تیتانیم

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به: ناوبری، جستجو
اسکاندیمتیتانیموانادیم
-

Ti

Zr
ظاهر
نقرهy grey-white metallic
ویژگی‌های کلی
نام، نماد، عدد تیتانیم، Ti، 22
تلفظ به انگلیسی /tˈtniəm/
tye-TAY-nee-əm
نام گروهی برای عناصر مشابه فلزات واسطه
گروه، دوره، بلوک ۴۴, d
جرم اتمی استاندارد 47.867 g·mol−۱
آرایش الکترونی [Ar] 3d2 4s2
الکترون به لایه 2, 8, 10, 2
ویژگی‌های فیزیکی
حالت جامد
چگالی (نزدیک به دمای اتاق) 4.506 g·cm−۳
چگالی مایع در نقطه ذوب 4.11 g·cm−۳
نقطه ذوب 1941 K, 1668 °C, 3034 °F
نقطه جوش 3560 K, 3287 °C, 5949 °F
گرمای هم‌جوشی 14.15 kJ·mol−1
گرمای تبخیر 425 kJ·mol−1
ظرفیت گرمایی 25.060 J·mol−۱·K−۱
فشار بخار
فشار (پاسکال) ۱ ۱۰ ۱۰۰ ۱k ۱۰k ۱۰۰k
دما (کلوین) 1982 2171 (2403) 2692 3064 3558
ویژگی‌های اتمی
وضعیت اکسید شدن 4, 3, 2, 1[۱]
(آمفوتر oxide)
الکترونگاتیوی 1.54 (مقیاس پاولینگ)
انرژی‌های یونش
(more)
نخستین: 658.8 kJ·mol−1
دومین: 1309.8 kJ·mol−1
سومین: 2652.5 kJ·mol−1
شعاع اتمی 147 pm
شعاع کووالانسی 160±8 pm
متفرقه
ساختار کریستالی hexagonal
مغناطیس پارامغناطیس
مقاومت الکتریکی (20 °C) 420 nΩ·m
رسانایی گرمایی (300 K) 21.9 W·m−1·K−1
انبساط گرمایی (25 °C) 8.6 µm·m−1·K−1
سرعت صوت (سیم نازک) (دمای اتاق) 5,090 m·s−1
مدول یانگ 116 GPa
مدول برشی 44 GPa
مدول حجمی 110 GPa
نسبت پواسون 0.32
سختی موس 6.0
سختی ویکر 970 MPa
سختی برینل 716 MPa
عدد کاس 7440-32-6
پایدارترین ایزوتوپ‌ها
مقاله اصلی ایزوتوپ‌های تیتانیم
ایزوتوپ NA نیم‌عمر DM DE (MeV) DP
44Ti syn 63 y ε - 44Sc
γ 0.07D, 0.08D -
46Ti 8.0% 46Ti ایزوتوپ پایدار است که 24 نوترون دارد
47Ti 7.3% 47Ti ایزوتوپ پایدار است که 25 نوترون دارد
48Ti 73.8% 48Ti ایزوتوپ پایدار است که 26 نوترون دارد
49Ti 5.5% 49Ti ایزوتوپ پایدار است که 27 نوترون دارد
50Ti 5.4% 50Ti ایزوتوپ پایدار است که 28 نوترون دارد

تیتانیم یک عنصر شیمیایی با نماد Ti و عدد اتمی ۲۲ است. تیتانیم یک فلز واسطه ی براق نقره‌ای رنگ است، چگالی کم و مقاومت بالایی دارد. این فلز به شدت در برابر خوردگی در آب دریا، تیزآب سلطانی و کلر مقاوم است.

تیتانیم نخستین بار در کورنوال بریتانیا از سوی ویلیام گرگور در سال ۱۷۰۱ شناسایی شد؛ نام این عنصر از سوی مارتین هاینریش کلاپروت از روی تیتان از اساطیر یونان انتخاب شد. این عنصر در بسیاری کانی‌ها بویژه روتیل و ایلمنیت وجود دارد. این کانی‌ها در پوستهٔ زمین و سنگ کره پراکنده‌اند؛ علاوه بر این تیتانیم تقریباً در همهٔ موجودات زنده، سنگ‌ها، آب بدن و خاک‌ها حضور دارد.[۲] با کمک هر دو فرایند کرال[۳] و فرایند هانتر می‌توان تیتانیم را از سنگ معدنش بدست آورد. فراوان‌ترین ترکیب تیتانیم، دی اکسید تیتانیم است که یک فوتوکاتالیست معروف است و از آن در تولید رنگدانه‌های سفید استفاده می‌شود.[۴] از دیگر ترکیبات تیانیم می‌توان به تتراکلرید تیتانیم یا (‎TiCl۴ ‎) اشاره کرد که از آن در تولید مواد دودزا و فروکافت بهره برده می‌شود. همچنین کلرید تیتانیم (III) یا (‎TiCl۳‎) هم به عنوان فروکافت در تولید پلی‌پروپیلن مورد استفاده قرار می‌گیرد.[۲]

می‌توان تیتانیم را با آهن، آلومینیم، وانادیم و مولیبدن، آلیاژ کرد تا ماده‌ای سخت‌تر و سبک‌تر بدست آورد که در ساخت سامانه‌های هوایی مانند موتور جت، موشک و فضاپیما، کاربردهای نظامی و فرایندهای صنعتی (شیمیایی و شیمیایی-نفتی، کارخانه‌های نمک‌زدایی، کاغذ و ...) خودروسازی، کشاورزی و ساخت اندام‌های مصنوعی، درون‌کاشت‌های استخوانی، ابزارهای دندان پزشکی و ریشه درمانی، برسازی درون‌کاشت دندانی، کالاهای ورزشی، گوهرسازی، گوشی همراه و ... بکار برده شود.[۲]

مهم‌ترین ویژگی‌های این فلز عبارتند از: مقاومت در برابر خوردگی و داشتن بالاترین نسبت مقاومت به چگالی در برابر دیگر عناصر فلزی.[۵] تیتانیم در هنگامی که هنوز با فلز دیگری آلیاژ نشده، مقاومتی برابر با فولاد و چگالی کمتر از آن دارد.[۶] دو دگرشکلی[۷] و پنج ایزوتوپ طبیعی از ۴۶Ti تا ۵۰Ti برای این عنصر وجود دارد که ۴۸Ti با فراوانی طبیعی ۷۳٫۸٪ از سایرین فراوان‌تر است.[۸] با اینکه تیتانیم و زیرکونیم تعداد الکترون‌های ظرفیت برابر دارند و در یک گروه جدول تناوبی قرار دارند با این حال در بسیاری ویژگی‌های شیمیایی و فیزیکی متفاوت اند.

ویژگی‌ها[ویرایش]

ویژگی‌های فیزیکی[ویرایش]

تیتانیم فلزی است که به نسبت بالای مقاومت به وزن شناخته شده است.[۷] تیتانیوم فلزی قوی با چگالی کم و کاملاً شکل‌پذیر (به خصوص در محیط بدون اکسیژن[۲]) است. این فلز براق و به رنگ سفید (سفید براق) است.[۹] نقطهٔ ذوب تیتانیم نسبتاً بالا (بیش از ۱۶۵۰ درجهٔ سانتیگراد یا ۳۰۰۰ فارنهایت) است این ویژگی باعث می‌شود که از آن به عنوان فلز دیرگداز استفاده شود. از لحاظ مغناطیسی پارامغناطیس است و رسانایی الکتریکی و گرمایی نسبتاً کمی دارد.[۲]

آلیاژهای تجاری تیتانیم (۹۹٫۲ درصد خلوص) مقاومت کششی نهایی در حدود ۴۳۴ مگاپاسکال (۶۳۰۰۰ پوند بر اینچ مربع) دارند که برابر با آلیاژهای کم مقاومت تر فولاد است که البته چگالی کمتری دارد. تیتانیم نسبت به آلومینیم ۶۰٪ سنگین تر است اما بیش از دو برابر مقاومت بیشتری نسبت به پرکاربردترین آلیاژ آلومینیم یعنی 6061-T6 دارد.[۶] برخی آلیاژهای تیتانیم مانند Beta C به مقاومت کششی ۱۴۰۰ مگاپاسکال هم رسیده‌اند.[۱۰] با این حال تیتانیم در اثر گرمای بیش از ۴۳۰ درجهٔ سانتیگراد مقاومت خود را از دست می‌دهد.[۱۱]

تیتانیم به سختی برخی فولادهای گرماداده نیست، ویژگی آهنربایی ندارد و رسانندهٔ ضعیف گرما و برق است. برای کاربرد این فلز در صنعت باید به هشدارهای مربوط به سایش مواد در صورت استفاده نکردن از ابزارهای تیز و روش‌های سرد کردن مناسب، توجه کرد. مانند آنچه که از فولاد ساخته می‌شود، تیتانیم هم یک حد خستگی دارد که تضمین می‌کند در برخی کاربردها تا کجا می‌توان به بازدهی مواد اعتماد کرد.[۹] آلیاژهای تیتانیم نسبت به بسیاری مصالح سازه‌ای مانند آلومینیم و فیبر کربن از سختی ویژهٔ کمتری برخوردار است.[نیازمند منبع]

انواع شکل‌دهی[ویرایش]

۱. اکستروژن[ویرایش]

فرآیند شکل‌دهی تیتانیوم در اواسط دهه ۵۰ میلادی برای هواپیماها آغاز شد. تولید اشکال مشخص با قالب تخت و در مقیاس کوچک برای تیتانیوم به استفاده از اکستروژن داغ منجر شد.

تیتانیم خالص و آلیاژهای آن از مقاومت به خوردگی و استحکام بالایی برخوردار است و به همین دلیل در اعضای ساختاری هواپیما و کاربردهایی که ضریب اطمینان بالا لازم است به کار می‌رود. این گونه قطعات بعضاً در شکل‌های پیچیده مورد استفاده قرار می‌گیرند که منجر به استفاده از فرآیند شکل‌دهی اکستروژن (داغ) می‌شود. این فرآیند به سادگی می‌تواند اجزای ساختاری را با مقاطع مختلف شکل‌دهی کند. [۱۲]

برای فرآیند شکل‌دهی اکستروژن تیتانیوم می‌توان به انتخاب نوع فرآیند اکستروژن (نوع قالب و دمای فرآیند) و نوع و فاز تیتانیوم توجه داشت.

در بیشتر فرآیندهای اکستروژن (آلیاژهای)تیتانیوم دستگاه پرس از نیروی هیدرولیک آب بهره می گیرد که نسبتا نرخ کرنش بالایی دارد. با توجه به تجارب این کار، برای اکستروژن تیتانیوم در فاز بتا از قالب تخت استفاده می‌شود به دلایلی از قبیل: ارزان‌تر بودن، بهره‌گیری از اشکال پیچیده و کنترل اندازه بهتر. از دیگر ویژگی‌های فرآیند اکستروژن تیتانیوم-بتا قالب تخت می‌توان به اصطکاک بالای آن اشاره کرد و اینکه نرخ کرنش بالا سبب افزایش تنش در جریان ماده می‌شود.

یکی از کاربردی‌ترین آلیاژهای تیتانیوم برای استفاده شدن در فرآیند اکستروژن، Ti-6Al-4V (گرید ۵ آلیاژ تیتانیوم) است. برای فرآیند اکستروژن این آلیاژ آلفا-بتا، اکستروژن داغ قالب مخروطی استفاده شده است.[۱۳]

شرح فرآیند[ویرایش]

ابتدا به لقمه تیتانیومیِ آماده شده (می‌تواند خروجیِ فرآیند فورج باشد) حرارت داده می‌شود. در حین عملیات حرارت‌دهی و جابه‌جایی برای فرآیند اکستروژن لایه‌ای اکسیدی در فاز آلفا بر روی سطح لقمه تشکیل می‌شود که برای فرآیند اصلا مطلوب نیست. لذا  با غوطه‌ور کردن لقمه درست قبل از فرآیند اکستروژن در موادی حاوی شیشه، لایه‌ی نامطلوب زدوده شده و لایه‌ای از جنس شیشه به آن اضافه می‌شود.[۱۴] این کار به دلیل آن است که قابلیت شکل‌پذیری و ماشین‌کاری بر روی تیتانیوم افزایش یابد و نیز برای اینکه شیشه در طول فرآیند نقش روان‌کننده را بازی کند.
دمای فرآیند بین 800 و 1150 درجه سلسیوس است. چنانچه دمای فرآیند بیش از 1000 درجه سلسیوس باشد پوشش شیشه‌ای لازم می‌شود چنانکه برای اکستروژن تیتانیوم Ti-6Al-4V، فرآیند در دمایی حدود 1150 درجه سلسیوس (2100 درجه فارنهایت) با پوشش شیشه انجام می‌گیرد. اگر دما بیش از حد نیاز باشد بروز عیوب و ترک در سطح لقمه پیش می‌آید و چنانچه دما کمتر از حد لازم باشد امکان عدم عبور و یا عبور صحیح از دهانه قالب وجود دارد.
برای هرچه بهتر انجام شدن فرآیند، از اکستروژن تک قالبه و تک لقمه استفاده می‌شود. در این صورت هم کیفیت سطح ارتقا می‌یابد و هم تغییر شکلِ قطعه به قطعه کاهش می‌یابد.[۱۵][۱۶]
غالباً این فرآیند با سرعت بالا بین 1.5 و 5 ثانیه صورت می‌پذیرد. فشار لازم برای فرآیند نیز تا حدود 2000 تن است. برای زدودن لایه شیشه‌ای پس از فرآیند در صورت نیاز از عملیات ساب‌پاشی استفاده می‌شود که البته کیفیت سطح را نیز بهبود می‌بخشد.[۱۷]

مزایا[ویرایش]

با توجه به کاربردهای وسیع در صنایع هوافضا، یکی از مزیت‌های آن کاهش وزن هواپیماها در حدود 1.8 تن (4000 پوند) بوده است.
مزیت عمده این فرآیند برای تیتانیوم با توجه به کاربردها، کاهش زمان تولید قطعه در حدود 1 ساعت است. بدون فرآیند اکستروژن تیتانیوم تمام عملیات شکل‌دهی بر عهده فرآیند ماشین‌کاری است در حالی که با استفاده از فرآیند اکستروژن زمان تولید قطعه بهینه‌تر می‌شود.

کاربرد[ویرایش]

با توجه به مقاومت به خوردگی بالای تیتانیوم و نوع فرآیند اکستروژن، خروجی این فرآیند برای صندلی هواپیما (ریل جابه‌جایی)
و با توجه به استحکام قابل قبول آن، برای نگهدارنده موتور هواپیما (تیر اتصال‌دهنده بین موتور و بال هواپیما) مورد استفاده قرار می‌گیرد.

کاربرد[ویرایش]

هواپیماها، موشکها، جتها، ماشین‌های نساجی، وسایل شیمیایی، وسایل جراحی، وسایل نمک‌زدایی، وسایل ارتوپدی، وسایل غذاسازی، هدف‌های لوله‌های اشعه ایکس، وسایل ساینده، لوله‌های رآکتورها، قاب یا فریم عینک و...

پزشکی[ویرایش]

غیر سمی بودن و شرایط پذیر بودن تیتانیم باعث شده است تا این ماده در پزشکی و در درون بدن انسان مورد استفاده قرار گیرد. ایمپلنت‌ها، ابزارهای نگه دارنده شکستگی که در بدن بیمار کار گذاشته می‌شوند و ... معمولاً از تیتانیم تشکیل شده‌اند. در اینگونه موارد تیتانیم با حدود ۴ تا ۶ درصد آلومینیم تشکیل آلیاژ می‌دهد.

جواهرسازی[ویرایش]

به دلیل دوام و ماندگاری بالا، تیتانیم به یکی از فلزات محبوب جواهرسازان بدل گشته است. همچنین به علت عدم تحریک آلرژیک، جواهرات تیتانیم گزینه بسیار مناسب برای افرادی است که به فلزات زینتی آلرژی دارند. تیتانیم همچنین با طلای ۲۴ عیار تشکیل آلیاژ می‌دهد.

موارد احتیاطی[ویرایش]

تیتانیم ماده‌ای غیر سمی است و حتی در مقادیر زیاد، سمی محسوب نمی‌شود. همچنین این ماده هیچ نقشی در سیستم طبیعی بدن انسان ایفا نمی‌کند.[۱۸] بطور تخمینی روزانه ۸/۰ میلی گرم تیتانیم وارد بدن انسان می‌شود. اگرچه تقریباً بدون جذب شدن، از بدن دفع می‌شود.

نگارخانه[ویرایش]

منابع[ویرایش]

  1. Andersson, N. et al. (2003). "Emission spectra of TiH and TiD near 938 nm". J. Chem. Phys. 118: 10543. doi:10.1063/1.1539848. 
  2. ۲٫۰ ۲٫۱ ۲٫۲ ۲٫۳ ۲٫۴ "Titanium". Encyclopædia Britannica. 2006. Retrieved 29 December 2006. 
  3. Lide, D. R., ed. (2005). CRC Handbook of Chemistry and Physics (86th ed.). Boca Raton (FL): CRC Press. ISBN 0-8493-0486-5. 
  4. Krebs, Robert E. (2006). The History and Use of Our Earth's Chemical Elements: A Reference Guide (2nd ed.). Westport, CT: Greenwood Press. ISBN 0-313-33438-2. 
  5. Donachie, Matthew J. , Jr. (1988). TITANIUM: A Technical Guide. Metals Park, OH: ASM International. p. 11. ISBN 0-87170-309-2. 
  6. ۶٫۰ ۶٫۱ Barksdale 1968, p. 738
  7. ۷٫۰ ۷٫۱ "Titanium". Columbia Encyclopedia (6th ed.). New York: Columbia University Press. 2000–2006. ISBN 0-7876-5015-3.  Check date values in: |date= (help)
  8. Barbalace, Kenneth L. (2006). "Periodic Table of Elements: Ti – Titanium". Retrieved 26 December 2006. 
  9. ۹٫۰ ۹٫۱ Stwertka, Albert (1998). "Titanium". Guide to the Elements (Revised ed.). Oxford University Press. pp. 81–82. ISBN 0-19-508083-1. 
  10. Matthew J. Donachie, Jr. (1988). Titanium: A Technical Guide. Metals Park, OH: ASM International. Appendix J, Table J.2. ISBN 0-87170-309-2. 
  11. Barksdale 1968, p. 734
  12. [۱] George Legate, Alpha Beta Extrusion of Titanium Alloys, Nu-Tech Precision Metals
  13. [۲] Kin'ichi Kimura, et al. Analysis of Deformation, Temperature, and Microstructure of Titanium Alloys During Hot Extrusion, 1994
  14. [۳] RTI International Metals, Inc
  15. [۴] TitaniumExposed.com
  16. [۵] Rickard Specialty Metals and Engineering | 2043 Elm Court, Ontario, California 91761
  17. [۶] VertMarkets, Inc
  18. «تاثیر تیتانیوم در فولاد». 

کتاب فرهنگ عناصر، نوشتهٔ سیدرضا آقاپور مقدم