تیتانیوم چیست و آلیاژهای آن

تیتانیوم یک عنصر با عدد اتمی 22 در جدول تناوبی عناصر است که با نماد Ti آن را نشان می دهند. این فلز براق نقره‌ای رنگ چشم نواز در جدول تناوبی به دسته فلزات واسطه تعلق دارد .

فلز تیتانیوم خالص در دمای حدود 1670 درجه سانتیگراد ذوب می گردد و چگالی آن 4.51 گرم در سانتی متر است . به همین دلیل این فلز برای استفاده در اجزایی که در دماهای بالا کار می کنند، علی الخصوص در مواردی که به نسبت مقاومت به وزن زیاد نیاز دارند، مناسب است.

فلز تیتانیوم قابل اشتعال بوده و در شرایطی که در دمای بالا بر روی فلزات دیگر ساییده می شود،ممکن است آتش بگیرد و آسیب جدی برساند. این دقیقا همان چیزی است که کاربرد آن را در محیط سخت موتورهای هوایی، در مناطقی که درجه حرارت از 400 درجه سانتیگراد تجاوز نمی کند، محدود می کند.

به طور متوسط تیتانیوم را در اکثر موارد به صورت آلیاژهایی با دیگر فلزات استفاده می‌کنند .

در حالت کلی آلیاژهای تیتانیوم را می توان به چهار دسته اصلی تقسیم کرد، که این نوع دسته بندی به ساختار شیمیایی اساسی و نحوه دستکاری آنها در هنگام ساخت بستگی دارد.

• آلومینیوم
• مولیبدن
• کبالت
• زیرکونیوم
• قلع و وانادیوم

«آلیاژهای فاز آلفا کمترین مقاومت را دارند، اما شکل پذیر و قابل جوش هستند. آلیاژهای آلفا بعلاوه بتا از مقاومت بالایی برخوردار هستند. آلیاژهای نزدیک آلفا از مقاومت متوسطی برخوردارند اما مقاومت در برابر خزش خوبی دارند. آلیاژهای فاز بتا دارای بیشترین مقاومت در برابر آلیاژهای تیتانیوم هستند اما فاقد شکل پذیری نیز هستند.»

مهمترین آلیاژ از این فلز با ارزش معمولا از ترکیب 90 درصد تیتانیوم، 6 درصد آلومینیوم و ۴ درصد وانادیوم تشکیل شده است که آن را به صورت Ti−6Al−4VTi−6Al−4V نمایش می‌دهند.

تیتانیوم می تواند با آهن، آلومینیوم، وانادیوم و مولیبدن آلیاژ شود و سایر آلیاژهای سبک برای هوا فضا (موتورهای جت ، موشک ها و فضاپیماها)، فرآیندهای نظامی، صنعتی (مواد شیمیایی و پتروشیمی، نیروگاه های آب شیرین کن، تفاله، و کاغذ)، خودرو، کشاورزی، پروتزهای پزشکی، کاشت ارتوپدی، ابزار و پرونده های دندانپزشکی و ریشه ، کاشت دندان ، کالاهای ورزشی ، جواهرات ، تلفن های همراه و سایر کاربردها.

دو خاصیت مفید این فلز مقاومت در برابر خوردگی و نسبت مقاومت به چگالی است که بالاترین میزان در بین عناصر فلزی است. در شرایط غیر آلیاژی ، تیتانیوم به اندازه بعضی از فولادها محکم است اما از تراکم کمتری برخوردار است.

دو نوع آلوتروپیک و پنج ایزوتوپ این عنصر وجود دارد که 46 Ti تا 50 Ti است و 48 Ti بیشترین فراوانی را دارد (73.8٪ ). گرچه تعداد الکترونهای ظرفیت یکسانی دارند و در جدول تناوبی در یک گروه قرار دارند ، اما تیتانیوم و زیرکونیوم از نظر بسیاری از خصوصیات شیمیایی و فیزیکی تفاوت دارند.

تولید جهانی تیتانیوم بسیار اندک است، صدها هزار تن که در مقایسه با فولاد با 750 میلیون تن در سال است. 80 ٪ از کل تیتانیوم تولید شده در صنایع هوافضا استفاده می شود . فنرهای تعلیق اتومبیل به راحتی و با کاهش بسیار زیاد از وزن تیتانیوم ساخته می شوند اما تیتانیوم در مقادیر زیاد مورد نیاز و مطمئناً با قیمت مورد نیاز برای کاربردهای خودرو موجود نیست. قیمت هدف تیتانیوم باید برای استفاده جدی در اتومبیل های بازار انبوه به حدود 30٪ از ارزش فعلی آن کاهش یابد.

ساختار بلوری تیتانیوم در دما و فشار محیط شش ضلعی بسته بندی شده نزدیک (α) با نسبت c/ نسبت 1.587 است. لغزش در صفحه های هرمی، منشوری و پایه در جهت بسته بندی نزدیک امکان پذیر است . در حدود 890 درجه سانتیگراد ، تیتانیوم تحت یک تغییر شکل آلوتروپیک به یک فاز β مکعبی بدن محور تبدیل می شود که در دمای ذوب پایدار می ماند.

تیتانیوم به دلیل مقاومت خاص بالا و مقاومت در برابر خوردگی عالی، به عنوان اجزای مختلف مانند پره های توربین و مواد زیستی استفاده شده است. با این حال، تیتانیوم ضریب اصطکاک بالا و مقاومت در برابر سایش ضعیف را نشان می دهد . بهبود خصوصیات تریبولوژیکی آلیاژ تیتانیوم با اصلاح سطح لازم است.

عمدتا، نیتریداسیون به طور گسترده ای در زمینه های مختلف مهندسی برای بهبود مقاومت در برابر سایش مواد استفاده شده است. نیترید کردن می تواند سختی سطح را افزایش دهد و دو نوع لایه سطحی ایجاد کند. یک لایه ترکیب نیتروژن و یک لایه انتشار نیتروژن . لایه ترکیب نیتروژن به ویژه به دلیل سختی زیاد، خصوصیات تریبولوژیکی یک ماده را بهبود می بخشد.

منبع 1 ویکی پدیا

منبع 2 شرکت تیتانیوم نظری