Titanyum

Tarih

Titanyum, 1791'de Cornwall, İngiltere'de amatör jeolog ve papaz olan William Gregor tarafından bir mineralde keşfedildi. O Manaccan(en) bölgesi yakınlarındaki akarsuda siyah kumlar buldu ve kumların mıknatısla etkilendiğine dikkat etti böylece ilmenitin içinde yeni bir elementin varolduğunu düşündü. Kumun analizi iki metal oksidin varolduğunu gösterdi, biri demir oksit (ki bu mıknatıstan etkilenmeyi açıklıyor) ve %45.25 oranında Gregor'ın tanımlayamadığı beyaz bir metal oksit. Gregor, tanımlayamadığı oksitin bilinen hiçbir elementin özelliklerine uymadığını fark etti ve bulgularını Royal Geological Society of Cornwall'de ve Alman bilim dergisi Crell's Annalen 'de bildirdi.
Aynı zaman zarfında Franz Joseph Muller de tanımlayamadığı benzer bir maddeyi üretti. Bunlardan bağımsız olarak Alman kimyager Martin Heinrich Klaproth 1795'te Macaristan'da bir rutilde oksidi yeniden keşfetti. Klaproth oksidin yeni bir element içerdiğini buldu ve elemente titanyum ismini verdi. Gregor'ın daha önceki keşfini duyduğunda bir miktar manaccanite örneği elde etti ve bunun titanyum içerdiğini doğruladı.
Titanyumun cevherlerinden çıkarmak zahmetli ve pahalı bir süreç gerektirir. Titanyumu karbonun varlığında normal biçimde ısıtarak ayırmak mümkün değildir, çünkü bu işlemin sonucu titanyum karbittir. Saf metalik titanyum (99.9%) ilk olarak Matthew A. Hunter tarafından 1910'da Hunter işleminde TiCl₄ ile sodyumun 700–800 °C'de ısıtılmasıyla hazırlandı.
Titanyum metali William Justin Kroll'un Kroll işleminde titanyum tetraklorid ile magnezyumu eritip metalin ticari anlamda kullanılabilir olduğunu kanıtladığı 1946'ya kadar laboratuvar dışında kullanılmadı. Daha verimli ve daha ucuz işlemler konusunda çalışmalar (örneğin; FFC Cambridge (en)) devam etse de ticari üretim için  halen Kroll işlemi kullanılmaktadır.
1925'te Anton Eduard van Arkel ve Jan Hendrik de Boer iyodür veya kristal çubuk işlemini keşfettiklerinde az miktarda çok yüksek saflıktaki titanyum elde edildi.
1950'lerde ve 1960'larda Sovyetler Birliği titanyumun askeri ve denizaltı uygulamalarında kullanımının öncüsü oldu (Alfa sınıfı ve Mike Class). Sovyetlerin bu uygulamaları Soğuk Savaş ile ilgili programlarının bir parçasıydı. 
1950'lere girilirken titanyum, F-100 Super Sabre ve Lockheed A-12 gibi uçaklarda kullanılmasıyla özellikle yüksek performanslı jetlerde olmak üzere askeri havacılıkta geniş bir şekilde kullanılmaya başlandı. ABD'de Savunma Bakanlığı metalin stratejik öneminin farkına vardığında ilk ticarileştirme çabalarını destekledi.Soğuk Savaş dönemi boyunca ABD hükümeti titanyumu Stratejik Materyal olarak düşündü ve büyük bir titanyum süngeri stoğunu Defense National Stockpile Center'da sakladı. Bu stok nihayet 2005'te tüketildi. 
Bugün dünyanın en büyük titanyum üreticisi dünya pazar payının %29'unu elinde bulunduran Rusya kökenli VSMPO-Avisma'dır.

Fiziksel

Metalik bir ak element olan titanyum sahip olduğu yüksek dayanıklılık-ağırlık oranı ile bilinir. Düşük yoğunluklu hafif ve güçlü bir metaldir. Saf haliyle tamamen esnektir (özellikle oksijensiz ortamda).  Parlak, metalik beyaz renklidir. Göreli olarak yüksek erime noktası ((1,649 °C or 3,000 °F'nin üstünde)) ile dayanıklı metallerden olması açısından kullanışlıdır.
Ticari sınıf (%99.2 saf) titanyum yaklaşık 63,000 psi (434 MPa) tensil (gerilme) gücüne sahiptir. Bu birçok çelik alaşımın tensil gücüne eşittir ancak titanyum %45 oranında daha hafiftir. Titanyum alüminyumdan %60 oranında daha ağır olmasına rağmen en yaygın olarak kullanılan aluminyum alaşımı 6061-T6'dan iki kat daha güçlüdür. Belli titanyum alaşımlarının (örneğin Beta C) tensil gücü 200,000 psi'ın (1380 MPa) üzerine kadar çıkabilir. Yine de 430 °C'nin (800 °F) üzerinde ısıtıldığında titanyum dayanıklılığını yitirmeye başlar.
Titanyum (ısı işlemi uygulanmış bazı cins çelikler kadar olmasa da) oldukça sert, antimanyetik ve zayıf bir ısı iletkenidir.  Çelikte olduğu gibi titanyum yapılarında yaşam süresini garanti eden bir yorulma sınırı vardır.
Metal dimorfik allotroptur. Kristal yapısı 882 °C'de (1,619 °F) cisim merkezli kübik beta formdan hegzagonal alfa forma değişir. Alfa formunun özgül ısısı titanyum geçiş sıcaklığına ulaşıncaya kadar çarpıcı bir şekilde yükselir sonra tekrar düşer ve sabit kalır, beta form için ise sıcaklıktan bağımsızdır.
Zirkonyum ve hafniyuma benzer şekilde, ekstra bir omega fazı vardır, bu faz yüksek basınçlarda termodinamiksel olarak kararlıdır ancak normal basınçta yarı kararlı olabilir.

Kimyasal

Titanyumun en ünlü kimyasal özelliği korozyona karşı gösterdiği müthiş direncidir. Neredeyse platin kadar dirençli olan element asitler, klor gazı ve yaygın tuz çözeltilerinin maruziyetine karşı koyabilecek yeterliliktedir. Saf titanyum su içerisinde çözünmez ancak yoğun asit içinde çözünebilir.
Pourbaix diagramı titanyumun termodinamik olarak çok reaktif bir metal olduğunu gösterir. Titanyumun su ve hava tepkimesi yavaştır.
Bu metal havada yükseltilmiş sıcaklıklarda pasif ve (korozyon direncini artıran) koruyucu bir tabaka oluşturur, ancak oda sıcaklığında kararmaya karşı dirençlidir. İlk oluşumda bu tabaka sadece 1–2 nm kalınlığındadır, ancak kalınlık zamanla yavaşça artmaya devam eder (dört yıl içinde 25 nm'lik bir kalınlığa ulaşır).
Titanyum havada 610 °C (1,130 °F) ve daha yüksek sıcaklıklarda titanyum dioksit oluşturarak yanar. Titanyum ayrıca saf azot içinde yanan birkaç elementten biridir (800 °C veya 1,472 °F sıcaklığında yanarak titanyum nitrit oluşturur). Titanyum klor gazı, klorid solüsyonları ve organik asitlerin çoğu ile birlikte, seyreltik sülfürik ve hidroklorik aside karşı dirençlidir. Element paramanyetiktir (mıknatısla zayıf etkileşim gösterir) ve elektriksel ve ısıl iletkenliği düşüktür.
Deneyler doğal titanyum döteron ile bombardıman edildiğinde radyoaktif hale geldiğini gösterdi. Bu durumda titanyum pozitronlar ve şiddetli gama ışınları yayımlar. Kızarmış bir metal olduğunda oksijenle ve sıcaklığı 550 °C'ye (1,022 °F) ulaştığında klor ile bileşik oluşturur. Titanyum ayrıca diğer halojenlerle de reaksiyona girer ve hidrojen

Üretim

Titanyumun işlenmesi dört büyük aşamadan oluşur: titanyum cevherinin gözenekli bir form olan süngere redüksiyonu; süngerin veya sünger ve bir sertleştirme alaşımının bir külçe oluşturmak için eritilmesi; külçenin ham metal kütük, çubuk, levha, şerit ve boru gibi genel fabrika ürünlerine dönüştürüldüğü birinci fabrikasyon; ve fabrika ürünlerinden elde edilen son mamullerin ikici fabrikasyonu.
Metal yüksek sıcaklıklarda oksijen ile reaksiyon verdiği için kendi dioksidinin redüksiyonu ile üretilemez.
Bu yüzden titanyum metali ticari olarak, karmaşık ve pahalı bir yığın işleme metodu olan Kroll süreci ile üretilir. (Titanyumun göreli olarak yüksek piyasa değeri esas olarak metalin bir diğer pahalı metal olan magnezyumun feda edildiği işlem süreciyle bağlantılıdır.) Kroll sürecinde ilk olarak oksit klorlama yöntemi ile klorüre dönüştürülür. Bu sayede klor gazı, karbonun varlığında TiCl₄ oluşması için akkor rutil veya ilmenite geçiş yapar. 
En son geliştirilen bir metot olan FFC Cambridge işlemi(en) Kroll işleminin yerini alabilir. Bu metot toz ya da sünger olan son ürünün yapımında hammadde olarak rutilin arıtılmış formu olan titanyum dioksit tozunu kullanır.