Đặc điểm và chức năng của titan

Titan là một nguyên tố có số nguyên tử 22 trong bảng tuần hoàn. Phân nhóm nguyên tố chu kỳ thứ tư, ký hiệu IVB, bao gồm zirconium và hafni ngoài titan. Đặc điểm chung là điểm nóng chảy cao, được hình thành trên bề mặt của nó ở nhiệt độ phòng. màng oxit ổn định.

1. Mật độ thấp, cường độ cao, cường độ riêng cao

Mật độ của titan là 4,51g/cm3, bằng 57% thép. Titan nhẹ hơn gấp đôi trọng lượng của nhôm nhưng bền hơn gấp ba lần. Cường độ riêng (tỷ lệ cường độ/mật độ) của hợp kim titan là lớn nhất trong số các hợp kim công nghiệp thường được sử dụng (xem Bảng 2-1). Cường độ riêng của hợp kim titan gấp 3,5 lần thép không gỉ; 1,3 lần so với hợp kim nhôm; 1,7 lần so với hợp kim magiê. Nó là vật liệu kết cấu không thể thiếu cho ngành hàng không vũ trụ.

Bảng 2-1 So sánh mật độ và độ bền riêng của titan và các kim loại khác

2. Khả năng chống ăn mòn tuyệt vời

Sự thụ động của titan phụ thuộc vào sự hiện diện của màng oxit, có khả năng chống ăn mòn trong môi trường oxy hóa cao hơn trong môi trường khử. Ăn mòn tốc độ cao xảy ra trong môi trường khử. Titan không bị ăn mòn trong một số môi trường ăn mòn, chẳng hạn như nước biển, clo ướt, dung dịch clorit và hypochlorite, axit nitric, axit cromic, clorua kim loại, sunfua và axit hữu cơ. Nhưng trong môi trường (như axit clohydric, axit sulfuric) phản ứng với titan để tạo ra hydro, titan thường có tốc độ ăn mòn lớn. Tuy nhiên, nếu thêm một lượng nhỏ chất oxy hóa vào axit, một lớp màng thụ động sẽ được hình thành trên bề mặt titan. Do đó, titan có khả năng chống ăn mòn trong axit sunfuric-axit nitric đậm đặc hoặc hỗn hợp axit clohydric-axit nitric, ngay cả trong axit clohydric có chứa clo tự do. Một màng oxit bảo vệ của titan thường hình thành khi kim loại tiếp xúc với nước, ngay cả với một lượng nhỏ hoặc trong hơi nước. Nếu titan tiếp xúc với môi trường oxy hóa mạnh mà không có nước, quá trình oxy hóa nhanh và phản ứng dữ dội sẽ xảy ra, thậm chí thường xảy ra hiện tượng đốt cháy tự phát. Hiện tượng này xảy ra khi titan phản ứng với axit nitric bốc khói có chứa oxit nitơ dư thừa và khi titan phản ứng với khí clo khô. Vì vậy, để ngăn chặn những phản ứng như vậy cần phải có một lượng nước nhất định. Ngay cả với số lượng nhỏ hoặc trong hơi nước. Nếu titan tiếp xúc với môi trường oxy hóa mạnh mà không có nước, quá trình oxy hóa nhanh và phản ứng dữ dội sẽ xảy ra, thậm chí thường xảy ra hiện tượng đốt cháy tự phát. Hiện tượng này xảy ra khi titan phản ứng với axit nitric bốc khói có chứa oxit nitơ dư thừa và khi titan phản ứng với khí clo khô. Vì vậy, để ngăn chặn những phản ứng như vậy cần phải có một lượng nước nhất định. Ngay cả với số lượng nhỏ hoặc trong hơi nước. Nếu titan tiếp xúc với môi trường oxy hóa mạnh mà không có nước, quá trình oxy hóa nhanh và phản ứng dữ dội sẽ xảy ra, thậm chí thường xảy ra hiện tượng đốt cháy tự phát. Hiện tượng này xảy ra khi titan phản ứng với axit nitric bốc khói có chứa oxit nitơ dư thừa và khi titan phản ứng với khí clo khô. Vì vậy, để ngăn chặn những phản ứng như vậy cần phải có một lượng nước nhất định.

3. Chịu nhiệt tốt

Thông thường nhôm mất đi các đặc tính ban đầu ở 150 độ, thép không gỉ mất đi các đặc tính ban đầu ở 310 độ, và hợp kim titan vẫn duy trì các đặc tính cơ học tốt ở khoảng 500 độ. Khi tốc độ của máy bay đạt gấp 2,7 lần tốc độ âm thanh, nhiệt độ bề mặt của cấu trúc máy bay đạt tới 230 độ, không thể sử dụng hợp kim nhôm và magiê, trong khi hợp kim titan có thể đáp ứng yêu cầu. Titan có khả năng chịu nhiệt tốt và được sử dụng trong các đĩa và cánh của máy nén động cơ máy bay cũng như vỏ thân sau của máy bay.

4. hiệu suất nhiệt độ thấp tốt

Độ bền của một số hợp kim titan (như Ti{0}}AI-2.5SnELI) tăng khi nhiệt độ giảm nhưng độ dẻo không giảm nhiều. Nó vẫn có độ dẻo và dai tốt ở nhiệt độ thấp, thích hợp sử dụng ở nhiệt độ cực thấp. Nó có thể được sử dụng cho động cơ tên lửa hydro lỏng và oxy lỏng khô, đồng thời cũng có thể được sử dụng cho các thùng chứa và bể chứa nhiệt độ cực thấp của tàu vũ trụ có người lái.

5. không có từ tính

Titan không có từ tính và được sử dụng trong vỏ tàu ngầm và sẽ không gây nổ mìn.

6. Độ dẫn nhiệt nhỏ

Việc so sánh độ dẫn nhiệt giữa titan và các kim loại khác được thể hiện trong Bảng 2-2.

Bảng 2-2 So sánh độ dẫn nhiệt giữa titan và các kim loại khác

Độ dẫn nhiệt của titan nhỏ, chỉ bằng 1/5 thép, 1/13 nhôm và 1/25 đồng. Độ dẫn nhiệt kém là nhược điểm của titan, nhưng tính chất này của titan có thể được khai thác trong một số trường hợp.

7. mô đun đàn hồi thấp

Mô đun đàn hồi của titan được so sánh với các kim loại khác trong Bảng 2-3.

Bảng 2-3 So sánh mô đun đàn hồi của titan và các kim loại khác

Mô đun đàn hồi của titan chỉ bằng 55% so với thép và mô đun đàn hồi thấp là bất lợi khi sử dụng làm vật liệu kết cấu.

8. Độ bền kéo và cường độ năng suất rất giống nhau

Độ bền kéo của hợp kim titan Ti{0}}AI{1}}V là 960MPa, cường độ chảy là 892MPa, chênh lệch giữa hai loại chỉ là 58MPa, xem Bảng 2-4.

Bảng 2-4 So sánh độ bền kéo và cường độ năng suất của titan và các kim loại khác

9. Titan dễ bị oxy hóa ở nhiệt độ cao

Titan có liên kết hydro và oxy mạnh, vì vậy phải cẩn thận để ngăn chặn quá trình oxy hóa và hấp thụ hydro. Hàn titan nên được thực hiện dưới sự bảo vệ argon để ngăn ngừa ô nhiễm. Các ống titan và tấm mỏng phải được xử lý nhiệt trong chân không, và việc xử lý nhiệt của vật rèn titan phải kiểm soát môi trường oxy hóa vi mô.

10. Khả năng chống giảm xóc thấp

Sử dụng titan và các vật liệu kim loại khác (đồng, thép) để làm những chiếc chuông có hình dạng và kích thước giống hệt nhau, đánh vào mỗi chiếc chuông với một lực như nhau, bạn sẽ thấy chiếc chuông làm bằng titan rung lên và âm thanh kéo dài, tức là bằng cách rung chuông. Năng lượng nhất định không dễ biến mất, vì vậy chúng tôi nói rằng hiệu suất giảm xóc của titan thấp.