Titan po bronzu, železe a hliníku: Vlastnosti a použití

Krátká historie strukturálních kovů

Civilizace jsou pojmenovány podle materiálů, které mohly ovládat. Bronz dal éře{1}}výroby nástroje jméno, protože měď legovanou cínem se dala spolehlivě odlévat a přepracovávat. Železo následovalo, jakmile se teploty tavení a regulace uhlíku staly zvládnutelnými, a ocel pak dominovala stavebnictví, dopravě a strojním zařízením na více než století. Hliník vstoupil do průmyslového využití koncem devatenáctého století, kdy se objevila cesta ekonomické těžby, a přeměnil vše, kde záleželo na hmotnosti.

Titan je nejnovějším členem této sekvence. Přestože byl prvek identifikován na konci osmnáctého století, zůstal laboratorní kuriozitou až do poloviny-dvacátého století, protože titan reaguje s kyslíkem, dusíkem a uhlíkem při zvýšené teplotě a odmítá být čistě redukován metodami, které fungují pro železo nebo hliník. Krollův proces vyřešil problém chlorací suroviny obsahující titan-na chlorid titaničitý a jeho redukcí hořčíkem v inertní atmosféře, čímž vznikla titanová houba. Vakuové obloukové přetavení pak přeměnilo houbu na ingot a tato dvoufázová-cesta zůstává dnes páteří průmyslové výroby titanu.

Jak se porovnávají čtyři kovové rodiny

Zajímavým srovnáním není, který kov je nejsilnější, ale jak si tyto čtyři rodiny vzájemně obchodují hustotu, tuhost, bod tání a korozní vlastnosti.

Titan je hustotou mezi hliníkem a ocelí, ale poskytuje pevnost v tahu, která se vyrovná mnoha ocelím nebo je převyšuje, a proto je jeho poměr pevnosti-k{1}hmotnosti nejvyšší ze čtyř v praktických formách výrobků. Jeho bod tání je také nejvyšší ze skupiny a jeho pasivní film oxidu titaničitého mu dává korozní obal, kterému se žádný z ostatních tří nemůže rovnat v chloridových-ložiscích a oxidačních prostředích.

Pasivní film: Skutečná výhoda titanu

Titan je termodynamicky reaktivní kov se silnou afinitou ke kyslíku, a právě proto v praxi nekoroduje. Na vzduchu nebo v jakémkoli médiu obsahujícím kyslík- tvoří povrch hustou, přilnavou vrstvu oxidu o tloušťce několika nanometrů, která se po poškrábání nebo odření okamžitě reformuje. Fólie je stabilní vůči silně oxidačním podmínkám prostřednictvím neutrálního média a snáší mírně redukční prostředí, kde by se železo a hliník rozpouštěly nebo tvořily důlky.

Mořská voda a solanka:titan odolává chloridům mnohem lépe než nerezová ocel, a proto dominuje námořním výměníkům tepla, odsolovacím zařízením a pobřežnímu potrubí.

Oxidující kyseliny:s roztoky kyseliny dusičné a oxidačních chloridů se běžně manipuluje v komerčně čistých jakostech.

Lidská tkáň:stejný oxidový film činí titan biokompatibilním a používá se pro implantáty a fixační hardware specifikovaný podle ASTM F136 pro stupeň Ti-6Al-4V ELI.

Limity:silně redukující kyseliny, suchý chlór a horký vodík-zůstávají problémovými případy a každý z nich vyžaduje specifickou kvalitu nebo zcela jiný materiál.

Tam, kde titan nahradil starší materiály

Cena titanu znamená, že není nikdy vybrán bez důvodu, a důvody se sdružují do čtyř kategorií.

Letectví a obrana:poměr pevnosti-k-hmotnosti se vyplatí v každém kilogramu odebraném z draku letadla nebo motoru a titan také toleruje provozní teploty, kdy hliník měkne.

Chemické zpracování:reaktory, kolony, potrubí a armatury v chloridových a oxidačních-kyselinách, kde titan nahrazuje vyšší-slitiny niklu a poskytuje desítky let životnosti.

Námořní a offshore:potrubí pro mořskou vodu, součásti stoupaček, výměníky tepla a podmořský hardware, kde nerezová ocel brzy dokončuje důlkovou korozi.

Lékařské a spotřebitelské:implantáty, dentální komponenty, brýle, sportovní vybavení a architektonické obklady, kde je hnací silou designu biokompatibilita, nízká hmotnost nebo stabilní eloxovaný povrch.

Hliník si zachovává rozhodující výhodu v nákladech a hustotě pro všeobecnou přepravu a balení a ocel zůstává nepřekonatelná z hlediska tuhosti na jednotku nákladů. Nika titanu je definována průsečíkem hmotnosti, koroze a teploty - případů, kdy se tyto tři podmínky setkávají najednou.

Důsledky výroby nového kovu

Každá kovová rodina nese sankce za výrobu a titanové jsou charakteristické. Jeho tepelná vodivost je nízká, takže se teplo koncentruje na svarech a řezných hranách. Jeho modul pružnosti je zhruba poloviční než u oceli, takže odpružení je při tváření těžké. Dráždí se proti sobě, takže závitové spoje potřebují mazání nebo odlišné vložky. Musí se svařovat pod inertním plynem se správně propláchnutými spoji, protože nasávání kyslíku a dusíku při vysoké teplotě vytváří tvrdý, křehký a zabarvený materiál. A není dovoleno dotknout se železných nástrojů, protože vložené železné částice se v provozu stávají iniciačními místy koroze.

Žádná z nich nejsou hutnické záhady; jsou to procesní požadavky, které průmysl již dávno kodifikoval ve specifikacích a dílenské praxi. Poučení z bronzu, železa a hliníku se opakuje: nový kov jednoduše nenahradí starý, ale přináší nový soubor pravidel pro lidi, kteří s ním pracují.

FAQ

Otázka: Je titan pevnější než ocel?
V komerčně čisté formě je srovnatelná s měkkou ocelí a v legované formě, jako je Ti-6Al-4V, převyšuje běžné třídy konstrukčních ocelí. Skutečná výhoda je na jednotku hmotnosti: titan poskytuje podobnou nebo vyšší pevnost při zhruba 57 % hustoty oceli.

Otázka: Proč je titan tak drahý ve srovnání s hliníkem nebo ocelí?
Extrakce je vícestupňová a energeticky náročná, tavení vyžaduje vakuové pece nebo pece s inertní -atmosférou a výtěžky výroby jsou nižší z důvodu kontroly kontaminace a obtížnosti tvarování. Náklady jsou odůvodněny životností v agresivním prostředí spíše než samotnou hrubou pevností.

Otázka: Co je proces Kroll?
Převádí chlorid titaničitý na kovový titan redukcí hořčíkem, čímž vzniká houba, která se následně taví do ingotů. Je to dominantní průmyslová cesta, protože se vyhýbá přímému kontaktu mezi horkým titanem a kyslíkem nebo dusíkem.

Otázka: Může být titan recyklován?
Ano. Čistý titanový šrot se třídí, mísí a přetavuje na nové ingoty a velká část leteckého a průmyslového dodavatelského řetězce se vedle houby spoléhá na recyklované suroviny. Kontaminovaný nebo smíšený šrot je však obtížné upřesnit zpět na specifikaci.

Q: Které druhy se v průmyslu nejvíce používají?
Komerčně čistý stupeň 2 pokrývá chemickou, námořní a obecnou korozi, zatímco Ti-6Al-4V (třída 5) pokrývá vysoce pevné konstrukční a letecké práce. Modifikované druhy s malým přídavkem palladia, molybdenu nebo niklu rozšiřují výkon ve specifických korozivních médiích.

Otázka: Nahrazuje titan hliník v letadlech?
Doplňuje to. Hliník dominuje nízkoteplotní struktuře kvůli své nízké hustotě a ceně, zatímco titan se používá tam, kde je rozhodující zachování pevnosti, odolnost proti únavě nebo galvanická kompatibilita s kompozity.