التيتانيوم عنصر ذو عدد ذري 22 في الجدول الدوري، وعنصر مجموعة ثانوية في الدورة الرابعة وهي مجموعة IVB. بالإضافة إلى التيتانيوم، تشمل هذه المجموعة من العناصر أيضًا الزركونيوم والهافنيوم. السمة المشتركة بينها هي نقطة الانصهار العالية، والتي تشكل طبقة أكسيد مستقرة على سطحها عند درجة حرارة الغرفة.

لقد تم تصدير Wuxi Changrun صفائح أنبوبية مغطاة بفولاذ التيتانيوموألواح التيتانيوم وقضبان التيتانيوم للعملاء الأجانب.

الخصائص العشرة للتيتانيوم

1. كثافة منخفضة، قوة عالية، وقوة محددة عالية

تبلغ كثافة التيتانيوم 4.51 جرام/سم3، وهو ما يمثل 57% من الفولاذ. التيتانيوم أقل بمرتين من الألومنيوم وأقوى بثلاث مرات من الألومنيوم. القوة المحددة (نسبة القوة / الكثافة) لسبائك التيتانيوم هي الأكبر بين السبائك الصناعية شائعة الاستخدام (انظر الجدول 1). القوة النوعية لسبائك التيتانيوم هي 3.5 مرة من الفولاذ المقاوم للصدأ، و1.3 مرة من سبائك الألومنيوم، و1.7 مرة من سبائك المغنيسيوم، مما يجعلها مادة هيكلية أساسية في صناعة الطيران.

الجدول 1. مقارنة الكثافة والقوة النوعية بين التيتانيوم والمعادن الأخرى

2. مقاومة ممتازة للتآكل

تعتمد سلبية التيتانيوم على وجود طبقة أكسيد، ومقاومته للتآكل في الوسائط المؤكسدة أفضل بكثير من الوسائط المختزلة. يحدث تآكل عالي السرعة في تقليل الوسائط. لا يتآكل التيتانيوم في بعض الوسائط المسببة للتآكل، مثل مياه البحر وغاز الكلور الرطب ومحاليل الكلوريت وهيبوكلوريت وحمض النيتريك وحمض الكروميك وكلوريدات المعادن والكبريتيدات والأحماض العضوية. ولكن إذا تمت إضافة كمية صغيرة من مادة الأكسدة إلى الحمض، فسوف يتكون فيلم التخميل على سطح التيتانيوم. لذلك في خليط من حامض الكبريتيك القوي وحمض النيتريك أو حمض الهيدروكلوريك وحمض النيتريك، وحتى في حمض الهيدروكلوريك الذي يحتوي على الكلور الحر، يكون التيتانيوم مقاومًا للتآكل. غالبًا ما يتكون فيلم أكسيد التيتانيوم الواقي عند ملامسة المعدن للماء، حتى في كميات صغيرة من الماء أو البخار. إذا تعرض التيتانيوم لبيئة مؤكسدة قوية خالية تمامًا من الماء، فسوف يخضع لأكسدة سريعة وينتج تفاعلات عنيفة، وغالبًا ما يؤدي إلى احتراق ذاتي. وقد حدثت هذه الظاهرة في التفاعل بين التيتانيوم وحمض النيتريك المدخن الذي يحتوي على فائض من أكسيد النيتروجين، وكذلك بين التيتانيوم وغاز الكلور الجاف. لذا، لمنع حدوث مثل هذه التفاعلات، يجب إشراك الماء.

3. أداء جيد لمقاومة الحرارة

عادة، يفقد الألومنيوم خصائصه الأصلية عند درجة حرارة 150 درجة مئوية، ويفقد الفولاذ المقاوم للصدأ خصائصه الأصلية عند درجة حرارة 310 درجة مئوية، بينما لا تزال سبائك التيتانيوم تحتفظ بخصائص ميكانيكية جيدة عند حوالي 500 درجة مئوية. عندما تصل سرعة الطائرة إلى 2.7 مرة سرعة الصوت، تصل درجة حرارة سطح هيكل الطائرة إلى 230 درجة مئوية، ولم يعد من الممكن استخدام سبائك الألومنيوم والمغنيسيوم، بينما يمكن لسبائك التيتانيوم تلبية المتطلبات. يتمتع التيتانيوم بمقاومة جيدة للحرارة ويستخدم في أقراص وشفرات ضواغط محرك الطائرات، بالإضافة إلى غلاف 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، لكن اللدونة لا تنخفض كثيرًا. لا تزال تتمتع بمرونة وصلابة جيدة في درجات حرارة منخفضة ومناسبة للاستخدام في درجات حرارة منخفضة للغاية. ويمكن استخدامه في المحركات الصاروخية ذات الهيدروجين السائل والأكسجين السائل الجاف أو كحاويات وخزانات ذات درجة حرارة منخفضة للغاية في المركبات الفضائية المأهولة.

5. غير مغناطيسي

التيتانيوم غير مغناطيسي ولن يتسبب في انفجار الألغام عند استخدامه في قذائف الغواصات.

6. الموصلية الحرارية المنخفضة

تظهر مقارنة التوصيل الحراري بين التيتانيوم والمعادن الأخرى في الجدول 2. يتمتع التيتانيوم بموصلية حرارية منخفضة، فقط 1/5 من الفولاذ، و1/13 من الألومنيوم، و1/25 من النحاس. يعد ضعف التوصيل الحراري من عيوب التيتانيوم، لكن في حالات معينة، يمكن أن تصبح هذه الخاصية للتيتانيوم ميزة خاصة للاستخدام.

 الجدول 2. مقارنة التوصيل الحراري بين التيتانيوم والمعادن الأخرى

7. معامل مرونة منخفض

يظهر الجدول 3 مقارنة معامل المرونة بين التيتانيوم والمعادن الأخرى. معامل المرونة للتيتانيوم هو 55% فقط من الفولاذ، وهو عيب عند استخدامه كمادة هيكلية.

الجدول 3. مقارنة معامل المرونة بين التيتانيوم والمعادن الأخرى

8. قوة الشد قريبة جدًا من قوة الخضوع

قوة الشد لسبائك التيتانيوم Ti-6AI-4V هي 960MPa، وقوة الخضوع هي 892MPa، والفرق بين الاثنين هو 58MPa فقط، كما هو موضح في الجدول 4.

الجدول 4. مقارنة قوة الشد ومقاومة الخضوع بين التيتانيوم والمعادن الأخرى

9. يتأكسد التيتانيوم بسهولة عند درجات الحرارة المرتفعة

يتمتع التيتانيوم بقوة ربط قوية مع الهيدروجين والأكسجين، لذا يجب الاهتمام بمنع الأكسدة وامتصاص الهيدروجين عند استخدامه. يجب أن يتم لحام التيتانيوم تحت حماية الأرجون لمنع التلوث. تحتاج أنابيب التيتانيوم والألواح الرقيقة إلى المعالجة الحرارية تحت فراغ، ويجب أن تتحكم المعالجة الحرارية لمطروقات التيتانيوم في الغلاف الجوي المؤكسد الدقيق.

10. أداء منخفض ضد التخميد

استخدام التيتانيوم والمواد المعدنية الأخرى (النحاس والفولاذ) لصنع ساعات بنفس الشكل والحجم تمامًا، فضرب كل ساعة بنفس القوة سيكشف أن الساعات المصنوعة من التيتانيوم تهتز لفترة طويلة، مما يعني أن الطاقة الممنوحة للساعة عن طريق الضرب لا يتبدد بسهولة. لذلك، نقول أن التيتانيوم لديه أداء تخميد منخفض.

ثلاث وظائف خاصة للتيتانيوم

1. وظيفة ذاكرة الشكل

يشير إلى قدرة سبيكة Ti-50% Ni (الذرية) على استعادة شكلها الأصلي في ظل ظروف درجة حرارة محددة، وتسمى سبيكة ذاكرة الشكل.

2. وظيفة فائقة التوصيل

إنه يشير إلى سبيكة Nb-Ti. عندما تنخفض درجة الحرارة إلى ما يقرب من الصفر المطلق، يفقد السلك المصنوع من سبيكة Nb-Ti مقاومته. أي تيار كبير يمر عبر السلك لن يولد حرارة ولا يوجد استهلاك للطاقة. تسمى Nb-Ti مادة فائقة التوصيل.

3. وظيفة تخزين الهيدروجين

ويشير إلى سبيكة Ti-50% Fe (الذرية)، التي لديها القدرة على امتصاص كمية كبيرة من غاز الهيدروجين. ومن خلال الاستفادة من هذه الميزة في Ti Fe، يمكن تخزين الهيدروجين بأمان، مما يعني أن تخزين الهيدروجين لا يتطلب بالضرورة استخدام أسطوانات فولاذية عالية الضغط. في ظل ظروف معينة، يمكن لـ Ti Fe أيضًا إطلاق الهيدروجين، والذي يُعرف باسم مادة تخزين الطاقة.