أنابيب التيتانيوم غير الملحومة

تيتانيوم | جدول مقارنة درجات سبائك التيتانيوم | مبادلات حرارية خفيفة الوزن من التيتانيوم للتطبيقات المحمولة جواً | التيتانيوم وسبائك التيتانيوم الأساسية | مواصفات سبائك التيتانيوم | سبائك التيتانيوم | التركيب الكيميائي للتيتانيوم | مقاومة التآكل | مقارنة التيتانيوم | ASTM B265 | التركيب الكيميائي ASTM B265

تيتانيوم عنصر كيميائي يرمز له بالرمز Ti والرقم الذري 22. ويطلق عليه أحياناً "معدن عصر الفضاء"، ويتميز بكثافة منخفضة وهو معدن قوي ولامع, مقاومة للتآكل (بما في ذلك مياه البحر، أكوا ريجيا والكلور) معدن انتقالي بلون فضي.

اكتُشف التيتانيوم في إنجلترا على يد ويليام غريغور في عام 1791 وأطلق عليه مارتن هاينريش كلابروث اسم جبابرة الأساطير الإغريقية. ويوجد هذا العنصر في عدد من الرواسب المعدنية، ولا سيما الروتيل والإلمنيت، وهي موزعة على نطاق واسع في القشرة الأرضية والغلاف الصخري للأرض، ويوجد في جميع الكائنات الحية والصخور والمسطحات المائية والتربة تقريباً. ويُستخرج المعدن من خاماته المعدنية الرئيسية عن طريق عملية كرول أو عملية هنتر. ويُعد مركبه الأكثر شيوعاً، ثاني أكسيد التيتانيوم، محفزاً ضوئياً شائعاً ويستخدم في صناعة الأصباغ البيضاء. وتشمل مركبات أخرى رابع كلوريد التيتانيوم (TiCl4)، وهو أحد مكونات شاشات الدخان والمحفزات؛ وثلاثي كلوريد التيتانيوم (TiCl3)، الذي يستخدم كمحفز في إنتاج البولي بروبلين).

يمكن خلط التيتانيوم مع الحديد, الألومنيوموالفاناديوم والموليبدينوم، من بين عناصر أخرى، لإنتاج سبائك قوية وخفيفة الوزن للفضاء (المحركات النفاثة والصواريخ والمركبات الفضائية)، والعسكرية والعمليات الصناعية (المواد الكيميائية والبتروكيميائية ومحطات تحلية المياه واللب والورق) والسيارات والأغذية الزراعية والأطراف الصناعية الطبية وزراعة العظام وأدوات وملفات الأسنان وعلاج جذور الأسنان وزراعة الأسنان والسلع الرياضية والمجوهرات والهواتف المحمولة وغيرها من التطبيقات.

وتتمثل الخاصيتان الأكثر فائدة في هذا الشكل المعدني في مقاومة التآكل وأعلى نسبة قوة إلى الوزن مقارنةً بأي معدن آخر. وفي حالته غير المخلوطة، يكون التيتانيوم في حالته غير المخلوطة بنفس قوة بعض أنواع الفولاذ، ولكنه أخف وزناً بمقدار 45%. ويوجد شكلان متآصلان وخمسة نظائر طبيعية لهذا العنصر، من 46Ti إلى 50Ti، مع كون 48Ti الأكثر وفرة (73.8%). تتشابه خواص التيتانيوم كيميائياً وفيزيائياً مع الزركونيوم، لأن كلاهما له نفس عدد إلكترونات التكافؤ ويقعان في نفس المجموعة في الجدول الدوري.

المواسير الأنابيب الأنابيب الألواح القضبان القضبان المربعة الأنابيب المربعة حساب الوزن
حساب ضغط عمل الأنابيب
حساب حاسبة التحويل حساب الضغط | الوزن | درجة الحرارة | الحجم | الطول
جدول التحويل - الضغط-الضغط-الإجهاد-الكتلة-الطول-الحرارة-المقياس المسبق لدرجة الحرارة
حاسبة وزن المعادن–ألومنيوم|نحاس|البرونز |النحاس|المغنيسيوم|البلاستيك|نيكل|الفولاذ المقاوم للصدأ|الفولاذ|تيتانيوم|الزنك
3.7235 | 3.7035 | 3.7025

الخصائص

الخصائص الفيزيائية

يُعرف التيتانيوم كعنصر فلزي بنسبة قوته إلى وزنه العالية. وهو معدن قوي ذو كثافة منخفضة وقابل للسحب (خاصة في بيئة خالية من الأكسجين)، ولامع ولونه أبيض معدني. كما أن درجة انصهاره العالية نسبيًا (أكثر من 1,650 درجة مئوية أو 3,000 درجة فهرنهايت) تجعله مفيدًا كمعدن حراري. وهو بارامغناطيسي بارامغناطيسي وله موصلية كهربائية وحرارية منخفضة إلى حد ما. الدرجات التجارية (99.2% النقية) من التيتانيوم لها درجة نقاء نهائية قوة الشد تبلغ حوالي 63,000 رطل لكل بوصة مربعة (434 ميجا باسكال)، أي ما يعادل قوة شد سبائك الفولاذ منخفضة الدرجة الشائعة، ولكنها أخف وزناً بمقدار 451 تيرابايت 3 تيرابايت، كما أن التيتانيوم أكثر كثافة من الألومنيوم بمقدار 601 تيرابايت 3 تيرابايت، ولكنه أكثر قوة من سبائك الألومنيوم 6061-T6 الأكثر استخداماً. تحقق بعض سبائك التيتانيوم (على سبيل المثال، Beta C) قوة شدّ تزيد عن 200,000 رطل لكل بوصة مربعة (1,400 ميجا باسكال). ومع ذلك، يفقد التيتانيوم قوته عند تسخينه فوق 430 درجة مئوية (806 درجة فهرنهايت).

إنه صلب إلى حد ما على الرغم من أنه ليس بصلابة بعض درجات الفولاذ المعالج بالحرارة، وهو غير مغناطيسي وموصل ضعيف للحرارة والكهرباء. يتطلب التصنيع بالقطع احتياطات احترازية، حيث أن المادة ستلين وتتآكل إذا لم يتم استخدام أدوات حادة وطرق تبريد مناسبة. ومثل تلك المصنوعة من الفولاذ، فإن هياكل التيتانيوم لها حدٌّ من التعب الذي يضمن طول العمر في بعض التطبيقات.[10] كما أن الصلابة الخاصة لسبائك التيتانيوم ليست عادةً بنفس جودة المواد الأخرى مثل سبائك الألمنيوم وألياف الكربون، لذلك يقلّ استخدامها في الهياكل التي تتطلب صلابة عالية.

والفلز عبارة عن متآصل ثنائي الشكل يتحول شكله السداسي ألفا إلى شكل مكعب (شبكي) β متمركز في الجسم عند درجة حرارة 882 درجة مئوية (1620 درجة فهرنهايت). وتزداد الحرارة النوعية للشكل ألفا بشكل كبير عند تسخينه إلى درجة الحرارة الانتقالية هذه، ولكنها تنخفض بعد ذلك وتبقى ثابتة إلى حد ما للشكل β بغض النظر عن درجة الحرارة. وعلى غرار الزركونيوم والهافنيوم، يوجد طور أوميغا إضافي مستقر ديناميكيًا حراريًا عند الضغوط العالية، ولكنه قابل للاستقرار في الضغوط المحيطة. وعادةً ما يكون هذا الطور سداسي الأضلاع (مثالي) أو ثلاثي الأضلاع (مشوه)، ويمكن النظر إليه على أنه ناتج عن فونون صوتي طولي طولي ناعم للطور β يسبب انهيار (111) مستوى من الذرات.

التركيب الكيميائي

إن الخاصية الكيميائية الأكثر تميزاً للتيتانيوم هي مقاومته الممتازة للتآكل؛ فهو مقاوم تقريباً مثل البلاتين، وقادر على تحمل هجوم حمض الكبريتيك المخفف وحمض الهيدروكلوريك وكذلك غاز الكلور ومحاليل الكلوريد ومعظم الأحماض العضوية. ومع ذلك، فهو قابل للذوبان في الأحماض المركزة. يوضِّح مخطط بوربايكس التالي أن التيتانيوم في الواقع معدن تفاعلي للغاية من الناحية الديناميكية الحرارية.

مخطط بوربايكس للتيتانيوم في الماء النقي أو حمض البيركلوريك أو هيدروكسيد الصوديوم ومع ذلك، فهو بطيء التفاعل مع الماء والهواء، لأنه يُشكِّل طبقة أكسيد سلبية وواقية تحميه من المزيد من التفاعل، وعندما يتكوّن لأول مرة، تكون هذه الطبقة الواقية بسُمك 1-2 نانومتر فقط ولكنها تستمر في النمو ببطء؛ لتصل إلى سُمك 25 نانومتر في أربع سنوات. ولكن عندما تتعرض لدرجات حرارة مرتفعة في الهواء، فإنها تتفاعل بسهولة مع الأكسجين.

ويحدث ذلك عند 1,200 درجة مئوية (2,190 درجة فهرنهايت) في الهواء، وعند 610 درجة مئوية (1,130 درجة فهرنهايت) في الأكسجين النقي، مكوّناً ثاني أكسيد التيتانيوم. ونتيجة لذلك، لا يمكن صهر المعدن في الهواء الطلق لأنه يحترق قبل الوصول إلى نقطة الانصهار. لا يمكن صهره إلا في جو خامل أو في الفراغ. وعند درجة حرارة 550 درجة مئوية (1022 درجة فهرنهايت)، يتحد مع الكلور. كما يتفاعل مع الهالوجينات الأخرى ويمتص الهيدروجين.

التيتانيوم هو أحد العناصر القليلة التي تحترق في غاز النيتروجين النقي، حيث يتفاعل عند درجة حرارة 800 درجة مئوية (1470 درجة فهرنهايت) لتكوين نيتريد التيتانيوم، الذي يسبب التقصف. وقد أظهرت التجارب أن التيتانيوم الطبيعي يصبح مشعًّا بعد قصفه بالديوتيرونات؛ إذ تنبعث منه البوزيترونات وأشعة جاما الصلبة بشكل أساسي.

مركبات

تهيمن حالة الأكسدة +4 على كيمياء التيتانيوم، ولكن المركبات في حالة الأكسدة +3 شائعة أيضاً، وبسبب حالة الأكسدة العالية هذه، فإن العديد من مركبات التيتانيوم لديها درجة عالية من الترابط التساهمي. ويكتسب الياقوت والياقوت النجمي نجماته من شوائب ثاني أكسيد التيتانيوم الموجودة فيها. التيتانات هي مركبات مصنوعة من ثاني أكسيد التيتانيوم. تتميّز تيتانات الباريوم بخصائص كهرضغطية مما يجعل من الممكن استخدامها كمُحوِّل طاقة في التحويل البيني للصوت والكهرباء. تتكوَّن استرات التيتانيوم عن طريق تفاعل الكحوليات ورابع كلوريد التيتانيوم وتُستخدم في الأقمشة المقاومة للماء.

نيتريد التيتانيوم (TiN)، الذي يحتوي على الصلابة يعادل الياقوت والكاربروندوم (9.0 على مقياس موس)، وغالباً ما يستخدم في طلاء أدوات القطع، مثل لقم الثقب. ويستخدم أيضًا كطلاء زخرفي ذهبي اللون، وكمعدن حاجز في تصنيع أشباه الموصلات.

رباعي كلوريد التيتانيوم (كلوريد التيتانيوم (IV)، TiCl4، ويُسمى أحياناً "دغدغة") هو سائل عديم اللون يُستخدم كمادة وسيطة في تصنيع ثاني أكسيد التيتانيوم للطلاء. ويُستخدَم على نطاق واسع في الكيمياء العضوية كحمض لويس، على سبيل المثال في تكثيف موكاياما ألدول.كما يُشكِّل التيتانيوم أيضاً كلوريد أقل، كلوريد التيتانيوم (الثالث) كلوريد التيتانيوم (TiCl3)، والذي يُستخدَم كعامل اختزال. ويُعد ثنائي كلوريد التيتانيوم ثنائي كلوريد التيتانيوم عاملًا حفازًا مهمًا لتكوين رابطة الكربون-الكربون. ويُستخدم أيزوبروبوكسيد التيتانيوم في عملية الأكسدة الإيبوكسيدية الشاربلسية. وتتضمن المركبات الأخرى بروميد التيتانيوم (المستخدم في علم المعادن والسبائك الفائقة والأسلاك الكهربائية والطلاءات عالية الحرارة) وكربيد التيتانيوم (الموجود في أدوات القطع والطلاءات عالية الحرارة).

الحدوث |

إنتاج عام 2003 من ثاني أكسيد التيتانيوم، بآلاف الأطنان.إنتاج المنتجين
% من المجموع
استراليا 1291.0 30.6
جنوب أفريقيا 850.0 20.1
كندا 767.0 18.2
النرويج 382.9 382.9 9.1
أوكرانيا 357.0 357.0 8.5
بلدان أخرى 573.1 13.6
الإجمالي العالمي 4221.0 100.0

وبسبب التقريب، لا يساوي مجموع القيم 100%.يرتبط التيتانيوم دائمًا بعناصر أخرى في الطبيعة. وهو تاسع أكثر العناصر وفرة في القشرة الأرضية (0.63% من حيث الكتلة) وسابع أكثر المعادن وفرة. وهو موجود في معظم الصخور النارية وفي الرواسب المشتقة منها (وكذلك في الكائنات الحية والمسطحات المائية الطبيعية). ومن بين 801 نوعاً من الصخور النارية التي حللتها هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية والتي يبلغ عددها 801 نوعاً احتوت 784 نوعاً على التيتانيوم.وتبلغ نسبته في التربة حوالي 0.5 إلى 1.51 تيرابايت 3 تيرابايت.

يتوزع على نطاق واسع ويوجد في المقام الأول في معادن الأناتاز والبروكيت والإلمنيت والبيروفسكايت والروتيل والتيتانيت (السفين)، وكذلك في العديد من خامات الحديد، ومن بين هذه المعادن لا يوجد سوى الروتيل والإلمنيت فقط لهما أهمية اقتصادية، ومع ذلك حتى هما من الصعب العثور عليهما بتركيزات عالية. توجد رواسب كبيرة من الإلمنيت الحامل للتيتانيوم في غرب أستراليا وكندا والصين والهند ونيوزيلندا والنرويج وأوكرانيا. كما تُستخرج كميات كبيرة من الروتيل في أمريكا الشمالية وجنوب أفريقيا وتساهم في الإنتاج السنوي البالغ 90,000 طن من المعدن و4.3 مليون طن من ثاني أكسيد التيتانيوم. ويُقدَّر إجمالي احتياطيات التيتانيوم بما يتجاوز 600 مليون طن.

ويوجد التيتانيوم في النيازك وقد تم اكتشافه في الشمس وفي النجوم من النوع M؛ وهو أبرد أنواع النجوم التي تبلغ درجة حرارة سطحها 3200 درجة مئوية (5790 درجة فهرنهايت). وتتكون الصخور التي أعيدت من القمر خلال مهمة أبولو 17 من 12.1% TiO2. ويوجد أيضًا في رماد الفحم والنباتات وحتى في جسم الإنسان.

النظائر

المقال الرئيسي: نظائر التيتانيوم
ويتألف التيتانيوم الموجود طبيعياً من 5 نظائر مستقرة: 46Ti و47Ti و48Ti و49Ti و50Ti، مع كون 48Ti الأكثر وفرة (73.8% الوفرة الطبيعية). وقد تم تحديد خصائص أحد عشر نظيراً مشعاً، وأكثرها استقراراً هو 44Ti بنصف عمر يبلغ 63 سنة، و45Ti بنصف عمر يبلغ 184.8 دقيقة، و51Ti بنصف عمر يبلغ 5.76 دقيقة، و52Ti بنصف عمر يبلغ 1.7 دقيقة. وجميع النظائر المشعة المتبقية لها عمر نصفي أقل من ٣٣ ثانية، ومعظم هذه النظائر لها عمر نصفي أقل من نصف ثانية.
وتتراوح نظائر التيتانيوم في الوزن الذري من 39.99 u (40Ti) إلى 57.966 u (58Ti). ونمط الاضمحلال الأساسي قبل النظير الأكثر وفرة واستقرارًا، وهو 48Ti، هو التقاط الإلكترونات، والنمط الأساسي بعده هو انبعاث بيتا. ونواتج الاضمحلال الأساسية قبل 48Ti هي نظائر العنصر 21 (السكانديوم) والنواتج الأساسية بعده هي نظائر العنصر 23 (الفاناديوم)
.
التاريخ

أطلق مارتن هاينريش كلابروث اسم التيتانيوم على جبابرة الأساطير الإغريقية.اكتشف التيتانيوم متضمنًا في معدن في كورنوال بإنجلترا عام 1791 على يد الجيولوجي الهاوي والقس ويليام جريجور، الذي كان آنذاك كاهن أبرشية كريد.[30] وقد تعرف على وجود عنصر جديد في الإلمنيت عندما وجد رمالاً سوداء بجوار مجرى مائي في أبرشية ماناكان القريبة ولاحظ أن الرمال تنجذب بواسطة مغناطيس. حدد تحليل الرمال وجود اثنين من أكاسيد الفلزات؛ أكسيد الحديد (مما يفسر الانجذاب إلى المغناطيس) و45.251 تيرابايت 3 تيرابايت من أكسيد معدني أبيض لم يستطع تحديده. وأدرك غريغور أن الأكسيد المجهول الهوية يحتوي على معدن لا يتطابق مع خصائص أي عنصر معروف، فأبلغ الجمعية الجيولوجية الملكية في كورنوال وفي مجلة Crell's Annalen العلمية الألمانية. في نفس الوقت تقريبًا، أنتج فرانز جوزيف مولر فون رايشنشتاين مادة مماثلة، لكنه لم يتمكن من تحديدها. وأُعيد اكتشاف الأكسيد بشكل مستقل في عام 1795 على يد الكيميائي الألماني مارتن هاينريش كلابروث في الروتيل من المجر. وجد كلابروث أنه يحتوي على عنصر جديد وأطلق عليه اسم جبابرة الأساطير الإغريقية. وبعد سماعه باكتشاف جريجور السابق، حصل على عينة من الماناكانايت وتأكد من احتوائه على التيتانيوم.

إن العمليات المطلوبة لاستخلاص التيتانيوم من خاماته المختلفة شاقة ومكلفة؛ إذ لا يمكن اختزاله بالطريقة العادية، أي بالتسخين في وجود الكربون، لأن ذلك يُنتج كربيد التيتانيوم. تم إعداد التيتانيوم المعدني النقي (99.9%) لأول مرة في عام 1910 على يد ماثيو أ. هنتر في معهد رينسيلير للفنون التطبيقية عن طريق تسخين TiCl4 مع الصوديوم عند درجة حرارة 700-800 درجة مئوية في عملية هنتر. لم يُستخدم فلز التيتانيوم خارج المختبر حتى عام 1932 عندما أثبت ويليام جاستن كرول إمكانية إنتاجه عن طريق اختزال رابع كلوريد التيتانيوم (TiCl4) مع الكالسيوم، وبعد ثماني سنوات قام بتنقيح هذه العملية باستخدام المغنيسيوم وحتى الصوديوم فيما أصبح يُعرف باسم عملية كرول. على الرغم من استمرار البحث في عمليات أكثر كفاءة وأرخص تكلفة (على سبيل المثال، FFC كامبريدج)، إلا أن عملية Kroll لا تزال تستخدم في الإنتاج التجاري.
إسفنج التيتانيوم المصنوع من إسفنج التيتانيوم، المصنوع بواسطة عملية كرولتم تصنيع التيتانيوم عالي النقاء بكميات صغيرة عندما اكتشف أنطون إدوارد فان آركل ويان هندريك دي بوير عملية اليوديد أو القضيب البلوري في عام 1925، عن طريق التفاعل مع اليود وتحلل الأبخرة المتكونة فوق خيوط ساخنة إلى معدن نقي.

في الخمسينيات والستينيات كان الاتحاد السوفييتي رائداً في استخدام التيتانيوم في التطبيقات العسكرية والغواصات (ألفا كلاس ومايك كلاس) كجزء من البرامج المتعلقة بالحرب الباردة. وابتداءً من أوائل خمسينيات القرن العشرين، بدأ استخدام التيتانيوم على نطاق واسع لأغراض الطيران العسكري، وخاصة في الطائرات النفاثة عالية الأداء، بدءاً من طائرات مثل F100 سوبر سيبر F100 ولوكهيد A-12.

في الولايات المتحدة الأمريكية، أدركت وزارة الدفاع الأمريكية الأهمية الاستراتيجية للمعدن ودعمت الجهود المبكرة لتسويقه. وطوال فترة الحرب الباردة، اعتبرت حكومة الولايات المتحدة التيتانيوم مادة استراتيجية واحتفظ مركز المخزون الوطني للدفاع بمخزون كبير من إسفنج التيتانيوم، والذي تم استنفاده أخيراً في عام 2005. واليوم، يُقدَّر أن أكبر منتج في العالم، وهو شركة VSMPO-Avisma ومقرها روسيا، يستحوذ على حوالي 291 تيرابايت 3 تيرابايت من حصة السوق العالمية.

في عام 2006، منحت وكالة الدفاع الأمريكية $5.7 مليون دولار أمريكي لاتحاد شركتين لتطوير عملية جديدة لصنع مسحوق معدن التيتانيوم. وتحت الحرارة والضغط، يمكن استخدام المسحوق لصنع عناصر قوية وخفيفة الوزن تتراوح بين طلاء الدروع ومكونات صناعات الطيران والنقل والمعالجة الكيميائية. الإنتاج والتصنيع.

التيتانيوم (مركز المعادن)تتم معالجة معدن التيتانيوم في 4 خطوات رئيسية: اختزال خام التيتانيوم إلى "إسفنج"، وهو شكل مسامي؛ وصهر الإسفنج أو الإسفنج بالإضافة إلى سبيكة رئيسية لتشكيل سبيكة؛ والتصنيع الأولي، حيث يتم تحويل السبيكة إلى منتجات مطحنة عامة مثل البليت والقضبان والصفائح والصفائح والشرائح والشرائط والأنابيب؛ والتصنيع الثانوي للأشكال النهائية من منتجات المطحنة.

ونظرًا لأن المعدن يتفاعل مع الأكسجين في درجات حرارة عالية، لا يمكن إنتاجه عن طريق اختزال ثاني أكسيده. ولذلك يتم إنتاج معدن التيتانيوم تجارياً عن طريق عملية كرول، وهي عملية معقدة ومكلفة على دفعات. (ترجع القيمة السوقية المرتفعة نسبيًا للتيتانيوم بشكل أساسي إلى معالجته التي تضحي بمعدن آخر باهظ الثمن، وهو المغنيسيوم). في عملية Kroll، يتم تحويل الأكسيد أولاً إلى كلوريد من خلال عملية الكاربوكلورة، حيث يتم تمرير غاز الكلور على الروتيل أو الإلمنيت الساخن في وجود الكربون لتكوين TiCl4. ويتم تكثيف ذلك وتنقيته عن طريق التقطير التجزيئي ثم يتم اختزاله باستخدام المغنيسيوم المنصهر بدرجة حرارة 800 درجة مئوية في جو من الأرجون.

وهناك طريقة تم تطويرها مؤخراً، وهي عملية كامبريدج FFC، قد تحل في نهاية المطاف محل عملية كرول. وتستخدم هذه الطريقة مسحوق ثاني أكسيد التيتانيوم (وهو شكل مكرر من الروتيل) كمادة وسيطة لصنع المنتج النهائي الذي يكون إما مسحوقاً أو إسفنجاً. وفي حالة استخدام مساحيق الأكسيد المختلط، يكون المنتج عبارة عن سبيكة مصنعة بتكلفة أقل بكثير من عملية الصهر التقليدية متعددة الخطوات. قد تجعل عملية كامبريدج FFC من التيتانيوم مادة أقل ندرة وتكلفة لصناعة الطيران وسوق السلع الفاخرة، ويمكن أن تدخل في العديد من المنتجات المصنعة حالياً باستخدام الألومنيوم والدرجات المتخصصة من الفولاذ.

تُصنع سبائك التيتانيوم الشائعة عن طريق الاختزال. على سبيل المثال، يتم اختزال الكوبروتيتانيوم (يتم اختزال الروتيل المضاف إليه النحاس)، والتيتانيوم الحديدي (يتم اختزال الإلمنيت مع فحم الكوك في فرن كهربائي)، والمنجوتانيوم (الروتيل مع المنجنيز أو أكاسيد المنجنيز).

2 FeTiO3 + 7 Cl2 + 6 C → 2 TiCl4 + 2 FeCl3 + 6 CO (900 درجة مئوية)
TiCl4 + 2 Mg → 2 MgCl2 + Ti (1100 درجة مئوية)

تم تعيين حوالي 50 درجة من التيتانيوم وسبائك التيتانيوم واستخدامها حالياً، على الرغم من أن بضع عشرات منها فقط متاحة تجارياً. وتعترف ASTM الدولية بـ31 درجة من معدن وسبائك التيتانيوم، منها الدرجات من 1 إلى 4 النقية تجارياً (غير المخلوطة). وتتميز هذه الدرجات الأربع بدرجات متفاوتة من قوة الشد، كدالة لمحتوى الأكسجين، حيث أن الدرجة 1 هي الأكثر قابلية للسحب (أقل قوة شد بمحتوى أكسجين 0.18%)، والدرجة 4 هي الأقل (أعلى قوة شد بمحتوى أكسجين 0.40%). أما الدرجات المتبقية فهي سبائك، كل منها مصممة لأغراض محددة، سواءً كانت ليونة أو قوة أو صلابة أو مقاومة كهربائية أو مقاومة زحف أو مقاومة للتآكل من وسائط معينة أو مزيج من هذه الأمور.

يتم إنتاج الدرجات التي تغطيها ASTM والسبائك الأخرى أيضًا لتلبية المواصفات الفضائية والعسكرية (SAE-AMS، MIL-T)، ومعايير ISO، والمواصفات الخاصة بكل بلد، بالإضافة إلى مواصفات المستخدم النهائي الخاصة بالمستخدم النهائي للتطبيقات الفضائية والعسكرية والطبية والصناعية.

ومن حيث التصنيع، يجب أن تتم جميع عمليات لحام التيتانيوم في جو خامل من الأرجون أو الهيليوم لحمايته من التلوث بالغازات الجوية مثل الأكسجين أو النيتروجين أو الهيدروجين، حيث يتسبب التلوث في حدوث مجموعة متنوعة من الظروف، مثل التقصف، مما يقلل من سلامة اللحامات التجميعية ويؤدي إلى فشل الوصلة. يمكن تشكيل المنتجات المسطحة النقية تجاريًا (الصفائح والألواح) بسهولة، ولكن يجب أن تأخذ المعالجة في الاعتبار حقيقة أن المعدن له "ذاكرة" ويميل إلى الارتداد. وهذا ينطبق بشكل خاص على بعض السبائك عالية القوة. ويمكن تشكيل المعدن باستخدام نفس المعدات وبنفس العمليات التي تتم باستخدام الفولاذ المقاوم للصدأ.

التطبيقات

اسطوانة تيتانيوم، "GRADE 2"، يستخدم التيتانيوم في الفولاذ كعنصر إشابة (تيتانيوم حديدي) لتقليل حجم الحبيبات وكعامل مزيل للأكسدة، وفي أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ لتقليل محتوى الكربون.وغالباً ما يُخلط التيتانيوم مع الألومنيوم (لصقل حجم الحبيبات) والفاناديوم والنحاس (للتقوية) والحديد والمنغنيز والموليبدينوم ومع معادن أخرى.[49] يمكن العثور على تطبيقات لمنتجات مطاحن التيتانيوم (الصفائح والألواح والقضبان والأسلاك والمطروقات والمسبوكات) في الأسواق الصناعية والفضائية والترفيهية والناشئة. ويُستخدم التيتانيوم المسحوق في صناعة الألعاب النارية كمصدر للجسيمات ذات الاحتراق الساطع.

الأصباغ والمواد المضافة والطلاءات

ثاني أكسيد التيتانيوم هو المركب الأكثر استخداماً من التيتانيوميتم توجيه حوالي 95% من خام التيتانيوم المستخرج من الأرض لتنقيته إلى ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO2)، وهو صبغة دائمة بيضاء شديدة البياض تُستخدم في الدهانات والورق ومعجون الأسنان والبلاستيك. كما يُستخدم أيضاً في الأسمنت، وفي الأحجار الكريمة، وكمعتم بصري في الورق، وكعامل تقوية في قضبان الصيد المركبة من الجرافيت ومضارب الجولف.

مسحوق ثاني أكسيد التيتانيوم TiO2 خامل كيميائياً، ويقاوم التلاشي في ضوء الشمس، وهو معتم جداً: وهذا يسمح له بإضفاء لون أبيض نقي ورائع على المواد الكيميائية البنية أو الرمادية التي تشكل غالبية المواد البلاستيكية المنزلية.في الطبيعة، يوجد هذا المركب في معادن الأناتاز والبروكيت والروتيل الطلاء المصنوع من ثاني أكسيد التيتانيوم يعمل بشكل جيد في درجات الحرارة الشديدة، وهو ذاتي التنظيف إلى حد ما، ويتحمل البيئات البحرية. ويتميز ثاني أكسيد التيتانيوم النقي بمعامل انكسار عالٍ جداً وتشتت بصري أعلى من الماس. وبالإضافة إلى كونه صبغة مهمة جداً، يُستخدم ثاني أكسيد التيتانيوم أيضاً في واقيات الشمس نظراً لقدرته على حماية البشرة من تلقاء نفسه.

وفي الآونة الأخيرة، تم استخدامه في أجهزة تنقية الهواء (كطلاء مرشح)، أو في طلاء النوافذ في المباني التي عندما تتعرض للأشعة فوق البنفسجية (سواء الشمسية أو من صنع الإنسان) والرطوبة في الهواء تنتج أنواع الأكسدة التفاعلية مثل جذور الهيدروكسيل التي يمكن أن تنقي الهواء أو تحافظ على نظافة أسطح النوافذ.

الفضاء الجوي والبحري
تُستخدم سبائك التيتانيوم في الطائرات، وطلاء الدروع والسفن البحرية والمركبات الفضائية والصواريخ نظراً لقوة شدها العالية إلى نسبة الكثافة، ومقاومتها العالية للتآكل، ومقاومة الكلال، ومقاومة التشقق العالية، وقدرتها على تحمل درجات حرارة عالية باعتدال دون أن تزحف. في هذه التطبيقات، يُستخدم التيتانيوم المخلوط بالألمنيوم والفاناديوم وعناصر أخرى في مجموعة متنوعة من المكوّنات بما في ذلك الأجزاء الهيكلية الحرجة وجدران الحريق ومعدات الهبوط وقنوات العادم (الطائرات العمودية) والأنظمة الهيدروليكية. في الواقع، يُستخدم حوالي ثلثي معدن التيتانيوم المُنتج في محركات وإطارات الطائرات. كانت طائرة SR-71 "Blackbird" واحدة من أولى الطائرات التي استخدمت التيتانيوم على نطاق واسع في هيكلها، ممهدة الطريق لاستخدامه في الطائرات العسكرية والتجارية الحديثة. يُستخدم ما يُقدّر بـ59 طناً مترياً (130,000 رطل) في طائرة بوينغ 777، و45 طناً مترياً في طائرة بوينغ 747، و18 طناً مترياً في طائرة بوينغ 737، و32 طناً مترياً في طائرة إيرباص A340، و18 طناً مترياً في طائرة إيرباص A330، و12 طناً مترياً في طائرة إيرباص A320. قد تستخدم طائرة إيرباص A380 146 طن متري، بما في ذلك حوالي 26 طن في المحركات.[55] في تطبيقات المحركات، يُستخدم التيتانيوم في الدوّارات، وشفرات الضاغط، ومكونات النظام الهيدروليكي، والخلفيات. وتمثل سبيكة التيتانيوم 6AL-4V حوالي 50% من جميع السبائك المستخدمة في تطبيقات الطائرات.

ونظراً لمقاومته العالية للتآكل في مياه البحر، يُستخدم التيتانيوم في صناعة أعمدة المراوح والتجهيزات وفي المبادلات الحرارية لمحطات تحلية المياه، وفي السخانات والمبردات لأحواض الأسماك في المياه المالحة، وفي خيوط الصيد والقائد، وفي سكاكين الغواصين. ويستخدم التيتانيوم في تصنيع العلب والمكونات الأخرى لأجهزة المراقبة والرصد المنتشرة في المحيطات للاستخدام العلمي والعسكري. وقد طوّر الاتحاد السوفييتي السابق تقنيات لصنع الغواصات من التيتانيوم إلى حدٍّ كبير.

صناعي
تُستخدم أنابيب التيتانيوم الملحومة ومعدات المعالجة (المبادلات الحرارية والخزانات وأوعية المعالجة والصمامات) في الصناعات الكيميائية والبتروكيماوية في المقام الأول لمقاومة التآكل. تُستخدم سبائك محددة في تطبيقات قاع البئر والنيكل في مجال التعدين المائي بسبب قوة التيتانيوم بيتا C العالية أو مقاومة التآكل أو مزيج من الاثنين معاً. وتستخدم صناعة اللب والورق التيتانيوم في معدات المعالجة المعرّضة لوسائط التآكل مثل هيبوكلوريت الصوديوم أو غاز الكلور الرطب (في التبييض). وتشمل التطبيقات الأخرى ما يلي: بالموجات فوق الصوتية اللحام واللحام الموجي واللحام الموجي وأهداف الاخرق.
يعد رابع كلوريد التيتانيوم (TiCl4)، وهو سائل عديم اللون، مهمًا كوسيط في عملية صنع TiO2 ويستخدم أيضًا لإنتاج محفز زيجلر-ناتا، ويستخدم في معالجة الزجاج بالأكسدة، ولأنه يتصاعد منه أبخرة قوية في الهواء الرطب، فإنه يستخدم أيضًا في صنع سواتر الدخان.

مستهلك ومعماري
يُستخدم معدن التيتانيوم في تطبيقات السيارات، وخاصةً في سباقات السيارات أو الدراجات النارية، حيث يكون تقليل الوزن أمرًا بالغ الأهمية مع الحفاظ على قوة وصلابة عالية. عادةً ما يكون المعدن باهظ الثمن بشكل عام بحيث لا يمكن تسويقه في السوق الاستهلاكية العامة، باستثناء المنتجات الراقية، خاصةً في سوق السباقات/الأداء. تتوفر سيارات كورفيت من الطرازات المتأخرة بعوادم من التيتانيوم.
يُستخدم التيتانيوم في العديد من السلع الرياضية: مضارب التنس، ومضارب الغولف، وأعمدة عصا اللاكروس، وشبكات خوذات الكريكيت والهوكي واللاكيت واللاكيت وكرة القدم، وإطارات ومكونات الدراجات الهوائية. وعلى الرغم من أنها ليست مادة رئيسية لإنتاج الدراجات الهوائية، إلا أن فرق السباق وراكبي الدراجات الهوائية المغامرين يستخدمون دراجات التيتانيوم. كما تُستخدم سبائك التيتانيوم أيضاً في إطارات النظارات، مما ينتج عنه إطار باهظ الثمن إلى حدٍ ما، ولكنه متين للغاية ويدوم طويلاً وخفيف الوزن ولا يسبب حساسية للجلد. ويستخدم العديد من الرحالة معدات التيتانيوم، بما في ذلك أواني الطهي وأواني الطعام والفوانيس وأوتاد الخيام، وعلى الرغم من أنها أغلى قليلاً من بدائل الفولاذ أو الألومنيوم التقليدية، إلا أن منتجات التيتانيوم هذه يمكن أن تكون أخف وزناً بشكل كبير دون المساس بالقوة. كما يُفضّل استخدام التيتانيوم أيضاً من قِبل البيطارين لأنه أخف وزناً وأكثر متانة من الفولاذ عند تشكيله في شكل حدوات الأحصنة.
وبسبب متانته، أصبح التيتانيوم أكثر شيوعاً في صناعة مجوهرات المصممين (خاصةً خواتم التيتانيوم)، كما أن خموله يجعله خياراً جيداً لمن يعانون من الحساسية أو أولئك الذين سيرتدون المجوهرات في بيئات مثل أحواض السباحة. كما أنّ متانة التيتانيوم وخفة وزنه ومقاومته للتآكل والانبعاج تجعله مفيداً في إنتاج علب الساعات.[64] ويعمل بعض الفنانين على استخدام التيتانيوم لإنتاج أعمال فنية مثل المنحوتات والتحف الزخرفية والأثاث.
وقد استُخدم التيتانيوم في بعض الأحيان في التطبيقات المعمارية: فالنصب التذكاري ليوري غاغارين، أول رجل يسافر إلى الفضاء، في موسكو، بطول 40 متراً (120 قدماً) مصنوع من التيتانيوم بسبب لونه الجذاب وارتباطه بالصواريخ. كان متحف غوغنهايم في بلباو ومكتبة سيريتوس الألفية أول مبنيين في أوروبا وأمريكا الشمالية على التوالي يتم تغليفهما بألواح التيتانيوم.وتشمل الاستخدامات الإنشائية الأخرى لتغليف التيتانيوم مبنى فريدريك سي هاميلتون في دنفر، كولورادو والنصب التذكاري لغزاة الفضاء في موسكو بطول 107 أمتار (350 قدم).
نظراً لقوته الفائقة وخفة وزنه مقارنةً بالمعادن الأخرى المستخدمة تقليدياً في الأسلحة النارية (الفولاذ والفولاذ المقاوم للصدأ والألمنيوم)، ونظراً للتقدم في تقنيات تصنيع المعادن، أصبح استخدام التيتانيوم أكثر انتشاراً في صناعة الأسلحة النارية. تشمل الاستخدامات الأساسية إطارات المسدسات وأسطوانات المسدسات. ولهذه الأسباب نفسها، يُستخدم التيتانيوم أيضاً في هيكل الحواسيب المحمولة (على سبيل المثال، في خط إنتاج PowerBook من Apple).
بعض الفئات الراقية من الأدوات المصممة لتكون خفيفة الوزن ومقاومة للتآكل، مثل المجارف والمصابيح اليدوية، مصنوعة من التيتانيوم أو سبائك التيتانيوم أيضاً.

الطب الباطني
غرسات تقويم العظام
تم ترميم كسر في تجويف العين عن طريق تثبيت العظام المكسورة بصفائح ومسامير صغيرة من التيتانيوم، ولأنه متوافق حيوياً (غير سام ولا يرفضه الجسم)، يُستخدم التيتانيوم في سلسلة من التطبيقات الطبية بما في ذلك الأدوات الجراحية والزرع، مثل كرات الورك والمقابس (استبدال المفاصل) التي يمكن أن تبقى في مكانها لمدة تصل إلى 20 عاماً، وغالباً ما يتم خلط التيتانيوم مع حوالي 4% من الألومنيوم أو 6% من الألومنيوم و4% من الفاناديوم.
يتميّز التيتانيوم بخاصية متأصلة في الاندماج العظمي، مما يتيح استخدامه في غرسات الأسنان التي يمكن أن تبقى في مكانها لأكثر من 30 عاماً. وتُعد هذه الخاصية مفيدة أيضاً في تطبيقات غرسات تقويم العظام، حيث تستفيد هذه التطبيقات من معامل مرونة التيتانيوم المنخفض (معامل يونغ) لتتناسب بشكل أكبر مع معامل مرونة العظام التي تهدف هذه الأجهزة إلى إصلاحها. ونتيجة لذلك، يتم تقاسم أحمال الهيكل العظمي بشكل متساوٍ بين العظام والغرسات بشكل أكبر، مما يؤدي إلى انخفاض معدل تدهور العظام بسبب الحماية من الإجهاد وكسور العظام حول العظم الاصطناعي التي تحدث عند حدود غرسات تقويم العظام. ومع ذلك، لا تزال صلابة سبائك التيتانيوم أكثر من ضعف صلابة العظام، لذا فإن العظام المجاورة تتحمل حملاً أقل بكثير وقد تتدهور. بما أن التيتانيوم غير مغناطيسي غير مغناطيسي، يمكن فحص المرضى الذين لديهم غرسات تيتانيوم بأمان باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي (مناسب للغرسات طويلة الأمد). ينطوي تحضير التيتانيوم للزراعة في الجسم على تعريضه لقوس بلازما عالي الحرارة يزيل ذرات السطح مما يعرض التيتانيوم الطازج للأكسدة على الفور.
الثقب
إن خموله وقابليته للتلوين الجذاب يجعله معدن شائع الاستخدام في ثقب الجسم.قد يتم تأكسد التيتانيوم لإنتاج ألوان مختلفة، مما يغير من سماكة طبقة الأكسيد السطحية ويسبب تداخلات متداخلة. كما يُستخدم التيتانيوم أيضاً في الأدوات الجراحية المستخدمة في الجراحة الموجهة بالصور، وكذلك الكراسي المتحركة والعكازات وأي منتجات أخرى حيث تكون القوة العالية والوزن المنخفض مرغوباً فيها.
الاحتياطات
يحتوي نبات القراص على ما يصل إلى 80 جزءًا في المليون من التيتانيوم.التيتانيوم غير سام حتى في الجرعات الكبيرة ولا يلعب أي دور طبيعي داخل جسم الإنسان. يبتلع الإنسان ما يقدر بـ 0.8 ملليغرام من التيتانيوم كل يوم، ولكن معظمه يمر دون أن يتم امتصاصه.[29] ومع ذلك، فإن له ميل للتراكم الحيوي في الأنسجة التي تحتوي على السيليكا. قد تستخدم آلية غير معروفة في النباتات التيتانيوم لتحفيز إنتاج الكربوهيدرات وتشجيع النمو. وهذا قد يفسر سبب احتواء معظم النباتات على حوالي جزء واحد في المليون من التيتانيوم، بينما تحتوي النباتات الغذائية على حوالي 2 جزء في المليون، ويحتوي ذيل الحصان ونبات القراص على ما يصل إلى 80 جزء في المليون.
يشكّل معدن التيتانيوم كمسحوق أو في شكل نشارة معدنية خطر حريق كبير، وعند تسخينه في الهواء، يشكل خطر انفجار. إن الطرق القائمة على الماء وثاني أكسيد الكربون لإطفاء الحرائق غير فعالة على التيتانيوم المحترق؛ يجب استخدام عوامل مكافحة الحرائق بالمساحيق الجافة من الفئة D بدلاً من ذلك.
عند استخدام التيتانيوم في إنتاج أو مناولة الكلور، يجب توخي الحذر عند استخدامه في إنتاج أو مناولة الكلور، يجب توخي الحذر لاستخدام التيتانيوم فقط في المواقع التي لن يتعرض فيها لغاز الكلور الجاف الذي يمكن أن يؤدي إلى حريق التيتانيوم/الكلور. ويوجد خطر نشوب حريق حتى عند استخدام التيتانيوم في الكلور الرطب بسبب احتمال حدوث جفاف غير متوقع بسبب الظروف الجوية القاسية.
يمكن أن يشتعل التيتانيوم عندما يتلامس سطح جديد غير مؤكسد مع الأكسجين السائل. يمكن أن تظهر مثل هذه الأسطح عندما يصطدم السطح المؤكسد بجسم صلب، أو عندما يتسبب إجهاد ميكانيكي في ظهور تشقق. وهذا يشكل القيد المحتمل لاستخدامه في أنظمة الأكسجين السائل، مثل تلك الموجودة في صناعة الطيران.