Titanyum

Titanyum
Titanyum makalesinin açıklayıcı görüntüsü
Van-Arkel-de-Boer işlemiyle elde edilen titanyum çubuk .
Skandiyum ← Titanyum → Vanadyum
-
  Kompakt altıgen kristal yapı
 
22
Ti
 
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
   
                                           
Ti
Zr
Tam masaGenişletilmiş masa
Pozisyon periyodik tablodaki
Sembol Ti
Soyadı Titanyum
Atomik numara 22
Grup 4
Dönem 4 inci dönem
Engellemek blok d
eleman ailesi Geçiş metali
Elektronik konfigürasyon [ Ar ] 3 gün 2 4 saniye 2
Enerji seviyesine göre elektronlar 2, 8, 10, 2
Elementin atomik özellikleri
atom kütlesi 47.867  ± 0.001  u
Atom yarıçapı (hesap) 140  pm ( 176  pm )
kovalent yarıçap 160  ± 8  pm
Paslanma durumu 4
Elektronegatiflik ( Pauling ) 1.54
Oksit amfoterik
iyonlaşma enerjileri
1 yeniden  : 6.82812  eV 2 e  : 13.5755  eV
3 E  : 27.4917  eV 4 e  : 43.2672  eV
5 e  : 99.30  eV 6 e  : 119.53  eV
7 e  : 140.8  eV 8 e  : 170,4  eV
9 e  : 192.1  eV 10 e  : 215,92  eV
11 e  : 265.07  eV 12 e  : 291,500  eV
13 e  : 787.84  eV 14 e  : 863.1  eV
15 e  : 941.9  eV 16 inci  : 1.044  eV
17 e  : 1131  eV 18 inci  : 1.221  eV
19 inci  : 1.346  eV 20 e  : 1425.4  eV
21 e  : 6,249.0  eV 22 nd  : 6,625.82  eV
En kararlı izotoplar
izo YIL Dönem doktor Ed PD
MeV
44 Ti {syn.} 63  yaşında ε 0.268 44 x
46 Ti  % 8.0 24 nötron ile kararlı
47 Ti  % 7,3 25 nötron ile kararlı
48 Ti 73.8  % 26 nötron ile kararlı
49 Ti  % 5.5 27 nötron ile kararlı
50 Ti  % 5,4 28 nötron ile kararlı
Basit vücut fiziksel özellikleri
Olağan durum Sağlam
Allotrop içinde standart devlet Α titanyum ( kompakt altıgen )
Diğer allotroplar Titanyum β ( merkezlenmiş kübik )
hacimsel kütle 4,51  gr · cm -3
kristal sistemi altıgen kompakt
Sertlik 6
Renk Gümüş beyazı
füzyon noktası 1668  ° C
Kaynama noktası 3287  °C
füzyon enerjisi 15,45  kJ · mol -1
buharlaşma enerjisi 421  kJ · mol -1
molar hacim 10.64 × 10 -6  m 3 · mol -1
Buhar basıncı 0.49  Pa de 1,659.85  ° C
ses hızı 5990  m · s -1 ila 20  ° C
kütle ısısı 520  J · kg -1 · K -1

denklem:
Katının (faz α) J · mol -1 · K -1 cinsinden ısı kapasitesi ve Kelvin cinsinden sıcaklık, 298 ila 700 K.
Hesaplanan değerler: 25 ° C'de
25.24 J · mol -1 · K -1 .

T
(K)
T
(° C)
C p
C p
298 24.85 25.23 0.5272
324.8 51.65 25.75 0,538
338.2 65.05 25.98 0.5428
351.6 78.45 26.19 0,5472
365 91.85 26.39 0.5514
378.4 105.25 26.58 0.5553
391.8 118.65 26.76 0.559
405.2 132.05 26.92 0.5625
418.6 145.45 27.08 0.5658
432 158.85 27.23 0.5689
445.4 172.25 27.37 0.5718
458.8 185.65 27.51 0.5746
472.2 199.05 27.63 0.5773
485,6 212.45 27.75 0.5798
499 225.85 27.87 0.5822
T
(K)
T
(° C)
C p
C p
299.68 26.53 25.27 0.5279
299.58 26.43 25.27 0.5279
299.49 26.34 25.27 0.5278
552.6 279.45 28.28 0,5909
566 292,85 28.38 0.5928
579.4 306.25 28.47 0,5947
592.8 319.65 28.55 0,5965
606.2 333.05 28.63 0,5982
619.6 346,45 28.71 0,5998
633 359.85 28.79 0.6014
646.4 373.25 28.86 0.603
659.8 386.65 28.93 0.6045
673.2 400.05 29 0.6059
686.6 413.45 29.07 0.6073
700 426,85 29.14 0.6087


denklem:
Katının (α fazı) J mol -1 K -1 cinsinden ısı kapasitesi ve Kelvin cinsinden sıcaklık, 700 ila 1700 K arasındadır.
Hesaplanan değerler:

T
(K)
T
(° C)
C p
C p
700 426,85 29.13 0.6087
766.67 493,52 29.29 0.6119
800 526.85 29.47 0.6157
833.33 560.18 29.73 0.6211
866.67 593.52 30.06 0.6279
900 626.85 30.45 0.3662
933,33 660.18 30.92 0.646
966.67 693.52 31.46 0.6573
1000 726.85 32.07 0.6701
1.033.33 760.18 32.76 0.6843
1.066.67 793.52 33.51 0.7001
1100 826.85 34.33 0.7173
1.133.33 860.18 35.23 0.736
1.166.67 893.52 36.2 0.7562
1.200 926.85 37.23 0.7778
T
(K)
T
(° C)
C p
C p
704.17 431.02 29.14 0.6087
703.92 430.77 29.14 0.6087
703.7 430.55 29.14 0.6087
1333.33 1.060.18 42.09 0.8794
1.366.67 1.093.52 43.48 0.9084
1.400 1.126.85 44.95 0.939
1.433.33 1160.18 46.48 0.9711
1466.67 1 193,52 48.09 1.0046
1500 1 226.85 49.76 1.0396
1.533.33 1260.18 51.51 1.0761
1.566.67 1 293,52 53.33 1.1141
1.600 1.326.85 55.22 1.1536
1,633,33 1360.18 57.18 1.1946
1 666.67 1393.52 59.21 1.237
1.700 1426.85 61.31 1.2809


denklem:
Katının (β fazı) J · mol -1 · K -1 cinsinden ısı kapasitesi ve Kelvin cinsinden sıcaklık, 298 ila 1 939 K.
Hesaplanan değerler: 25 ° C'de
23.94 J · mol -1 · K -1 .

T
(K)
T
(° C)
C p
C p
298 24.85 23.94 0.5001
407.4 134.25 24.74 0,5169
462.1 188.95 25.07 0.5238
516.8 243.65 25.38 0.5303
571.5 298.35 25.68 0.5365
626.2 353.05 25.97 0.5426
680.9 407,75 26.26 0.5487
735,6 462.45 26.56 0.5548
790.3 517.15 26.86 0.5611
845 571,85 27.16 0.5675
899,7 626.55 27.48 0.5741
954.4 681.25 27.81 0.581
1.009.1 735,95 28.16 0.5882
1063.8 790.65 28.52 0.5957
1118.5 845.35 28.89 0.6036
T
(K)
T
(° C)
C p
C p
304.84 31.69 24 0.5013
304.44 31.29 23.99 0.5013
304.08 30.93 23.99 0.5012
1337.3 1064.15 30.61 0.6396
1.392 1118.85 31.1 0.6498
1446.7 1.173.55 31.62 0.6607
1501.4 1228.25 32.17 0.6721
1,556,1 1.282.95 32.75 0.6842
1610.8 1337.65 33.36 0.697
1,665,5 1392.35 34.01 0.7105
1720.2 1.447.05 34.69 0.7247
1774.9 1501.75 35.41 0.7397
1.829.6 1.556.45 36.17 0.7556
1.884,3 1.611.15 36.97 0.7723
1.939 1.665.85 37.81 0.7898


47.23694  J · mol -1 · K -1 (sıvı 1939  -  3 630.956  ° C )

denklem:
Gazın J mol -1 K -1 cinsinden ısı kapasitesi ve Kelvin cinsinden sıcaklık, 3.630.956 ile 6.000 K arasında.
Hesaplanan değerler:

T
(K)
T
(° C)
C p
C p
3,630.956 3 357,81 34.21 0.7148
3 788.89 3.515.74 35.09 0.7331
3.867.86 3594.71 35.52 0.7421
3 946.83 3.673.68 35.94 0.7508
4.025.8 3 752.65 36.35 0.7595
4,104,76 3.831.61 36.76 0.7679
4,183,73 3 910.58 37.15 0.7762
4 262.7 3.989,55 37.54 0.7842
4 341.67 4068.52 37.92 0.7921
4.420.64 4,147,49 38.28 0.7997
4.499.61 4 226.46 38.64 0.8072
4,578,57 4.305.42 38.98 0.8144
4.657.54 4 384.39 39.32 0,8214
4.736.51 4.463,36 39.64 0,8281
4 815,48 4.542.33 39,95 0,8346
T
(K)
T
(° C)
C p
C p
3.640.83 3 367,68 34.27 0.7159
3640.25 3367.1 34.27 0.7158
3 639.73 3 366.58 34.26 0.7158
5 131.35 4 858.2 41.07 0.8579
5,210,32 4.937.17 41.31 0.8631
5 289.29 5.016.14 41.54 0.8679
5 368,25 5.095,1 41.76 0.8724
5 447.22 5 174.07 41.96 0.8767
5.526.19 5 253.04 42.15 0.8806
5.605,16 5 332.01 42.32 0,8842
5.684.13 5.410.98 42.48 0.8875
5 763.1 5.489.95 42.62 0,8904
5.842.06 5568.91 42.75 0.893
5,921.03 5 647,88 42.85 0,8953
6000 5.726.85 42.94 0,8972
Elektiriksel iletkenlik 2.34 x 10 6  S · m -1
Termal iletkenlik 21,9  W · m -1 · K -1
çözünürlük zemin. içerisinde HCI (yavaş, ile katalize Pt (IV) iyonları )

H 2 SO 4 seyreltilmiş (+1 ila 2 damla HNO 3 ) genleşme katsayısı = 8,5 × 10−6 K−

Çeşitli
N O  CAS 7440-32-6
K O  AKA 100.028.311
N O  EC 231-142-3
Önlemler
SGH
SGH02: Yanıcı
Tehlike H250 , P222 , P231 ve P422 H250  : Hava ile temasında kendiliğinden alev alır
P222  : Hava ile temasına izin vermeyin.
P231  : Soy gaz altında tutun .
P422  : İçeriği şurada saklayın ...
Aksi belirtilmedikçe SI ve STP birimleri .

Titanyum olan kimyasal element arasında atom numarası 22, Ti sembolü. Titanyum varyantı , 1872'den beri Fransızca olarak onaylanmış olmasına rağmen, yanlış bir Anglisizm olarak kabul edilir .

Titanyum , zirkonyum (Zr), hafniyum (Hf) ve rutherfordyum (Rf) ile periyodik tablonun ( titanyum grubu ) 4. grubuna aittir , bir geçiş metalidir . Bu element birçok mineralde bulunur, ancak ana kaynakları rutil ve anatazdır .

Saf titanyum gövdesi a, ışık, güçlü bir metal korozyona dayanıklı bir metalik beyaz bir görünüme sahip. Esas olarak hafif ve güçlü alaşımlarda kullanılır ve oksidi beyaz pigment olarak kullanılır . Titanyumun endüstriyel açıdan ilginç özellikleri, genellikle erozyona ve yangına karşı direnç, biyouyumluluk ile ilişkilendirilen korozyona karşı direnci, ayrıca özellikle ince ve hafif parçaların şekillendirilmesini mümkün kılan mekanik özellikleridir (kuvvet, süneklik , yorulma vb.) spor makaleleri, aynı zamanda ortopedik protezler gibi .

Öykü

Titanyum , bir İngiliz mineralog ve din adamı olan Rahip William Gregor tarafından 1791'de keşfedildi . Cornwall'daki Menachan Vadisi'ndeki Helford Nehri'nden gelen kumları analiz ederek , bugün Ilmenite olarak bilinen kara kum dediği şeyi izole etti . Birkaç fizikokimyasal manipülasyonun ardından (manyetik işlemlerle demir ekstraksiyonu ve tortunun hidroklorik asit ile işlenmesi), bilinmeyen bir metalden saf olmayan bir oksit üretti. Bu oksite menachanite adını verdi . Bu keşiften bağımsız olarak, 1795'te Berlin Üniversitesi'nde analitik kimya profesörü olan Martin Heinrich Klaproth aynı metali tanımladı. Artık rutil olarak bilinen kırmızı şörlitin özelliklerini analiz ederken , cevherin Gregor'unkiyle aynı bilinmeyen bir metal içerdiği sonucuna vardı. Fizikokimyasal özelliklerini tamamen göz ardı ederek , Titanlara göre Yunan mitolojisinden alınan mevcut "Titanyum" adını verdi . 1825'te onu izole eden Berzelius'tu.

Troy'daki (New York) Rensselaer Politeknik Enstitüsü'nde araştırmacı olan Amerikalı Matthew Albert Hunter'ın 1910'da %99 saf titanyum üretebildiğini Gregor'un keşfinden bir asırdan fazla bir süre sonra değildi. Hunter tarafından elde edilen ilk titanyumu en ufak bir endüstriyel gelişme takip etmedi.

1939'da endüstriyel üretim süreci nihayet Lüksemburglu bir metalürjist ve kimyager olan ve Niagara Şelaleleri'ndeki (New York) Union Carbide Research Laboratory'de danışman olan Wilhelm Justin Kroll tarafından TiCl 4'ün magnezyum ile indirgenmesiyle geliştirildi .

Fiziksel özellikler

Temel fiziksel özellikler

Titanyumun dikkat çekici fiziksel özellikleri:

kristalografik özellikler

Saf titanyum, 882  °C civarında martensitikten allotropik dönüşümün merkezidir . Bu sıcaklığın altında yapı altıgen sözde kompakttır ( a = 0.295  nm , c = 0.468  nm , c / a = 1.587) ve α Ti ( uzay grubu n o  194 P6 3 / mmc) olarak adlandırılır. Bu sıcaklığın üzerinde yapı merkezlenmiş kübiktir ( a = 0.332  nm ) ve Ti β olarak adlandırılır. α → β geçiş sıcaklığına transus β denir. Tam dönüşüm sıcaklığı, büyük ölçüde ikame ve ara reklam öğelerinden etkilenir. Bu nedenle, metalin saflığına büyük ölçüde bağlıdır.

Titanyum doğada 5 izotop halinde bulunur: 46 Ti, 47 Ti, 48 Ti, 49 Ti, 50 Ti. 48 Ti temsil izotop % 73.8 doğal bir bolluk ile çoğunluğu. 21 radyoizotop gözlemlendi, en kararlı 44 Ti'nin yarı ömrü 63 yıldır.

oksitler

Titanyum, birçok geçiş metali gibi çeşitli oksidasyon durumlarında bulunabilir. Bu nedenle, bu oksidasyon derecelerine karşılık gelen birkaç okside sahiptir:

Mekanik özellikler

Erozyon

Çok yapışkan ve sert oksit tabakası, sıvılarda süspansiyon halindeki partiküllerin etkisine maruz kalan titanyum parçaların uzun ömürlü olmasını açıklar. Bu etki, bu katmanın yenilenme yeteneği ile güçlendirilir. Deniz suyundaki erozyon, daha yüksek akış veya daha küçük tane boyutu ile artar.

Mukavemet ve süneklik

Titanyum, normal sıcaklık koşulları altında yüksek mekanik mukavemete ve iyi sünekliğe sahip bir metal olarak kabul edilir . Özgül direnci (çekme mukavemeti/yoğunluk oranı), örneğin alüminyum veya çelikten daha yüksektir. -25  °C ile 400  °C arasında bir çıkıntı ile sıcaklıkla direnci azalır . Aşağıda -50  ° C , sirojenik sıcaklık aralıklarında, gücü artar ve sünekliği büyük ölçüde azalır.

Aşınma ve nöbet

Bugüne kadar tatmin edici bir çözüm henüz geliştirilmemiştir. Esas olarak oksidasyon, nitrürleme , borlama ve karbonlama denedik . Üretim ve yapıştırma konusunda birçok teknolojik zorlukla karşılaşıyoruz. Titanyumun yüzey işlemlerini, yüzeyin doğasını veya yapısını değiştirerek, ancak büyük bir dikkatle ve etkilerinin kapsamlı bir incelemesinden sonra kullanılması gerektiğini ekleyelim; genellikle direnç ve yorgunluk üzerinde az çok belirgin bir zararlı etkiye sahiptirler.

biyouyumluluk

Titanyum, altın ve platin ile birlikte biyolojik olarak en uyumlu metallerden biridir , yani vücut sıvılarına tamamen dayanıklıdır.

Buna ek olarak, yüksek bir mekanik mukavemet ve var çok düşük elastiklik modülü ( 100,000  MPa için 110,000  MPa yakın kemik yapılarının ( 'dekine) 20,000  MPa , paslanmaz çelik (daha az) 220,000  MPa ). Kemiği çalışmaya zorlayarak (stres kalkanı veya peri-implant osteoporozun önlenmesi) kemiğin yeniden şekillenmesini destekleyen bu elastikiyet, titanyumu özellikle ilginç bir biyo-materyal yapar. Bununla birlikte, aşırı esnekliğin, kabul edilemez deformasyona uğrayacak olan biyo-malzemenin işlevini de tehlikeye atabileceği belirtilmelidir.

Yangına dayanıklılık

Ateşe, özellikle hidrokarbonlara karşı direnci çok iyidir. 2 mm kalınlığındaki bir tüpün , 600  °C sıcaklıkta hidrokarbon ateşine maruz bırakılırken hasar görmeden, deformasyon veya patlama riski olmadan on atmosferlik bir basınca dayanabileceği kanıtlanmıştır  . Bu öncelikle, hidrojenin malzemeye nüfuz etmesini önleyen oksit tabakasının direncinden kaynaklanmaktadır. Ayrıca titanyumun düşük ısıl iletkenliği, iç parçaları sıcaklık artışından daha uzun süre korur.

Kimyasal özellikler

Klasik titanyum korozyonu

Titanyum son derece oksitlenebilir bir metaldir. Standart elektrokimyasal potansiyeller serisinde, magnezyum ve çinko arasında alüminyumun yakınına yerleştirilir. Bu nedenle asil bir metal değildir , termodinamik kararlılık alanı, aslında suyun termodinamik kararlılık alanı ile ortak herhangi bir parça sunmaz ve ikincisinin oldukça altında bulunur. Titanyum korozyon direnci nedenlerinden biri esas olarak TiO oluşan bir mikrometre birkaç fraksiyon, bir pasifleştirme koruyucu tabakanın gelişmedir 2 oksit., ancak diğer çeşitleri de içerebileceği kabul edilmektedir. Bu katman ayrılmaz ve çok yapışıktır. Yüzey çizilirse, oksit, hava veya su varlığında kendiliğinden yeniden oluşur. Bu nedenle titanyumun hava , su ve deniz suyunda değişmezliği vardır.Ayrıca , bu katman geniş bir pH , potansiyel ve sıcaklık aralığında stabildir .

Çok indirgeyici koşullar veya çok oksitleyici ortamlar veya flor iyonlarının (karmaşık madde) varlığı bu oksit tabakasının koruyucu karakterini azaltır; mikrografları almak için saldırı reaktifleri çoğunlukla hidroflorik asit bazlıdır. Bu asitle reaksiyon sırasında titanyum katyonu (II) ve (III) oluşur. Asidik çözeltilerin reaktivitesi yine de oksitleyici ajanların ve/veya ağır metal iyonlarının eklenmesiyle azaltılabilir. Kromik veya nitrik asit ve demir, nikel, bakır veya krom tuzları bu durumda mükemmel engelleyici ajanlardır. Bu, titanyumun neden endüstriyel işlemlerde ve geleneksel malzemelerin korozyona uğrayacağı ortamlarda kullanılabileceğini açıklıyor.

Titanyumun anodik aktivitesini azaltan ilave elementler ekleyerek elektrokimyasal dengeleri değiştirmek elbette mümkündür; bu gelişmiş korozyon direncine yol açar. Değişikliklerin isteklerine göre, belirli unsurlar eklenir. Bazı klasik adjuvanların kapsamlı olmayan bir listesi aşağıda verilmiştir:

Bu üç yöntem birleştirilebilir.

Titanyumun spesifik korozyonu

Titanyum, çatlak korozyonu veya oyuk korozyonu gibi belirli korozyon modlarına karşı çok hassas değildir. Bu fenomenler, yalnızca genel korozyon direnci için pratik bir sınıra yakın bir alanda kullanıldığında gözlemlenir. Gerilme korozyonu riskleri aşağıdaki koşullar altında ortaya çıkar:

İki allotropik yapı, bu ikinci tip korozyona karşı direnç açısından farklılık gösterir; titanyum α buna çok duyarlıyken, β zor.

titanyumun saflaştırılması

Van-Arkel-de-Boer süreci

Bu işlem , uçucu iyodidin tersine çevrilebilir oluşumu ve metalin bir tungsten filaman üzerinde piroliz yoluyla biriktirilmesiyle titanyum veya zirkonyumun izole edilmesine hizmet eder .

Kroll süreci

Bu işlem titanyum oksidin magnezyum ile titanyuma indirgenmesini mümkün kılar . İlk adım, titanyum dioksit üzerinde bir karboklorinasyon gerçekleştirmeyi içerir . Ürün , tümü reaksiyona göre bir akışkan yatak üzerinde, yaklaşık 800  °C'de oksit üzerindeki klor gazının etkisiyle elde edilir :

TiO 2 (s) + 2 C (s) + 2 Cl 2 (g) → TiCl 4 (g) + 2 CO (g)

Titanyum tetraklorür , kaynama sıcaklığı, 136  ° C , yoğunlaşma ile elde dökülmüş, fraksiyonel damıtma yoluyla filtre edilir ve saflaştırılır. Ortaya çıkan indirgeme işlemi daha sonra bu gaz halindeki tetraklorürün reaksiyona göre sıvı magnezyum ile reaksiyona sokulmasından oluşur:

TiCl 4 (g) + 2 Mg (l) → 2MgCl2 (l) + Ti (s)

Reaksiyon, vakum altında veya inert gaz (argon) altında gerçekleştirilir. Magnezyum klorür ile ayrılır dekantasyon ile, bir ikinci aşamada, daha sonra, vakum damıtma yaklaşık 900  bulundunuz  950  ° C ya da ile asitli yıkama . Elde edilen titanyum süngeri andıran gözenekli bir katıdır , bu nedenle titanyum sünger adını alır.

1945'te endüstriyel operasyonunun başlamasından bu yana, Kroll prosesi fiziko-kimyasal prensibinde kayda değer bir değişiklik geçirmedi, ancak performansı iyileştirildi.

Yüksek saflıkta titanyum üretimi

Sünger elde edildikten sonra titanyum talaşı elde etmek için öğütülür. Bu yığın daha sonra bir karıştırıcıda ya nötr gaz altında ya da şiddetli emiş altında homojenleştirilir , böylece ince titanyum parçacıklarının (yaklaşık yüz mikrometrelik parçacıklar) herhangi bir tutuşması engellenir, bu da zayıflamaya ve çözünmeyen titanyum oksinitrür oluşumuna yol açabilir . sıvı banyosu . Homojen yığın daha sonra, kompakt olarak adlandırılan yoğun bir silindir şeklinde soğuk sıkıştırıldığı bir presin kalıbına verilir. Kompaktın nispi yoğunluğu daha sonra, bu kompaktları kademeli olarak istifleyerek ve plazma veya elektron ışını ile birbirine kaynak yaparak bir elektrot oluşturmak amacıyla herhangi bir işleme izin verir . Böylece bir birincil elektrot üretilir.

% 99.9 saf titanyum külçe son olarak farklı erime teknikleri ile elde edilebilir:

  1. Sarf malzemesi elektrotu veya VAR ( Vakum Ark Azaltma  (en) ): titanyum elektrotlar bir vakum arkında yeniden eritilerek kaynaştırılır. Bu , elektrotun alt kısmı ile su soğutmalı bakırdaki titanyum pota arasında düşük voltaj ve yüksek yoğunluk (30 ila 40 V  ; 20 000 ila 40 000  A ) arasında bir elektrik arkı oluşmasına neden olur  . Elektrotun altı ısınır ve sıcaklığı likidusun üzerine çıkar; metal damlacıklar daha sonra külçenin derisi adı verilen metal bir kılıf içinde bulunan bir sıvı kuyusuna düşer. Böylece külçe, istenen saflığa göre birkaç kez yeniden eritilir. Her yeniden akışta külçelerin çapı artar; ikincisi genellikle 1 ila 10 ton arasında ağırlığa ve 0,5 ila 1 metre çapa sahiptir.
  2. Elektron ışını veya EB ( Elektron Işını ) ile soğuk odak eritme
  3. plazma ışını veya PAM (Plazma Ark Eritme) ile soğuk odak füzyonu
  4. indüksiyon eritme veya ISM (İndüksiyon Kafatası Eritme).

Saf bir titanyum külçe üretmek için, erimiş malzeme ya sadece sünger ya da bir sünger ve titanyum atığı (hurda) ya da sadece titanyum atığı karışımı olabilir. Titanyum alaşımlı külçeler , eritildikten sonra istenen alaşımı elde etmek için vanadyum ve alüminyum gibi katkı elementlerinin titanyum malzeme ile karıştırılmasıyla elde edilir. En yaygın kullanılan alaşım Ti'dir.Al 6 V 4. Tek başına dünyadaki titanyum alaşımlarının kullanımının yarısından fazlasını oluşturur.

Kullanılan ergitme tekniklerine ve elde edilen ürünlerin homojenliği açısından ihtiyaçlara bağlı olarak, üretim döngüsü aynı külçenin art arda iki, hatta üç ergitilmesini içerebilir.

Külçeler genellikle sıcak dövme ve işleme ile slab , blum veya kütük şeklinde yarı bitmiş ürünler elde etmek için dönüştürülür . Daha sonra haddeleme , dövme , ekstrüzyon , talaşlı imalat vb . dönüşümlerin çeşitli aşamaları ile bitmiş ürünler (levhalar, bobinler, çubuklar, levhalar, kablolar vb.) elde edilir . Dökümhane parçaları genellikle doğrudan değişken oranda hurda eklenen eritme külçesinden yapılır.

Bileşikler

Metalik titanyum fiyatı nedeniyle oldukça nadir olmasına rağmen, titanyum dioksit ucuzdur ve boyalar ve plastikler için beyaz pigment olarak yaygın olarak kullanılır . TiO 2 tozu kimyasal olarak inerttir, güneş ışığına karşı dayanıklıdır ve çok opaktır. Saf titanyum dioksit yer alır çok yüksek kırılma endeksi (2.70 λ = 590  nm ) ve daha yüksek optik bir dispersiyon daha elmas .

Önlemler, toksikoloji

Bölünmüş metalik formda titanyum çok yanıcıdır, ancak titanyum tuzları genellikle güvenli olarak kabul edilir. TiCl 4 ve TiCl 3 gibi klorlu bileşikler aşındırıcıdır. Titanyum, silikon içeren canlı dokuda birikebilir , ancak bilinen bir biyolojik rolü yoktur.

Oluşum ve üretim

Titanyum göktaşlarında , Güneş'te ve yıldızlarda bulunur, çizgileri M tipi yıldızlar için iyi işaretlenmiştir . Dan geri getirdi kayalar Ay tarafından Apollo 17 misyonu 12.1% TiO oluşmaktadır 2 . Ayrıca bulunan kömür , bitkiler ve hatta insan vücudunda.

On Dünya'da , titanyum nadir madde değildir. Yerkabuğunda en bol bulunan dokuzuncu elementtir ve en bol bulunan beşinci metaldir, ortalama içeriği% 0,63'tür, Sadece aşağıdaki elementlerin azalan sırayla daha fazla atomu vardır: oksijen , silikon , alüminyum , demir , hidrojen , kalsiyum , sodyum , magnezyum ve potasyum .

Çoğu mineral, kaya ve toprak az miktarda titanyum içerir. En az %1 titanyum içeren 87 mineral veya kaya vardır . Öte yandan, cevherleri titanyum bakımından zengin sayısında çok az, yani anastaz (TiO 2 ), brokit (TiO 2 ), ilmenit (FeTiO 3 ) ve demir eksikliğine bağlı olarak değişiklikler: lökoksen , perovskitli (katyo 3 ), rutil (TiO 2 ), sfen veya titanit (CaTiO (SiO 4 )) ve titanomanyetit (Fe (Ti) Fe 2 O 4 ).

Dünyadaki titanyumun çoğu anataz veya titanomagnetit formunda bulunur, ancak bunlar mevcut teknolojilerle uygun maliyetli bir şekilde çıkarılamaz. Sadece ilmenit, lökoksen ve rutil, işlenebilme kolaylığı göz önüne alındığında ekonomik olarak ilgi çekicidir.

Titanyum yatakları Madagaskar ve Avustralya , İskandinavya , Kuzey Amerika , Malezya , Rusya , Çin , Güney Afrika ve Hindistan'da bulunur .

Henüz teknolojik ve ekonomik olarak işletilemez olan toplam dünya rezervinin 2 milyar ton olduğu tahmin edilmektedir. 2005 yılında kullanılabilir ve teknolojik olarak ekstrakte edilebilir TiO 2 yüzdesi olarak hesaplanan kanıtlanmış rutil ve ilmenit rezervlerinin 600 milyon ton olduğu tahmin edilmektedir.

Kaynak: ABD Jeolojik Araştırması ,ocak 2005

2003 yılında titanyum oksitin ana üreticileri, binlerce ton titanyum dioksit cinsinden 2003 rakamları :

Ülke binlerce ton % Toplam
Avustralya 1291.0 30.6
Güney Afrika 850.0 20.1
Kanada 767 18.2
Norveç 382.9 9.1
Ukrayna 357 8.5
Toplam 5 ülke 3647.9 86.4
toplam dünya 4 221.0 100.0

Ekonomik meseleler

Yüksek saflıkta titanyum üreticilerinin sayısı çok sınırlıdır ve iç talebin yüksek olduğu bölgelerde yoğunlaşmaktadır. Gerçekten de havacılık , enerji ve askeri sektörler için stratejik bir malzeme olan titanyum , sanayileşmiş ülkelerin hükümetleri kendi üretim sanayilerini örgütlediler. Çin ve Hindistan'da çok yıllı savunma sanayii geliştirme planlarının bir parçası olarak yakın zamanda ortaya çıkan üretim bu analizi doğrulamaktadır. Bu endüstrinin öncelikli olarak stratejik iç ihtiyaçları karşılamaya yönelik olması, gerçek üretim kapasiteleri hakkındaki bilgilerin belirsizliğini kısmen açıklamaktadır.

Liberal dünyada sanayinin gelişmesi, Batılı üreticilerin eski SSCB ülkelerinden üreticiler gelene kadar arzlarını artırmalarını sağladı. Biz piyasa fiyat düzeyi, 1990'dan önce, esas olarak Batı ülkelerinde (üretim maliyetlerine dayandığını düşünebiliriz Birleşik Devletleri , Batı Avrupa, Japonya ) ve bu çıkan tedarikçilerin ürün uzmanlık ile konumlandırma. Bazılarına lobicilik . Rus, Ukraynalı ve uzun vadede Çinli üreticilerin pazarına giriş, titanyum pazarının evriminde yeni aşamalara işaret ediyor .

Bu nedenle, şu anda Amerika Birleşik Devletleri ve Japonya'nın hakim olduğu pazarda pay kazanmak için fiyatlar üzerinde baskı var. Bu baskı, üretim maliyetlerinin mümkün kıldığı fiyatlardaki düşüşle karakterize edilir. Ve rekabet oyunu yoluyla, teklifin çeşitlendirilmesi, ürün uzmanlığına göre konumlandırmayı kırmaya yardımcı olabilir.

kullanır

Genel yönler

Titanyumun yaklaşık %95'i hem ev boyalarında hem de sanatçı pigmentlerinde, plastiklerde, kağıtlarda, ilaçlarda kullanılan önemli bir pigment olan titanyum dioksit TiO 2 ( anataz ) formunda kullanılmaktadır. zaman. Titanyum bazlı boyalar çok iyi kızılötesi yansıtıcılardır ve bu nedenle gökbilimciler tarafından yaygın olarak kullanılmaktadır .

Bir zamanlar satın alma değeri nedeniyle pahalı olarak kabul edilen metalik titanyum, işletme maliyetlerinde giderek daha ekonomik olarak görülmektedir. Kârlılığı için başarının anahtarı, benzersiz özelliklerini ve karakteristiklerini başka bir metalle değiştirmek yerine, tasarım aşamasından itibaren maksimum düzeyde kullanmakta yatmaktadır. Açık deniz petrol sahalarında titanyum sondaj boruları kurma ve çalıştırma maliyetleri, çelik kıyaslama ile karşılaştırıldığında iki kata kadar daha düşüktür. Gerçekten de, korozyon direnci bir yandan boruları kaplama işlemlerini ortadan kaldırır ve çelikten üç ila beş kat daha uzun ömür sağlarken, diğer yandan özel direncinin yüksek değeri ince ve ultra üretimine izin verir. hafif tüpler. Bu fotoğraf örneği, başlangıçta havacılık alanında kullanılan titanyumun giderek daha fazla kullanım alanına dokunduğunu istendiği gibi göstermektedir.

Havacılık ve uzay endüstrileri

Havacılık ve uzay alanları titanyumun tarihi uygulamalarının ilkini oluşturmaktadır. Bu sektörde kendine has özelliklerinden tam olarak yararlanıyoruz.

Günümüzde titanyum, uçakların kütlesinin %6 ila 9'unu oluşturmaktadır . İlk önce dövme şeklinde bulunurlar. Dökümlere gelince, detaylı parçalara (havacılık) uygun seramik kalıpları, çelik kalıplardan veya 3D baskılı parçalardan kayıp mum işlemi ile elde edilir. Sıkıştırılmış kum kalıpları büyük parçalar için uygundur (pompalar, tabancalar, nükleer sanayi ...) Döküm, vakum altında yerçekimi veya daha iyisi santrifüjleme ile yapılır. Titanyum tozundan başlayan direkt 3D baskı işlemleri vardır. Ayrıca somun ve cıvata haline getirilirler. Motor bileşenlerini, yani orta sıcaklıklardaki düşük ve yüksek basınç aşamalarını unutmayın: kompresör diskleri, kompresör kanatları, yapısal gövdeler, Fan kasası, Fan kanatları, tekerlek frenleme elemanlarının 'tork boruları', vb; maksimum çalışma sıcaklığı 600  °C ile sınırlıdır .

Titanyum sıcak oluşturulabilir (sıcaklık < 800  °C ). Süperplastisite özellikleri (şekillendirme sıcaklığı 920  °C ) çok karmaşık şekillerin elde edilmesini sağlar. Ayrıca karbon kompozitlerin varlığında yapısal bir eleman olarak kullanılır.

Uzamsal olarak, bu malzeme elemanları için kullanılan Vulkan motor arasında Ariane 5 karışımı ile temas H 2 / O 2 ve onun yanma; Radyal rotor Bu şekilde bir tarafta (ilgili çok düşük sıcaklık derecelerine maruz sıvı H 2 sıcaklığı ) ve diğer taraftan yanma kişilerce. Aynı zamanda , iyi kriyojenik özellikleri ve itici gaz korozyonuna karşı direnci sayesinde uydular için bir itici gaz deposu görevi görür . Son olarak, manyetizmaya zayıf bir şekilde maruz kalan bir metal olduğu için uzay istasyonlarına bir alet şeklinde yüklenir. Ağırlıksız olarak, elektrik ve elektronik ekipmanların yakınında, ark ve elektromanyetik bozulma riski olmadan hareket edenler bile.

Buna ek olarak, artık yüzgeçleri yapmak için kullanılır ve SpaceX en Falcon 9 yeniden rampası , yüksek ısı direnci e bakım olmadan birçok kez yayınlanmasına olanak sağlar.

Kimyasal endüstri

Kimya sektörü , geniş anlamıyla titanyumun bulunduğu ikinci faaliyet sektörüdür.

Bu nedenle, korozyona ve aşınmaya karşı direncinin uzun ömürlere izin verdiği birçok kondansatörde titanyum tüpler buluyoruz.

Ayrıca rafinerilerde reaktör biçiminde (H direnç kullanılan 2 S ve CO 2 ) ve kağıt hamuru ağartma (direnç için Cl ).

İn Japan , aynı zamanda, çünkü korozyona, hem de biyolojik maddelere onun iyi direnç su tedavisinde kullanılır.

askeri sanayi

Bu şekilde kullanılan zırh kaplama mekanik özellikleri ve aşınma ve yangın direnci vurgulanmaktadır (gemi, araç, uçaklarının kokpitleri). In ABD'de , hatta şimdiye kadar kimin titanyum gövde benzersiz özel dirence sahiptir ve tarafından taşınmasını kolaylaştıran hafif araçlar, tasarım olarak gitmiş helikopter .

Ancak kullanımların en dikkat çekici olanı, elbette, tüm gövdesi titanyum olan Alfa sınıfı gibi Ruslar tarafından birkaç nükleer denizaltının gerçekleştirilmesidir . Bu durumda titanyumun avantajı iki yönlüdür:

Bu nedenle titanyum, barış zamanlarında olduğu gibi savaş zamanlarında da sekiz temel stratejik hammaddeden biri olarak kabul edilir.

Bu kabukların en büyük dezavantajı, titanyumun yanı sıra kaynak yapmanın zorluğu nedeniyle fiyatlarıdır.

biyomedikal sektörü

Şu anda tıp alanında elli yıllık küçük bir kullanıma ilişkin bir geri bildirime sahiptir (ilk titanyum diş implantları 1964 yılında P Dr. Per-Ingvar Brånemark tarafından yerleştirilmiştir ). Biyouyumlu karakteri nedeniyle kullanımı gelişmiştir. Aslında kemik titanyuma kendiliğinden yapışır, bu da onu protez yapımında tercih edilen bir malzeme yapar. Bu biyouyumlu yönüne ek olarak titanyum mekano-uyumludur. Bununla birlikte, cerrahi ve osteosenteze olan gerçek ilgisi gösterilmeyi beklemektedir.

Titanyum ayrıca alanında önemli bir atılım yapmıştır diş hekimliği bu protez desteklerin için kemikte bir implant yanı sıra dilde "kopingler" ya da "kare" olarak adlandırılan protez altyapıların yapmak için görevi görür. Diş teknisyeni ve diş hekimi . NiTi ayrıca endodontide devitalizasyon için diş kanallarının enstrümantasyonu için kullanılan küçük süper elastik eğeler formunda ve ortodontide kullanılır; burada şekil hafızası ve elastikiyet özellikleri, dişin konumunu düzeltmeye izin veren kemerlerin imalatında tercih edilen bir malzemedir. dişler.

Su soğutmalı içi boş matkaplar gibi ameliyat için titanyum aletlerin görünümüne dikkat etmeliyiz. Çelikten farklı olarak, vücutta kalabilecek herhangi bir titanyum alet kalıntısı , biyouyumluluğu nedeniyle ameliyat sonrası enfeksiyona neden olmaz .

Son olarak, titan bileşimine giren süper-iletken bobinleri arasında MR cihazları birbirleri ile ilişkili olarak geçiş metali  : niyobyum .

Enerji endüstrisi

Titanyum ayrıca, özellikle Amerika Birleşik Devletleri'nde, son derece pahalı olan ünitelerin devre dışı kalma sayısını en aza indirmek için nükleer reaktörlerin ikincil devrelerinde de kullanılmaktadır. Yine korozyona ve erozyona karşı direnci nedeniyle jeotermal enerjide borular ve muhafazalar şeklinde ve ısı eşanjörlerinde (düz veya U-şekilli borular) kullanımına da dikkat edilmelidir . Son olarak yüksek özgül mekanik mukavemeti sayesinde buhar üreten türbinlerde kanat şeklinde; bu durumda, bıçak kırılması nedeniyle santral durmaları büyük ölçüde azalır.

otomobil endüstrisi

Yeni bir uygulama alanı ise otomotiv yapımı gibi görünüyor. Binek otomobillerde titanyum parçaları tanıtan başlıca Alman, Japon ve Amerikan markalarıdır. Aranan, hem motor dumanını hem de gürültüyü azaltmaya yönelik yapıların aydınlatılması; böylece titanyumdan valfler, yaylar ve bağlantı çubukları buluyoruz .

Yayların durumda titanyum özelliklerin iyi bir kullanım için tipiktir: onun kadar Young modülü , iki kat daha düşük olan çelik , sarım sayısının yarısı gereklidir; çeliğin yoğunluğunun yarısı olduğu için yay dört kat daha hafiftir ve onu süspansiyona sığdırmak için yarısı kadar yer kaplar. Buna tuzluluk oranı yüksek yollarda bile neredeyse sınırsız bir ömre sahip olduğunu eklersek, otomotiv endüstrisinin ilgisini anlıyoruz.

Optik

Titanyum, ayarlanabilir lazerler ( titanyum safir lazer tipi ) için amplifikasyon ortamını yapmak için bir katkı maddesi olarak kullanılır . Bir için titanyum ilgi ayarlanabilir lazer bir olmasıdır geçiş metali , bir elektrostatik küçük filtrelenmiş 3d tabaka ile, hangi açar titanyum katkılı çok geniş bir kazanç eğrisi, ve frekansta bu nedenle büyük tirmesi ile optik amplifikatöre safir.

Tamamen farklı bir optik alanında, titanyum 1981'den beri iyi bir direnç, esneklik ve hafiflik kombinasyonu sunduğu ve biyolojik olarak çok uyumlu olduğu gözlük çerçeveleri üretmek için kullanılmaktadır.

Titanyumun sporda kullanımı

Bisiklette , karbona eşit hafif ve çelik kadar güçlü, yüksek kaliteli çerçeveler oluşturmak için kullanılır .

Serbest stil scooter alanında, daha hafif ve özellikle darbelere dayanıklı parçalar (özellikle gidonlar) oluşturmak için kullanılır.

Dağcılıkta karabina yapımında kullanılır , kriyojenik sıcaklıklarda özellikleri için faydalıdır.

Diğer kullanımlar

Simgesel

Titanyum ise 11 inci  ilerlemesinde seviyesi hamlacı spor.

Titanyum giysisi karşılık 72 nci evlilik yıldönümü .

Ticaret

Fransız gümrüklerine göre, 2014 yılında Fransa net titanyum ithalatçısıydı. Ton başına ortalama ithalat fiyatı 4.700 € idi.

Notlar ve referanslar

Notlar

  1. Özellikle Rus, Fransız ve Amerikan montaj platformlarında ve gezegenler arası uzayda başlatılan Rus teknolojilerinin bazı Japon endüstrileri tarafından tahmin edilmesi ve benimsenmesiyle gerçekleştirilen deneylere göre.
  2. Germanyum ile (gelişmiş elektronik); magnezyum (patlayıcılar); platin (havacılık için altın kadar iletken kontaklar, hızlı kontaklı devreler); cıva (nükleer kimya, ölçü aletleri); molibden (çelik); kobalt (nükleer kimya); kolombiyum (son derece nadir özel alaşımlar). ( Christine Ockrent , Kont dö Marenches , Dans le gizli des prensler , Ed. Stok, 1986, s.  193. )

Referanslar

  1. (tr) David R. Lide, Kimya ve Fizik CRC Handbook , CRC Press Inc,2009, 90 inci  baskı. , 2804  s. , Ciltli ( ISBN  978-1-420-09084-0 )
  2. (in) Beatriz Cordero Verónica Gomez Ana E. Platero-Prats, Marc Rêves Jorge Echeverria Eduard Cremades, Flavia Santiago Barragan Alvarez , "  kovalent revisited yarıçapları  " , Dalton İşlemler ,2008, s.  2832 - 2838 ( DOI  10.1039 / b801115j )
  3. (tr) "Titanium" , NIST / WebBook'ta , erişim tarihi 28 Haziran 2010
  4. (içinde) Thomas R. Dulski, Metallerin kimyasal analizi için bir el kitabı , cilt.  25, ASTM Uluslararası,1996, 251  s. ( ISBN  0803120664 , çevrimiçi okuyun ) , s.  711
  5. Kimyasal Özetler veritabanı SciFinder Web üzerinden sorgulandı 15 Aralık 2009 (arama sonuçları )
  6. SIGMA-ALDRICH
  7. Émile Littré , Fransız dili sözlüğü ,1872( çevrimiçi okuyun ).
  8. Merck Index , 13 inci  baskı, 9547 .
  9. "  Kemiğin mekanik özellikleri üzerine kurs  " , kemik üzerine (erişim tarihi 17 Ağustos 2009 )
  10. Nathalie Mayer , "  TA6V  " üzerine Futura (erişilen 2021 6 Nisan )
  11. "  SFC.fr'de titanyum oksit açıklaması  " , TiO2 üzerinde ( 29 Temmuz 2009'da erişildi )
  12. Emsley J., Nature'ın yapı taşları: elementler için A'dan Z'ye rehber , Oxford University Press ,2001
  13. Dünyanın Durumu 2005, küresel jeopolitik ekonomik rehber
  14. Amerika Birleşik Devletleri Jeolojik Araştırması , "  USGS Minerals Bilgileri: Titanyum  "
  15. Stratejik Okyanus Kuvvetleri eski komutanı Amiral Thierry d'Arbonneau'nun denizaltı bileşeninin hisseleri
  16. Kimura Kinzoku Şirket Tarihi (Japonca)
  17. Anotlama ile titanyum renklendirme örneği
  18. "  İthalat/ihracat ticaret göstergesi  " , Gümrükler Genel Müdürlüğü'nde. NC8 = 26140000 belirtin ( 7 Ağustos 2015'te erişildi )

Şuna da bakın:

bibliyografya

Genel ansiklopediler
  • Seraphin (L.), Titanyum Ansiklopedisi Universalis, Corpus 22 4 th  edition, Paris (Fransa): Ansiklopedisi ÜNİVERSALİS, 1995, s.  695-697 .
  • An, Titane , Auger (P.) (ed.), Grmek (MD) (ed.), International Encyclopedia of Sciences and Techniques, cilt 10, Paris (Fransa): Presses de la cité, 1973, s.  511-515 .
özel kitaplar
  • Belov (AF) (ed.), Williams (JC) (ed.), Titanium and Titanium Alloys –Scientific and Technological Aspect , 3 cilt, New-York (Amerika Birleşik Devletleri): Plenum Press Publishing Corporation, 1982, 2457 s.
  • Brunette, Tengvall, Textor, Thomsen, "Titanium in Medicine", Berlin (Deutschland), Springer, 2001, 1019 s.
  • Leyens (C.) & Peters (M.), Titanium and Titanium Alloys , Chichester (İngiltere): John Wiley & Son Inc., 2002, 599 s.
  • Lütjering (G.) & Williams (JC), Titanium , Berlin (Almanya): Springer, 2003, 687 s.
Makaleler ve çalışmalar

İlgili Makaleler

Dış bağlantılar


  1 2                               3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
1  H     Hey
2  Li olmak   B VS OLUMSUZLUK Ö F Doğmak
3  Yok Mg   Al Evet P S Cl Ar
4  K o   sc Ti V cr Mn Fe ortak Veya Cu çinko ga Ge As Gör Br Kr
5  Rb Bay   Y Zr not ay Tc Ru Rh PD Ag CD İçinde Sn Sb Sen ben Xe
6  C'ler Ba   NS Bu Halkla İlişkiler Nd Öğleden sonra Sm NS gd yemek dy Ho Er Tm yb Okumak hf Senin W NS Kemik ir nokta NS Hg TL Pb Bi po NS Rn
7  Cum Ra   AC NS baba sen np NS NS Santimetre bk bkz. Dır-dir FM md Numara lr Rf db Çavuş bh hs dağ Ds Rg Müşteri Nh fl Mc Sv. Ts og
8  119 120 *    
  * 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142  


  Alkali   Metaller
  alkali  
toprak
  Lantanitler  
geçiş   metalleri  
  Zayıf   metaller
  metal-  
loidler
Olmayan
  metaller  
halo
  genleri  
  soy   gazlar
  Sınıflandırılmamış   öğeler
aktinitler
    süperaktinitler