Всичко за титановия метал

Титанът се счита за безценен метал в съвременното инженерство и технологии. В светлината на неговите особености, като способността му да доставя висока якост, ниска плътност, и отлична устойчивост на корозия, това е жизненоважен материал за различни индустрии. Всичко от самолетни крила до тазобедрени протези, титанът се използва в различни части на много неща, които съставляват нашето ежедневие. Използването на титан варира от това да направи самолетите по-дълготрайни, за подобряване на работата на спортното оборудване или укрепване на животоподдържащото медицинско оборудване. В тази статия, ще разберем защо титанът е станал толкова важен. Разглеждане на неговите характеристики, използва, производствени методи, и най-широко използваните степени на пазара в момента.

Какво е Титан?

Титанови метални листове

Титан(немагнитна сплав) е силно твърд, безтегловност, и не корозира лесно. въпреки това, това е сравнително по-скъпо от алуминий, и стомана. В периодичната таблица, титан принадлежи към групата 4 и точка 5 от елементи с атомен номер от 22 и символа "Ti". Титановият метал има лъскава блестяща повърхност, която може да бъде със сив или бял цвят. Титанът може да бъде оцветен в различни нюанси чрез процес, известен като анодиране. Основният принцип се осъществява чрез промяна на напрежението.

освен това, важно е да знаете, че титанът е деветият най-разпространен метал на Земята. Разтворим е в скали, минерали, глина, и пясък. Но, не съществува в първоначалното си състояние в природата. По-скоро, титанът се комбинира с кислород, за да защити компонентите чрез осигуряване на екраниращ слой от титанов диоксид (TiO₂).

Основно, титанът често се среща в неговите рудни форми. Така, чист титан може да се извлече от два минерала: рутил, което е тъмно и подобно на кристал, и илменит, който е сиво-черен на цвят. Освен това, има повече минерали за производство на титан, включително анатаз, perovskite, брукит, и титанит.

Както бе споменато преди, титанът е по-скъп/по-скъп от стомана или алуминий, и въпреки това, обикновено намира своето широко приложение в няколко приложения. Търговски чист титан се предлага за приблизително $18 и $20 на килограм. Нормално, титановите сплави струват повече. Тези разходи могат да варират от 70 да се 80 щатски долари/килограм маса.

Основни свойства на титана

Свойствата на титана се разделят на химични, физически, и механични категории, подчертавайки неговите уникални характеристики за различни приложения.

Таблица: Физически, химически & механични свойства на титан.

Физически свойства	Химични свойства	Механични свойства
Плътност: 4.54 g/cm³	Съдържание на въглерод: ≤ 0.08%	Издръжливост на опън: 200-1,400 MPa
Точка на топене: 1,668°C	Съдържание на желязо: ≤ 0.5%	Сила на провлачване: 200-1,200 MPa
Електропроводимост: 2.38 x 10^6 S/m	Съдържание на кислород: ≤ 0.25%	твърдост (Бринел): 150-400 HB
Топлопроводимост: 21.9 W/m·K	Съдържание на азот: ≤ 0.03%	Удължение (Пластичност): 10-30%
Магнитни свойства: Немагнитни	Съдържание на водород: ≤ 0.015%	Модул на еластичност: 105-120 GPa

Как се прави титанът?

Производството на титан включва няколко ключови стъпки: Нека опишем процеса на производство на титан по следния начин по-долу:

• Добив на титанова руда: Сред всички титанови руди двата най-често използвани вида са илменит (FeTiO₃) и рутил (TiO₂). Следните руди се добиват и обработват с цел получаване на титанов диоксид.
• Превръщане в титанов тетрахлорид (TiCl4): Основните стъпки в производството на титанови съединения включват хлориране на титанов диоксид. По-нататък, трансформира се в титанов тетрахлорид. Съответният процес включва използването на титанов диоксид и хлорен газ и двете се третират чрез топлина.
• Редукция до титанов метал: След това титановият тетрахлорид се редуцира до титанов метал с помощта на Kroll, и Хънтър процеси. В тези процеси, титановият тетрахлорид е направен да реагира с магнезий при високи температури за получаване на титанов и магнезиев хлорид (MgCl).
• Пречистване и легиране: Помня, че материалът титанов метал е чист и трябва да бъде легиран с други компоненти, за да се получат желаните характеристики. Някои от широко използваните съставки на сплавите са алуминият, ванадий, и молибден.
• Обработка и изработка: Тези формуляри включват листови формуляри, пръчковидни форми, и тръбни форми наред с други форми в зависимост от изискванията на потребителите. По-нататък, преминава през различни процеси за производство на готови продукти чрез използване на струговане, заваряване, и кастинг между другото.

Класове титан, които обикновено се използват за производство на части

Титанът се предлага в различни степени в зависимост от предвиденото приложение и спецификацията на материала. Тези степени обикновено се класифицират в зависимост от химичния състав и механичните характеристики. Общите степени на титан са както следва:

1. Степен 1

Описание: Известен като търговски титан, той има най-високата пластичност и най-ниската якост от всички степени на титан.

Химичен състав: 99.5% титан.

Механични свойства:

• Издръжливост на опън:240MPa или 35 ksi
• Сила на провлачване: 170 MPa (25 ksi)
• Удължение:24%

2. Степен 2

Описание: Този клас се характеризира с добра якост и добра пластичност.

Химичен състав: Приблизително 98.9 процента титаново съединение, а останалото е желязо и кислород.

Механични свойства:

• Издръжливост на опън:350 MPa (50 ksi).
• Сила на провлачване: Якостта на опън е до 275 MPa (40 ksi).
• Удължение: 20%

3. Степен 3

Описание: Предвиденият клас е по-силен от класовете 1 и 2 но има по-ниска пластичност в сравнение с двата вида.

Химичен състав: Наоколо 97.5% титан с желязо и кислород като основни легиращи елементи.

Механични свойства:

• Издръжливост на опън: Граница на провлачване на материала е 450 MPa (65 ksi).
• Сила на провлачване: Типично, плътността на материала е 380 MPa (55 ksi).
• Удължение: 15%

4. Степен 4

Описание: Степен 4, има висока якост и относително умерена пластичност, Нормално, прилага се там, където се желае висока якост.

Химичен състав: Има около 90% титан и следи от елементи като желязо, кислород, и други.

Механични свойства:

• Издръжливост на опън: 550 MPa (80 ksi).
• Сила на провлачване:480 MPa (70 ksi)
• Удължение: 10%

5. Степен 5 (Ti-6Al-4V)

Описание: Най-популярната от всички титанови сплави поради високата си якост и добра заваряемост. Степен 5 има алуминий и ванадий като легиращи съставки. Относително, използвани в приложения за 3D печат за производство на прототипи.

Химичен състав: Той съдържа 90% от титан, 6% от алуминий, и 4% от ванадий.

Механични свойства:

• Издръжливост на опън: 900 MPa (130 ksi).
• Сила на провлачване: 830 MPa (120 ksi)
• Удължение: 14%

6. Степен 7

Описание: Степен 7 има подобрени корозионни характеристики, които са станали възможни благодарение на включването на паладий. Обикновено се намира сред БЕТА оценки.

Химичен състав: За 90 процент титан с малко количество паладий.

Механични свойства:

• Издръжливост на опън: Граница на провлачване на материала е 370 MPa или 54 ksi.
• Сила на провлачване: Типично, 275 MPa (40 ksi).
• Удължение: 20%

7. Степен 9 (Ti-3Al-2. 5V)

Описание: Лек клас, който има по-висока якост и по-добри свойства на умора, използвани в авиационно и спортно оборудване.

Химичен състав: 90% Титан, 3% Алуминий, 2.5% ванадий.

Механични свойства:

• Издръжливост на опън:620 MPa или 90 ksi
• Сила на провлачване: Свойствата на материала на стоманата, използвана в конструкцията на офшорната платформа, са 480 MPa (70 ksi) якост на опън.
• Удължение:15%

8. Степен 23 (Ti-6Al-4V ELI)

Описание: Това е вариант с ниска интерстициалност на Grade 5, което обикновено подобрява якостта на счупване. Обикновено се използва в медицински импланти.

Химичен състав: 90% титан, 6% алуминий, 4% ванадий с по-малко съдържание на кислород.

Механични свойства:

• Издръжливост на опън:860 MPa (125 ksi)
• Сила на провлачване:795 MPa (115 ksi).
• Удължение:14%

Различните степени на титан имат уникални характеристики, което го прави подходящ за много приложения в области като космонавтиката, медицински, и промишлени употреби.

Операции за обработка на титан

Обработка на титан

С титан е малко трудно да се работи. Тъй като е много твърд и здрав. Така, свойствата на материала изискват извършването на специфични процеси. Някои от обичайните операции, използвани при машинната обработка, са CNC струговане, фрезоване, пробиване, и потупване. Титановите сплави обикновено се обработват при ниски скорости, за да се сведе до минимум топлината и износването на ножа. Използват се твърдосплавни режещи инструменти, тъй като те предпазват по-добре титана от износване. При високопрецизна работа, допустимите отклонения могат да бъдат толкова тесни, колкото ±0,005″. освен това, Някои други техники също могат да бъдат изпълнени, включително Електроерозионна обработка (EDM), и лазерно рязане за геометрии и трудни за обработка зони с конвенционални средства.

Индустриални приложения на титан

Нека разберем често срещаните приложения на титан в няколко сектора:

Аерокосмическа индустрия

Аерокосмическите сектори са по-големи потребители на титан. Титанът и неговите сплави обикновено се използват за части на самолети, включително части на реактивни двигатели, колесници, конструкции на корпуса на самолета, и изпускателни системи. Тези материали са особено подходящи за тези зони с висок стрес поради високото си съотношение на якост към тегло и способности за устойчивост на корозия.

Медицинска индустрия

В медицинската индустрия, титанът се използва при производството на хирургически уреди, и стоматологични, и протезно оборудване. Това го прави съвместим с човешка тъкан, така че при имплантиране не предизвиква никакви нежелани реакции.

Автомобилна индустрия

Автомобилната индустрия е един от най-големите потребители на титан. Титанът помага за производството на продукти като състезателни коли и луксозни автомобили от висок клас. Използват се при производството на изпускателни системи, клапанни части, и системи за окачване, които улесняват леките и здрави превозни средства.

Химическа преработвателна промишленост

Както беше обсъдено по-рано, титановият материал не се корозира лесно от околната среда. Така, може да се използва при производството на помпени клапани, топлообменници, и тръбопроводни системи за химически заводи. По-нататък, той добави предимството да може да работи с много агресивни химикали и следователно, увеличава живота на оборудването.

Морска индустрия

Титанът има висока устойчивост на корозия. Така, Той се използва широко в производството на корабни компоненти и аксесоари като витлови валове, обков на корпуса, и системи за морска вода, и предлага висока издръжливост и ниска поддръжка в морска среда.

Заключение

За заключение, поради отличителните свойства на титановия материал, възможно е да се обработва до необходимия толеранс. Неговите различни степени могат да се прилагат в космическата индустрия, медицински, и индустриални полета. въпреки това, титанът има лоша обработваемост, може да се обработва с голяма точност, ако по време на процеса се използват подходящи инструменти и техники. Това прави титана ценен във всяко приложение, където здравината и точността са критични.

Често задавани въпроси

Q1. Какви са основните категории титанови сплави?

Титановите сплави се категоризират в три основни типа: които включват алфа сплави, бета сплави, и алфа-бета сплави. Алфа сплавите са тези, които притежават висока якост и приемлива степен на пластичност. Бета сплавите осигуряват подобрени механични свойства, напреднала сила, и подобрена обработваемост. Алфа-бета сплавите съдържат както алфа, така и бета фази и следователно свойствата, свързани с двете фази, са изложени.

Q2. Как титанът стои с други метали по отношение на корозия?

Титанът има естествен оксиден слой, който го прави устойчив на ръжда и корозия; следователно, може да се използва в морска вода, киселина, и други корозивни среди.

Q3. Защо титанът се използва в аерокосмическите приложения?

Титановият материал е изключително лек, все пак много силен, което го прави идеален за космическа употреба. Предлага висока якост, но става въпрос за 50% по-лек от стомана. Следователно, значително подобрява горивната ефективност и производителността на компонентите на самолетите и космическите кораби.

Q4. Какво прави титана биосъвместим?

Титанът не предизвиква никаква отрицателна реакция, когато се използва в човешкото тяло. Все пак, може лесно да се свърже с човешка тъкан. Благодарение на своята незалепваща и химически неактивна повърхност, не предизвиква възпаление, когато се използва в хирургически импланти и изкуствени крайници.

Q5. Как се обработва и произвежда титанът?

Титан като много други метали. Може да се обработва по традиционните начини. Но това е много твърд и здрав метал, поради което се нуждаят от специализирани инструменти и методи за обработка. Те включват високоскоростна обработка, прецизно шлайфане, както и електроерозионна обработка (EDM). Други процеси, включени в производството, могат да бъдат заваряване, кастинг, коване, и други подобни в зависимост от изискването.