تیتانیوم عنصری است با عدد اتمی 22 در جدول تناوبی، چرخه چهارم از عناصر زیرگروه، یعنی گروه IV B، علاوه بر تیتانیوم، زیرکونیوم، هافنیوم و ویژگی های مشترک آنها نقطه ذوب بالا است. در دمای اتاق روی سطح آن یک فیلم اکسید پایدار تشکیل می دهد.
ده ویژگی تیتانیوم
1.چگالی کوچک، استحکام بالا، قدرت خاص بزرگ
چگالی تیتانیوم 4.51 گرم بر سانتی متر مکعب است که 57 درصد فولاد است، تیتانیوم کمتر از دو برابر آلومینیوم سنگین است و استحکام آن سه برابر آلومینیوم است. استحکام ویژه (نسبت استحکام به چگالی) آلیاژ تیتانیوم در آلیاژهای صنعتی رایج بیشترین است (جدول 1 را ببینید) و استحکام ویژه آلیاژ تیتانیوم 3.5 برابر فولاد ضد زنگ، 1.3 برابر آلیاژ آلومینیوم و 1.7 برابر است. از آلیاژ منیزیم، بنابراین یک ماده ساختاری ضروری برای صنعت هوافضا است.
2. مقاومت در برابر خوردگی عالی
غیرفعال بودن تیتانیوم به وجود فیلم اکسیدی بستگی دارد و مقاومت به خوردگی آن در محیط های اکسید کننده بسیار بهتر از محیط های احیا کننده است. نرخ بالای خوردگی در محیط های کاهش دهنده رخ می دهد. تیتانیوم در برخی محیط های خورنده مانند آب دریا، کلر مرطوب، محلول های کلریت و هیپوکلریت، اسید نیتریک، اسید کرومیک، کلریدهای فلزات، سولفیدها و اسیدهای آلی خورده نمی شود. با این حال، در محیطی که با تیتانیوم برای تولید هیدروژن واکنش می دهد (مانند اسید کلریدریک و اسید سولفوریک)، تیتانیوم معمولاً دارای نرخ خوردگی بالایی است. با این حال، اگر مقدار کمی ماده اکسید کننده به اسید اضافه شود، یک لایه غیرفعال بر روی سطح تیتانیوم تشکیل می شود. بنابراین در مخلوط اسید سولفوریک قوی - اسید نیتریک یا اسید کلریدریک - اسید نیتریک و حتی در اسید کلریدریک حاوی کلر آزاد، تیتانیوم در برابر خوردگی مقاوم است. لایه محافظ اکسید تیتانیوم اغلب هنگام برخورد فلز با آب، حتی در مقادیر کم آب یا بخار آب، تشکیل می شود. اگر تیتانیوم در معرض یک محیط اکسید کننده قوی قرار گیرد که در آن اصلاً آب وجود نداشته باشد، اکسیداسیون سریع اتفاق می افتد و واکنش های خشونت آمیزی رخ می دهد و حتی اغلب احتراق خود به خود رخ می دهد. چنین پدیده هایی در واکنش تیتانیوم با اسید نیتریک دوددار حاوی بیش از حد اکسید نیتروژن و تیتانیوم با گاز کلر خشک رخ داده است. بنابراین برای جلوگیری از این نوع واکنش باید یک الف مشخص وجود داشته باشد
3. مقاومت حرارتی خوب
معمولاً آلومینیوم در دمای 150 درجه سانتیگراد، فولاد ضد زنگ در دمای 310 درجه سانتیگراد که خواص اصلی خود را از دست داده است، در حالی که آلیاژ تیتانیوم در دمای حدود 500 درجه سانتیگراد هنوز خواص مکانیکی خوبی را حفظ می کند. هنگامی که سرعت هواپیما به 2.7 برابر سرعت صوت می رسد، دمای سطح ساختار هواپیما به 230 درجه می رسد، آلیاژ آلومینیوم و آلیاژ منیزیم را نمی توان استفاده کرد و آلیاژ تیتانیوم می تواند الزامات را برآورده کند. تیتانیوم مقاومت حرارتی خوبی دارد و در دیسک و تیغه کمپرسور موتور هواپیما و پوست بدنه عقب هواپیما استفاده می شود.
عملکرد دمای پایین خوب 4
استحکام برخی از آلیاژهای تیتانیوم (مانند Ti-5AI-2.5SnELI) با کاهش دما افزایش می‌یابد، اما انعطاف‌پذیری چندان کاهش نمی‌یابد و همچنان در دماهای پایین انعطاف‌پذیری و چقرمگی خوبی دارد. که برای استفاده در دماهای بسیار پایین مناسب است. می توان از آن در موتورهای موشکی هیدروژن مایع خشک و اکسیژن مایع یا در فضاپیماهای سرنشین دار به عنوان ظروف با دمای بسیار پایین و مخازن ذخیره استفاده کرد.
5. بدون میدان مغناطیسی
تیتانیوم غیر مغناطیسی است، در بدنه زیردریایی استفاده می شود، باعث انفجار معدن نمی شود.
6. هدایت حرارتی کوچک
رسانایی حرارتی تیتانیوم کوچک است، فقط 1/5 فولاد، 1/13 آلومینیوم و 1/25 مس. هدایت حرارتی ضعیف از معایب تیتانیوم است، اما در برخی موارد می توان از این ویژگی تیتانیوم استفاده کرد.
7. مدول الاستیک پایین
مدول الاستیسیته تیتانیوم تنها 55 درصد فولاد است و مدول الاستیک پایین در صورت استفاده به عنوان یک ماده ساختاری یک نقطه ضعف است.
8. استحکام کششی و استحکام تسلیم بسیار نزدیک است
استحکام کششی آلیاژ تیتانیوم Ti-6AI{{1}V 960 مگا پاسکال و مقاومت تسلیم آن 892 مگاپاسکال است و تفاوت بین این دو تنها 58 مگا پاسکال است.
9. تیتانیوم به راحتی در دمای بالا اکسید می شود
تیتانیوم دارای نیروی اتصال قوی با هیدروژن و اکسیژن است و باید به جلوگیری از اکسیداسیون و جذب هیدروژن توجه کرد. جوشکاری تیتانیوم باید تحت حفاظت آرگون انجام شود تا از آلودگی جلوگیری شود. لوله و ورق تیتانیوم باید تحت خلاء عملیات حرارتی شوند و اتمسفر میکرو اکسید کننده باید در طول عملیات حرارتی آهنگری تیتانیوم کنترل شود.
10. عملکرد میرایی کم
با تیتانیوم و سایر مواد فلزی (مس، فولاد) ساخته شده از همان شکل و اندازه ساعت، با نیروی یکسان برای ضربه زدن به هر زنگ خواهید دید که ساعت ساخته شده از صدای نوسان تیتانیوم مدت طولانی دوام می آورد، یعنی انرژی با ضربه زدن ساعت به راحتی ناپدید نمی شود، بنابراین می گوییم که عملکرد میرایی تیتانیوم کم است.
سه عملکرد ویژه تیتانیوم
1
عملکرد حافظه شکل
آلیاژ Ti{0}}%Ni (اتمی)، تحت شرایط دمایی خاص، می تواند توانایی شکل اولیه خود را بازیابی کند، که این آلیاژ حافظه شکل مواد نامیده می شود.
2
عملکرد ابررسانا
به آلیاژ Nb-Ti اشاره دارد، هنگامی که دما به نزدیک به صفر مطلق کاهش می یابد، سیم ساخته شده از آلیاژ Nb-Ti، مقاومت را از دست می دهد، هر جریان بزرگی را از دست می دهد، سیم گرم نمی شود، مصرف انرژی وجود ندارد، Nb-Ti ماده ابررسانا نامیده می شود.
3
عملکرد ذخیره سازی هیدروژن
به آلیاژ Ti{0}}% Fe (اتمی) اشاره دارد که توانایی جذب مقدار زیادی هیدروژن را دارد. با استفاده از این ویژگی Ti-Fe می توان هیدروژن را با خیال راحت ذخیره کرد، یعنی ذخیره هیدروژن لزوماً از سیلندرهای فشار قوی فولادی استفاده نمی کند. تحت شرایط خاصی، هیدروژن می تواند توسط Ti-Fe نیز آزاد شود که به آن ماده ذخیره انرژی می گویند.