Właściwości i funkcje tytanu metalicznego

Stop tytanu to lekki, odporny na korozję i bardzo wytrzymały materiał, a uzyskane w ten sposób zastosowanie w smartfonach może poprawić ogólną wytrzymałość, odporność na upadki i zarysowania telefonu. Stop tytanu jest jednak materiałem trudnym w obróbce, a wprowadzenie ramek ze stopu tytanu stanowi wyzwanie w technologii CNC. Dlaczego uważamy, że stop tytanu jest materiałem trudnym w obróbce? Wspólnie poznajmy jego właściwości.
Tytan to pierwiastek o liczbie atomowej 22 w układzie okresowym, pierwiastek z podgrupy czwartego cyklu, czyli grupy IVB, czyli grupy pierwiastków innych niż tytan, cyrkon i hafn, których wspólną cechą jest wysoka temperatura topnienia i tworzenie się stabilnej warstwy tlenku na jego powierzchni w temperaturze pokojowej.
1, niska gęstość, wysoka wytrzymałość, wytrzymałość właściwa
Gęstość tytanu wynosi 4,51 g/cm3, 57% stanowi stal, tytan jest niecałe dwa razy cięższy od aluminium, trzy razy mocniejszy od aluminium. Wytrzymałość właściwa stopu tytanu (stosunek wytrzymałości do gęstości) jest największą z powszechnie stosowanych stopów przemysłowych (patrz tabela 1), wytrzymałość właściwa stopu tytanu jest 3,5 razy większa niż stali nierdzewnej, stop aluminium 1,3 razy większa niż stopu magnezu 1,7 razy, więc jest niezbędnym materiałem konstrukcyjnym dla przemysłu lotniczego.
2, doskonała odporność na korozję
Pasywność tytanu zależy od obecności warstwy tlenkowej, która w środowisku utleniającym wykazuje znacznie lepszą odporność na korozję niż w środowisku redukującym. W mediach redukujących występuje korozja z dużą szybkością. Tytan nie koroduje w niektórych mediach korozyjnych, takich jak woda morska, mokry chlor gazowy, roztwory chlorynów i podchlorynów, kwas azotowy, kwas chromowy, chlorki metali, siarczki i kwasy organiczne. Jednakże w mediach reagujących z tytanem w celu wytworzenia wodoru (np. kwas solny i siarkowy) tytan zwykle charakteryzuje się dużą szybkością korozji. Jeśli jednak do kwasu doda się niewielką ilość środka utleniającego, na powierzchni tytanu utworzy się film pasywacyjny. Dlatego tytan jest odporny na korozję w mieszaninach mocnego kwasu siarkowego z kwasem azotowym lub kwasu solnego z kwasem azotowym, a nawet w kwasie solnym zawierającym wolny chlor. Ochronna warstwa tlenku tytanu często tworzy się, gdy metal styka się z wodą, nawet w niewielkich ilościach wody lub pary wodnej. Jeśli tytan zostanie wystawiony na działanie środowiska silnie utleniającego przy całkowitym braku wody, następuje szybkie utlenianie i często dochodzi do gwałtownych reakcji, a nawet samozapłonu. Takie zjawiska zachodzą, gdy tytan reaguje z dymiącym kwasem azotowym zawierającym nadmiar tlenku azotu oraz gdy tytan reaguje z suchym gazowym chlorem. Dlatego aby zapobiec takim reakcjom, niezbędna jest pewna ilość wody.
3, dobra odporność na ciepło
Zwykle aluminium w temperaturze 150 stopni, stal nierdzewna w temperaturze 310 stopni, co oznacza utratę pierwotnej wydajności, i stop tytanu w temperaturze około 500 stopni nadal zachowują dobre właściwości mechaniczne. Gdy prędkość samolotu osiąga 2,7 razy większą prędkość dźwięku, temperatura powierzchni konstrukcji samolotu osiąga 230 stopni, nie można stosować stopów aluminium i stopów magnezu, natomiast stopy tytanu mogą spełniać wymagania. Tytan ma dobrą odporność cieplną, jest stosowany do tarcz i łopatek sprężarki silników lotniczych oraz poszycia tylnego kadłuba samolotu.
4, dobra wydajność w niskich temperaturach
Niektóre stopy tytanu (takie jak Ti-5AI-2.5SnELI) mają wytrzymałość wraz ze spadkiem temperatury i wzrostem, ale plastyczność nie ulega znacznemu zmniejszeniu, nadal mają dobrą ciągliwość i wytrzymałość w niskich temperaturach, odpowiednie do używać w bardzo niskich temperaturach. Można go stosować w silnikach rakietowych na suchy ciekły wodór i ciekły tlen lub w załogowych statkach kosmicznych do kontenerów i skrzyń magazynowych o bardzo niskich temperaturach.
5, niemagnetyczny
Tytan jest niemagnetyczny, stosowany w pociskach okrętów podwodnych, nie powoduje eksplozji min.
6, mała przewodność cieplna
Przewodność cieplna tytanu jest niewielka, tylko 1/5 stali, aluminium 1/13, miedzi 1/25. słaba przewodność cieplna jest wadą tytanu, ale w niektórych przypadkach można wykorzystać tę cechę tytanu.
7, niski moduł sprężystości
Moduł sprężystości tytanu wynosi tylko 55% stali, jako materiału konstrukcyjnego niski moduł sprężystości jest wadą.
8, wytrzymałość na rozciąganie i granica plastyczności są bardzo zbliżone
Stop tytanu Ti-6AI-4V ma wytrzymałość na rozciąganie 960 MPa, granica plastyczności 892 MPa, różnica między nimi wynosi tylko 58 MPa.
9, tytan łatwo utlenia się w wysokich temperaturach
Tytan z silną kombinacją wodoru i tlenu, musimy zwrócić uwagę, aby zapobiec utlenianiu i absorpcji wodoru. Spawanie tytanu należy wykonywać w osłonie argonu, aby zapobiec zanieczyszczeniu. Rury i płyty tytanowe powinny być poddawane obróbce cieplnej w próżni, a odkuwki tytanowe – obróbce cieplnej w celu kontrolowania atmosfery mikroutleniającej.
10, niski opór tłumienia
Tytan i inne materiały metalowe (miedź, stal) wykonane z tego samego kształtu i rozmiaru zegara, z tą samą siłą pukającą w każdy zegar odkryją, że zegar wykonany z tytanu oscyluje do dźwięku przez długi czas, tj. energia przekazywana zegarowi nie jest łatwa do zaniku, dlatego mówimy, że skuteczność tłumienia tytanu jest niska.