Właściwości i cechy tytanu

Tytan jest mocnym i lekkim ogniotrwałym metalem. Stopy tytanu mają kluczowe znaczenie dla przemysłu lotniczego, a także są stosowane w sprzęcie medycznym, chemicznym i wojskowym oraz sprzęcie sportowym.

Aplikacje lotnicze konto do 80% zużycia tytanu, podczas gdy 20% metalu jest wykorzystywane na zbroje, sprzęt medyczny i dobra konsumpcyjne.

• Symbol atomowy: Ti
• Liczba atomowa: 22
• Kategoria elementu: metal przejściowy
• Gęstość: 4,506 / cm³
• Temperatura topnienia: 1670 ° C (3038 ° F)
• Temperatura wrzenia: 5987 ° F (3287 ° C)
• Twardość Moha: 6

Stopy zawierające tytan znane są z wysokiej wytrzymałości, niskiej masy i wyjątkowej odporności na korozję. Pomimo tego, że jest tak silny jak stal, tytan jest o około 40% lżejszy.

To, wraz z jego odpornością na kawitację (szybkie zmiany ciśnienia, które powodują fale uderzeniowe, które mogą osłabienie lub uszkodzenie metalu z upływem czasu) i erozja sprawiają, że jest to niezbędny metal konstrukcyjny dla przemysłu lotniczego i kosmicznego inżynierowie.

Odporność tytanu jest także ogromna korozja zarówno przez wodę, jak i media chemiczne. Ta odporność jest wynikiem cienkiej warstwy dwutlenku tytanu (TiO₂), który tworzy się na jego powierzchni, która jest niezwykle trudna do penetracji przez te materiały.

Tytan ma niski moduł sprężystości. Oznacza to, że tytan jest bardzo elastyczny i po zgięciu może powrócić do swojego pierwotnego kształtu. Stopy pamięci (stopy, które po odkształceniu mogą się odkształcać, ale po podgrzaniu powrócą do pierwotnego kształtu) są ważne dla wielu nowoczesnych zastosowań.

Tytan jest niemagnetyczny i biokompatybilny (nietoksyczny, nie wywołuje alergii), co doprowadziło do jego coraz większego zastosowania w medycynie.

Zastosowanie tytanu w jakiejkolwiek formie naprawdę rozwinęło się dopiero po II wojnie światowej. W rzeczywistości tytan nie był izolowany jako metal, dopóki amerykański chemik Matthew Hunter nie wyprodukował go przez redukcję tetrachlorku tytanu (TiCl₄) z sodem w 1910 r.; metoda znana obecnie jako proces Huntera.

Produkcja komercyjna pojawiła się jednak dopiero po tym, jak William Justin Kroll wykazał, że tytan można również zredukować z chlorków za pomocą magnezu w latach trzydziestych. Proces Kroll pozostaje do dziś najczęściej stosowaną metodą produkcji komercyjnej.

Po opracowaniu opłacalnej metody produkcji, pierwszym dużym zastosowaniem tytanu były samoloty wojskowe. Zarówno radzieckie, jak i amerykańskie samoloty wojskowe i okręty podwodne zaprojektowane w latach 50. i 60. XX wieku zaczęły wykorzystywać stopy tytanu. Na początku lat 60. stopy tytanu zaczęły być również stosowane przez producentów samolotów komercyjnych.

Dziedzina medycyny, szczególnie implanty dentystyczne i protetyka, obudziła się w związku z użytecznością tytanu po badaniach szwedzkiego lekarza Per-Ingvara Branemarka z Lata 50. XX wieku pokazały, że tytan nie wywołuje żadnej negatywnej odpowiedzi immunologicznej u ludzi, pozwalając metalowi na integrację z naszymi ciałami w procesie, który nazwał osseointegracja.

Chociaż tytan jest czwartym najczęściej spotykanym metalem w skorupie ziemskiej (za aluminium, żelazem i magnezem), produkcja tytan metal jest niezwykle wrażliwy na zanieczyszczenia, szczególnie tlen, co stanowi jego stosunkowo niedawny rozwój i wysoki poziom koszt.

Głównymi rudami stosowanymi w pierwotnej produkcji tytanu są ilmenit i rutyl, które stanowią odpowiednio około 90% i 10% produkcji.

W 2015 roku wyprodukowano blisko 10 milionów ton koncentratu mineralnego tytanu, choć tylko niewielka część (około 5%) koncentratu tytanu produkowana każdego roku ostatecznie ostatecznie trafia do tytanu metal. Zamiast tego większość jest wykorzystywana do produkcji dwutlenku tytanu (TiO₂), wybielanie pigment stosowany w farbach, żywności, lekach i kosmetykach.

W pierwszym etapie procesu Kroll rudę tytanu kruszy się i ogrzewa węglem koksowym w atmosferze chloru, otrzymując czterochlorek tytanu (TiCl₄). Chlorek jest następnie wychwytywany i przesyłany przez skraplacz, który wytwarza ciecz chlorku tytanu o czystości większej niż 99%.

Tetrachlorek tytanu jest następnie wysyłany bezpośrednio do naczyń zawierających stopiony magnez. Aby uniknąć zanieczyszczenia tlenem, obojętne jest dodanie gazu argonowego.

Podczas kolejnego procesu destylacji, który może trwać kilka dni, naczynie ogrzewa się do 1000 ° C (1832 ° F). Magnez reaguje z chlorkiem tytanu, usuwając chlorek i wytwarzając elementarny tytan i chlorek magnezu.

Powstały w ten sposób włóknisty tytan nazywany jest gąbką tytanową. Aby wytworzyć stopy tytanu i wlewki tytanu o wysokiej czystości, gąbkę tytanową można topić za pomocą różnych pierwiastków stopowych za pomocą wiązki elektronów, łuku plazmowego lub topienia pod próżnią.