Титан - Titanium


Из Википедии, свободной энциклопедии

Титан,   22 Ti ,
Титан-кристалл bar.jpg
титан
Произношение / Т ɪ т п я ə м , т - / ( tə- ТАЙ -nee-əm, TY- )
Внешность серебристо-серо-белый металлический
Стандартный атомный вес г, станд (Ti) , 47,867 (1)
Титан в периодической таблице
водород гелий
литий бериллий бор углерод азот кислород Фтор неон
натрий магниевый алюминий кремний фосфор сера хлор аргон
калий кальций Скандий титан Ванадий хром марганца Железо кобальт никель медь цинк галлий германий мышьяк Селен Бром криптон
Рубидий стронций Иттрий Цирконий ниобий молибден технеций Рутений Родий палладий Серебряный Кадмий Индий Банка сурьма Теллур йод ксенон
цезий барий Лантан церий празеодимий неодим Прометий Самарий европий гадолиний тербий диспрозий Holmium эрбий Тулий Иттербий Лютеций Гафний тантал вольфрам рений Осмий Иридий платиновый Золото Ртуть (элемент) таллий вести висмут Полоний Астат радон
Франций радий актиний торий протактиний Уран нептуний Плутоний Америций кюрий беркелий калифорний эйнштейний Fermium менделевий Нобелий Лоуренсий резерфордия Дубний сиборгия борий гания мейтнерий Darmstadtium рентгения Коперниций Nihonium Флеровий Moscovium Ливерморий Tennessine Oganesson
-

Ti

Zr
скандийтитанаванадия
Атомный номер ( Z ) 22
группа группа 4
период период 4
блок d-блок
категория Элемент   переходный металл
Электронная конфигурация [ Ar ] 3d 2 4s 2
Электроны в оболочке
2, 8, 10, 2
Физические свойства
Фаза на  STP твердый
Температура плавления 1941  К (1 668 ° С, 3034 ° F)
Точка кипения 3560 К (3287 ° С, 5949 ° F)
Плотность (около  к.т. ) 4,506 г / см 3
когда жидкость (при  тре ) 4,11 г / см 3
Теплота плавления 14,15  кДж / моль
Теплота парообразования 425 кДж / моль
Молярная теплоемкость 25,060 Дж / (моль · К)
Давление газа
Р  (Па) 1 10 100 1 к 10 к 100 к
при  Т  (К) 1982 2171 (2403) 2692 3064 3558
Атомные свойства
Окислительные состояния -2, -1, +1, +2, +3, +4 , (ые  амфотерный оксид)
Электроотрицательность Полинг шкала: 1,54
энергия ионизации
  • 1-й: 658,8 кДж / моль
  • 2-й: 1309,8 кДж / моль
  • Третий: 2652,5 кДж / моль
  • ( Более )
Радиус атома эмпирические: 147  м
радиус Ковалентного 160 ± 8 вечера
Цвет линии в спектральном диапазоне
Спектральные линии титана
Другие свойства
Естественное явление исконный
Кристальная структура гексагональной плотной упаковкой (ГЦК)
Шестигранная плотноупакованная кристаллическая структура титана
Скорость звука тонкого стержня 5090 м / с (при  комнатной температуре )
Тепловое расширение 8,6 мкм / (м · К) (при 25 ° C)
Теплопроводность 21,9 Вт / (м · К)
Электрическое сопротивление 420 nΩ · м (при 20 ° C)
Магнитное упорядочение парамагнитный
магнитная восприимчивость + 153,0 · 10 -6  см 3 / моль (293 К)
Модуль для младших 116 ГПа
Модуль сдвига 44 ГПа
объемный модуль 110 ГПа
коэффициент Пуассона 0,32
твердость по Моосу 6,0
твердость по Виккерсу 830-3420 МПа
твердость по Бринеллю 716-2770 МПа
Количество CAS 7440-32-6
история
открытие Уильям Грегор (1791)
Первая изоляция Берцелиус (1825)
Названный Клапрот (1795)
Основные изотопы титана
Изотоп изобилие Период полураспада ( т 1/2 ) режим Decay Товар
44 Ti син 63 лет ε 44 Sc
γ -
46 Ti 8,25% стабильный
47 Ti 7,44% стабильный
48 Ti 73,72% стабильный
49 Ti 5,41% стабильный
50 Ti 5,18% стабильный
| Рекомендации

Титан является химическим элементом с символом Ti и атомным номером 22. Это блестящий переходный металл с цветом серебра, низкой плотностью и высокой прочностью. Титан устойчив к коррозии в морской воде , царской водке и хлора .

Титан был обнаружен в Корнуолле , Великобритания , по Уильям Грегор в 1791 году, и был назван Клапротом после титанов из греческой мифологии . Элемент происходит в течение ряда минеральных отложений, главным образом рутила и ильменита , которые широко распространены в земной коре и литосфере , и он находится в почти всех живых существ, водоемы, скалы и почвы. Металл экстрагируют из его основных минеральных руд со стороны Кролла и процессов Hunter . Наиболее распространенное соединение, диоксид титана , является популярным фотокатализатором и используется при изготовлении белых пигментов. Другие соединения включают тетрахлорид титана (TiCl 4 ), компонент дыма экранов и катализаторов ; и трихлорид титана (TiCl 3 ), который используют в качестве катализатора в производстве полипропилена .

Титан может быть легированный с железом , алюминием , ванадия и молибдена , помимо других элементов, чтобы произвести сильные, легкие сплавы для аэрокосмической ( реактивных двигателей , ракет и космических аппаратов ), военные, промышленные процессы (химической и нефтехимической промышленности, опреснительных установок , целлюлозы, и бумага), автомобильной промышленности, агропродовольственного, медицинские протезы , ортопедические имплантаты , зубные и эндодонтические инструменты и файлы, зубные имплантаты , спортивные товары, ювелирные изделия, мобильные телефоны и другие приложения.

Два наиболее полезные свойства металла являются коррозионная стойкость и коэффициент прочности к плотности, самым высоким из любого металлического элемента. В своем нелегированном состоянии, титан сильна , как некоторые стали , но менее плотная. Есть два аллотропных формы и пять встречающиеся в природе изотопы этого элемента, 46 Ti , через 50 Ti, с 48 Ti являются наиболее обильные (73,8%). Несмотря на то, что они имеют одинаковое число валентных электронов и находятся в одной и той же группы в периодической таблице , титана и циркония отличаются во многих химических и физических свойств.

Характеристики

Физические свойства

В качестве металла , титан известен своей высокой прочности к весу . Это сильный металл с низкой плотностью , что является довольно пластичным (особенно в кислородной среде), свободной от блестящей, и металлической-белого цвета . Относительно высокая температура плавления (более 1 650 ° С или 3000 ° F) , делает его полезным в качестве тугоплавкого металла . Это парамагнитного и имеет довольно низкую электрическую и тепловую проводимость .

Коммерчески чистый (99,2% чистоты) сорта титана имеют предел прочности на разрыв около 434 МПа (63000 фунтов на квадратный дюйм ), равном количеству общих, низкосортных стальных сплавов, но имеют меньшую плотность. Титан 60% плотнее , чем алюминий, но больше , чем в два раза сильнее , как наиболее часто используемых 6061-T6 алюминиевого сплава . Некоторые титановые сплавы (например, бета - С ) достижения прочности на разрыв свыше 1400 МПа (200000 фунтов на квадратный дюйм). Тем не менее, титан теряет прочность при нагревании выше 430 ° C (806 ° F).

Титан не так трудно , как некоторые сорта термообработанной стали; это немагнитное и плохой проводник тепла и электричества. Обработка требует мер предосторожности, так как материал может желчь , если не используются острые инструменты и надлежащие методы охлаждения. Как стальные конструкции, изготовленные из титана имеет предел усталости , который гарантирует долговечность в некоторых приложениях.

Металла представляет собой диморфизм аллотроп из гексагональной формы альфа , который изменяется в объемно-центрированной кубической формы (решетки) & beta ; при 882 ° C (1620 ° F). Удельная теплоемкость из формы α резко возрастает при его нагревании до этой температуры перехода , но затем падает и остается довольно постоянным для формы бета независимо от температуры.

Химические свойства

Диаграмма Пурбе для титана в чистой воде, хлорная кислота или гидроксид натрия

Как алюминий и магний , титан металл и его сплавы окисляются сразу же после контакта с воздухом. Титан легко реагирует с кислородом при 1200 ° С (2190 ° F) в воздухе, и при 610 ° C (1130 ° F) в среде чистого кислорода, образуя диоксид титана . Это, однако, медленно реагирует с водой и воздухом при температуре окружающей среды , так как он образует пассивное оксидное покрытие , которое защищает объемный металл от дальнейшего окисления. Когда первые формы, этот защитный слой составляет всего 1-2 нм толщины , но продолжает расти медленно; достигая толщину 25 нм в течение четырех лет.

Атмосферные пассивации дают титановую превосходную устойчивость к коррозии, почти эквивалентна платине . Титан способен выдерживать атаки разбавленной серной и соляной кислот , растворов хлоридов, и большинство органических кислот. Тем не менее, титана разъедает концентрированных кислот. Как указано его отрицательный окислительно - восстановительный потенциал, титана является термодинамический очень химически активным металлом , который горит в нормальной атмосфере при более низких температурах , чем температура плавления. Плавление возможно только в инертной атмосфере или в вакууме. При 550 ° C (1022 ° F), он соединяется с хлором. Он также реагирует с другими галогенами и поглощает водород.

Титан является одним из немногих элементов , который горит в чистом газе азота, реакции при температуре 800 ° C (1470 ° F) с образованием нитрида титана , который вызывает охрупчивание. Из - за его высокой реакционной способности с кислородом, азотом и некоторыми другими газами, титановые нити применяются в титановых сублимационных насосов в качестве поглотителей для этих газов. Такие насосы недорого и надежно производить чрезвычайно низких давлений в ультра-высоких вакуумных систем.

Вхождение

2011 производство рутила и ильменита
Страна тыс
тонн
% От общего
Австралия 1300 19,4
Южная Африка +1160 +17,3
Канада 700 10,4
Индия 574 8,6
Мозамбик 516 7,7
Китай 500 7,5
Вьетнам 490 7,3
Украина 357 5,3
Мир 6700 100

Титан является девятым самым распространенным элементом в земной коре «ы (0,63% по массе ) и седьмой-наиболее распространенным металлом. Он присутствует в виде оксидов в большинстве изверженных пород , в осадках , полученных из них, в живых и естественных водоемов. Из 801 видов магматических пород , проанализированных Геологической службой Соединенных Штатов , +784 содержал титан. Его удельный вес в почвах составляет приблизительно от 0,5 до 1,5%.

Общие титансодержащих минералов являются анатаз , брукит , ильменита , перовскита , рутил и титанит (сфеном). Akaogiite является чрезвычайно редким минералом , состоящим из диоксида титана. Из этих минералов только рутил и ильменит имеют экономическое значение, но даже их трудно найти в высоких концентрациях. Около 6,0 и 0,7 млн тонн этих полезных ископаемых были добыты в 2011 году, соответственно. Значительные месторождения ильменит титано-подшипниковые существуют в Западной Австралии , Канаде , Китае , Индии , Мозамбике , Новой Зеландии , Норвегии , Сьерра - Леоне , Южной Африки и Украины . Около 186000 тонн титана металлической губки были произведены в 2011 году, в основном , в Китае (60 000 т), Япония (56000 т), Россия (40 000 т), США (32 000 т) и Казахстан (20700 т). Общие запасы титана, по оценкам, более 600 миллионов тонн.

Концентрация титана составляет около 4 пикомолярных в океане. При 100 ° С, концентрация титана в воде, по оценкам, менее 10 -7 М при рН 7. Идентичность видов титана в водном растворе остается неизвестным из - за его низкой растворимости и отсутствие чувствительных спектроскопических методов, хотя только 4+ состояние окисления стабильно в воздухе. Никаких доказательств не существует для биологической роли, хотя редкие организмы , как известно, накапливают высокие концентрации титана.

Титан содержится в метеоритах , и он был обнаружен в Солнце и в М-типа звезд (самый крутой тип) с температурой поверхности , равной 3200 ° C (5790 ° F). Камни , привезенные из Луны во время Аполлон 17 миссии состоят из 12,1% TiO 2 . Он также содержится в угольной золы, растений и даже человеческого тела. Native титана (чистый металлический) очень редко.

Изотопы

Встречающиеся в природе титана состоит из 5 стабильных изотопов : 46 Ti, 47 Ti, 48 Ti, 49 Ti и 50 Ti с 48 Ti является наиболее распространенным (73,8% природное содержание ). По крайней мере , 21 радиоизотопы были охарактеризованы, наиболее стабильным из которых 44 Ti с периодом полураспада 63 лет; 45 Ti, 184,8 мин; 51 Ti, 5,76 минуты; и 52 Ti, 1,7 мин. Все остальные радиоактивные изотопы имеют периоды полураспада менее 33 секунд, при этом большинство менее половины секунды.

Изотопы титана в диапазоне атомным весом от 39,99 у ( 40 Ti) , чтобы 57.966 и ( 58 Ti). Первичный режим распада перед самым обильным стабильным изотопом, 48 Ti, является захватом электронов и основной режим после того, как это бета - излучение . Основные продукты распада до 48 Ti являются элементом 21 ( скандий ) изотопов и первичными продукты После того , как элемент 23 ( ванадий ) изотопов.

Титан становится радиоактивным при бомбардировке с дейтронами , излучающим в основном позитроны и жесткие гамма - лучи .

соединений

Стальное окрашенный спиральное сверло со спиральной канавкой окрашены в золотистом оттенке.
Титановым покрытием дрель бит

+4 , степень окисления доминирует химии титана, но соединения в +3 степени окисления являются общими. Обычно, титан принимает в октаэдрической координации геометрии в его комплексов, но тетраэдрической TiCl 4 является заметным исключением. Из - за своего состояния высокой степени окисления, титана (IV) , соединения проявляют высокую степень ковалентного связывания . В отличии от большинства других переходных металлов, простых aquo Ti (IV) комплексы неизвестны.

Оксиды, сульфиды, и алкоксиды

Наиболее важным оксидом является TiO 2 , который существует в трех важных полиморфных ; анатазный , брукит и рутил . Все эти белые диамагнитных твердые, хотя образцы минералов могут появиться темные (см рутил ). Они принимают полимерные структуры , в которых Ti окружен шестью оксидных лигандов , которые связываются с другими центрами Ti.

Термин титанаты обычно относится к титана (IV) , соединения, как представлено титаната бария (BaTiO 3 ). С перовскита структурой, этот материал обладает пьезоэлектрическими свойствами и используется в качестве датчика в взаимопревращения звука и электричества . Многие минералы титанаты, например , ильменит (FeTiO 3 ). Звездные сапфиры и рубины получают астеризм (звездообразования блеска) от присутствия примесей диоксида титана.

Разнообразие восстановленных оксидов ( субоксиды ) титан известно, главным образом , восстановленные стехиометрии из диоксида титана , полученных путем атмосферных плазменного напыления .ti 3 O 5 , описаны как Ti (IV) , -Ti (III) , вид, является фиолетовым полупроводником производимого снижение TiO 2 с водородом при высоких температурах, и используется в промышленности , когда поверхности должны быть паро-покрытием с диоксидом титана: она испаряется , как чистый TiO, тогда как TiO 2 испаряется в виде смеси окислов и отложений покрытий с переменным показателем преломления. Известна также Ti 2 O 3 , с корундом структурой и TiO , со структурой каменной соли, хотя часто нестехиометрическим.

В алкоксидах титана (IV), полученные по реакции TiCl 4 со спиртами, представляют собой бесцветные соединения , которые превращают в диоксид при взаимодействии с водой. Они являются промышленно полезными для осаждения твердого TiO 2 с помощью золь-гель процесса . Изопропоксид титана используют в синтезе хиральных органических соединений через эпоксидирования Sharpless .

Титан образует различные сульфиды, но только ТиС 2 привлек значительный интерес. Он принимает слоистую структуру , и был использован в качестве катода в разработке литиевых батарей . Поскольку Ti (IV) представляет собой «жесткий катион» , сульфиды титана являются неустойчивыми и имеют тенденцию к гидролизу в оксид с выделением сероводорода.

Нитриды и карбиды

Нитрид титана (TiN) является членом семейства тугоплавких переходных металлов , нитридов и обладает свойствами , похожими на обоих ковалентных соединений , в том числе; термодинамическая стабильность, исключительная твердость, термическая / электропроводность и высокая температура плавления. TiN , имеет эквивалентные твердости с сапфировым и карборундом (9,0 на шкале Мооса ), и часто используется для покрытия режущих инструментов, таких как сверла . Он также используется в качестве золотого цвета декоративной отделки и в качестве барьерного металла в производстве полупроводников . Карбид титана , который также очень трудно, можно найти в режущих инструментах и покрытий.

Титана (III) соединения характерно фиолетовые, иллюстрируются этим водным раствором треххлористого титана .

Галогениды

Тетрахлорид титана (хлорид титана (IV), TiCl 4 ) представляет собой бесцветную летучую жидкость (коммерческие образцы желтоватые) , что, в воздухе, гидролизуется с захватывающим излучением белых облаков. С помощью процесса Кролла , TiCl 4 производится в превращении титановых руд в диоксид титана, например, для использования в белой краске. Он широко используется в органической химии , в качестве кислоты Льюиса , например , в Mukaiyama альдольной конденсации . В процессе ван Arkel , иодид титана (TII 4 ) генерируется в производстве высокочистого металлического титана.

Титана (III) , и титан (II) , также образуют стабильные хлориды. Ярким примером является титан (III) , хлорид (TiCl 3 ), который используется в качестве катализатора для получения полиолефинов (см катализатора Циглера-Натта ) и восстанавливающего агента в органической химии.

металлоорганические комплексы

Вследствие важной роли титановых соединений в качестве полимеризации катализатора, соединения с связями Ti-C интенсивно изучались. Наиболее распространенный титанорганический комплекс дихлорид титаноцена ((С 5 Н 5 ) 2 TiCl 2 ). Родственные соединения включают в себя реагент тебба и реагент петасис . Титан образует карбонильные комплексы , например , 5 Н 5 ) 2 , Ti (CO) 2 .

противораковой терапии

После успеха на основе платины химиотерапии, титана (IV) комплексы были одними из первых не-платиновых соединений, подлежащие испытанию , для лечения рака. Преимущество соединений титана заключается в их высокой эффективности и низкой токсичности. В биологических средах, гидролиз приводит к безопасному и инертному диоксиду титана. Несмотря на эти преимущества первых кандидатов соединение не удалось клинические испытания. Дальнейшее развитие привело к созданию потенциально эффективных, селективных и стабильных препаратов на основе титана. Их способ действия еще не изучен.

история

Титан был обнаружен в 1791 году на священнослужителя и геолог - любитель, Уильям Грегор , как включение в виде минерала в Корнуолл , Великобритания. Грегор признал присутствие нового элемента в ильмените , когда он обнаружил черный песок потока и заметил , что песок привлекает магнит . Анализируя песок, он определил наличие двух оксидов металлов: оксид железа (объясняющее влечение к магниту) и 45,25% белого металлического оксида он не мог идентифицировать. Понимая , что неизвестный оксид содержал металл , который не совпадает ни с одной известной элемент, Грегор сообщил о своих выводах в Королевском геологическом общество Корнуолла и в журнале немецкой науки Crell в Annalen .

Примерно в то же время, Франц-Йозеф Мюллер фон Reichenstein произвел подобное вещество, но не мог его идентифицировать. Оксид независимо вновь открыта в 1795 году прусский химик Клапрот в рутила из Boinik (немецкое название Bajmócska), деревня в Венгрии (ныне Бойницким в Словакии). Клапрот обнаружил , что в нем содержится новый элемент и назвал его для титанов из греческой мифологии . Услышав о более раннем открытии Грегора он получил образец manaccanite и подтвердил , что он содержит титан.

В настоящее время известны способы извлечения титана из его различных руд являются трудоемкими и дорогостоящими; это не возможно , чтобы уменьшить руду путем нагревания с углеродом (как и в выплавке чугуна) , поскольку титан соединяется с углеродом с образованием карбида титана . Чистый металлический титан (99,9%) впервые был подготовлен в 1910 году Мэтью А. Хантер в политехническом институте Rensselaer путем нагрева TiCl 4 с натрия при 700-800 ° С под большим давлением в периодическом процессе , известном как процесс Hunter . Титан металл не был использован вне лаборатории до 1932 года , когда Уильям Джастин Кролл доказал , что он может быть получен восстановлением тетрахлорида титана (TiCl 4 ) с кальцием . Восемь лет спустя он рафинированный этот процесс с магнием и даже натрием в том, что стало известно как процесс Кролла . Хотя исследование продолжается в более эффективные и более дешевые процессы (например, FFC Кембридж , Армстронг ), процесс Kroll все еще используется для промышленного производства.

Титановая губка, сделанная в процессе Кролла

Титан очень высокой чистоты был сделан в небольших количествах , когда Антон Эдуард ван Arkel и Ян Хендрик де Бур обнаружили иодид, или кристалл бар , процесс в 1925 году, по реакции с иодом и разложения образовавшихся паров над горячей нитью до чистого металла.

В 1950 - х и 1960-х годах Советский Союз вел использование титана в военных и подводных приложениях ( Альфа - класс и Майк класс ) в рамках программ , связанных с холодной войной. С начала 1950 - х годов, титан вошел в употребление широко в военной авиации, в частности , в струях высокопроизводительных, начиная с самолетов , таких как F-100 Super Saber и Lockheed A-12 и SR-71 .

Учитывая стратегическую важность титана, США Министерство обороны поддержало ранние усилия коммерциализации.

На протяжении всего периода холодной войны, титан считался стратегическим материалом правительством США, а также большой запасом титановой губки поддерживались в оборонном Национальном центре запасов , который был окончательно истощен в 2000 - х годах. По данным 2006 года, крупнейший в мире производитель, России на базе ВСМПО-АВИСМА , по оценкам, составляют около 29% доли мирового рынка. По состоянию на 2015 год, титановой губки металл был произведен в семи странах: Китае, Японии, России, Казахстана, США, Украины и Индии. (в порядке выхода).

В 2006 году в США Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) получила $ 5,7 млн консорциуму два-компании , чтобы разработать новый способ получения металлического титана порошка . Под действием тепла и давления, порошок может быть использован для создания прочных, легких элементов , начиная от брони компонентов для аэрокосмической, транспорта и химической промышленности.

Производство и изготовление

Небольшая куча однородных черных зерен размером менее 1 мм диаметром.
Титан (минеральный концентрат)
Основные продукты титана: плиты, трубы, стержни, и порошок

Обработка металлического титана происходит в четырех основных этапов: сокращение руды титана в «губку», пористую форму; плавление губки, или губки плюс лигатуры с образованием слитка; первичное изготовление, где слиток превращает в общие продукты мельницы , такие как заготовки , бар, пластины , лист , полоса и трубка ; и вторичное изготовление готовой формы из продуктов помола.

Потому что оно не может быть легко получены путем уменьшения его диоксида титана металла получают восстановлением TiCl 4 с металлическим магнием в процессе Кролла. Сложность этого серийного производства в процессе Кролла объясняет относительно высокую рыночную стоимость титана, несмотря на процесс Кролла является менее дорогостоящим , чем процесс Hunter. Для получения TiCl 4 требуемого процесс Кролла, диоксид подвергают карботермическое восстановление в присутствии хлора . В этом процессе, газообразный хлор пропускают над раскаленной смесью рутила или ильменита в присутствии углерода. После тщательной очистки с помощью фракционной перегонки , то TiCl 4 будет снижен с 800 ° C расплавленного магния в аргоновой атмосфере. Титан металл может быть дополнительно очищен с помощью процесса Ван Arkel-де Бура , который включает термическое разложение по иодид титана.

Более недавно разработанный метод серийного производства, процесс ФФСА Кембриджа, потребляет порошок диоксида титана (утонченная форму рутила) в качестве исходного сырья и производит металлический титан, либо порошок или губку. Процесс включает в себя меньшее количество этапов , чем процесс Кролла и занимает меньше времени. При использовании смешанных порошков оксидов, продукт представляет собой сплав .

Общие сплавы титана сделаны путем восстановления. Например, cuprotitanium (рутил с медью добавленной уменьшается), ferrocarbon титана (ильменит восстанавливает кокса в электрической печи), и manganotitanium (рутил с марганцем или марганцем оксидами) снижается.

2 FeTiO 3 + 7 Cl 2 + 6 C → 2 TiCl 4 + 2 , FeCl 3 + 6 CO (900 ° С)
TiCl 4 + 2 Mg → 2 MgCl 2 + Ti (1100 ° С)

Около пятидесяти сортов титана и титановых сплавов разработаны и используются в настоящее время, хотя только несколько десятков являются коммерчески доступными. ASTM International признает 31 марок титана металла и сплавов, из которых сорта один через четыре являются коммерчески чистый (нелегированный). Эти четыре различаются по прочности на разрыв в зависимости от кислородного содержания, с 1 - й класс является наиболее пластичными (низкий предел прочности на разрыв с содержанием кислорода 0,18%) и 4 - го класса по меньшей мере пластичен (высокая прочность на растяжение с содержанием кислорода 0,40% ). Остальные сорта сплавов, каждый из которых предназначен для конкретных свойств пластичности, прочности, твердости, удельного электрического сопротивления, ползучести сопротивления, удельной устойчивости к коррозии, а также их комбинации.

В дополнении к спецификации ASTM, титановые сплавы также производится для удовлетворения аэрокосмических и военных спецификаций (SAE-AMS, MIL-Т), стандартов ISO и спецификации конкретной страны, а также спецификаций патентованных конечных пользователей для аэрокосмического, военного, медицинские и промышленные применения.

Титановый порошок изготовлен с использованием производственного потока процесс , известный как процесс Armstrong , который похож на процесс серийного производства Hunter. Поток газа тетрахлорида титана добавляют в поток расплавленного металла натрия; продукты (хлорид натрия соли и частицы титана) отфильтровывают от дополнительного натрия. Титан затем отделяют от соли путем промывки водой. Оба натрия и хлора перерабатываются для получения и обработки больше тетрахлорида титана.

Все сварки титана должно быть сделано в инертной атмосфере аргона или гелия , чтобы оградить его от загрязнения с атмосферными газами (кислород, азот и водород ). Загрязнение вызывает различные условия, такие как охрупчивание , которые снижают целостность сварных швов сборочных и привести к ненадежной.

Коммерчески чистый плоский продукт (лист, плита) может быть сформирован легко, но обработка должна принимать во внимание тот факт , что металл имеет «память» и имеет тенденцию к пружинить. Это особенно верно в отношении некоторых сплавов высокой прочности. Титан не может быть припаян без первого пре- обшивки его в металле , который пайка . Металла может быть обработан с помощью того же оборудованием и теми же процессами , как нержавеющая сталь .

Приложения

Титановый цилиндр качества «класс 2»

Титан используется в стали в качестве легирующего элемента ( ферро-титана ) , чтобы уменьшить размер зерна и как восстановитель, и из нержавеющей стали , чтобы уменьшить содержание углерода. Титан часто сплавляется с алюминием (уточнить размер зерна), ванадий , медь (чтобы затвердеть), железа , марганца , молибдена и других металлов. Титановый прокат (лист, плита, пруток, проволока, поковки, отливка) находит применение в промышленности, в аэрокосмическом, рекреационной и развивающихся рынках. Порошкообразный титан используется в пиротехнике как источник ярких горения частиц.

Пигменты, добавки, и покрытие

Смотрите стекла на черную поверхность с небольшим участком белого порошка
Диоксид титана является наиболее часто используемым соединением титана

Около 95% всей титановой руды предназначена для уточнения в диоксид титана ( Ti , O
2
), интенсивно белый постоянныйпигментиспользуемый в красках, бумаге, зубной пасты и пластмассы. Он также используется в цементе, в драгоценных камней, как оптический замутнителя в работе, а также укрепление агента в Графитовая удочек и клюшекгольфа.

TiO
2
пигмента является химически инертным, сопротивляется замирания в солнечном свете, и очень непрозрачный: он придает чистый и блестящий белый цвет на коричневые или серые химические веществакоторые составляют большинство бытовых пластмасс. В природе это соединение находится в минералаханатаза,брукити рутиле. Краска сделано с диоксидом титана делает хорошо в суровых температурах и морских сред. Чистый диоксид титана имеет очень высокийпоказатель преломленияиоптической дисперсиивышечемалмаз. Помимо тогочто очень важный пигмент, диоксид титана также используется в солнцезащитных кремах.

Aerospace и морские

Из титановых сплавов имеют высокую прочность на разрыв в соотношении плотности, высокой коррозионной стойкости , стойкости к усталости, высокой стойкостью к растрескиванию, а также способность выдерживать умеренно высокие температуры без ползучего , они используются в авиации, броне, военно - морских кораблей, космических аппаратов, и ракет. Для этих приложений, титан , легированный алюминий, цирконий, никель, ванадий и других элементами для изготовления различных компонентов , включая критические структурные части, противопожарные стены, шасси , выхлопные каналы (вертолеты), и гидравлические системы. На самом деле, около двух третей всех металлического титана , полученного используются в авиационных двигателях и раме. Титан 6Al-4V счет сплава для почти 50% всех сплавов , используемых в самолетах.

Локхид А-12 и его развития SR-71 «Blackbird» были два из первых авиационных кадров , где был использован титан, что открывает путь для более широкого применения в современных военных и коммерческих самолетов. По оценкам , 59 метрических тонн (130000 фунтов) используются в Boeing 777 , 45 в Boeing 747 , 18 в Boeing 737 , 32 в Airbus A340 , 18 в A330 Airbus и 12 в A320 Airbus . Airbus A380 может использовать 77 метрических тонн, в том числе около 11 тонн в двигателях. В авиационных двигателях приложениях, титан используются для роторов, лопаток компрессора, гидравлических компонентов системы, и гондол . Раннее использование в реактивных двигателях было для Orenda ирокезов в 1950 - х годах.

Поскольку титан является устойчивым к коррозии под действием морской воды, он используется для изготовления карданных валов, такелажа, и теплообменников в опреснительных установках ; отопитель-охладители для соленой воды аквариумов, лески и лидера, и ножи водолазов. Титан используется в корпусах и компонентах наблюдения океана развернутых и мониторинг устройств для науки и военных. Бывший Советский Союз разработал методы для создания подводных лодок с корпусами из титановых сплавов кузнечно титана в огромных вакуумных трубках.

Титан используется в стенах космического корабля Юноны свода , чтобы защитить бортовую электронику.

промышленные

Высокой чистоты (99,999%) титана с видимыми кристаллитов

Сварные трубы титана и технологическое оборудование (теплообменники, резервуары, технологические емкости, клапаны) используются в химической и нефтехимической промышленности , прежде всего , для защиты от коррозии. Конкретные сплавы используются в нефтяной и газовых скважинных приложениях и никель гидрометаллургии для их высокой прочности (например: титан беты - сплав С), устойчивости к коррозии, или оба. Целлюлозно-бумажная промышленность использует титан в технологическом оборудовании подвергается воздействию агрессивных сред, таких как гипохлорит натрия или влажным газообразный хлора (в bleachery). Другие приложения включают в себя ультразвуковой сварки , пайки волной , и распыление мишени.

Тетрахлорид титана (TiCl 4 ), бесцветная жидкость, имеет важное значение в качестве промежуточного продукта в процессе изготовления TiO 2 , а также используется для получения катализатора Циглера-Натта . Тетрахлорид титана также используется для iridize стекла и, так как она сильно дымит во влажном воздухе, он используется для изготовления дымовых завес.

Потребитель и архитектурный

Металлический титан используется в автомобильной промышленности, в частности , в автомобильной и мотогонки , где малый вес и высокая прочность и жесткость являются критическими. Металл , как правило , слишком дорого для общего потребительского рынка, хотя некоторые поздние модели Корветы были изготовлены с титановыми выхлопными газами, а LT4 Corvette Z06 в наддувом двигатель использует легкие, прочные впускные клапаны титана для большей прочности и стойкости к высокой температуре.

Титан используется во многих спортивных товаров: теннисные ракетки, клюшки для гольфа, лакросс палки валов; крикет, хоккей, лакросс, и футбольный шлют грили и велосипедные рамы и компоненты. Хотя не материал основной для производства велосипедов, титановые велосипеды использовались гоночные команды и приключений велосипедистов .

Титановые сплавы используются в оправах, которые довольно дорогие , но очень прочный, длительный, легкий вес, и не вызывают аллергии. Многие туристы используют титановый оборудование, в том числе посуда, столовые приборы, фонари и палатки ставки. Хотя немного дороже , чем традиционные стальные или алюминиевые альтернативы, титановые продукты могут быть значительно легче , без ущерба прочности. Титановые подковы предпочтительнее стал на кузнец , потому что они являются более легкими и прочными.

Титан иногда используется в архитектуре. В 42,5 м (139 футов) Памятник Ю. А. Гагарин , первый человек путешествовать в пространстве ( 55 ° 42'29.7 "N 37 ° 34'57.2" в.д. / 55.708250 ° N 37.582556 ° E  / 55.708250; 37.582556 ), а также 110 м (360 футов) Памятник Покорителям пространства на вершине Космонавт музея в Москве изготовлены из титана для привлекательного цвета этого металла и ассоциации с ракетостроением. Музей Гуггенхайма в Бильбао и Библиотека Тысячелетия Cerritos были первые здания в Европе и Северной Америке, соответственно, ножны в титановых панелей. Титан Обшивка был использован в Фредерик С. Гамильтон здание в Денвере, штат Колорадо.

Из - за превосходную прочность и легкий вес титана в сравнении с другими металлами (сталь, нержавеющая сталь и алюминий), а также из - за последние достижения в области техники обработки металлов, его использование стало более распространенным в производстве огнестрельного оружия. Основные области применения включают пистолет кадров и револьверных цилиндры. По тем же причинам, он используется в теле портативных компьютеров (например, в компании Apple PowerBook линии «s).

Некоторые элитный легкие и коррозионно-стойкие инструменты, такие как лопаты и фонарики, выполнены из титана или титановых сплавов.

Ювелирные изделия

Соотношение между напряжением и цветом для анодированного титана. (Cateb, 2010).

Из - за своей долговечности, титан стал более популярным для дизайнера ювелирных изделий ( в частности, титановые кольца ). Его инертность делает его хорошим выбором для тех , кто с аллергией или тех , кто будет носить ювелирные изделия в условиях , таких как бассейны. Титан также легированных золотом для получения сплава , который может быть продан как 24-каратного золота , так как 1% легированной Ti недостаточно , чтобы требовать меньшую отметку. Полученный в результате сплав примерно твердость 14-каратного золота и является более прочным , чем чистый 24-каратного золота.

Прочность титана в, легкий вес, и вмятина и устойчивость к коррозии делает его полезным для часовых дел. Некоторые художники работают с титаном , чтобы произвести скульптуры, декоративные предметы и мебель.

Титан может быть анодированным , чтобы варьировать толщину поверхностного слоя оксида, в результате чего оптического интерференционных и различные ярких цветов. С этой окраской и химической инертностью, титаном является популярным металлом для пирсинга .

Титан имеет незначительное применение в специальных внеоборотных монетах и медалях. В 1999 году Гибралтар выпустила первый в мире титановый монету на празднование тысячелетия. В Голд - Кост титанов , австралийской команды регби, присудить медаль из чистого титана с их игроком года.

медицинская

Поскольку титан является биологически совместимым (не токсичен и не отторгается организмом), он имеет много медицинских применений, в том числе хирургических инструментов и имплантатов, таких как бедра шариков и гнезд ( замена сустава ) и зубных имплантатов , которые могут оставаться на месте до 20 года. Титана часто сплавляют с около 4% алюминия или 6% Al и 4% ванадия.

Медицинские винты и пластины используются для ремонта перелома запястья, шкала в сантиметрах.

Титан обладает врожденной способностью к osseointegrate , что позволяет использовать в зубных имплантатов , которые могут длиться в течение более чем 30 лет. Это свойство также полезно для ортопедических имплантатов приложений. Эти выгоды от более низкого модуля титана в упругости ( модуль Юнги ) , чтобы более точно соответствовать костям , что такие устройства предназначены для ремонта. В результате скелетные нагрузки более равномерно распределяются между костью и имплантат, что приводит к более низкой частоте деградации костной ткани из - за напряжения экранирования и околопротезные переломы костей, которые происходят на границах ортопедических имплантат. Тем не менее, жесткость титановых сплавов еще более чем вдвое больше , чем кости, так что смежна кость несет значительно сниженную нагрузку и может ухудшиться.

Поскольку титан является не- ферромагнитной , у пациентов с титановых имплантатов могут быть безопасно изучены с магнитно - резонансной томографии (удобной для долгосрочных имплантатов). Подготовка титана для имплантации в тело включает в себя подвергая его высокотемпературной плазменной дуги , которая удаляет поверхностные атомы, подвергая свежий титан , который мгновенно окисляется.

Титан используются для хирургических инструментов , используемых в изображении наведения хирургии , а также инвалидные, костылей и любых других продуктов , где высокая прочность и малый вес желательны.

Диоксид титана наночастицы широко используются в электронике и поставка фармацевтических препаратов и косметических средств.

хранения ядерных отходов

Из-за его стойкость к коррозии, контейнеры, изготовленные из титана, были изучены для длительного хранения ядерных отходов. Контейнеры продолжительностью более 100000 лет, как считается, можно с условиями производства, которые сводят к минимуму дефекты материала. Титановый «капельное щит» также может быть установлена ​​поверх контейнеров других типов, чтобы увеличить их долговечность.

Биоремедиация

В грибковых видов опёнки луговых и ложноопёнок серопластинчатый могут bioconvert титана в титановых загрязненных почвах.

Меры предосторожности

Темно-зеленые зубчатые эллиптические листья крапивы
Крапивы содержат до 80 частей на миллион титана.

Титан является нетоксичным даже в больших дозах и не играет никакой роли естественной внутри человеческого тела . Оценивается количество 0,8 мг титана попадает в организм людьми каждый день, но большинство проходит через без поглощения в тканях. Это, однако, иногда био-накапливаться в тканях , которые содержат диоксид кремния . Одно исследование указывает на возможную связь между титаном и синдромом желтого ногтя . Неизвестный механизм в растениях может использовать титан , чтобы стимулировать производство углеводов и стимулировать рост. Это объясняет , почему большинство растений содержат около 1 части на миллион (частей на миллион) титана, пищевые растения имеют около 2 частей на миллион, и хвоща и крапивы содержат до 80 частей на миллион.

В виде порошка или в виде металлической стружки, металлический титан представляет собой серьезную опасность пожара и, при нагревании на воздухе , опасность взрыва. Вода и углекислый газ являются неэффективными для тушения пожара титана; Класс D сухого порошка агенты должны быть использованы вместо этого.

При использовании в производстве или обработке хлора , титана , не следует подвергать воздействию сухой газообразный хлор , потому что это может привести к возгоранию титана хлора. Даже влажный хлор представляет опасность пожара , когда экстремальные погодные условия приводят к неожиданному высыхание.

Титан может загореться , когда свежая, не окисленной поверхность приходит в соприкосновении с жидким кислородом . Свежий металл может быть открыт , когда окисленная поверхность поражена или царапин с твердым предметом, или когда механическое напряжение вызывает трещину. Это создает ограничения для его использования в жидких системах кислорода, такие как те , в аэрокосмической промышленности. Из титана трубка примесь может привести к пожару при воздействии кислорода, титан запрещен в газовых системах кислорода дыхания. Стальная трубка используются для систем высокого давления (3000 фунтов на квадратный дюйм) и алюминиевые трубы для систем низкого давления.

Смотрите также

Рекомендации

Список используемой литературы

внешняя ссылка