1: Το τιτάνιο και τα κράματα τιτανίου έχουν πολλές εξαιρετικές ιδιότητες
1. Υψηλή αντοχή. Τα κράματα τιτανίου έχουν πολύ υψηλή αντοχή, με αντοχή εφελκυσμού 686 - 1176 MPa, ενώ η πυκνότητά τους είναι μόνο περίπου το 60% αυτής του χάλυβα, επομένως η ειδική αντοχή τους είναι πολύ υψηλή.
2. Υψηλή σκληρότητα. Η σκληρότητα των κραμάτων τιτανίου (ανοπτημένη κατάσταση) είναι HRC 32 - 38.
3. Χαμηλός συντελεστής ελαστικότητας. Ο συντελεστής ελαστικότητας των κραμάτων τιτανίου (ανοπτημένη κατάσταση) είναι 1,078×10-1,176×10 MPa, που είναι περίπου το μισό από αυτόν του χάλυβα και του ανοξείδωτου χάλυβα.
4. Εξαιρετική απόδοση υψηλής και χαμηλής θερμοκρασίας. Σε υψηλές θερμοκρασίες, τα κράματα τιτανίου μπορούν ακόμα να διατηρήσουν καλές μηχανικές ιδιότητες και η αντίστασή τους στη θερμότητα είναι πολύ υψηλότερη από αυτή των κραμάτων αλουμινίου, με ευρύ φάσμα θερμοκρασιών εργασίας. Επί του παρόντος, η θερμοκρασία λειτουργίας νέων κραμάτων τιτανίου-ανθεκτικών στη θερμότητα μπορεί να φτάσει τους 550 - 600 βαθμούς . σε χαμηλές θερμοκρασίες, η αντοχή των κραμάτων τιτανίου αυξάνεται αντί σε θερμοκρασία δωματίου και έχουν καλή σκληρότητα. Τα κράματα τιτανίου σε χαμηλή-θερμοκρασία μπορούν να διατηρήσουν καλή σκληρότητα στους -253 βαθμούς.
5. Ισχυρή αντοχή στη διάβρωση του τιτανίου. Σε θερμοκρασίες κάτω των 550 μοιρών στον αέρα, το τιτάνιο σχηματίζει ένα λεπτό και πυκνό φιλμ οξειδίου του τιτανίου στην επιφάνειά του γρήγορα, επομένως η αντίστασή του στη διάβρωση στην ατμόσφαιρα, το θαλασσινό νερό, το νιτρικό οξύ, το θειικό οξύ και άλλα οξειδωτικά μέσα και τα ισχυρά αλκάλια είναι καλύτερη από αυτή των περισσότερων ανοξείδωτων χάλυβων.
2: Νέες διαδικασίες, τεχνολογίες και εφαρμογές του τιτανίου
2.1 Μέθοδοι παρασκευής τιτανίου
Αν και το τιτάνιο είναι σχετικά άφθονο στη φύση, είναι ένα σπάνιο μέταλλο λόγω της διάσπαρτης ύπαρξής του και της δυσκολίας εξαγωγής του. Επί του παρόντος, η παρασκευή του τιτανίου μπορεί να χωριστεί σε δύο μεγάλες κατηγορίες: τη μέθοδο θερμικής αναγωγής και τη μέθοδο ηλεκτρόλυσης λιωμένου άλατος.
(1) Μέθοδος θερμικής αναγωγής για την παρασκευή τιτανίου: Η μέθοδος θερμικής αναγωγής περιλαμβάνει την αναγωγή του τιτανίου από τις ενώσεις του όπως TiCl4, TiO2 και K2TiF6 σε συγκεκριμένη θερμοκρασία χρησιμοποιώντας ισχυρούς αναγωγικούς παράγοντες όπως Li, Na, Mg, Ca και τα υδρίδια τους. Σύμφωνα με τις διαφορετικές ενώσεις τιτανίου, η μέθοδος θερμικής αναγωγής για την παρασκευή τιτανίου μπορεί να ταξινομηθεί σε τρεις κατηγορίες:
① Μέθοδος οξείδωσης-αναγωγής χλωριούχων τιτανίου, όπως η διαδικασία Kroll, η διαδικασία Hunter, η διαδικασία Armstrong και η διαδικασία EMR.
② Οξείδωση-μέθοδος αναγωγής των οξειδίων του τιτανίου, όπως η διαδικασία OS, η διαδικασία PRP και η διαδικασία MHR.
③ Μέθοδος οξείδωσης-αναγωγής τιτανικών. Επί του παρόντος, μόνο η διαδικασία Kroll και η διαδικασία Hunter έχουν εφαρμοστεί με επιτυχία στη βιομηχανική παραγωγή. Η διαδικασία Kroll χρησιμοποιεί μεταλλικό μαγνήσιο για να εκτοπίσει το τιτάνιο από τα χλωρίδια, ενώ η διαδικασία Hunter χρησιμοποιεί μεταλλικό νάτριο για να το κάνει. Επιπλέον, η διαδικασία Armstrong που αναπτύχθηκε από τη International Titanium Powder Company στο Σικάγο των ΗΠΑ, είναι παρόμοια με τη διαδικασία Hunter και χρησιμοποιεί επίσης νάτριο ως αναγωγικό παράγοντα για τον καθαρισμό του μεταλλικού τιτανίου. Οι Ηνωμένες Πολιτείες έχουν αρχίσει να διεξάγουν προ-παραγωγή σε εργοστάσια χρησιμοποιώντας αυτήν τη μέθοδο.
(2) Μέθοδος ηλεκτρόλυσης λιωμένου άλατος για την παρασκευή τιτανίου: Το 1959, ο Kroll προέβλεψε ότι η ηλεκτρόλυση λιωμένου άλατος θα αντικαθιστούσε τη διαδικασία Kroll ως την κύρια μέθοδο για την παραγωγή τιτανίου εντός 5 έως 10 ετών. Με τα χρόνια, εγχώρια και ξένα ερευνητικά ιδρύματα και εργαστήρια έχουν αναπτύξει περισσότερες από δώδεκα νέες τεχνολογίες για την παρασκευή τιτανίου με ηλεκτρόλυση λιωμένου άλατος. Αυτά μπορούν να ταξινομηθούν σε τρεις κατηγορίες με βάση τις πρώτες ύλες:
① Ηλεκτρόλυση τιτανικών αλάτων.
② Ηλεκτρόλυση χλωριούχων τιτανίου.
③ Ηλεκτρόλυση οξειδίων του τιτανίου, συμπεριλαμβανομένης της διαδικασίας FFC Cambridge, της διαδικασίας MER, της διαδικασίας USTB, της διαδικασίας QIT, της διαδικασίας SOM και της ιοντικής ηλεκτρόλυσης υγρού.
2.2 Νέες χρήσεις του τιτανίου
Από τη δεκαετία του 1940, οι χρήσεις του τιτανίου αναπτύχθηκαν γρήγορα και έχει εφαρμοστεί ευρέως σε αεροσκάφη, πυραύλους, πυραύλους, τεχνητούς δορυφόρους, διαστημόπλοια, πλοία, στρατιωτική βιομηχανία, ιατρικό τομέα και πετροχημική βιομηχανία. Η πιο πρόσφατη έρευνα διαπίστωσε ότι το ανθρώπινο σώμα περιέχει μια ορισμένη ποσότητα τιτανίου και το τιτάνιο μπορεί να διεγείρει τα φαγοκύτταρα και να ενισχύσει τη λειτουργία του ανοσοποιητικού. Ως εκ τούτου, πολλά εργαστήρια είναι αφιερωμένα στην ανάπτυξη και εφαρμογή του βιο-τιτανίου.
3: Νέες διαδικασίες, τεχνολογίες και εφαρμογές κραμάτων τιτανίου
3.1 Μέθοδοι παρασκευής κραμάτων τιτανίου
Η παραδοσιακή επεξεργασία των κραμάτων τιτανίου υιοθετεί γενικά τεχνικές τήξης και χύτευσης. Οι πιο πρόσφατες τεχνολογίες επεξεργασίας ταξινομούνται ως εξής:
(1) Κοντά στην τεχνολογία διαμόρφωσης-δικτύου-σχήματος.
(2) Τεχνολογία συγκόλλησης με τριβή σύρματος.
(3) Τεχνολογία υπερπλαστικής διαμόρφωσης.
(4) Τεχνολογία προσομοίωσης υπολογιστή για προετοιμασία και επεξεργασία υλικού. Η τεχνολογία σχεδόν-δίχτυ-σχηματισμού σχήματος περιλαμβάνει τη διαμόρφωση με λέιζερ, τη χύτευση ακριβείας, τη σφυρηλάτηση μήτρας ακριβείας, τη μεταλλουργία σκόνης και τη διαμόρφωση ψεκασμού κ.λπ. Η μεταλλουργία σκόνης είναι μια νέα διαδικασία για την κατασκευή εξαρτημάτων τιτανίου χρησιμοποιώντας σκόνη τιτανίου ή σκόνη κράματος τιτανίου ως πρώτες ύλες. Πρώτον, η σκόνη παράγεται, συνήθως με μηχανικό κράμα, χρησιμοποιώντας έναν μύλο με σφαιρίδια για την υποβολή των πρώτων υλών σε έντονη κρούση, άλεση και ανάδευση. Στη συνέχεια, η σχηματισμένη σκόνη κράματος συμπιέζεται σε σχήμα, με δύο μεθόδους συμπίεσης: ισοστατική και ψυχρή έκθλιψη. Ο σκοπός αυτού του βήματος είναι να ληφθεί ένα συμπιεσμένο τεμάχιο συγκεκριμένου σχήματος και μεγέθους με συγκεκριμένη πυκνότητα και αντοχή. Στη συνέχεια, το σχηματισμένο ακατέργαστο τεμάχιο υποβάλλεται σε πυροσυσσωμάτωση πλάσματος με σπινθήρα, όπου εφαρμόζεται ειδική ισχύς πυροσυσσωμάτωσης και πίεση συμπίεσης στη σκόνη πυροσυσσωμάτωσης μέσω άνω και κάτω διατρητών μήτρας και ηλεκτρισμένων ηλεκτροδίων. Η διαδικασία ολοκληρώνεται μέσω της ενεργοποίησης εκκένωσης, της θερμής πλαστικής παραμόρφωσης και της ψύξης για τη λήψη υλικών τιτανίου υψηλής απόδοσης. Στη συνέχεια, το κράμα τιτανίου μετά τη σύντηξη πλάσματος υφίσταται περαιτέρω επεξεργασία, συνήθως θερμική επεξεργασία ή πλαστική επεξεργασία.
3.2 Νέες εφαρμογές κραμάτων τιτανίου
Τα κράματα τιτανίου αρχικά χρησιμοποιήθηκαν ευρέως στον αεροδιαστημικό τομέα, κυρίως για την κατασκευή κινητήρων αεροσκαφών ή πνευματικών εξαρτημάτων. Αργότερα, με τη συνεχή ανάπτυξη της τεχνολογίας, τα κράματα τιτανίου μπήκαν στη ζωή των απλών ανθρώπων και μπορούν να βρεθούν σε εργοστάσια ή οικιακές συσκευές. Επί του παρόντος, χώρες και ιδρύματα ανταγωνίζονται για την ανάπτυξη νέων κραμάτων τιτανίου με χαμηλό κόστος και υψηλή απόδοση. Οι πρόσφατες εξελίξεις των κραμάτων τιτανίου επικεντρώνονται κυρίως στις ακόλουθες πέντε πτυχές.
(1) Ιατρικά κράματα τιτανίου
Τα κράματα τιτανίου έχουν χαμηλή πυκνότητα και καλή βιοσυμβατότητα, καθιστώντας τα ιδανικά ιατρικά υλικά που μπορούν ακόμη και να εμφυτευθούν στο ανθρώπινο σώμα. Παλαιότερα, τα κράματα τιτανίου που χρησιμοποιούνταν στον ιατρικό τομέα περιείχαν βανάδιο και αλουμίνιο, τα οποία θα μπορούσαν να προκαλέσουν βλάβη στο ανθρώπινο σώμα. Ωστόσο, πρόσφατα, Ιάπωνες μελετητές ανέπτυξαν έναν νέο τύπο κράματος τιτανίου με καλή βιοσυμβατότητα. Αν και αυτό το κράμα δεν έχει ακόμη-παράγεται μαζικά, πιστεύεται ότι στο εγγύς μέλλον, τέτοια κράματα υψηλής-ποιότητας θα χρησιμοποιούνται ευρέως στην καθημερινή ζωή.
(2) Επιβραδυντικά φλόγας{{1}κράματα τιτανίου
Τα κράματα με βάση το τιτάνιο-που μπορούν να αντισταθούν στην καύση υπό ορισμένες πιέσεις, θερμοκρασία και ρυθμούς ροής αέρα είναι κράματα τιτανίου που επιβραδύνουν τη φλόγα. Οι Ηνωμένες Πολιτείες, η Ρωσία και η Κίνα ανέπτυξαν διαδοχικά νέα επιβραδυντικά φλόγας-κράματα τιτανίου. Οι Ηνωμένες Πολιτείες έχουν εφαρμόσει αυτά τα επιβραδυντικά φλόγας-κράματα τιτανίου σε κινητήρες επειδή δεν είναι ευαίσθητα στην καύση, κάτι που μπορεί να βελτιώσει σημαντικά τη σταθερότητα του κινητήρα.
(3) Υψηλή-αντοχή και υψηλή-σκληρότητα -τύπου κράματα τιτανίου
Τα κράματα τιτανίου -τύπου έχουν υψηλή αντοχή, καλή ικανότητα συγκόλλησης και εξαιρετικές ιδιότητες εργασίας σε κρύο και ζεστό. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν αυτήν την ιδιότητα για να αναπτύξουν -κράματα τιτανίου τύπου με διακριτά χαρακτηριστικά: καλή απόδοση θερμότητας, καλή πλαστικότητα και καλή συγκολλησιμότητα. Επιπλέον, μετά την επεξεργασία διαλύματος και τη γήρανση, οι μηχανικές τους ιδιότητες βελτιώνονται σημαντικά. Επί του παρόντος, τόσο η Ιαπωνία όσο και η Ρωσία έχουν αναπτύξει τέτοια κράματα τιτανίου.
(4) Ενώσεις τιτανίου-αλουμινίου
Σε σύγκριση με τα γενικά κράματα τιτανίου, οι ενώσεις τιτανίου-αλουμινίου έχουν εξαιρετική απόδοση σε υψηλή{{1} θερμοκρασία, καλή αντοχή στην οξείδωση και ερπυσμό και χαμηλότερη πυκνότητα από τα γενικά κράματα τιτανίου. Αυτά τα εξαιρετικά χαρακτηριστικά υποδεικνύουν ότι οι ενώσεις τιτανίου-αλουμινίου θα ενεργοποιήσουν μια νέα τάση κράματος. Επί του παρόντος, οι Ηνωμένες Πολιτείες έχουν συνθέσει αυτό το νέο κράμα τιτανίου-ενώσεων αλουμινίου και βρίσκονται σε διαδικασία μαζικής παραγωγής.
(5) Κράματα τιτανίου υψηλής{1} θερμοκρασίας
Τα κράματα τιτανίου που παρασκευάζονται με συνδυασμό μεθόδων ταχείας στερεοποίησης και μεταλλουργίας σκόνης, με χρήση ινών ή σύνθετων{0}}ενισχυμένων σωματιδίων, έχουν εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες υψηλής- θερμοκρασίας. Το όριο θερμοκρασίας λειτουργίας των κραμάτων τιτανίου υψηλής{3} θερμοκρασίας είναι πολύ υψηλότερο από αυτό των συνηθισμένων κραμάτων τιτανίου. Επί του παρόντος, οι Ηνωμένες Πολιτείες έχουν αναπτύξει νέα κράματα τιτανίου υψηλής-θερμοκρασίας. (6) Το κράμα{8}}τιτανίου νικελίου, ένα κράμα που αποτελείται από τιτάνιο και νικέλιο, είναι γνωστό ως "κράμα μνήμης". Όταν αυτό το κράμα γίνει σε ένα προκαθορισμένο σχήμα και στη συνέχεια υποβληθεί σε επεξεργασία διαμόρφωσης, εάν παραμορφωθεί από εξωτερική δύναμη, μπορεί να αποκαταστήσει την αρχική του εμφάνιση με μια ελαφρά θέρμανση. Αυτό το κράμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε διάφορους τομείς όπως όργανα, μετρητές, ηλεκτρονικές συσκευές κ.λπ.
