خواص، کاربردها و قیمت فلز تیتانیوم

خبرگزاری آریا - در این مقاله سعی می‌شود درباره سوپر آلیاژ تیتانیوم اطلاعات بروز و علمی در اختیار شما قرار بگیرد تا بتوانید با آشنایی کامل درباره این فلز آینده دار در صنعت اقدام به خرید و استفاده از آن کنید. گروه تحریریه ایران استیل آنلاین از منبع معتبر خارجی نسبت به ترجمه و ارائه بروزترین محتواها برای فعالان صنعت اقدام به نشر مقالات می‌کند. خوشحال می‌شویم تا انتها به مطالعه مطالب بپردازید و برای ارتباط با ما به سایت ایران استیل آنلاین مراجعه کنید.

آشنایی با فلز تیتانیوم

تیتانیوم با نماد شیمیایی "Ti" و عدد اتمی 22، عنصری شیمیایی با جرم اتمی 47.9 است و به‌عنوان نهمین عنصر فراوان در پوسته زمین شناخته می‌شود. منابع اصلی استخراج تیتانیوم شامل کانی‌هایی مانند روتیل (دی‌اکسید تیتانیوم)، ایلمنیت (اکسید آهن تیتانیوم) و سفِن (سیلیکات کلسیم تیتانیوم) هستند.

تیتانیوم به دلیل نسبت بالای استحکام به وزن، انعطاف‌پذیری، مقاومت در برابر خوردگی و زیست‌سازگاری، در صنایع مختلف، به‌ویژه در کاشت‌های پزشکی، بسیار محبوب است. استحکام بالا و مقاومت در برابر گرما، آب و نمک، همراه با سبکی، این فلز را برای محصولات روزمره مانند جواهرات و همچنین برای کاربردهای مهم‌تری مانند تجهیزات پزشکی، هواپیما و کشتی‌های دریایی مناسب می‌سازد.

آلیاژهای تیتانیوم، ویژگی‌های اصلی تیتانیوم خالص را حفظ می‌کنند و با افزودن خواصی مانند انعطاف‌پذیری و شکل‌پذیری، دامنه کاربرد آن را گسترش می‌دهند. تیتانیوم خالص در شش گرید (درجه) مختلف 1، 2، 3، 4، 7 و 11 موجود است که پایه تولید چهار آلیاژ اصلی تیتانیوم را تشکیل می‌دهند. این آلیاژها با عناصری مانند آلومینیوم، مولیبدن، وانادیوم، نیوبیوم، تانتالوم، زیرکونیوم، منگنز، آهن، کروم، کبالت، نیکل و مس تقویت می‌شوند. آلیاژهای برجسته عبارت‌اند از:

• Ti 6Al-4V
• Ti 6Al ELI
• Ti 3Al 2.5V
• Ti 5Al-2.5Sn

موقعیت در جدول تناوبی

تیتانیوم اولین عنصر در بلوک D جدول تناوبی است. این عنصر با داشتن 22 الکترون و 22 پروتون، در دوره چهارم و گروه چهارم قرار دارد. پیکربندی الکترونی آن به صورت زیر است:

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d² 4s²

به‌ویژه الکترون‌های لایه چهارم نقش مهمی در پیوندهای شیمیایی و ویژگی‌های مختلف این عنصر دارند.

حضور طبیعی

تیتانیوم حدود 0.63٪ از پوسته زمین را تشکیل می‌دهد. تقریباً 90٪ از تیتانیوم موجود در ایلمنیت یافت می‌شود که ترکیبی از اکسید آهن و تیتانیوم (FeTiO₃) است. بقیه در کانی‌هایی مانند آناتاز، پرووسکایت، روتیل، لوکوسن و سفن پراکنده است.

استخراج تیتانیوم با استفاده از معادن روباز یا زیرزمینی صورت می‌گیرد، بسته به مکان قرارگیری ذخایر. برای افزایش خلوص و حذف ناخالصی‌ها، فرآیندهایی مانند خردایش، آسیاب، سرند کردن، جداسازی مغناطیسی و فلوتاسیون به کار می‌روند.

حالت‌های اکسیداسیون و ایزوتوپ‌ها

تیتانیوم دارای پنج ایزوتوپ پایدار است:

• تیتانیوم-46 (8٪)
• تیتانیوم-47 (7.8٪)
• تیتانیوم-48 (شایع‌ترین، با 73.8٪)
• تیتانیوم-49 (5.5٪)
• تیتانیوم-50 (5.3٪)

همچنین 21 رادیوایزوتوپ از تیتانیوم شناخته شده‌اند که پایدارترین آن‌ها عبارت‌اند از:

• تیتانیوم-44 (نیم‌عمر 63 سال)
• تیتانیوم-45 (نیم‌عمر 184.8 دقیقه)
• تیتانیوم-51 (5.76 دقیقه)
• تیتانیوم-52 (1.7 دقیقه)

تیتانیوم معمولاً در حالت اکسیداسیون +4 یافت می‌شود که حالت کاملاً اکسیدشده محسوب می‌شود. با این حال، می‌تواند در حالت‌های +2 و +3 نیز قرار گیرد که در بین آن‌ها، +2 و +4 پایدارترند.

در تماس با هوا، تیتانیوم و آلیاژهای آن به‌سرعت لایه‌ای از اکسید تیتانیوم تشکیل می‌دهند. این لایه، در ابتدا ضخامتی بین 1 تا 2 نانومتر دارد و طی 4 سال ممکن است به 25 نانومتر برسد و همین ویژگی باعث مقاومت بالای تیتانیوم در برابر خوردگی می‌شود.

ویژگی‌های کلیدی فلز تیتانیوم

ویژگی‌های فیزیکی

تیتانیوم فلزی بی‌اثر با ویژگی‌های فیزیکی استثنایی است. نسبت استحکام به وزن بالا باعث شده در کاربردهایی که نیاز به سبکی و دوام بالا دارند (مانند مفاصل مصنوعی و ایمپلنت‌های دندانی) بسیار مفید باشد.
ویژگی‌های مهم فیزیکی آن شامل:

• چگالی: 4.5 گرم بر سانتی‌متر مکعب
• نقطه ذوب: حدود 1650 درجه سانتی‌گراد (3000 درجه فارنهایت)
• نقطه جوش: 3287 درجه سانتی‌گراد (5948 درجه فارنهایت)

دی‌اکسید تیتانیوم با شفافیت بالا و ضریب شکست بالا، باعث پراکندگی نوری بالاتری نسبت به الماس می‌شود. تیتانیوم در مقایسه با سایر فلزات، رسانایی حرارتی و الکتریکی کمی دارد. در دمای زیر 0.49 کلوین، ویژگی ابررسانایی از خود نشان می‌دهد. همچنین در صورت برخورد با دوتریوم، می‌تواند به ماده‌ای رادیواکتیو تبدیل شود.

چگالی تیتانیوم: 4540 کیلوگرم بر متر مکعب
(مقایسه: فولاد 7900، آلومینیوم 2710 کیلوگرم بر متر مکعب)

در آلیاژ با فلزات دیگر، مقاومت کششی آلیاژهای تیتانیوم می‌تواند به بیش از 1400 مگاپاسکال (200٬000 psi) برسد. تیتانیوم یک عنصر دیمورفیک است: ساختار شش‌ضلعی آن در دمای 880 درجه سانتی‌گراد به ساختار مکعبی تغییر می‌کند که در این حالت، ظرفیت گرمایی خاص آن ثابت می‌ماند.

جدول ویژگی‌های فیزیکی فلز تیتانیوم

ویژگی	مقدار
ظاهر	نقره‌ای، سفید خاکستری، فلزی
نسبت استحکام به وزن	بالا (40٪)
عدد اتمی	22
وزن اتمی	47.88
چگالی در 25°C	4.5 گرم بر سانتی‌متر مکعب
شعاع اتمی	0.145 میلی‌متر
نقطه جوش	3287 درجه سانتی‌گراد
نقطه ذوب	1668 درجه سانتی‌گراد
مقاومت کششی	220 مگاپاسکال
مدول یانگ	116 گیگاپاسکال
مدول برشی	43 گیگاپاسکال
سختی برینل	70
درصد ازدیاد طول تا شکست	54٪
نسبت پواسون	0.34

 

ویژگی‌های شیمیایی فلز تیتانیوم

تیتانیوم از نظر شیمیایی به عناصر زیرکونیوم و سیلیسیم (از گروه 4 جدول تناوبی) شباهت دارد. عناصر این گروه ویژگی‌هایی بین فلز و نافلز دارند. مشابه منیزیم و آلومینیوم، تیتانیوم نیز به‌راحتی در برابر هوا اکسید می‌شود. تیتانیوم با اکسیژن خالص در دمای 610 درجه سانتی‌گراد و با اکسیژن معمولی در 1200 درجه سانتی‌گراد واکنش نشان می‌دهد. در حضور اکسیژن و آب، به دلیل تشکیل لایه اکسیدی، رفتاری غیرفعال (بی‌اثر) دارد.

این لایه، محافظت بسیار مؤثری برابر عوامل خورنده ایجاد می‌کند و تقریباً همانند پلاتین عمل می‌کند. در برابر اسید سولفوریک، گاز کلر مرطوب، محلول‌های کلریدی، اسید هیدروکلریک و بیشتر اسیدهای آلی مقاوم است اما در مواجهه با اسیدهای غلیظ ممکن است خورده شود. از نظر ترمودینامیکی، تیتانیوم در دمایی پایین‌تر از نقطه ذوب خود در هوا آتش می‌گیرد، بنابراین برای ذوب آن از محیط بی‌اثر مانند خلا استفاده می‌شود. در دماهای بالا، در حضور اکسیژن بسیار فعال است و ممکن است شعله‌ور شود.

در دمای 550 درجه سانتی‌گراد با کلر واکنش نشان می‌دهد و با سایر گازهای هالوژنی نیز ترکیب می‌شود، همچنین هیدروژن را جذب می‌کند. رفتار شیمیایی تیتانیوم در حالت‌های اکسیداسیون پایین‌تر، مشابه کروم و وانادیوم است. سنگ معدن تیتانیوم با بخار آب واکنش داده و دی‌اکسید و هیدروژن تولید می‌کند و با اسیدهای گرم و غلیظ نیز واکنش مشابه دارد، که نتیجه آن تولید اسید کلریدریک و تری‌کلریدها است.

جدول ویژگی‌های شیمیایی فلز تیتانیوم

ویژگی	مقدار
ضریب انبساط حرارتی در 20°C تا 100°C	8.90 μ/m°C
رسانایی حرارتی	17 W/mK
شماره CAS	7440-32-6
مقطع نوترون حرارتی	5.6 بارن بر اتم
پتانسیل الکترودی	0.20 ولت
شعاع یونی	0.680 آنگستروم
الکترونگاتیوی (پاولینگ)	1.54
لبه جذب پرتو ایکس	2.497 آنگستروم
معادل الکتروشیمیایی	0.4468 گرم بر آمپر در ساعت
ضریب انبساط خطی در 25°C	8.5 × 10⁻⁶ K⁻¹
گرمای تغییر فاز	3.685 کیلوژول بر مول
گرمای نهان ذوب	20.9 کیلوژول بر مول
گرمای نهان تصعید	464.7 ژول بر مول
گرمای نهان تبخیر	397.8 کیلوژول بر مول
ظرفیت گرمایی ویژه در 25°C	0.523 J/g·K

خرید تیتانیوم از منبع معتبر

 سایت ایران استیل آنلاین یک مرجع معتبر و کارآمد در زمینه عرضه سوپر آلیاژها، از جمله تیتانیوم، به شمار می‌رود. این سایت با ارائه‌ی اطلاعات دقیق، به‌روزرسانی‌های منظم، و مشاوره خرید، امکان بررسی قیمت تیتانیوم را نیز به‌صورت آنلاین فراهم کرده است. خرید از این سایت برای مشتریان مزایایی چون سهولت در پرداخت، ارسال سریع، و پشتیبانی و مشاوره رایگان را به همراه دارد.