Титан – прочный и легкий тугоплавкий металл. Титановые сплавы имеют решающее значение для аэрокосмической промышленности, а также используются в медицинском, химическом и военном оборудовании, а также в спортивном оборудовании.
На долю аэрокосмической отрасли приходится 80% потребление титана, в то время как 20% металла используется в броне, медицинском оборудовании и потребительских товарах.
Свойства титана
- Атомный символ: Ti
- Атомный номер: 22
- Категория элемента: переходный металл
- Плотность: 4,506/ см 3
- Точка плавления: 3038 ° F (1670 ° C)
- Точка кипения: 5949 ° F (3287 ° C) )
- Твердость по Моосу: 6
Характеристики
Сплавы, содержащие титан, являются известны своей высокой прочностью, малым весом и исключительной коррозионной стойкостью. Несмотря на то, что титан такой же прочный, как сталь, титан примерно на 40% легче по весу.
Это, наряду с его устойчивостью к кавитации (быстрые изменения давления, вызывающие удары волны, которые со временем могут ослабить или повредить металл) и эрозии, что делает его важным конструкционным металлом для аэрокосмических инженеров.
Титан также обладает огромной устойчивостью к воздействию коррозия как водой, так и химическими средами. Это сопротивление является результатом тонкого слоя диоксида титана (TiO 2 ), который образуется на его поверхности, через которую эти материалы чрезвычайно трудно проникнуть.
Титан имеет низкий модуль упругости. Это означает, что титан очень гибкий и может возвращаться к своей первоначальной форме после изгиба. Сплавы с эффектом памяти (сплавы, которые могут деформироваться в холодном состоянии, но возвращаются к своей исходной форме при нагревании) важны для многих современных применений.
Титан не- магнитный и биосовместимый (нетоксичный, неаллергенный), что привело к увеличению его использования в медицине.
История
Использование металлического титана в любой форме по-настоящему развилось только после Второй мировой войны. Фактически, титан не был выделен как металл до тех пор, пока американский химик Мэтью Хантер не произвел его путем восстановления тетрахлорида титана (TiCl 4 ) натрием в 1910 году; метод, теперь известный как процесс Хантера.
Однако коммерческое производство началось только после того, как Уильям Джастин Кролл показал, что титан также можно восстановить из хлорида, используя магний в 1930-е гг. Процесс Кролла и по сей день остается наиболее часто используемым методом коммерческого производства.
После разработки экономичного метода производства титан впервые широко использовался в военной авиации. . И советские, и американские военные самолеты и подводные лодки, спроектированные в 1950-х и 1960-х годах, начали использовать титановые сплавы. К началу 1960-х годов титановые сплавы начали использовать и производители коммерческих самолетов..
Область медицины, в частности зубные имплантаты и протезирование, осознала полезность титана после того, как исследования шведского доктора Пер-Ингвара Бранемарка, проведенные в 1950-х годах, показали, что титан не вызывает отрицательный иммунный ответ у людей, позволяющий металлу интегрироваться в наши тела в процессе, который он назвал остеоинтеграцией.
Производство
Хотя титан является четвертым по распространенности металлическим элементом в земной коре (после алюминия, железа и магния), производство металлического титана чрезвычайно чувствительно к загрязнению, особенно кислородом, что объясняет его относительно недавнее развитие и высокую стоимость. p>
Основными рудами, используемыми в первичном производстве титана, являются ильменит и рутил, на которые, соответственно, приходится около 90% и 10% добычи.
В 2015 году было произведено около 10 миллионов тонн титанового минерального концентрата, хотя титана составляет лишь небольшую долю (около 5%). Ежегодно производимый ионный концентрат в конечном итоге превращается в металлический титан. Вместо этого большинство из них используется в производстве диоксида титана (TiO 2 ), отбеливающего пигмента, используемого в красках, пищевых продуктах, лекарствах и косметике.
На первом этапе процесса Кролла титановая руда измельчается и нагревается с коксующимся углем в атмосфере хлора с получением тетрахлорида титана (TiCl 4 ). Затем хлорид улавливается и направляется через конденсатор, в котором образуется жидкость хлорида титана с чистотой более 99%.
Затем тетрахлорид титана направляется непосредственно в сосуды, содержащие расплавленный магний. Чтобы избежать загрязнения кислородом, его делают инертным путем добавления газообразного аргона.
Во время последующего процесса дистилляции, который может занять несколько дней, сосуд нагревают до 1832 ° F (1000 ° C). Магний реагирует с хлоридом титана, отделяя хлорид и производя элементарный титан и хлорид магния.
Волокнистый титан, который получается в результате, называется титановая губка. Для производства титановых сплавов и слитков титана высокой чистоты губку титана можно плавить с различными легирующими элементами с использованием электронно-лучевой, плазменной дуги или вакуумно-дугового плавления.