Proses, teknologi dan aplikasi baharu titanium dan aloi titanium

1. Kekuatan tinggi. Aloi titanium mempunyai kekuatan yang sangat tinggi, dengan kekuatan tegangan 686 - 1176 MPa, manakala ketumpatannya hanya kira-kira 60% daripada keluli, jadi kekuatan spesifiknya adalah sangat tinggi.

2. Kekerasan tinggi. Kekerasan aloi titanium (keadaan sepuhlindap) ialah HRC 32 - 38.

3. Modulus keanjalan rendah. Modulus elastik aloi titanium (keadaan sepuhlindap) ialah 1.078×10-1.176×10 MPa, iaitu kira-kira separuh daripada keluli dan keluli tahan karat.

4. Prestasi suhu tinggi dan rendah yang sangat baik. Pada suhu tinggi, aloi titanium masih boleh mengekalkan sifat mekanikal yang baik, dan rintangan habanya jauh lebih tinggi daripada aloi aluminium, dengan julat suhu kerja yang luas. Pada masa ini, suhu kerja aloi titanium-tahan haba baharu boleh mencapai 550 - 600 darjah ; pada suhu rendah, kekuatan aloi titanium meningkat dan bukannya pada suhu bilik, dan ia mempunyai keliatan yang baik. Aloi titanium bersuhu-rendah masih boleh mengekalkan keliatan yang baik pada -253 darjah .

5. Rintangan kakisan yang kuat titanium. Pada suhu di bawah 550 darjah di udara, titanium membentuk filem titanium oksida yang nipis dan padat di permukaannya dengan cepat, jadi rintangan kakisannya di atmosfera, air laut, asid nitrik, asid sulfurik dan media pengoksidaan lain dan alkali kuat adalah lebih baik daripada kebanyakan keluli tahan karat.

2.1 Kaedah Penyediaan Titanium
Walaupun titanium agak banyak dalam alam semula jadi, ia adalah logam yang jarang berlaku kerana kewujudannya yang tersebar dan kesukaran dalam pengekstrakan. Pada masa ini, penyediaan titanium boleh dibahagikan kepada dua kategori utama: kaedah pengurangan haba dan kaedah elektrolisis garam cair.

(1) Kaedah pengurangan haba untuk menyediakan titanium: Kaedah pengurangan haba melibatkan pengurangan titanium daripada sebatiannya seperti TiCl4, TiO2, dan K2TiF6 pada suhu tertentu menggunakan agen penurunan kuat seperti Li, Na, Mg, Ca, dan hidridanya. Mengikut sebatian titanium yang berbeza, kaedah pengurangan haba untuk menyediakan titanium boleh dikelaskan kepada tiga kategori:

① Kaedah pengurangan-pengoksidaan titanium klorida, seperti proses Kroll, proses Hunter, proses Armstrong dan proses EMR;

② Kaedah pengurangan-pengoksidaan titanium oksida, seperti proses OS, proses PRP dan proses MHR;

③ Kaedah pengurangan-pengoksidaan titanat. Pada masa ini, hanya proses Kroll dan proses Hunter telah berjaya digunakan dalam pengeluaran perindustrian. Proses Kroll menggunakan magnesium metalik untuk menggantikan titanium daripada klorida, manakala proses Hunter menggunakan natrium logam untuk berbuat demikian. Selain itu, proses Armstrong yang dibangunkan oleh Syarikat Serbuk Titanium Antarabangsa di Chicago, Amerika Syarikat, adalah serupa dengan proses Hunter dan juga menggunakan natrium sebagai agen pengurangan untuk membersihkan titanium logam. Amerika Syarikat telah mula menjalankan pra-pengeluaran di kilang menggunakan kaedah ini.

(2) Kaedah elektrolisis garam cair untuk menyediakan titanium: Pada tahun 1959, Kroll meramalkan bahawa elektrolisis garam cair akan menggantikan proses Kroll sebagai kaedah arus perdana untuk menghasilkan titanium dalam tempoh 5 hingga 10 tahun. Selama bertahun-tahun, institusi dan makmal penyelidikan dalam dan luar negara telah membangunkan lebih daripada sedozen teknologi baharu untuk menyediakan titanium melalui elektrolisis garam cair. Ini boleh dikelaskan kepada tiga kategori berdasarkan bahan mentah:

① Elektrolisis titanat;

② Elektrolisis titanium klorida;

③ Elektrolisis titanium oksida, termasuk proses FFC Cambridge, proses MER, proses USTB, proses QIT, proses SOM dan elektrolisis cecair ionik.

2.2 Penggunaan Baru Titanium
Sejak tahun 1940-an, penggunaan titanium telah berkembang pesat dan ia telah digunakan secara meluas dalam pesawat, roket, peluru berpandu, satelit buatan, kapal angkasa, kapal, industri ketenteraan, bidang perubatan, dan industri petrokimia. Penyelidikan terkini mendapati bahawa tubuh manusia mengandungi sejumlah titanium, dan titanium boleh merangsang fagosit dan meningkatkan fungsi imun. Oleh itu, banyak makmal dikhususkan untuk pembangunan dan penggunaan bio-titanium.

3.1 Kaedah penyediaan aloi titanium

Pemprosesan tradisional aloi titanium secara amnya menggunakan teknik lebur dan tuangan. Teknologi pemprosesan terkini dikelaskan seperti berikut:

(1) Berhampiran-net-teknologi membentuk bentuk;

(2) Teknologi kimpalan geseran wayar;

(3) Teknologi membentuk superplastik;

(4) Teknologi simulasi komputer untuk penyediaan dan pemprosesan bahan. Berhampiran-net-teknologi membentuk bentuk termasuk pembentukan laser, tuangan ketepatan, penempaan acuan ketepatan, metalurgi serbuk dan pembentukan semburan, dsb. Metalurgi serbuk ialah proses baharu untuk mengeluarkan komponen titanium menggunakan serbuk titanium atau serbuk aloi titanium sebagai bahan mentah, diikuti dengan pembentukan dan pensinteran. Pertama, serbuk dihasilkan, biasanya melalui pengaloian mekanikal, menggunakan kilang bebola untuk menundukkan bahan mentah kepada hentaman yang kuat, mengisar dan mengacau. Kemudian, serbuk aloi yang terbentuk ditekan ke dalam bentuk, dengan dua kaedah menekan: menekan isostatik dan menekan sejuk. Tujuan langkah ini adalah untuk mendapatkan kosong yang ditekan dengan bentuk dan saiz tertentu dengan ketumpatan dan kekuatan tertentu. Kemudian, kosong yang terbentuk tertakluk kepada pensinteran plasma percikan, di mana kuasa pensinteran khusus dan tekanan menekan digunakan pada serbuk pensinteran melalui penebuk mati atas dan bawah dan elektrod elektrik. Proses ini diselesaikan melalui pengaktifan nyahcas, ubah bentuk plastik panas dan penyejukan untuk mendapatkan{10}}bahan titanium berprestasi tinggi. Selepas itu, aloi titanium selepas pensinteran plasma menjalani pemprosesan selanjutnya, biasanya rawatan haba atau pemprosesan plastik.

3.2 Aplikasi baharu aloi titanium

Aloi titanium pada mulanya digunakan secara meluas dalam bidang aeroangkasa, terutamanya untuk pembuatan enjin pesawat atau komponen pneumatik. Kemudian, dengan perkembangan teknologi yang berterusan, aloi titanium telah memasuki kehidupan orang biasa dan boleh didapati di kilang atau perkakas rumah. Pada masa ini, negara dan institusi bersaing untuk membangunkan aloi titanium baharu dengan kos rendah dan prestasi tinggi. Perkembangan terbaru aloi titanium terutamanya memberi tumpuan kepada lima aspek berikut.

(1) Aloi titanium perubatan

Aloi titanium mempunyai ketumpatan rendah dan biokompatibiliti yang baik, menjadikannya bahan perubatan yang ideal bahkan boleh ditanam dalam tubuh manusia. Sebelum ini, aloi titanium yang digunakan dalam bidang perubatan mengandungi vanadium dan aluminium, yang boleh menyebabkan kemudaratan kepada tubuh manusia. Walau bagaimanapun, baru-baru ini, sarjana Jepun telah membangunkan jenis aloi titanium baharu dengan biokompatibiliti yang baik. Walaupun aloi ini belum lagi-dihasilkan secara besar-besaran, adalah dipercayai dalam masa terdekat, aloi-berkualiti tinggi tersebut akan digunakan secara meluas dalam kehidupan seharian.

(2) Aloi titanium kalis api-nyalaan

Aloi berasaskan Titanium-yang boleh menahan pembakaran di bawah tekanan, suhu dan kadar aliran udara tertentu ialah aloi titanium kalis nyalaan-nyalaan. Amerika Syarikat, Rusia dan China telah membangunkan aloi titanium kalis api baharu-berturut-turut. Amerika Syarikat telah menggunakan aloi titanium kalis api-ini pada enjin kerana ia tidak sensitif kepada pembakaran, yang boleh meningkatkan kestabilan enjin dengan ketara.

(3) Aloi titanium jenis-tinggi dan tinggi-keliatan{3}}

-aloi titanium jenis mempunyai kekuatan tinggi, kebolehkimpalan yang baik dan sifat kerja sejuk dan panas yang sangat baik. Penyelidik telah menggunakan sifat ini untuk membangunkan -jenis aloi titanium dengan ciri yang berbeza: prestasi kerja panas yang baik, keplastikan yang baik dan kebolehkimpalan yang baik. Lebih-lebih lagi, selepas rawatan penyelesaian dan penuaan, sifat mekanikalnya bertambah baik dengan ketara. Pada masa ini, kedua-dua Jepun dan Rusia telah membangunkan aloi titanium sedemikian.

(4) Titanium-sebatian aluminium

Berbanding aloi titanium am, sebatian aluminium-titanium mempunyai prestasi suhu tinggi-yang sangat baik, rintangan pengoksidaan dan rayapan yang baik serta ketumpatan yang lebih rendah daripada aloi titanium am. Ciri-ciri cemerlang ini menunjukkan bahawa sebatian aluminium-titanium akan mencetuskan aliran aloi baharu. Pada masa ini, Amerika Syarikat telah mensintesis aloi kompaun aluminium-titanium baharu ini dan sedang dalam proses pengeluaran besar-besaran.

(5) Aloi titanium-suhu tinggi

Aloi titanium yang disediakan dengan menggabungkan kaedah pemejalan pantas dan metalurgi serbuk, menggunakan gentian atau komposit-zarah bertetulang, mempunyai sifat mekanikal suhu tinggi-tinggi yang sangat baik. Had suhu perkhidmatan aloi titanium-suhu tinggi jauh lebih tinggi daripada aloi titanium biasa. Pada masa ini, Amerika Syarikat telah membangunkan aloi titanium-suhu tinggi baharu. (6) Titanium-ali nikel, aloi yang terdiri daripada titanium dan nikel, dikenali sebagai "aloi ingatan". Apabila aloi ini dibuat menjadi bentuk-yang telah ditentukan dan kemudian tertakluk kepada rawatan membentuk, jika ia dicacat oleh daya luaran, ia boleh memulihkan penampilan asalnya dengan hanya pemanasan sedikit. Aloi ini boleh digunakan dalam pelbagai bidang seperti instrumen, meter, peranti elektronik, dll.