Titaanin ja titaaniseosten uudet prosessit, teknologiat ja sovellukset

1. Suuri lujuus. Titaaniseosten lujuus on erittäin korkea, ja niiden vetolujuus on 686 - 1176 MPa, kun taas niiden tiheys on vain noin 60 % teräksen tiheydestä, joten niiden ominaislujuus on erittäin korkea.

2. Korkea kovuus. Titaaniseosten kovuus (hehkutettu tila) on HRC 32 - 38.

3. Alhainen kimmomoduuli. Titaaniseosten kimmokerroin (hehkutettu tila) on 1,078×10-1,176×10 MPa, mikä on noin puolet teräksen ja ruostumattoman teräksen kimmomoduulista.

4. Erinomainen suorituskyky korkeassa ja matalassa lämpötilassa. Korkeissa lämpötiloissa titaaniseokset voivat silti säilyttää hyvät mekaaniset ominaisuudet, ja niiden lämmönkestävyys on paljon korkeampi kuin alumiiniseosten, ja niiden käyttölämpötila-alue on laaja. Tällä hetkellä uusien lämmönkestävien-titaaniseosten käyttölämpötila voi nousta 550 - 600 asteeseen; matalissa lämpötiloissa titaaniseosten lujuus kasvaa huoneenlämmön sijaan ja niillä on hyvä sitkeys. Matalan lämpötilan -titaaniseokset voivat silti säilyttää hyvän sitkeyden -253 asteessa.

5. Titaanin vahva korroosionkestävyys. Alle 550 asteen lämpötiloissa ilmassa titaani muodostaa pinnalle nopeasti ohuen ja tiheän titaanioksidikalvon, joten sen korroosionkestävyys ilmakehässä, merivedessä, typpihapossa, rikkihapossa ja muissa hapettimissa ja vahvoissa emäksissä on parempi kuin useimpien ruostumattomien terästen.

2.1 Titaanin valmistusmenetelmät
Vaikka titaania on luonnossa suhteellisen runsaasti, se on harvinainen metalli hajanaisen olemassaolonsa ja uuttamisvaikeutensa vuoksi. Tällä hetkellä titaanin valmistus voidaan jakaa kahteen pääluokkaan: lämpöpelkistysmenetelmä ja sulan suolan elektrolyysimenetelmä.

(1) Terminen pelkistysmenetelmä titaanin valmistamiseksi: Terminen pelkistysmenetelmään kuuluu titaanin pelkistys sen yhdisteistä, kuten TiCl4, TiO2 ja K2TiF6, tietyssä lämpötilassa käyttämällä vahvoja pelkistäviä aineita, kuten Li, Na, Mg, Ca ja niiden hydridejä. Eri titaaniyhdisteiden mukaan lämpöpelkistysmenetelmä titaanin valmistamiseksi voidaan luokitella kolmeen luokkaan:

① Titaanikloridien hapetus{0}}pelkistysmenetelmä, kuten Kroll-prosessi, Hunter-prosessi, Armstrong-prosessi ja EMR-prosessi;

② titaanioksidien hapetus{0}}pelkistysmenetelmä, kuten OS-prosessi, PRP-prosessi ja MHR-prosessi;

③ Titanaattien hapetus{0}}pelkistysmenetelmä. Tällä hetkellä teollisessa tuotannossa on käytetty menestyksekkäästi vain Kroll-prosessia ja Hunter-prosessia. Kroll-prosessissa käytetään metallista magnesiumia syrjäyttämään titaania klorideista, kun taas Hunter-prosessissa käytetään metallista natriumia. Lisäksi Chicagossa, Yhdysvalloissa sijaitsevan International Titanium Powder Companyn kehittämä Armstrong-prosessi on samanlainen kuin Hunter-prosessi, ja siinä käytetään myös natriumia pelkistimenä metallisen titaanin puhdistamiseen. Yhdysvallat on alkanut{5}}esituotantoa tehtaissa tällä menetelmällä.

(2) Sulan suolan elektrolyysimenetelmä titaanin valmistukseen: Vuonna 1959 Kroll ennusti, että sulan suolan elektrolyysi korvaisi Kroll-prosessin yleisenä menetelmänä titaanin valmistuksessa 5-10 vuoden kuluessa. Kotimaiset ja ulkomaiset tutkimuslaitokset ja laboratoriot ovat vuosien varrella kehittäneet yli tusinaa uutta teknologiaa titaanin valmistamiseksi sulan suolan elektrolyysillä. Ne voidaan luokitella kolmeen luokkaan raaka-aineiden perusteella:

① Titanaattien elektrolyysi;

② Titaanikloridien elektrolyysi;

③ Titaanioksidien elektrolyysi, mukaan lukien FFC Cambridge-prosessi, MER-prosessi, USTB-prosessi, QIT-prosessi, SOM-prosessi ja ioninen nesteelektrolyysi.

2.2 Titaanin uudet käyttötavat
1940-luvulta lähtien titaanin käyttötarkoitukset ovat kehittyneet nopeasti ja sitä on käytetty laajalti lentokoneissa, raketteissa, ohjuksissa, keinotekoisissa satelliiteissa, avaruusaluksissa, laivoissa, sotateollisuudessa, lääketieteen alalla ja petrokemian teollisuudessa. Uusimmat tutkimukset ovat osoittaneet, että ihmiskeho sisältää tietyn määrän titaania, ja titaani voi stimuloida fagosyyttejä ja parantaa immuunijärjestelmää. Siksi monet laboratoriot ovat omistautuneet bio-titaanin kehittämiseen ja käyttöön.

3.1 Titaaniseosten valmistusmenetelmät

Titaaniseosten perinteisessä käsittelyssä käytetään yleensä sulatus- ja valutekniikoita. Uusimmat käsittelytekniikat luokitellaan seuraavasti:

(1) Lähes-net-muodonmuodostustekniikka;

(2) langan kitkahitsaustekniikka;

(3) Superplastinen muovaustekniikka;

(4) Tietokonesimulaatiotekniikka materiaalin valmisteluun ja käsittelyyn. Lähes-net-muovaustekniikkaan kuuluu lasermuovaus, tarkkuusvalu, tarkkuussuovaus, jauhemetallurgia ja ruiskumuovaus jne. Jauhemetallurgia on uusi prosessi titaanikomponenttien valmistukseen käyttämällä raaka-aineena titaanijauhetta tai titaaniseosjauhetta, jota seuraa muotoilu ja sintraus. Ensinnäkin jauhetta valmistetaan tavallisesti mekaanisella seostamisella käyttämällä kuulamyllyä, jossa raaka-aineet altistetaan voimakkaalle iskulle, jauhamiselle ja sekoittamiselle. Sitten muodostettu seosjauhe puristetaan muotoon kahdella puristusmenetelmällä: isostaattinen puristus ja kylmäpuristus. Tämän vaiheen tarkoituksena on saada tietyn muotoinen ja kokoinen puristettu aihio, jolla on tietty tiheys ja lujuus. Sitten muodostettuun aihioon kohdistetaan kipinäplasmasintraus, jossa sintrausjauheeseen kohdistetaan spesifinen sintrausteho ja puristuspaine ylempien ja alempien meistimien ja sähköistettujen elektrodien kautta. Prosessi saatetaan päätökseen purkausaktivoinnin, kuuman plastisen muodonmuutoksen ja jäähdytyksen avulla korkean suorituskyvyn{10}}titaanimateriaalien saamiseksi. Myöhemmin titaaniseos prosessoidaan plasmasintrauksen jälkeen, yleensä lämpökäsittelynä tai muovikäsittelynä.

3.2 Titaaniseosten uudet sovellukset

Titaaniseoksia käytettiin alun perin laajalti ilmailualalla, pääasiassa lentokoneiden moottoreiden tai pneumaattisten komponenttien valmistukseen. Myöhemmin teknologian jatkuvan kehityksen myötä titaaniseokset ovat tulleet tavallisten ihmisten elämään ja niitä löytyy tehtaista tai kodinkoneista. Tällä hetkellä maat ja instituutiot kilpailevat kehittääkseen uusia titaaniseoksia, joilla on alhaiset kustannukset ja korkea suorituskyky. Titaaniseosten viimeaikainen kehitys keskittyy pääasiassa seuraaviin viiteen näkökohtaan.

(1) Lääketieteelliset titaaniseokset

Titaaniseoksilla on pieni tiheys ja hyvä bioyhteensopivuus, mikä tekee niistä ihanteellisia lääketieteellisiä materiaaleja, jotka voidaan jopa istuttaa ihmiskehoon. Aiemmin lääketieteen alalla käytetyt titaaniseokset sisälsivät vanadiinia ja alumiinia, jotka saattoivat aiheuttaa vahinkoa ihmiskeholle. Äskettäin japanilaiset tutkijat ovat kuitenkin kehittäneet uudentyyppisen titaaniseoksen, jolla on hyvä biologinen yhteensopivuus. Vaikka tätä metalliseosta ei ole vielä massatuotettu-, uskotaan, että lähitulevaisuudessa tällaisia ​​korkealaatuisia-seoksia tullaan käyttämään laajalti jokapäiväisessä elämässä.

(2) Paloa hidastavat-titaaniseokset

Titaani{0}}pohjaiset seokset, jotka kestävät palamista tietyssä paineessa, lämpötilassa ja ilman virtausnopeuksilla, ovat paloa hidastavia titaaniseoksia. Yhdysvallat, Venäjä ja Kiina ovat peräkkäin kehittäneet uusia palonestoaineita-titaaniseoksia. Yhdysvallat on käyttänyt näitä paloa{5}}hidastavia titaaniseoksia moottoreissa, koska ne eivät ole herkkiä palamiselle, mikä voi parantaa merkittävästi moottorin vakautta.

(3) Korkean-lujuuden ja{2}}lujuuden -tyyppiset titaaniseokset

-tyyppisillä titaaniseoksilla on korkea lujuus, hyvä hitsattavuus ja erinomaiset kylmä- ja kuumatyöstöominaisuudet. Tutkijat ovat käyttäneet tätä ominaisuutta kehittäessään -tyyppisiä titaaniseoksia, joilla on selkeät ominaisuudet: hyvä kuumatyöstökyky, hyvä plastisuus ja hyvä hitsattavuus. Lisäksi liuoskäsittelyn ja vanhentamisen jälkeen niiden mekaaniset ominaisuudet paranevat merkittävästi. Tällä hetkellä sekä Japani että Venäjä ovat kehittäneet tällaisia ​​titaaniseoksia.

(4) Titaani-alumiiniyhdisteet

Verrattuna yleisiin titaaniseoksiin, titaani-alumiiniyhdisteillä on erinomainen suorituskyky korkeissa-lämpötiloissa, hyvä hapettumisen- ja virumisenkestävyys ja pienempi tiheys kuin tavallisilla titaaniseoksilla. Nämä erinomaiset ominaisuudet osoittavat, että titaani-alumiiniyhdisteet käynnistävät uuden seostrendin. Tällä hetkellä Yhdysvallat on syntetisoinut tämän uuden titaani-alumiiniseoksen, ja se on massatuotantoprosessissa.

(5) Korkean lämpötilan{1}}titaaniseokset

Titaaniseoksilla, jotka on valmistettu yhdistämällä nopeita jähmettymismenetelmiä ja jauhemetallurgiaa käyttämällä kuitu- tai hiukkasvahvisteisia-komposiitteja, on erinomaiset korkean lämpötilan{1}}mekaaniset ominaisuudet. Korkean lämpötilan-titaaniseosten käyttölämpötilaraja on paljon korkeampi kuin tavallisten titaaniseosten. Tällä hetkellä Yhdysvallat on kehittänyt uusia korkean lämpötilan{5}}titaaniseoksia. (6) Titaani-nikkeliseos, titaanista ja nikkelistä koostuva seos, tunnetaan "muistilejeeringinä". Kun tämä metalliseos muotoillaan ennalta määrättyyn muotoon{10}}ja sitten sille tehdään muotoilu, jos ulkoinen voima muuttaa sen muotoa, se voi palauttaa alkuperäisen ulkonäkönsä vain pienellä lämmityksellä. Tätä seosta voidaan käyttää useilla aloilla, kuten instrumenteissa, mittareissa, elektronisissa laitteissa jne.