التيتانيوم هو عنصر ذو عدد ذري 22 في الجدول الدوري، الدورة الرابعة من عناصر المجموعة الفرعية أي المجموعة الرابعة ب، بالإضافة إلى التيتانيوم هناك الزركونيوم، الهافنيوم، ومن الخصائص المشتركة بينهما درجة انصهار عالية، في درجة حرارة الغرفة على سطحه لتكوين طبقة أكسيد مستقرة.
عشر خصائص التيتانيوم
1. كثافة صغيرة، قوة عالية، قوة محددة كبيرة
تبلغ كثافة التيتانيوم 4.51 جم / سم 3، وهو ما يمثل 57٪ من الفولاذ، والتيتانيوم أقل من ضعف ثقل الألومنيوم، وقوته ثلاثة أضعاف قوة الألومنيوم. القوة النوعية (نسبة القوة / الكثافة) لسبائك التيتانيوم هي الأكبر في السبائك الصناعية الشائعة (انظر الجدول 1)، والقوة النوعية لسبائك التيتانيوم هي 3.5 مرة من الفولاذ المقاوم للصدأ، و1.3 مرة من سبائك الألومنيوم، و1.7 مرة. من سبائك المغنيسيوم، لذلك فهي مادة هيكلية أساسية لصناعة الطيران.
2. مقاومة ممتازة للتآكل
تعتمد سلبية التيتانيوم على وجود طبقة الأكسيد، ومقاومته للتآكل في الوسائط المؤكسدة أفضل بكثير منها في الوسائط المختزلة. تحدث معدلات عالية من التآكل في تقليل الوسائط. لا يتآكل التيتانيوم في بعض الوسائط المسببة للتآكل، مثل مياه البحر والكلور الرطب ومحاليل الكلوريت وهيبوكلوريت وحمض النيتريك وحمض الكروميك وكلوريدات المعادن والكبريتيدات والأحماض العضوية. ومع ذلك، في الوسط الذي يتفاعل مع التيتانيوم لإنتاج الهيدروجين (مثل حمض الهيدروكلوريك وحمض الكبريتيك)، عادة ما يكون لدى التيتانيوم معدل تآكل مرتفع. ومع ذلك، إذا تمت إضافة كمية صغيرة من عامل الأكسدة إلى الحمض، فسيتم تشكيل طبقة تخميل على سطح التيتانيوم. لذلك، في خليط حمض الكبريتيك القوي - حمض النيتريك أو حمض الهيدروكلوريك - حمض النيتريك، وحتى في حمض الهيدروكلوريك الذي يحتوي على الكلور الحر، يكون التيتانيوم مقاومًا للتآكل. غالبًا ما يتكون فيلم أكسيد التيتانيوم الواقي عندما يضرب المعدن الماء، حتى بكميات صغيرة من الماء أو بخار الماء. إذا تعرض التيتانيوم لبيئة مؤكسدة قوية لا يوجد فيها ماء على الإطلاق، فسوف تحدث أكسدة سريعة وتحدث تفاعلات عنيفة، وحتى الاحتراق التلقائي سيحدث في كثير من الأحيان. حدثت مثل هذه الظواهر في تفاعل التيتانيوم مع حمض النيتريك المدخن الذي يحتوي على كمية زائدة من أكسيد النيتروجين والتيتانيوم مع غاز الكلور الجاف. لذا، لمنع هذا النوع من ردود الفعل، يجب أن يكون هناك أ
3. مقاومة جيدة للحرارة
عادةً ما يفقد الألومنيوم عند 150 درجة مئوية، والفولاذ المقاوم للصدأ عند 310 درجة مئوية خصائصه الأصلية، في حين أن سبائك التيتانيوم عند حوالي 500 درجة مئوية لا تزال تحتفظ بخصائص ميكانيكية جيدة. عندما تصل سرعة الطائرة إلى 2.7 مرة سرعة الصوت، تصل درجة حرارة سطح هيكل الطائرة إلى 230 درجة، ولا يمكن استخدام سبائك الألومنيوم وسبائك المغنيسيوم، ويمكن أن تلبي سبائك التيتانيوم المتطلبات. يتمتع التيتانيوم بمقاومة جيدة للحرارة، ويتم استخدامه في قرص وشفرة ضاغط محرك الطائرة وجلد الجزء الخلفي من جسم الطائرة.
4. أداء جيد في درجات الحرارة المنخفضة
تزداد قوة بعض سبائك التيتانيوم (مثل Ti-5AI-2.5SnELI) مع انخفاض درجة الحرارة، ولكن اللدونة لا تقل كثيرًا، ولا تزال تتمتع بمرونة وصلابة جيدة في درجات الحرارة المنخفضة ، وهو مناسب للاستخدام في درجات حرارة منخفضة للغاية. ويمكن استخدامه في محركات الصواريخ ذات الهيدروجين السائل الجاف والأكسجين السائل، أو في المركبات الفضائية المأهولة كحاويات وخزانات ذات درجة حرارة منخفضة للغاية.
5. لا يوجد مجال مغناطيسي
التيتانيوم غير مغناطيسي، فهو يستخدم في هيكل الغواصة، ولن يسبب انفجار الألغام.
6. الموصلية الحرارية الصغيرة
الموصلية الحرارية للتيتانيوم صغيرة، فقط 1/5 من الفولاذ، و1/13 من الألومنيوم، و1/25 من النحاس. يعد ضعف التوصيل الحراري أحد عيوب التيتانيوم، ولكن في بعض الحالات يمكن استخدام ميزة التيتانيوم هذه.
7. معامل مرونة منخفض
يبلغ معامل المرونة للتيتانيوم 55% فقط من معامل المرونة للفولاذ، ويعتبر معامل المرونة المنخفض عيبًا عند استخدامه كمادة هيكلية
8. قوة الشد وقوة الخضوع قريبان جدًا
تبلغ قوة الشد لسبائك التيتانيوم Ti-6AI-4V 960 ميجا باسكال ومقاومة الخضوع 892 ميجا باسكال، والفرق بين الاثنين هو 58 ميجا باسكال فقط.
9. من السهل أن يتأكسد التيتانيوم عند درجات الحرارة العالية
يتمتع التيتانيوم بقوة ربط قوية مع الهيدروجين والأكسجين، ويجب الانتباه إلى منع الأكسدة وامتصاص الهيدروجين. يجب أن يتم لحام التيتانيوم تحت حماية الأرجون لمنع التلوث. يجب معالجة أنبوب وصفائح التيتانيوم بالحرارة تحت فراغ، ويجب التحكم في جو الأكسدة الدقيقة أثناء المعالجة الحرارية لمطروقات التيتانيوم.
10. انخفاض أداء التخميد
مع التيتانيوم والمواد المعدنية الأخرى (النحاس والفولاذ) المصنوعة من نفس شكل وحجم الساعة، وبنفس قوة قرع كل جرس ستجد أن الساعة المصنوعة من التيتانيوم صوت التذبذب تدوم لفترة طويلة، أي الطاقة ليس من السهل أن يختفي المعطى عن طريق طرق الساعة، لذلك نقول أن أداء التخميد للتيتانيوم منخفض.
ثلاث وظائف خاصة من التيتانيوم
1
وظيفة ذاكرة الشكل
يشير إلى سبيكة Ti-50%Ni (الذرية)، يمكنها استعادة قدرتها على الشكل الأصلي في ظل ظروف درجة حرارة معينة، وتسمى هذه السبائك ذات ذاكرة شكل المادة.
2
وظيفة فائقة التوصيل
يشير إلى سبيكة Nb-Ti، عندما تنخفض درجة الحرارة إلى ما يقرب من الصفر المطلق، فإن السلك المصنوع من سبيكة Nb-Ti، سيفقد مقاومته، وأي تيار كبير من خلاله، لن يسخن السلك، ولا يوجد استهلاك للطاقة، Nb-Ti تسمى مادة فائقة التوصيل .
3
وظيفة تخزين الهيدروجين
يشير إلى سبيكة Ti-50%Fe (الذرية)، التي تتمتع بالقدرة على امتصاص كمية كبيرة من الهيدروجين. باستخدام ميزة Ti-Fe، يمكن تخزين الهيدروجين بأمان، أي أن تخزين الهيدروجين لا يستخدم بالضرورة أسطوانات فولاذية عالية الضغط. في ظل ظروف معينة، يمكن أيضًا إطلاق الهيدروجين بواسطة Ti-Fe، والذي يسمى مادة تخزين الطاقة.