دانستنی های شیمی

خواص، ویژگی و کاربردهای فلز تیتانیوم

محل تبلیغات

خواص، ویژگی و کاربردهای فلز تیتانیوم

تیتانیم یک عنصر شیمیایی از جدول تناوبی با نماد شیمیایی Ti و عدد اتمی 22 می باشد. تیتانیم یک فلز واسطه با سطح براق و نقره‌ای رنگ است. فلز تیتانیوم چگالی کم و مقاومت بالایی در برابر ضربه دارد. این فلز به شدت در برابر خوردگی در آب دریا، تیزآب سلطانی و کلر مقاوم می باشد. Titanium تیتانیم نخستین بار در کورنوال بریتانیا از سوی ویلیام گرگور در سال 1701 شناسایی شد. وزن اتمی 88/47، وزن مخصوص 54/4 گرم بر سانتی متر مکعب، سختی 6 در مقياس موس، نرم، نقطه جوش 3287 درجه سانتی گراد و نقطه ذوب 1660 درجه سانتي گراد دارد. اين ماده كه دارای دو شكل آلوتروپی به نام های روتيل و آناتازمی مي باشد، بواسطه رنگ سفيد، درجه دير گدازی و توان بالا و توان زياد در توزيع و انتشار يكنواخت در تركيبات ديگر، به عنوان عمده ترين ماده اوليه رنگ سفيد در صنايع رنگ سازی، كاغذ سازی، پلاستيک، لاستيک و مواد مختلف ديگر شناخته می شود. حضور مقادير كمي از ناخالصي ها مثل اكسيژن، نيتروژن، كربن و هيدروژن كه در فلز محلول اند، سبب شكنندگی مينرال فلز شده و مانع بهره برداری تجاري از آن مي شود.

تیتانیم فلزی است که با نسبت قدرت به وزن بالا شناخته شده است. تیتانیوم فلزی قوی با چگالی کم و کاملا انعطاف پذیر (به خصوص درحضور اکسیژن محیط) است. از لحاظ مغناطیسی پارامگنتیک بوده و رسانایی الکتریکی و حرارتی نسبتا کمی دارد.

با توجه به چالش هایی که این تجهیزات در طول عمر عملیاتی خود با آن روبرو هستند نیازمند طیف وسیعی از فلزات و آلیاژهای با کیفیت بالا هستند، از جمله:

فولاد ضد زنگ: این فلز مقاوم در برابر خوردگی در شرایط مرطوب است و بخش مهمی از کیت های ظروف، لوله گاز اسلحه گرم، برچسب ها و موارد دیگر را تشکیل می دهد. فولاد ضد زنگ در انواع گریدها، از جمله مغناطیسی و غیر مغناطیسی موجود است.

فولاد کربنی: این فولاد دارای حداقل مشخصات برای استفاده هنگام آلیاژ سازی با نیکل، کروم، مولیبدن، کبالت و تمام عناصر دیگر است. فولادهای کربنی اگر چه بدون مراقبت زنگ می زنند اما تنوع و استحکام فوق العاده آنها که با عملیات حرارتی حاصل می شود آنها را در بخشهای نظامی و هوافضا، به ویژه در سرنیزه ها و چاقوها، کارا می کند.

آلیاژهای نیکل: این آلیاژ ها مقاومت الکتریکی و مغناطیسی کم، کمترین انعطاف پذیری حرارتی و پسماند مغناطیسی را دارند. این ویژگی ها آلیاژهای نیکل را بخشی ضروری از موتورهای توربو هواپیما و سیستم های انرژی هسته ای در زیردریایی ها و حامل های هواپیما می سازد.

تیتانیوم: استفاده از تیتانیوم به طور موفقیت آمیز باعث رفع بسیاری از مشکلات مهندسی می شود. تیتانیوم همان مقاومت فولاد را ارائه می دهد اما با نیمی از آن وزن و در وزن برابر دو برابر قویتر از آلومینیوم است. علاوه بر این، تیتانیوم یکی از بالاترین نسبت های استحکام به وزن بین تمام فلزات را ارائه می دهد. عملکرد استثنایی آن در دمای بالا و همچنین مقاومت بالای خوردگی آن، جزء مهمی برای بسیاری از تجهیزات کاربردی است.علاوه بر این، قابلیت ماشینکاری آن، ساخت قطعات محافظ تیتانیومی را مانند دیگر فلزات قابل اعتماد می کند. تیتانیوم همچنین دارای ویژگی های عالی گالوانیکی و سازگاری هدایت حرارتی می باشد. که این امر آن را برای استفاده بیشتر همراه با کامپوزیت های کربن برای سخت افزار های نظامی و هوافضا باز می کند.

کاربردهای نظامی تیتانیوم

استحکام سبک وزن استثنایی و خواص ضد خوردگی برتر، یک منبع با ارزش برای هر شاخه نظامی است. نیروی دریایی ایالات متحده از تیتانیوم برای اجزای کشتی استفاده می کند که در تماس مستقیم با اقیانوس ها قرار دارند، از جمله شفت پروانه، دستگیره های زیر دریایی و تجهیزات در سطح. تیتانیوم همچنین یک جزء ضروری از دریچه های زیر دریایی، سیستم های خنک کننده و لوله کشی، مبدل های حرارتی و پره های اگزوز را تشکیل می دهد.

نیروی هوایی توانایی استفاده از نسبت قدرتمند وزن به تیتانیوم را با استفاده از آن در ارابه های فرود، فریم های هواپیما، براکت ها و پانل های دسترسی بال استفاده می کند. تیتانیوم همچنین در نفربرهای زرهی مورد استفاده نیروهای نظامی مور استفاده قرار می گیرد و محققان در حال حاضر قابلیت آنرا برای تسلیحات زره پوش و تجهیزات حفاظتی شخصی مورد آزمایش قرار می دهند.

تیتانیوم در صنایع نظامی و هوافضا

ویژگی های ماشینکاری آسان تیتانیوم و ویژگی های آلیاژسازی آن، ترکیبات آلیاژهای با کیفیت بالا با آلومینیوم، وانادیوم و دیگر عناصر را آسان می کند. آلیاژهای تیتانیوم در هواپیما، کشتی ها، موشک ها و فضاپیماها در قطعات با کارایی بالا از قبیل فایروال ها، کانال های اگزوز هلیکوپتر و قطعات سازه ای حساس ظاهر می شوند.

سطح مواد دارای اکسید غیر شیمیایی است که منجر به مقاومت خوردگی به اسیدهای معدنی و کلرید ها را افزایش می دهد. در چالش محیط نظامی و هوافضا، مقاومت کششی و خستگی تیتانیوم نیز به مقاومت در برابر خستگی و شکستگی کمک می کند. استحکام کششی آن از 20.000 تا 200.000 psi و مقاومت در برابر حرارت بالاتر از 1112 درجه فارنهایت (600 درجه سانتیگراد) آن را قادر می سازد تا در هر محیط نقش ایفا کند.

خواص آلیاژسازی بالای تیتانیوم این اطمینان را حاصل می کند که تقاضا برای فلز در کاربردهای نظامی و هوا فضا افزایش می یابد، به ویژه به این دلیل که ساخت و ساز کامپوزیت در هواپیماهای نظامی با کارایی بالا مانند F-22 Raptor غالب می شود. قابلیت های رپتور به استفاده گسترده از تیتانیوم و کامپوزیت های آن بستگی دارد. تیتانیوم 42 درصد از تمام مواد ساختاری را به وزن هواپیما به ارمغان می آورد. در مقابل، فولاد و آلومینیوم تنها 6 درصد و 16 درصد از هواپیما F-22 را تشکیل می دهند.

چشم انداز روشن برای فلز تیتانیوم

در گذشته، استفاده از مواد مانند آلومینیوم و فولاد و عملکرد آنها در تجهیزات کاربردی از جمله اجزای موتور و توربین همراه با ظرفیت ساختاری در محیط های خورنده خشن توافق بود. سازگاری تیتانیوم با فلزات دیگر در آلیاژها و همچنین مواد کامپوزیتی مانند فیبر کربن و فایبرگلاس، تقاضا برای این مواد در صنایع نظامی و هوافضا و همچنین بخش تجاری به طور کلی افزایش خواهد یافت.

تیتانیوم خالص تجاری چیست؟

تیتانیوم خالص تجاری و آلیاژهای تیتانیومی آلفا و شبه آلفا به طور کلی نشان داده اند که مقاومت خوبی در مقابل خوردگی دارند . آنها جزء این دسته از آلیاژهای تیتانیوم هستند که قابلیت جو شکاری دارند .تیتانیوم خالص معمولاً دارای مقداری اکسیژن آلیاژ شده با آن است که استحکام تیتانیوم خالص تحت تاثیر مقدار این عناصر بین نشینی ( اکسیژن و نیتروژن ) در ساختار تیتانیومی است . آلیاژهای آلفا معمولاً دارای مقدار بالایی از آلومینیوم هستند که موجب مقاومت به اکسایش این آلیاژ در دماهای بالا می شوند . ( آلیاژهای آلفا – بتا همچنین دارای یک عنصر آلیاژی اصلی هستند که آلومینیوم است اما اولین دلیل آن برای پایدار کردن فاز آلفا است ).

آلیاژهای آلفا را نمی توان برای افزایش خواص مکانیکی بالا تحت عملیات حرارتی قرار داد زیرا یک آلیاژ تک فاز به حساب می آید . اضافه کردن عناصر آلیاژی به تیتانیوم خالص قابلیت عملیات حرارتی برای این آلیاژها یا کار در دمای بالا را چون به صورت یک ساختار دو فازی حاصل شده اند ( آلفا – بتا ) ایجاد می کند.

آلیاژهای بتا نیمه پایدار هستند ، به این منظور که تمایل به تغییر فاز برای یک حالت تعادلی یا بالانسی از ساختارها دارند . آلیاژهای بتا استحکامی به واسطه ، استحکام ذاتی شان ، ناشی از ساختار بتا و رسوب فاز آلفا و دیگر فازها از آلیاژها در طراحی فرآیندهای عملیاتی حرارتی به دست می آورند .

با اهمیت ترین فایده و مزیت به دست آمده از ساختارهای بتا ، افزایش شکل پذیری آنها در ارتباط با دیگر ساختارهای هگزاگونال از جمله آلفا و آلفا – بتا است . تیتانیوم آلومیند از آلیاژهای متداول تیتانیومی متفاوت هستند زیرا آنها به طور اساسی ترکیباتی هستند که باعث افزایش استحکام و قابلیت شکل پذیری و دیگر خواص می شوند . تیتانیوم آلومیندی کاربردهای دمای بالاتر نسبت به آلیاژهای تیتانیومی دارند اما قیمت تمام شده بیشتر و به طور کل داکتیلیته و قابلیت فرم پذیری کمتری خواهند داشت.

امتیاز: 5.0/5 از 2 رای.
لطفا صبر کنید...
مجله ویدئویی جم شیمی برای مشاهده جذاب ترین آزمایش ها کلیک کنید
منبع مطلب

بخشی از متن توسط: علی شیرودی-کارشناس حوزه مواد و صنایع هوایی

برچسب ها
به کانال بزرگ تلگرام جم شیمی بپیوندید

نوشته های مشابه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

*

code