סיכום ידע הקשור למתכת טיטניום

מתכת טיטניום התגלתה לראשונה בשנת 1791 על ידי מינרלוג חובב בריטי בשם גרגור. בשנת 1795, הכימאי הגרמני קלאפרוס קרא לחומר המתכתי הלא ידוע על שם האל היווני טיטאנים. התרגום לסינית לאנגלית הוא "טיטניום". טיטניום קיים בשפע על פני כדור הארץ. ישנם יותר מ-140 מינרלים טיטניום ידועים, אך היישומים התעשייתיים העיקריים הם אילמניט ורוטיל. ביניהם, עתודות האילמניטים של סין מהוות 28% מהעתודות העולמיות, במקום הראשון בעולם.

טיטניום הוא יסוד לא רעיל המוכר ברחבי העולם, אך עלויות הכרייה והייצור שלו גבוהות ויקרות. מכיוון שיש לו סדרה של כישורים כמו עמידות בטמפרטורות גבוהות ונמוכות, עמידות לחומצות ואלקליות חזקות, חוזק גבוה וצפיפות נמוכה, הוא הפך לחומר מיוחד עבור רקטות ודגמי לוויינים של נאס"א. נעשה בו שימוש גם ב-Yutu, J-20, נושאת המטוסים של שאנדונג ובפרויקטי על אחרים של ארצי. לאחר שנכנס לתחום האזרחי בשנות ה-80, הוא הפך ל"מלך המתכת הכבוד" בתעשיית המזון בגלל תכונותיו האנטיבקטריאליות והבייופיליות הטבעיות.
תעשיית הטיטניום במדינה שלי התחילה בשנות החמישים. באמצע ה-1960, המדינה שלי בנתה מפעלי עיבוד וייצור טיטניום וטיטניום בזוני וב-Baoji בהתאמה, מה שאומר שהמדינה שלי הפכה לאחת ממעצמות תעשיית הטיטניום בעולם. בכניסה למאה ה-21, תעשיית הטיטניום של ארצי נכנסה לתקופה חדשה של פיתוח מואץ, כאשר כושר ייצור הטיטניום מדורג בין המובילים בעולם.

טיטניום טהור
ידוע גם בשם טיטניום טהור תעשייתי או טיטניום טהור מסחרי, הוא מדורג על פי תכולת יסודות הטומאה. יש לו ביצועי תהליך הטבעה וביצועי ריתוך מצוינים, אינו רגיש לטיפול בחום ולסוג המבנה, ובעל חוזק מסוים בתנאי פלסטיות מספקים. חוזקו תלוי בעיקר בתכולת האלמנטים הביניים חמצן וחנקן. התכונות של טיטניום טהור 99.5% תעשייתי הן: צפיפות P=4.5g/cm3, נקודת התכה 1800 מעלות, מוליכות תרמית λ=15.24W/(MK), חוזק מתיחה σb=539 MPa, התארכות: δ=25%, התכווצות שטח הקצב ψ=25%, מודול האלסטי E=1.078×105MPa, והקשיות HB195.
סגסוגת טיטניום
סגסוגת טיטניום היא סגסוגת המבוססת על טיטניום ונוספה לה אלמנטים נוספים. מדובר במתכת צעירה יחסית, רק בת שישים או שבעים מאז גילויה. לחומרי סגסוגת טיטניום יש מאפיינים של משקל קל, חוזק גבוה, גמישות נמוכה, עמידות בטמפרטורה גבוהה ועמידות בפני קורוזיה. הם משמשים בעיקר במנועי תעופה וחלל, רקטות, טילים ורכיבים אחרים. לטיטניום שני גבישים איזומורפיים. טיטניום הוא איזומר עם נקודת התכה של 1720 מעלות. יש לו מבנה סריג משושה צפוף מתחת ל-882 מעלות והוא נקרא טיטניום; יש לו מבנה במרכז הגוף מעל 882 מעלות. מבנה הסריג המעוקב, הנקרא בטא טיטניום, מנצל את המאפיינים השונים של שני המבנים הנ"ל של טיטניום, מוסיף יסודות סגסוגת מתאימים, ומשנה בהדרגה את טמפרטורת טרנספורמציה הפאזית ותכולת הפאזה שלו כדי להשיג סגסוגות טיטניום (סגסוגות טיטניום) עם מבנים שונים.
ניתן לחלק אלמנטים מסגסוגת טיטניום לשלוש קטגוריות לפי השפעתם על טמפרטורת מעבר הפאזה: ① אלמנטים המייצבים את הפאזה ומגבירים את טמפרטורת מעבר הפאזה הם אלמנטים יציבים, כגון אלומיניום, מגנזיום, חמצן, חנקן וכו'. אלומיניום הוא מרכיב הסגסוג העיקרי של סגסוגת טיטניום. יש לו השפעות ברורות על שיפור חוזק הטמפרטורה הרגיל והגבוה של הסגסוגת, הפחתת המשקל הסגולי והגברת הגמישות. ②אלמנטים המייצבים את הפאזה ומורידים את טמפרטורת מעבר הפאזה הם -אלמנטים מייצבים. ניתן לחלק אותו לשני סוגים: איזומורפי ואווטקטואיד. הראשון כולל מוליבדן, ניוביום, ונדיום וכו'; האחרון כולל כרום, מנגן, נחושת, סיליקון וכו'. ③ יסודות בעלי השפעה מועטה על טמפרטורת מעבר הפאזה הם יסודות ניטרליים, כולל זירקוניום, פח וכו'.

TA1 (תקן אמריקאי Gr1)
טיטניום Gr1 הוא הראשון מבין ארבע דרגות טיטניום טהור מבחינה תעשייתית. זהו הרך והגמיש ביותר מבין הציונים הללו. הוא מציע יכולת צורה מקסימלית, עמידות בפני קורוזיה מעולה וקשיחות השפעה גבוהה. דרגה 1 היא החומר הנבחר עבור כל יישום הדורש קלות יצירה, והוא משמש בדרך כלל כצלחת טיטניום וצינור טיטניום.
דרגת TA2 (תקן אמריקאי Gr2).
טיטניום דרגה 2 ידוע כ"סוס העבודה" של תעשיית הטיטניום הטהור המסחרי בשל הרבגוניות והזמינות הרחבה שלו. יש לו הרבה מאותן תכונות כמו טיטניום דרגה 1, אבל הוא מעט חזק יותר. לשניהם עמידות שווה בפני קורוזיה. לכיתה זו יכולת ריתוך, חוזק, משיכות ויכולת צורה טובה. זה הופך את מוטות וצלחות טיטניום דרגה 2 לבחירה הראשונה עבור יישומים רבים, כולל הבנייה, ייצור החשמל והתעשיות הרפואיות.
דרגת TA3 (תקן אמריקאי Gr3).
כיתה זו משתמשת לפחות בדרגת טיטניום טהורה מבחינה מסחרית, אבל זה לא הופך אותה לפחות בעלת ערך. דרגת Gr3 חזקה יותר מדרגות Gr1 ו- Gr2 ובעלת משיכות דומה אך יכולת צורה קלה בלבד. אבל יש לו תכונות מכניות גבוהות יותר מקודמו. Grade Gr3 משמש ביישומים הדורשים חוזק מתון ועמידות בפני קורוזיה ראשונית, כגון תעופה וחלל, עיבוד כימי, תעשייה ימית וכו'.
דרגת TA4 (תקן אמריקאי Gr4).
כיתה Gr4 נחשבת לחזק ביותר מבין ארבעת סוגי טיטניום טהור מסחרית. הוא ידוע גם בעמידות הקורוזיה המצוינת שלו, יכולת הצורה והריתוך שלו. משמש בחלק ממרכיבי מסגרת האוויר, כלי קירוי, מחליפי חום ויישומים אחרים הדורשים רזולוציה גבוהה.
דרגת TA9 (תקן אמריקאי Gr7).
דרגה Gr7 זהה מבחינה מכנית ופיזית לדרגה 2, אלא שהיסוד הבין-תשתי פלדיום נוסף כדי להפוך אותו לסגסוגת. דרגה 7 מציעה יכולת ריתוך וביצועים מצוינים והיא העמידה ביותר בפני קורוזיה מכל סגסוגות הטיטניום. למעשה, זה הכי עמיד בפני קורוזיה מבין החומצות המפחיתות. רמה 7 משמשת לרכיבי תהליך כימי וציוד ייצור. Gr7 עמיד במיוחד בפני קורוזיה, במיוחד בהפחתת סביבות חומציות.
TA9-1 (תקן אמריקאי Gr11).
דרגת Gr11 דומה מאוד לדרגת Gr1 פרט לכך שכמות קטנה של פלדיום מתווספת כדי לשפר את עמידות בפני קורוזיה, מה שהופך אותה לסגסוגת. עמידות זו בפני קורוזיה יכולה לשמש כדי למנוע קורוזיה של חריצים ולהפחית חומצות בסביבות כלוריד. תכונות שימושיות אחרות כוללות גמישות אופטימלית, יכולת צורה קרה, חוזק שימושי, קשיחות השפעה ויכולת ריתוך מעולה. ניתן להשתמש בסגסוגת זו באותם יישומים כמו טיטניום דרגה 1, במיוחד כאשר נדרשת קורוזיה.
Ti 6Al-4V (תקן לאומי TC4, תקן אמריקאי Gr5).
Ti6Al-4V או טיטניום דרגה 5 ידוע כ"סוס העבודה" של סגסוגות טיטניום והוא הנפוץ ביותר מבין כל סגסוגות הטיטניום. מהווים 50% מכלל צריכת הטיטניום בעולם. השימושיות שלו טמונה ביתרונות הרבים שלו. ניתן לטפל ב-Ti6Al-4V בחום כדי להגביר את החוזק שלו. זה יכול לשמש על מבנים מרותכים עם טמפרטורות עבודה של עד 600 מעלות F. הסגסוגת משלבת חוזק גבוה, משקל קל, יכולת צורה טובה ועמידות גבוהה בפני קורוזיה. הזמינות של Ti6AI-4V הופכת אותו לסגסוגת הטובה ביותר עבור מספר תעשיות כולל תעשיות תעופה וחלל, רפואיות, ימיות וכימיות. ניתן להשתמש בו ליצירת תוכן טכני כגון:

טורבינת מטוסים
חלקי מנוע
חלקי מבנה של מטוסים
מחברים לתעופה וחלל
חלקי אוטומציה בעלי ביצועים גבוהים
יישומים ימיים
ציוד ספורט
Ti 6AL-4V ELI (תקן לאומי TC4ELI, תקן אמריקאי Gr23)
Ti 6AL-4V ELI או Gr23 כיתה היא טוהר גבוה יותר של Ti 6Al-4V. ניתן להפוך אותו לסלילים, גדילים, תיל או חוט שטוח. זוהי הבחירה הראשונה לכל אירוע הדורש חוזק גבוה, משקל קל, עמידות טובה בפני קורוזיה וקשיחות גבוהה. יש לו עמידות מעולה לנזק לסגסוגות אחרות. יתרונות אלו הופכים את דרגת Gr23 לדרגת טיטניום שיניים ורפואה האולטימטיבית. בשל התאימות הביולוגית שלו, חוזק עייפות טוב ומודולוס נמוך, ניתן להשתמש בו ביישומים ביו-רפואיים כגון רכיבים הניתנים להשתלה. זה יכול לשמש גם עבור הליכים כירורגיים מפורטים כגון:
כבל אורטופדי
סיכות וברגים אורטופדיים
קשירה
בניתוח החלפת מפרקים
מיכל קריוגני
מכשירים אורתודונטיים
שתלים כירורגיים
מכשיר לקיבוע עצם
דרגת TA10 (תקן אמריקאי Gr12).
סגסוגות טיטניום בדרגת Gr12 זוכות לדירוג "מצוין" בשל יכולת הריתוך האיכותית שלהן. זוהי סגסוגת עמידה ביותר המספקת חוזק רב בטמפרטורות גבוהות. לטיטניום בדרגת Gr12 יש תכונות דומות לנירוסטה מסדרת 300. הסגסוגת יכולה להיות יצירת חמה או קרה באמצעות יצירת לחיצה, הידרופורמינג, יצירת מתיחה או שיטת משקל טיפה. יכולתו להיווצר במגוון דרכים הופכת אותו לשימושי ביישומים רבים. העמידות הגבוהה בפני קורוזיה של הסגסוגת הופכת אותה גם לבעלת ערך רב עבור ייצור ציוד שבו קורוזיה של חריצים היא דאגה. ניתן להשתמש בדרגה Gr12 בתעשיות ובאפליקציות הבאות:
בית ומחליף חום
יישומים הידרומטלורגיים
ייצור כימי בטמפרטורה גבוהה
רכיבים ימיים ותעופה
טיטניום 5Al-2.5Sn
Ti 5Al-2.5Sn היא סגסוגת שאינה ניתנת לטיפול בחום המאפשרת ריתוך ויציבות טובים. יש לו גם יציבות בטמפרטורה גבוהה, חוזק גבוה, עמידות טובה בפני קורוזיה ועמידות טובה לזחילה. זחילה היא תופעת זן פלסטי המתרחשת בטמפרטורות גבוהות לאורך זמן. Ti 5Al-2.5Sn משמש בעיקר ביישומי מטוסים ושלדות אוויר וכן ביישומים קריוגניים.

למרות שחומרי טיטניום וסגסוגת טיטניום מצויים בשפע ברזרבות, הם יקרים מאוד. הסיבה לכך היא שלטיטניום פעילות כימית מועטה מאוד בתנאי טמפרטורה גבוהים, וטכנולוגיית ההיתוך שלו וסביבת ההפעלה שלו קשים מאוד. יש להתיך אותו בתנאי טמפרטורה ואקום גבוהים, ולעתים קרובות הטמפרטורה מגיעה למעל 800 מעלות, מה שקשה הרבה יותר להתיך מפלדה. לכן, כשמדובר בסגסוגת טיטניום, אנשים חושבים שזהו חומר מתכת ברמה גבוהה עם תפוקה נמוכה, מחיר גבוה ומעט יישומים.
כיום, בשל התכונות המצוינות של סגסוגות טיטניום כגון משקל קל, חוזק גבוה ועמידות בטמפרטורה גבוהה, חומרי טיטניום וסגסוגת טיטניום נמצאים בשימוש נרחב בייצור כלי נשק חדשניים וכלי נשק לאומיים במדינות שונות, והם במיוחד מתאים לשימוש בתחום התעופה והחלל. דוגמאות לאזורי יישום כוללות:

תעשייה כימית
⑴תעשיית אפר סודה
הופעתם של מקררי טיטניום בתעשיית ייצור האלקלי יכולה לפתור ביעילות את הבעיה של גז כלור לא מוסמך הנגרם על ידי תהליכי קירור מסורתיים בלתי סבירים. במקביל, היא שינתה את פני הייצור של תעשיית הכלור-אלקלי. חיי השירות של מקרר מסגסוגת טיטניום המושקע יכולים להגיע עד 20 שנה.
⑵ תעשיית המלח
נכון להיום, תהליך ייצור המלח המתקדם יותר הוא ייצור מלח ואקום. התמיסה המרוכזת בטמפרטורה גבוהה המופקת בתהליך זה תגרום נזק חמור למבנה פלדת הפחמן ותגרום לטפטוף ציוד. תא החימום ותא האידוי מאמצים מבנה מרוכב מפלדת טיטניום, שיכול למנוע ביעילות אבנית מלח ולשפר את איכות ייצור המלח. במקביל, זה יכול להפחית את הקורוזיה של מי מלח בריכוז גבוה על דופן הצינור במהלך תהליך האידוי ולהאריך את מחזור התחזוקה.
שדה תעופה וחלל
⑴תעשיית התעופה
היישום של סגסוגות טיטניום בתעופה מתחלק לסגסוגות טיטניום למבני מטוסים וסגסוגות טיטניום למבני מנוע. חלקי היישום העיקריים של חלקי מבנה מסגסוגת טיטניום למטוסים כוללים חלקי גלגלי נחיתה, מסגרות, קורות, עורות גוף, מגני חום וכו'. מטוס ה-IL {{0}} הרוסי משתמש בסגסוגת טיטניום BT22 בעלת חוזק גבוה לייצור מפתח רכיבים כגון ציוד נחיתה ועומס - קורה נושאת עומס; חומר קרן ההילוכים הראשי של מטוס הנחיתה של בואינג 747 הוא Ti-6Al-4V. אורכו של הפרזול 6.20 מטר, רוחבו 0.95 מטר, ומסה של 1,545 קילוגרמים; חלקי המפתח של פיר המייצב האופקי של מטוס ה-C-17 עשויים מסגסוגת טיטניום Ti-62222S בעלת חוזק גבוה וקשיחות גבוהה. במנועי תעופה וחלל, סגסוגות טיטניום משמשות בדסקיות מדחסים, להבים, תופים, רוטורים של מדחסים בלחץ גבוה, מארזי מדחס וכו'. הקצוות והקצוות המובילים של להבי המאוורר של מנועי בואינג 747-8משתמשים במעטפת מגן מסגסוגת טיטניום, שניתן להחליף רק שלוש פעמים בתוך 10-שנות חיי שירות.
⑵תעשיית התעופה והחלל
תנאי העבודה של כלי תעופה וחלל הם מאוד קיצוניים. בנוסף לטכנולוגיה המעולה הנדרשת לתכנון המבני של חומרים, חשובים גם הביצועים והתפקודים המצוינים של החומרים עצמם. לכן, סגסוגות טיטניום בולטות בין חומרים רבים. במונחים של ציוד תעופה וחלל, בשנות ה-60, תא הנוסעים הכפול וכנפי תא הנוסעים האטומים והצלעות של תוכנית אפולו האמריקאית היו עשויים מ-Ti-5Al-2.5Sn, והבטנה הפנימית הייתה עשויה מ-Ti-5Al-2.5Sn. טיטניום טהור; הוכן על ידי חברת MT Aerospace הגרמנית. מיכל הדלק של מערכת ההנעה מסגסוגת Ti-15V-3Cr בעל חוזק גבוה משמש בפלטפורמת ענקית לווייני התקשורת אלפא האירופית; לסגסוגות טיטניום רוסיות יש יישומים רבים בהנדסת תעופה וחלל. לדוגמה, רכב שיגור האנרגיה משתמש בפרזול גדול מסגסוגת טיטניום BT23 במשקל 3.5 ט ובפרזול. בנוסף, סגסוגות טיטניום משמשות גם במיכלי דלק של מנועי רקטות דלק נוזלי, מיכלי אחסון נוזלים קריוגניים, אימפלרים של משאבת מימן נוזלי וכו'.
באופן דומה, בהתפתחות המהירה של הנדסת תעופה וחלל ביתית, נעשה שימוש נרחב גם בסגסוגות טיטניום. מהלוויין Vostok-1 בשנת 1970 ועד לחללית הנוכחית מסדרת Shenzhou, בדיקה של Chang'e וכו', נעשה שימוש בסגסוגות טיטניום. בנוסף, נעשה שימוש בסגסוגות טיטניום בסביבות מימן נוזלי שפותחו בארצנו. בטמפרטורה נמוכה Ti-5Al-2.5Sn ELI סגסוגת טיטניום בלוני גז שימשו בסדרת רכבי השיגור Long March; המכון הטכנולוגי של חרבין משתמש בסגסוגת טיטניום Gr5 להכנת חישוקי רובר ירחי; בנוסף, המדינה שלי משתמשת גם בסגסוגות טיטניום בעלות חוזק גבוה כגון BT20 לייצור מארזי מנועי טילים וחירי צינורות ורכיבים אחרים.
שדה ספינה
טיטניום וסגסוגות טיטניום נמצאות בשימוש נרחב בצוללות גרעיניות, צוללות עמוקות, שוברות קרח אטומיות, מטוסי חילוף, רחפות, שולי מוקשים, מדחפים, אנטנות שוטים, צינורות מי ים, מעבים, מחליפי חום, מכשירים אקוסטיים, ציוד כיבוי אש וכו'. לדוגמה, הצוללת העמוקה האמריקאית "חיה" מצוידת בתא תצפית מסגסוגת טיטניום ובתא בקרה, עם עומק צלילה של עד 6100 מ'; סירת המהירות "Moris Sky 2" עשויה לגמרי טיטניום שנבנתה במשותף על ידי חברת Toho Titanium היפנית ו-Fuji New Shipbuilding. היא פופולרית מאוד בארצות הברית מזה זמן מה; הצוללת המאוישת הראשונה בעיצוב עצמי ומשולבת בעצמה, ה"ג'יאולונג", השתמשה גם בסגסוגת טיטניום. היקף הפעולה של "Jiaolong" מכסה 99.8% משטח הים בעולם.

למרות שהטיטניום וסגסוגות טיטניום התקדמו משמעותית, נחשפו גם בעיות קיימות, וגם הפיתוח של סגסוגות טיטניום עומד בפני אתגרים לא מבוטלים. בא לידי ביטוי בעיקר בשלושת ההיבטים הבאים:
1) מנקודת המבט של הפלט
למרות שארצנו היא מדינה גדולה בתעשיית הטיטניום, היא אינה מייצרת הרבה מוצרים איכותיים ויש לה פחות סוגי מוצרי טיטניום בעלי תכונות מיוחדות. שנית, המדינה שלי עדיין לא מסוגלת לייצר באופן יציב רצועות טיטניום ופרופילי טיטניום שחולצו, מה שמגביל את השימוש בטיטניום וסגסוגות טיטניום בתחום התעופה והחלל. , פיתוח וניצול בתחומים ימיים ואחרים. עדיין קשה מאוד להגדיל עוד יותר את צריכת הטיטניום של מנועי אוויר לכ-50%.
2) ביצועים
מכיוון שמתכת טיטניום היא מאוד פעילה מבחינה כימית ומזוהמת בקלות על ידי יסודות אחרים, טכנולוגיית העיבוד והייצור של סגסוגות טיטניום היא תובענית מאוד. יחד עם זאת, המוצרים המעובדים בעלי הביצועים הגבוהים צריכים לשקול באופן מקיף את התכונות המכניות, הפיזיקליות, הכימיות והתהליכיות שלהם. כאשר סגסוגות טיטניום קיימות הן מעל 600 מעלות, עמידותן לזחילה ועמידותן לחמצון בטמפרטורה גבוהה יורדת בחדות, שהם שני מכשולים עיקריים המגבילים את היישום המורחב של סגסוגות טיטניום.
3) היבט עלות
נכון לעכשיו, מדינות שונות עובדות קשה כדי להפחית את עלות היישום של סגסוגות טיטניום והשיגו תוצאות רבות. אך אם לשפוט על פי המצב הקיים בארצנו, הרמה הניהולית והטכנית של ארצנו טרם הגיעו לרמה האידיאלית. המחירים של מוצרי סגסוגת טיטניום מקומיים תחרותיים יחסית בינלאומית. גרוע ולא תורם להרחבה נוספת של השימוש.
כיום, תחומי היישום העיקריים של סגסוגות טיטניום הם תעופה וחלל ותחומים צבאיים אחרים. לפיתוח תחומי יישומים חדשים, כגון מכוניות, רכבות, רכבות מהירות ושדות אזרחיים הנפוצים בחיי היומיום, עדיין יש סיכויי יישום רחבים. בנוסף, החלפת יסודות סגסוגת יקרים באלמנטים במחיר נמוך יותר והפחתת העלות של חלקי סגסוגת טיטניום באמצעים טכניים הם נושאים חשובים במחקר עתידי של סגסוגת טיטניום. לאחר שייצור בעלות נמוכה של סגסוגות טיטניום עבור יישומים מתקדמים יושג בעתיד, סגסוגות טיטניום ישמשו בתחומים שונים.