מאפיינים ותפקודים של מתכת טיטניום

טיטניום הוא יסוד עם מספר אטומי של 22 בטבלה המחזורית, המחזור הרביעי של תת-קבוצת היסודות, כלומר קבוצה IV B, בנוסף לטיטניום, ישנם זירקוניום, הפניום, והמאפיינים המשותפים שלהם הם נקודת התכה גבוהה, בטמפרטורת החדר על פני השטח שלו ליצירת סרט תחמוצת יציב.

עשר מאפיינים של טיטניום

1. צפיפות קטנה, חוזק גבוה, חוזק ספציפי גדול

הצפיפות של טיטניום היא 4.51 גרם/סמ"ק, שהם 57% מפלדה, טיטניום כבד פחות מפעמיים מאלומיניום וחוזקו פי שלושה מאלומיניום. החוזק הספציפי (יחס חוזק/צפיפות) של סגסוגת טיטניום הוא הגדול ביותר בסגסוגות תעשייתיות נפוצות (ראה טבלה 1), והחוזק הספציפי של סגסוגת טיטניום הוא פי 3.5 מזה של נירוסטה, פי 1.3 מסגסוגת אלומיניום ופי 1.7. זה של סגסוגת מגנזיום, ולכן הוא חומר מבני חיוני לתעשייה האווירית.

2. עמידות בפני קורוזיה מעולה

הפסיביות של טיטניום תלויה בקיומו של סרט תחמוצת, ועמידותו בפני קורוזיה במדיות מחמצנות טובה בהרבה מאשר בחומרי הפחתה. שיעורים גבוהים של קורוזיה מתרחשים במדיה מצמצמת. טיטניום אינו מושחת בחומרים קורוזיביים מסוימים, כגון מי ים, כלור רטוב, תמיסות כלוריט והיפוכלוריט, חומצה חנקתית, חומצה כרומית, כלורידי מתכת, סולפידים וחומצות אורגניות. עם זאת, בתווך המגיב עם טיטניום לייצור מימן (כגון חומצה הידרוכלורית וחומצה גופרתית), לטיטניום יש בדרך כלל קצב קורוזיה גבוה. עם זאת, אם מוסיפים לחומצה כמות קטנה של חומר מחמצן, יווצר סרט פסיבציה על פני השטח של טיטניום. לכן, בתערובת של חומצה גופרתית חזקה - חומצה חנקתית או חומצה הידרוכלורית - חומצה חנקתית, ואפילו בחומצה הידרוכלורית המכילה כלור חופשי, טיטניום עמיד בפני קורוזיה. סרט התחמוצת המגן של טיטניום נוצר לעתים קרובות כאשר המתכת פוגעת במים, אפילו בכמויות קטנות של מים או אדי מים. אם טיטניום נחשף לסביבה מחמצנת חזקה בה אין מים כלל, יתרחש חמצון מהיר ויתרחשו תגובות אלימות, ואף בעירה ספונטנית תתרחש לעיתים קרובות. תופעות כאלה התרחשו בתגובה של טיטניום עם חומצה חנקתית מבעבעת המכילה עודף תחמוצת חנקן וטיטניום עם גז כלור יבש. אז כדי למנוע תגובה מסוג זה, חייב להיות א' מסוים

3. עמידות בחום טובה

בדרך כלל אלומיניום ב-150 מעלות צלזיוס, נירוסטה ב-310 מעלות צלזיוס שאיבדה את התכונות המקוריות, בעוד סגסוגת טיטניום ב-500 מעלות צלזיוס בערך עדיין שומרת על תכונות מכניות טובות. כאשר מהירות המטוס מגיעה לפי 2.7 ממהירות הקול, טמפרטורת פני השטח של מבנה המטוס מגיעה ל-230 מעלות, לא ניתן להשתמש בסגסוגת אלומיניום וסגסוגת מגנזיום, וסגסוגת טיטניום יכולה לעמוד בדרישות. לטיטניום יש עמידות טובה בחום, והוא משמש בדיסק ובלהב של מדחס המנוע האווירי ובעור גוף המטוס האחורי.

4. ביצועים טובים בטמפרטורה נמוכה

החוזק של כמה סגסוגות טיטניום (כגון Ti-5AI-2.5SnELI) עולה עם ירידת הטמפרטורה, אך הפלסטיות אינה מופחתת בהרבה, ועדיין יש לה גמישות וקשיחות טובה בטמפרטורות נמוכות , המתאים לשימוש בטמפרטורות נמוכות במיוחד. ניתן להשתמש בו במנועי מימן נוזלי יבש וחמצן נוזלי של רקטות, או בחללית מאוישת כמיכלים ומיכלי אחסון בטמפרטורה נמוכה במיוחד.

5. אין שדה מגנטי

טיטניום אינו מגנטי, הוא משמש בגוף צוללת, לא יגרום לפיצוץ מוקשים.

6. מוליכות תרמית קטנה

המוליכות התרמית של טיטניום קטנה, רק 1/5 של פלדה, 1/13 של אלומיניום ו-1/25 של נחושת. מוליכות תרמית ירודה היא חסרון של טיטניום, אך במקרים מסוימים ניתן להשתמש בתכונה זו של טיטניום.

7. מודול אלסטי נמוך

מודול האלסטי של טיטניום הוא רק 55% מזה של פלדה, ומודול אלסטי נמוך הוא חיסרון בשימוש כחומר מבני

8. חוזק מתיחה וחוזק תפוקה קרובים מאוד

חוזק המתיחה של סגסוגת Ti-6AI-4V טיטניום הוא 960MPa וחוזק התפוקה הוא 892MPa, וההבדל בין השניים הוא 58MPa בלבד.

9. קל לחמצן טיטניום בטמפרטורות גבוהות

לטיטניום יש כוח מקשר חזק עם מימן וחמצן, ויש לשים לב למניעת חמצון וספיגת מימן. ריתוך טיטניום צריך להתבצע תחת הגנה של ארגון כדי למנוע זיהום. צינור ויריעת טיטניום צריכים להיות מטופלים בחום תחת ואקום, ויש לשלוט באווירה המחמצנת של מיקרו במהלך טיפול בחום של פרזול טיטניום.

10. ביצועי שיכוך נמוכים

עם טיטניום וחומרי מתכת אחרים (נחושת, פלדה) העשויים מאותה צורה וגודל של השעון, עם אותו כוח לדפוק כל פעמון יגלה שהשעון העשוי מצליל תנודת טיטניום מחזיק מעמד זמן רב, כלומר האנרגיה נתון על ידי דפיקת השעון לא קל להיעלם, אז אנחנו אומרים שביצועי השיכוך של טיטניום נמוכים.

שלוש פונקציות מיוחדות של טיטניום

1

פונקציית זיכרון צורות

מתייחס לסגסוגת Ti-50%Ni (אטומית), בתנאי טמפרטורה מסוימים, יכולה לשחזר את יכולת הצורה המקורית שלה, הנקראת סגסוגת זיכרון צורת חומר זו.

2

פונקציית מוליכות על

הכוונה לסגסוגת Nb-Ti, כאשר הטמפרטורה יורדת לקרוב לאפס המוחלט, החוט העשוי מסגסוגת Nb-Ti, יאבד התנגדות, כל זרם גדול עובר, החוט לא יתחמם, אין צריכת אנרגיה, Nb-Ti נקרא חומר מוליך-על.

3

פונקציית אחסון מימן

הכוונה לסגסוגת Ti-50%Fe (אטומית), בעלת יכולת לספוג כמות גדולה של מימן. באמצעות תכונה זו של Ti-Fe, ניתן לאחסן מימן בבטחה, כלומר, אחסון מימן אינו משתמש בהכרח בגלילי פלדה בלחץ גבוה. בתנאים מסוימים, מימן יכול להשתחרר גם על ידי Ti-Fe, הנקרא חומר אחסון אנרגיה.