.07 ساعت	Ti-45
پایدار	Ti-46
پایدار	Ti-47
پایدار	Ti-48
پایدار	Ti-49
پایدار	Ti-50
5.76 دقیقه	Ti-51

خواص فیزیکی، مکانیکی و حرارتی تیتانیوم

تیتانیوم و آلیاژهای آن هدایت حرارتی بسیار پایین و مقاومت الکتریکی بالایی دارند. تیتانیوم خالص استحکام تسلیمی برابر با فولادهای کم آلیاژ داشته با این تفاوت که به میزان 45% سبک تر از آنها ست. گرچه تیتانیوم تقریبا 60% چگال تر از آلومینیوم می باشد استحکام آن دو برابر آلیاژهای آلومینیوم ساختاری می باشد.

خواص  مکانیکی و حرارتی تیتانیوم
استحکام تسلیم تیتانیوم خالص- درجه 1 تیتانیوم خالص- درجه 2 تیتانیوم خالص- درجه 3 تیتانیوم خالص- درجه 4	170 MPa 275 MPa 380 MPa 485 MPa
استحکام تسلیم تیتانیوم خالص- درجه 1 تیتانیوم خالص- درجه 2 تیتانیوم خالص- درجه 3 تیتانیوم خالص- درجه 4	102/7 GPa 102/7 GPa 103/7 GPa 104/1 GPa
سختی برینل ویکرز	716 MPa 970 MPa
چگالی	4.5 g/cm3
گرمای تبخیر	425 KJ/mol

منابع تیتانیوم

در حال حاضر بیش از 70 نوع کانی تیتانیوم شناخته شده است که تیتانیوم را به صورت ترکیب در خود جای داده اند. تولید تجاری تیتانیوم عمدتاً از کانی های ایلمنیت (FeTiO2) و روتیل (TiO2) صورت می گیرد این دو کانی همچنین دارای وانادیم،اسکاندیم، ناتالیوم و نیوبیوم می باشند. از دیگر کانی های تیتانیوم لوکوکسن می باشد. تیتانیوم را از آناتاز و لوپاریت نیز می توان بدست آورد.

• ایلمنیت Ilmenite

این کانی با فرمول FeTiO3 و وزن مخصوص g/cm3  5-5/4  بوده و دارای خاصیت مغناطیسی ضعیف می باشد. این کانی دارای وانادیم،اسکاندیم، تانتالیم و نیوبیوم می باشد.

• روتیل Rutile

نام روتیل از کلمه لاتین روتیلوس Rutilos به معنی سرخی گرفته شده است. این کانی با فرمول TiO2 و وزن مخصوص g/cm3 3/4-2/4 ، جلای الماسی یا فلزی، سختی 6 داشته و شکننده و غیر مغناطیسی می باشد.

60% ترکیب شیمیایی این کانی تیتانیوم بوده و دارای ناخالصی می باشد. این کانی در سیستم تبلور کوبیک متبلور شده است و به رنگ زرد تیره، قهوه ای ، سرخ یا سیاه است و دارای وانادیم، اسکاندیم، تانتالیم و نیوبیوم می باشد.

پودر روتیل به رنگ سفید یا تقریباً سفید و بدون بو بوده و در آب و اسیدهای معدنی رقیق نامحلول است ولیکن در اسید سولفوریک گرم به آرامی حل می شود و در اسید فلوئوریدریک نیز محلول است.

• تیتانیت (اسفن)  Sphene & Titanite

کانی اسفن یک سیلیکات کلسیم و تیتانیم دارای چگالی g/cm3 55/3 – 45/3 می باشد .این کانی عمدتاً بیرنگ و در برخی مواقع دارای چندرنگی زرد تا قهوه ای و قرمز است. این کانی دارای شکل تا بی شکل و شکننده بوده و در مقاطع عرضی لوزی شکل می باشد. برجستگی آن زیاد و انیزوتروپ می باشد. این کانی در سیستم تبلور منوکلینیک متبلور می شود.

سایر کانی های غیر اقتصادی تیتانیوم عبارتند از :

• آناتاس یا آناتاز (TiO2)
• بروکیت
• پروفسکیت CaTiO2
• مگنتیت یا هماتیت تیتانیم دار
• لوپاریت
• اولواسپینل
• لوکوکسن

کاربردهای تیتانیوم

به علت داشتن استحکام به چگالی بالا، مقاومت به خوردگی خوب، مقاومت به خستگی و رشد ترک، مقاومت دما بالا بدون خزش، از آلیاژهای تیتانیوم به طور وسیعی در صنایع هوافضا، هم در هواپیما هم قطعات موتوری استفاده می شود. در هواپیماهای مسافربری تجاری، فن، کمپرسورهای فشار پایین و تقریبا ⅔ کمپرسورهای فشار بالا از آلیاژهای تیتانیوم ساخته می شود. به علت هزینه بالای تولید، آلیاژهای تیتانیوم بیشتر در هواپیماهای نظامی به کار می رود تا هواپیماهای تجاری. به عنوان مثال تقریبا 42% وزن ساختاری جنگنده F-22 از تیتانیوم بوده در حالی که بوئینگ 757 تنها حاوی 5% تیتانیوم می باشد.

مقاومت به خوردگی عالی تیتانیوم آن را به عنوان فلزی با ارزش در صنایع شیمیایی و پتروشیمی مانند تولید لوله، مبدل های حرارتی، فیلترها و … مطرح کرده است. همچنین در صنایع کاغذ سازی و تهیه خمیر کاغذ که در معرض هیدروکلرایت سدیم خورنده و گازهای مرطوب کلراین قرار دارد نیز از آن استفاده می شود. به علت مقاومت عالی در برابر آب شور، تیتانیوم در شفت پروانه ای کشتی به کار برده می شود.

به علت آن که این فلز با بدن انسان زیست سازگار است، رشد قابل توجهی در کاربردهای پزشکی تیتانیوم رخ داده است مانند ساخت ایمپلنت های بدنی و دندانی و دریچه قلب. مدول الاستیک پایین تیتانیوم نسبت به فولاد زنگ نزن با استخوان های بدن انسازی بیشتر تطبیق داشته  که موجب می شود در دوره های زمانی طولانی کمترین اعوجاج ایجاد شود.

همچنین در صنایع ورزشی هم مثل راکت تنیس، چارچوب دوچرخه، اسکی و… نیز استفاده می شود.

تقریبا 95% کانی تیتانیوم به دی اکسید تیتانیوم تصفیه شده و به عنوان رنگدانه در صنایع رنگ، کاغذ، خمیردندان و پلاستیک استفاده می شود.

مزایای تیتانیوم و آلیاژهای آن

 مزایای تیتانیوم و آلیاژهای آن عبارتند از:

• نسبت استحکام به وزن بالا آلیاژهای تیتانیوم به آنها اجازه میدهد در بسیاری از کاربردهایی که نیاز به استحکام و چقرمگی شکست بالا می باشد جایگزین فولاد شوند.
• با چگالی حدود g/cm3 5/4 (lb/in3 16/0)، آلیاژهای تیتانیوم تنها حدود نصف سنگینی فولاد و سوپر آلیاژهای پایه نیکلی را داشته که نتیجه آن حصول نسبت های استحکام به وزن بالا ست.
• آلیاژهای تیتانیوم استحکام خستگی بهتری نسبت به سایر آلیاژهای سبک ، مانند آلیاژهای آلومینیوم و منیزیم، دارا هستند.
• آلیاژهای تیتانیوم بسته به مشخصات آلیاژ می توانند در دماهای بالا، C º 590-370 (F º 1100-700) کار کنند.
• مقاومت به خوردگی آلیاژهای تیتانیوم در مقایسه با فولاد و آلیاژهای آلومینیوم چشم گیر است.

اثر عناصر آلیاژی

1- پایدارکننده آلفا (α)

پایدار کننده های آلفا عناصری هستند که دمای تبدیل بتا را با پایدار کردن فاز آلفا افزایش میدهند و شامل آلومینیوم، اکسیژن، نیتروژن و کربن میباشند. آلومینیوم پایدارساز اصلی آلفا بوده و استحکام تسلیم، استحکام خزش و مدول الاستیک را افزایش میدهد.

2- پایدارکننده بتا (β)</s