خواص فلز تیتانیوم

تیتانیوم

نویسنده: رضا مرادی

کلیات : تیتانیوم عنصری ست فلزی با عدد اتمی 22 که در گروه IVB و دوره چهارم جدول تناوبی جای دارد . جرم اتمی آن 47/9 و دارای پنج ایزتوپ است . شش دهم درصد قشر زمین را تشکیل می دهد و ترکیبهای آن پراکنده و استخراج آن دشوار است .

تاریخچه :

تیتانیوم از کلمه لاتین Titans که پسر اول پادشاه Gaia بود گرفته شده است و به وسیله ویلیام گرگور در سال 1791 در انگلستان کشف شد . این عنصر چندین سال بعد توسط شیمیست آلمانی مارتین کلاپروت مجدداً کشف شد . فلز تیتانیوم تا سال 1946 در خارج از آزمایشگاه استفاده نمی شد تا اینکه ویلیام کرول بررسی نمود که تیتانیوم می تواند از نظر اقتصادی بوسیله احیای TiCI4 ( تتراکلرین تیتانیوم ) با منیزیم بوجود آید که این روش هنوز هم کاربرد دارد .

ویژگی ها :

تیتانیوم فلزی است جامد نقره ای چکش خوار با چگالی 4/5 گرم بر سانتیمتر مکعب نقطه ذوب 1675 درجه سانتی گراد و نقطه جوش 3260 درجه سانتیگراد .به اندازه فولاد محکم است، اما 45 درصد از آن سبکتر است . در مقابل خوردگی بسیار مقاوم است، اما در مقابل کلر و گوگرد خورده می شود دارای قابلیت جوشکاری بالایی است . به حالت مذاب فعال است، با اسید نیتریک واکنش نمی دهد، اما اسید سولفوریک غلیظ و اسید کلریدریک غلیظ با آن واکنش می دهند.در دمای 1200 درجه خود به خود آتش می گیرد و به شدت اشتعال زا است .

ساختار :

گرچه نقطه ذوب تیتانیوم در حدود 1675درجه سانتیگراد می باشد اما بیشتر آلیاژهای تجاری آلومینیوم در دمای 538 درجه سانتیگراد کاربرد دارند . تیتانیوم دارای دو ساختار کریستالی است، در یکی از آنها اتمها در ساختار مکعبی مرکز دار (، bcc ) قرار گرفته اند و در دیگر اتمها در یک ساختار شش وجهی فشرده یا هگزا گونال ( HCP ) قرار دارند . ساختار مکعبی مرکز دار ( bcc ) تنها در دمای بالا به دست می آید بجز در مواردی که تیتانیوم با دیگر عناصر برای ثبات پایدار ساختار مکعبی در دمای پایین آلیاژ شده است .
دو ساختار کریستالی تیتانیوم به عنوان ساختار b، a شناخته می شوند . a اشاره دارد به ساختارهای هگزاگونال تیتانیوم چه به صورت آلیاژ یا خالص و ساختار b مربوط به ساختارهای مکعبی یا آلیاژهای آن است . این ترکیبات نشان دهنده تمامی عناصر آلیاژی تیتانیوم نیست اما بیشتر عناصر استفاده شده در طراحی آلیاژهای تیتانیوم را شامل می شود . تیتانیوم خالص تجاری به صورت ساختار a است . اضافه کردن برخی از عناصر آلیاژی به تیتانیوم خالص تجاری محدوده را برای ریز ساختارهای آلیاژی ایجاد می کند . با داشتن سطح مطلوبی از عناصر آلیاژی b ،فاز b در طول گرم کردن تولید می شود و در حین فرآیند سرد کردن در ادامه یک فرآیند گرم به ساختار دیگر منتقل می شود . ساختار حاصله در این مورد را آلیاژی b ،a می نامند ( فاز b به a تبدیل می شود ولی فاز باقی مانده هم خواهیم داشت ) تغییرات در آلیاژها متمایز می شود با محدوده وسیعی از ساختار و خواص شیمیایی آلیاژ که لازمه یک آلیاژ a می باشد . این تغییرات به صورت ترم ساختاری near - a ( ساختارهای شبیه a یا نزدیک به a ) هستند . ساختار را بایستی به طور کلی به عنوان نیمه پایدار شناخت . آلیاژها با ساختار b در حین سرد کردن تا دمای اتاق به دست می آیند .
آلومیندهای تیتانیومی ترکیبات بین فلزی هستند که از تیتانیوم و آلومینیوم ( به همراه یک یا بیشتر از عناصر آلیاژی ) به دست می آیند .

کاربردها :

عمده ترین مصرف تیتانیوم در صنایع به دو صورت فلزی و دی اکسید تیتانیوم است . شکل فلزی آن به دلیل مشکلات تهیه و خالص سازی مصرف چندانی ندارد،اما در عوض مصرف اکسید آن بصورت TiO2 در صنعت کاربرد بسیار گسترده ای دارد : به طوری که 90 درصد از صنایع اولیه مصرف کننده اکسید تیتانیوم هستند . امروزه فلز تیتانیوم به عنوان یک فلز استراتژیک در موتور و ساختمان داخلی هواپیما موشکها ،جت ها، ماشین های نساجی وسایل شیمیایی وسایل جراحی وسایل نمک زدایی وسایل ارتوپدی، وسایل غذاسازی هدفهای لوله های اشعه ایکس، وسایل ساینده ،تجهیزات حمل و نقل صنایع شیمیایی ،واحدهای مولد برق، صنایع آلیاژی ،ساخت زیردریایی ها ،کارخانه های ساخت مواد شیمیایی، دستگاههای خنک کننده نیروگاه های اتمی و حرارتی و دهها مورد دیگر کاربرد دارد . مصرف عمده دی اکسید تیتانیوم در صنایع رنگ سازی به عنوان رنگ دانه می باشد و همچنین این ماده در صنایع سرامیک پلاستیک کاغذ و الکترونیک کاربرد دارد . مصرف این ماده در کشورهای پیشرفته تقریباً 10 برابر کشورهای در حال توسعه می باشد . مصارف عمده :
فلز تیتا نیوم در محیط های فرسایشی بسیار مقاوم می باشد . تیتانیوم خالص و یا آلیاژهای آن با ناخالصی کم در کارخانه های سولفور زدایی مشتقات نفتی در تجهیزات مربوط به چاه های نفت و در اتصالات مورد نیاز و همچنین در موارد پزشکی مورد استفاده قرار می گیرد . از طرفی هم اکنون ورق های فولادی یا پوشش تیتانیوم تولید شده که به علت خاصیت ضد فرسایشی کاربرد وسیعی در صنعت نفت و در مراحل سولفورزدایی مشتقات نفتی در پالایشگاه ها پیدا کرده اند . دیگر مصرف عمده این فلز در صنعت هواپیما سازی است .امروزه در ایران علاوه بر صنایع هوایی و نظامی رویکردی خاص به این فلز در صنایع شیمیایی به خصوص در صنایع پتروشیمی دیده می شود که این به نوبه خود باعث ایجاد مجال مناسبی جهت کار بر روی این فلز و تهیه روشهای استاندارد تولید تجهیزات تیتانیومی در ایران می گردد . سایر مصارف عمده تیتانیوم را می توان به صورت زیر خلاصه نمود : ساخت کاربید تیتانیوم ،سرامیک ،در فرآیندهای شیمیایی و الکتروشیمیایی ،ساخت ورقه های فلزی و باز یافت آنها صنعت نفت ،سولفورزدایی گاز مایع ،نمک زدایی آب ( تصفیه آب ) ساخت پمپهای مکش آب از دریا ،ساختمان سازی ،پزشکی ( قطعات تعویض در بدن دندانها )، صنایع اتومبیل سازی ،ساخت انباره های مخصوص برای نگهداری از موادی نظیر ضایعات اتمی و غیره ،الیاف تقویت کننده برای استفاده در ترکیبات فلزی، رباط های صنعتی ،جواهر سازی ،ساخت انواع آلیاژها ،ذخیره سازی انرژی، بالا بردن قابلیت هدایت حرارتی آلیاژها، پرکننده ی سنگ های جواهرات مصنوعی و نرم افزار .
آلیاژهای تیتانیوم در بدنه هواپیماهای جنگی، سفینه های فضایی موشکها موتور هواپیماها ،ادوات رزمی، توربین های گازی، دوچرخه و کامپیوترهای Laptop، مورد استفاده قرار می گیرند . تیتانیوم اغلب با آلومینیوم ،آهن ،منگنز، مولیبدن و فلزات دیگر تشکیل آلیاژ می دهد .
آلیاژ ایلمنیت این فلز در تهیه اکسید تیتانیوم که در صنایع رنگ سازی کاغذ سازی و پلاستیک به عنوان ماده رنگی براق کردن سطح فلزات، لعاب، لاستیک سازی ،شیشه فایبر گلاس ،سرامیک الکتروسرامیک و ... مصرف می شود، کاربرد دارد .
تنها در حدود 5 % تولید سالانه جهانی تیتانیوم صرف تولید فلز تیتانیوم شده و 95 % باقیمانده در تولید ماده رنگی دی اکسید تیتانیوم مورد استفاده قرار می گیرد . این ماده به واسطه رنگ سفید درخشندگی عالی بی اثر ( خنثی بودن ) و مقاومت سایشی و حرارتی بالای آن درجه دیر گدازی بالا و توان زیاد در توزیع و انتشار یکنواخت در ترکیبات دیگر به عنوان عمده ترین ماده اولیه رنگ سفید در صنایع رنگ سازی کاغذ سازی پلاستیک ،لاستیک و ... شناخته می شود . در زیر به طور اخص مصارف تیتانیوم در صنایع و آلیاژهای آن می آیند :

مصارف دارویی و آرایشی :

دی اکسید تیتان برای التیام سوزش های پوستی مورد استفاده قرار می گیرد و منعکس کننده اشعه ماوراء بنفش خورشید است و بدین جهت در ساختن کرم ها و لوسیون های ضد آفتاب ( ضد سوختگی ) استفاده می شود . از پودر در اکسید تیتان در ساخت قاب کپسولهای دارویی و پوشش قرص ها نیز استفاده می شود .مصرف سالیانه عنصر تیتانیوم و ترکیبات آن 105 تا 106 تن می باشد . تقریباً 95% تیتان به فرم اکسید تیتان TiO4 مصرف می شود و یک رنگدانه دایمی و به شدت سفید رنگ با قدرت پوششی خوب در رنگ ها کاغذ و پلاستیک است . رنگ ها با وجود اکسید تیتانیوم یک باز تابنده بسیار عالی اشعه مادون قرمز را می سازد و بنا براین به طور گسترده ای توسط اختر شناسان مورد استفاده قرار می گیرد . از آنجایی که این فلز مقاومت بالا وزن سبک مقاومت غیرعادی در برابر خوردگی و توانایی ایستادگی در برابر دماهای بالا می باشد . بخاطر مقاومت بالا در آب دریا این فلز برای ساخت شفت ها (محور ) ملخ هواپیما و پروانه کشتی استفاده می شود .

دی اکسید تیتان :

دی اکسید تیتان در تهیه الیاف مصنوعی نیز استفاده می شود . پودر دی اکسید تیتان خالص به عنوان رنگدانه در فرآورده های غذایی کاربرد دارد . دی اکسید تیتانیوم در کرم های ( لوسیون ها ) ضد آفتاب استفاده می شود که ناشی از توانایی آن در حفاظت پوست می باشد . دی اکسید تیتانیوم یک رنگدانه برتر سفید رنگ با ضریب شکست 2/55 - 2/8 است مقاومت درخشندگی پایداری شیمیایی و مقاومت در برابر اشعه ماورای بنفش غیر سمی بودن و پایداری در یک محدوده دمایی وسیع و قیمت مناسب آن سبب شده تا از آن در کاغذ رنگ پلاستیک ،لاستیک ،سرامیک، پارچه و مواد آرایشی استفاده شود . دو نوع رنگدانه روتیل وجود دارد روتیل و آناتاژ. روتیل از شبکه بلوری متراکم تری نسبت به آناتاژ تشکیل شده و چگال تر است و ضریب شکست بالاتری دارد .

تتراکلرین تیتانیوم :

تتراکلرین تیتانیوم ( TiCL4 ) یک مایع بی رنگ است که برای ساخت شیشه استفاده می شود و از آن جایی که آن در هوای مرطوب به شدت بخار می کند به منظور پوشش در برابر بخار استفاده می شود . ایلمنیت روتیل آناتاژ، روتیل مصنوعی و سر باره ی تیتانیوم به عنوان پیش ماده تولید رنگدانه دی اکسید تیتانیوم از دو مسیر سولفاته و کلریدی امکان پذیر بوده که هر یک نیاز به پیش ماده مخصوص به خود دارند .

تیتانات باریم :

در نیمه هادی ها و پیزو الکتریک ها به کار برده می شود .

نیترید تیتانیوم :

دمای ذوب 2950 درجه سانتیگراد دارد و از آن به عنوان بوته ذوب آلیاژهای لانتانیوم ،رنگ زرد طلایی در جواهرات و ... به کار می رود .

آلکالی های تیتانیوم :

پلیمریزاسیون کاتالیزور .

تیتانات استرانسیم :

جواهر مصنوعی ابزار نوری .

آلیاژها :

تیتانیوم و آلیاژهای آن پتانسیل بالایی در خیلی از کاربردهای خاص دارند ولی بایستی قبل از طراحی و استفاده از آن برخی از واقعیتها را در مورد آن مطلع بود و مد نظر داشت که بیشتر آن در ادامه آورده شده است . تیتانیوم خالص معمولاً دارای مقداری اکسیژن آلیاژ شده با آن است که استحکام تیتانیوم خالص تحت تاثیر مقدار این عناصر بین نشینی ( اکسیژن و نیتروژن ) در ساختار تیتانیومی است . آلیاژهای آلفا معمولاً دارای مقدار بالایی از آلومینیوم هستند که موجب مقاومت به اکسایش این آلیاژ در دماهای بالا می شوند . (آلیاژهای آلفا - بتا همچنین دارای یک عنصر آلیاژی اصلی هستند که آلومینیوم است و اولین دلیل آن برای پایدار کردن فاز آلفا است ) . آلیاژهای آلفا را نمی توان برای افزایش خواص مکانیکی بالا تحت عملیات حرارتی قرار داد زیرا یک آلیاژ تک فاز به حساب می آید . آلیاژهای بتا نیمه پایدار هستند و با اهمیت ترین فایده و مزیت به دست آمده ازآنها افزایش شکل پذیری آنها در ارتباط با دیگر ساختارها است . تیتانیوم آلومیند از آلیاژهای متداول تیتانیومی متفاوت هستند زیرا آنها به طور اساسی ترکیباتی هستند که باعث افزایش استحکام و قابلیت شکل پذیری و دیگر خواص می شوند . تیتانیوم آلومیندی کاربردهای دمای بالاتر نسبت به آلیاژهای تیتانیومی دارند اما قیمت تمام شده بیشتر و به طور کل داکتیلیته و قابلیت فرم پذیری کمتری خواهند داشت .
محصولات شکل داده شده تیتانیوم به راحتی در دسترس می باشند ،ولی شکل ریخته گری شده آن محدودتر است . آلیاژهای ریخته گری از لحاظ وزن و قیمت مقرون به صرفه هستند . آلیاژهای پودری خیلی بیشتر مورد قبول هستند . همچنین فرآیندهای پودر (متالورژی پودر ) امکان ترکیب آلیاژهای نامتعارف تری را نسبت به هم می دهند . در متالورژی پودر این امکان وجود دارد که با بدست آوردن محصولی ترکیبی به شکل نهایی بتوان قیمت بالای آن را جبران کرد .

بیولوژی :

خنثی بودن تیتانیوم آن را به یک فلز مناسب برای استفاده در بخشهایی از بدن تبدیل کرده است . یک استفاده بالقوه از تیتانیوم در گیاهان شیرین کننده آب دریااست .

تاثیرات زیست محیطی :

تصور می شود که نمکهای تیتانیوم اغلب نسبتاً بی ضرر هستند . اما مواد مرکب کلرین تیتانیوم مانند TiCL4 و TiCL3 باید خورنده باشند . تیتانیوم تمایل به تجمع بیولوژیکی در بافتهایی دارد که حاوی سیلیس هستند که نباید در اعمال بیولوژیکی انسان نشان داده شود . در صد مواد رادیواکتیو در کانه های تیتانیوم دار که می تواند طی فرآوری متمرکز شده و سرطان زا باشند مسئله زیست محیطی تیتانیوم است . در صد مجاز مواد رادیو اکتیو در کانی های تیتانیوم توسط دولت های محلی و ایالتی قانون گذاری می شود . درباره تولید دی اکسید تیتانیوم دفع مواد زائد به ویژه سولفات های آهنی و اسید زائد در فرآیند سولفاته از دیگر مسائل زیست محیطی تولید تیتانیوم است .
منبع:اطلاعات علمی شماره 357/س