Titanyum

Titanyum, sembolü Ti, atom numarası 22 olan kimyasal elementtir. Doğada bulunan oksit formu indirgenerek gümüş renkli, düşük yoğunluklu ve yüksek mukavemetli, deniz suyu, kral suyu ve klorda korozyona dayanıklı parlak bir geçiş metali elde edilebilir.
Titanyum 1791'de William Gregor tarafından İngiltere'nin Cornwall şehrinde keşfedildi. Yunan mitolojisindeki Titanlardan ilhamla Martin Heinrich Klaproth tarafından adı verildi. Element, yerkabuğunda ve litosferde yaygın olarak dağılmış olan, başta rutil ve ilmenit olmak üzere bir dizi mineral içinde bulunur; hemen hemen tüm canlılarda, ayrıca su kütleleri, kaya ve toprakta bulunur. Metal, ana mineral cevherlerinden Kroll ve Hunter işlemleriyle çıkarılır. En yaygın bileşik olan titanyum dioksit, popüler bir fotokatalizördür ve beyaz pigmentlerin üretiminde kullanılır. Diğer bileşikler arasında duman perdelerinin ve katalizörlerin bir bileşeni olan titanyum tetraklorür (TiCl4); ve polipropilen üretiminde katalizör olarak kullanılan titanyum triklorür (TiCl3) bulunuyor.
Titanyum, diğer elementlerin yanı sıra demir, alüminyum, vanadyum ve molibden ile havacılık (jet motorları, füzeler ve uzay araçları), askeri, endüstriyel işlemler (kimyasallar ve petrokimya, tuzdan arındırma tesisleri, kağıt hamuru), otomotiv, tarım, tıbbi protezler, ortopedik implantlar, diş ve endodontik aletler ve eğeler, diş implantları, spor malzemeleri, mücevherat, cep telefonları ve diğer uygulamalarda kullanılır.
Metalin en kullanışlı iki özelliği, herhangi bir metalik elementin en yükseği olan korozyon direnci ve mukavemet-yoğunluk oranıdır. Alaşımsız durumda, titanyum bazı çelikler kadar güçlü, ancak daha az yoğundur. Bu elementin iki allotropik formu ve doğal olarak oluşan 46Ti ila 50Ti arasında beş izotopu vardır, en bol olanı 48Ti'dir (%73,8).
Özellikler
Fiziki özellikleri
Bir metal olarak titanyum, yüksek mukavemet-ağırlık oranıyla tanınmaktadır. Oldukça sünek (özellikle oksijensiz bir ortamda), parlak, metalik beyaz renkli, düşük yoğunluklu güçlü bir metaldir. Nispeten yüksek erime noktası (1.668 C veya 3.034 F) onu ateşe dayanıklı bir metal olarak kullanışlı hale getirir. Paramanyetiktir ve diğer metallere kıyasla oldukça düşük elektrik ve termal iletkenliğe sahiptir. Titanyum, kritik sıcaklığı olan 0,49' Kelvin altına soğutulduğunda süper iletkendir.
Ticari olarak saf (% 99,2 saflıkta) titanyum, yaklaşık 434' MPa nihai gerilme direncine sahiptir(63.000 psi ). Bu yaygın, düşük dereceli çelik alaşımlarınınkine eşittir, ancak daha az yoğundur. Titanyum, alüminyumdan %60 daha yoğun, ancak en sık kullanılan 6061-T6 alüminyum alaşımından iki kat daha güçlüdür. Bazı titanyum alaşımları (ör. Beta C) 1.400' MPa üzerinde gerilme mukavemetine ulaşır. (200.000 psi). Bununla birlikte, titanyum üzerinde ısıtıldığında mukavemetini kaybeder.
Titanyum, bazı ısıl işlem görmüş çelikler kadar sert değildir, ısı ve elektrik iletkenliği zayıftır ve manyetik değildir. Keskin aletler ve uygun soğutma yöntemleri kullanılmadığı takdirde malzeme parçalanabilir. Çelik yapılarda olduğu gibi, titanyumdan yapılanların da uzun ömürlülükle ilgili bir yorulma sınırı vardır.
Metal, 'de vücut merkezli bir kübik (kafes) β formuna dönüşen altıgen bir α formunun dimorfik bir allotropudur. α formunun özgül ısısı, bu geçiş sıcaklığına kadar ısıtıldığında önemli ölçüde artar, ancak sonra düşer ve sıcaklıktan bağımsız olarak β formu için oldukça sabit kalır.
Kimyasal özellikler
Alüminyum ve magnezyum gibi, titanyum ve alaşımlarının yüzeyi havaya maruz kaldığında oksitlenerek metali ileri oksidasyon veya korozyondan koruyan ince, gözeneksiz bir pasivasyon tabakası oluşturur. Bu koruyucu tabaka ilk oluştuğunda sadece 1-2 nm kalınlığındadır, ancak yavaş yavaş büyümeye devam eder ve dört yıl içinde 25 nm kalınlığa ulaşır. Bu katman, titanyuma neredeyse platine eşdeğer, korozyona karşı mükemmel bir direnç sağlar.
Titanyum, seyreltik sülfürik ve hidroklorik asitler, klor ve çoğu organik asidin saldırılarına dayanabilir. Bununla birlikte konsantre asitler tarafından aşındırılır. Negatif redoks potansiyeli ile gösterildiği gibi titanyum, normal havada erime noktasından daha düşük sıcaklıklarda yanan çok reaktif bir metaldir. Erime sadece inert bir atmosfer veya vakumda mümkündür. de klor ile birleşir. Ayrıca diğer halojenlerle reaksiyona girer ve hidrojeni emer.
Titanyum havada oksijenle reaksiyona girer, 'de saf oksijenle titanyum dioksit oluşturur. Titanyum, saf nitrojen gazıyla de reaksiyona girerek gevrekleşmeye neden olan titanyum nitrür oluşturur. (N ile tepkimeye giren birkaç elementten biridir) Oksijen, nitrojen ve diğer birçok gazla yüksek reaktivitesi nedeniyle, filamentlerden buharlaştırılan titanyum, titanyumun bu gazlara kimyasal olarak bağlanarak bu gazlar için bir temizleyici görevi gördüğü titanyum süblimasyon pompalarının temelidir. Bu tür pompalar ultra yüksek vakum sistemlerinde ucuz bir şekilde son derece düşük basınçlar üretir.
Varlığı
Titanyum, yer kabuğunda en çok bulunan dokuzuncu element (kütlece %0,63) ve en bol bulunan yedinci metaldir. Magmatik kayaçların çoğunda, tortularda, canlılar ve doğal su kütlelerinde oksitler halinde bulunur. Amerika Birleşik Devletleri Jeoloji Araştırması tarafından analiz edilen 801 magmatik kayaç türünden 784'ü titanyum içeriyordu. Topraktaki oran yaklaşık %0,51,5'tir.
Titanyum içeren yaygın mineraller anataz, brokit, ilmenit, perovskit, rutil ve titanittir. Akaogiit, titanyum dioksitten oluşan son derece nadir bir mineraldir. Minerallerden sadece zor bulunan rutil ve ilmenit ekonomik öneme sahiptir. Bu minerallerin sırasıyla yaklaşık 6,0 ve 0,7 milyon tonu 2011'de çıkarıldı. Avustralya, Kanada, Çin, Hindistan, Mozambik, Yeni Zelanda, Norveç, Sierra Leone, Güney Afrika ve Ukrayna'da önemli miktarda titanyum içeren ilmenit yatakları bulunmaktadır. 2020 yılında, çoğunlukla Çin (110.000 ton), Japonya (50.000 ton), Rusya (33.000 ton) ve Kazakistan'da (15.000 ton) olmak üzere yaklaşık 210.000 ton titanyum metal sünger üretildi. Toplam anataz, ilmenit ve rutil rezervlerinin 2 milyar tonu aştığı tahmin edilmektedir.
Titanyum konsantrasyonu okyanusta yaklaşık 4 pikomolardır. 100'C de, sudaki titanyum konsantrasyonunun pH 7'de 10−7 M'den az olduğu tahmin edilmektedir. Sulu çözeltideki titanyum türlerinin kimliği, düşük çözünürlüğü ve hassas spektroskopik yöntemlerin olmaması nedeniyle bilinmemekte, ancak havada yalnızca 4+ oksidasyon durumu kararlıdır. Nadir organizmaların yüksek konsantrasyonlarda titanyum biriktirdiği bilinmesine rağmen, biyolojik bir rol için hiçbir kanıt yoktur.
Titanyum göktaşlarında bulunur ve Güneş'te ve yüzey sıcaklığına sahip M-tipi yıldızlarda (en soğuk tip) tespit edilmiştir. Apollo 17 görevi sırasında Ay'dan getirilen kayaların %12,1'i TiO2 ten oluşuyordu. Saf metalik formu çok nadirdir.
İzotopları
Doğal olarak oluşan titanyum beş kararlı izotoptan oluşur: 46Ti, 47Ti, 48Ti, 49Ti ve 50Ti, en bol bulunanı 48Ti'dir (doğal varlığın %73,8 i). En az 21 radyoizotop karakterize edilmiştir, bunların en kararlısı 63 yıllık yarı ömre sahip <sup id="mwAWg">44</sup>Ti'dir ; 45Ti, 184.8 dakika; 51Ti, 5.76 dakika; ve 52Ti, 1.7 dakika. Diğer tüm radyoaktif izotopların yarı ömürleri 33 saniyeden, çoğunluğu yarım saniyeden azdır.
Titanyum izotoplarının atom ağırlığı 39.002 u ( 39Ti) ila 63.999 u ( 64Ti) arasındadır. 46Ti'den daha hafif izotoplar için birincil bozunma modu, skandiyum izotoplarına yol açan pozitron emisyonudur (elektron yakalamaya uğrayan 44Ti hariç), ve 50Ti'den daha ağır izotoplar için birincil mod, beta emisyonudur.
Titanyum, döteronlarla bombardıman edildiğinde radyoaktif hale gelir ve esas olarak pozitron ve sert gama ışınları yayar.
Bileşikleri
+4 oksidasyon durumu titanyum kimyasına hakimdir, ancak +3 oksidasyon durumundaki bileşikler de çoktur. Genel olarak titanyum, komplekslerinde oktahedral bir koordinasyon geometrisi benimser, ancak tetrahedral TiCl4 dikkate değer bir istisnadır. Yüksek oksidasyon durumu nedeniyle, titanyum (IV) bileşikleri yüksek derecede kovalent bağ sergiler.
Oksitler, sülfürler ve alkoksitler
En önemli oksit, üç önemli polimorfta bulunan TiO2 tir, (anataz, brokit ve rutil). Üçü de beyaz diyamanyetik katılardır, ancak mineral numuneler koyu görünebilir. (bkz. rutil ) Ti'nin diğer Ti merkezlerine bağlanan altı oksit ligandı ile çevrili olduğu polimerik yapıları benimserler.
Titanatlar terimi genellikle baryum titanat (BaTiO<sub>3</sub>) ile temsil edilen titanyum(IV) bileşiklerini ifade eder. Perovskite yapıya sahip olan bu malzeme piezoelektrik özellikler sergiler ve ses ile elektriğin birbirine dönüştürülmesinde dönüştürücü olarak kullanılır. Birçok mineral, ilmenit (FeTiO3) gibi titanatlardır. Yıldız safirleri ve yakutlar asterizmlerini (yıldız oluşturan parlaklık) titanyum dioksit safsızlıklarının varlığından alırlar.
Titanyumun çeşitli indirgenmiş alt oksitleri bilinmektedir, bunlar başlıca atmosferik plazma püskürtmeyle elde edilen titanyum dioksitin indirgenmiş stokiyometrileridir.
Bir Ti(IV)-Ti(III) türü olarak tanımlanan Ti3O5, TiO2 nin yüksek sıcaklıklarda hidrojen ile indirgenmesiyleüretilen mor renkli bir yarı iletkendir ve endüstriyel olarak yüzeylerin titanyum dioksit ile buharlanma yöntemiyle kaplanmasında kullanılır : saf TiO olarak buharlaşırken, TiO2 bir oksit karışımı olarak buharlaşır ve değişken kırılma indisine sahip kaplamalar biriktirir. Korindon yapılıTi2O3 ve genellikle stokiyometrik olmamasına rağmen kaya tuzu yapılı TiO da bilinmektedir.
TiCl4ün alkollerle işlenmesiyle hazırlanan titanyum(IV) alkoksitleri, suyla reaksiyona girerek dioksite dönüşen renksiz bileşiklerdir. Endüstriyel olarak Sol-jel işlemiyle katı TiO2 biriktirmede faydalıdırlar. Titanyum izopropoksit, Sharpless epoksidasyon yoluyla kiral organik bileşiklerin sentezinde kullanılır.
Titanyum çeşitli sülfitler oluşturur, ancak yalnızca TiS<sub id="mwAdg">2</sub> önemli ilgi çekmiştir. Katmanlı bir yapı benimser ve lityum pillerin geliştirilmesinde katot olarak kullanılır. Ti(IV) bir "sert katyon" olduğundan sülfitleri kararsızdır ve hidrojen sülfürün salınmasıyla okside hidrolize olma eğilimindedir.
Nitrür ve karbürler
Titanyum nitrür (TiN), aşırı sertlik, termal/elektriksel iletkenlik ve yüksek bir erime noktası sergileyen refrakter bir katıdır. TiN, safir ve karborundum'a eşdeğer bir sertliğe sahiptir ( Mohs ölçeğinde 9.0), ve genellikle matkap uçları gibi kesme aletlerini kaplamak için kullanılır. Ayrıca altın renkli dekoratif kaplama ve yarı iletken fabrikasyonda bariyer tabakası olarak kullanılır. Yine çok sert olan titanyum karbür (TiC), kesici takımlar ve kaplamalarda bulunur.
Halojenürler
Titanyum tetraklorür (TiCl4), havada muhteşem beyaz bulut emisyonu ile hidrolize olan renksiz uçucu bir sıvıdır (ticari örnekler sarımsıdır). Kroll prosesi ile titanyum cevherlerinin titanyum metaline dönüştürülmesinde kullanılır. Titanyum tetraklorür, örneğin beyaz boyada kullanılmak üzere titanyum dioksit yapmak için de kullanılır. Organik kimyada bir Lewis asidi olarak, örneğin Mukaiyama aldol kondansasyonunda yaygın olarak kullanılır. Van Arkel-de Boer işleminde, yüksek saflıkta titanyum metali üretiminde titanyum tetraiyodür (TiI4) üretilir.
Titanyum(III) ve titanyum(II) da kararlı klorürler oluşturur. Ppoliolefinlerin üretimi için bir katalizör (bkz. Ziegler-Natta katalizörü ) ve organik kimyada bir indirgeme maddesi olarak kullanılan titanyum(III) klorür (TiCl3) dikkate değer bir örnektir.
Organometalik kompleksler
Titanyum bileşiklerinin polimerizasyon katalizörü olarak önemli rolü nedeniyle, Ti-C bağına sahip bileşikler yoğun bir şekilde incelenmiştir. En yaygın organotitanyum kompleksi titanosen diklorürdür. (C5H5)2TiCl2). İlgili bileşikler arasında Tebbe reaktifi ve Petasis reaktifi bulunur. Titanyum karbonil kompleksleri oluşturur, örneğin(C5H5)2TiCO)2.
Antikanser tedavi çalışmaları
Titanyum(IV) bileşikleri, Platin bazlı kemoterapinin başarısının ardından kanser tedavisi için test edilen ilk bileşikler arasında yer aldı. Titanyum bileşiklerinin avantajı, etkinlikleri ve in vivo olarak düşük toksisitelerinde yatmaktadır. Biyolojik ortamlarda, hidroliz güvenli ve inert titanyum dioksite yol açar. Bu avantajlara rağmen, ilk aday bileşikler, yetersiz etkinlik-toksisite oranları ve formülasyon komplikasyonları nedeniyle klinik deneylerde başarısız oldu. Daha fazla gelişme, potansiyel olarak etkili, seçici ve kararlı titanyum bazlı ilaçların yaratılmasıyla sonuçlandı.
Tarih
Titanyum, 1791'de din adamı ve jeolog William Gregor tarafından İngiltere'nin Cornwall kentinde keşfedildi. Gregor, bir dere kenarında siyah kum bulduğunda ve kumun bir mıknatıs tarafından çekildiğini fark ettiğinde, ilmenit 'de yeni bir elementin varlığını fark etti. Kumu inceleyerek iki metal oksidin varlığını belirledi: demir oksit (mıknatısın çekiciliğini açıklıyor) ve tanımlayamadığı %45.25 beyaz metalik oksit. Tanımlanamayan oksidin bilinen herhangi bir elementle eşleşmeyen bir metal içerdiğini fark eden Gregor, 1791'de bulgularını hem Alman hem de Fransız bilim dergilerinde yayınladı: Crell's Annalen ve Observations et Mémoires sur la Physique.
Aynı sıralarda, Franz-Joseph Müller von Reichenstein benzer bir madde üretti, ancak tanımlayamadı. Oksit bağımsız olarak 1795'te Prusyalı kimyager Martin Heinrich Klaproth tarafından Macaristan'da bir köy olan (şimdi Slovakya'da Bojničky) Boinik'ten (Bajmócska'nın Almanca adı) rutilde yeniden keşfedildi. Klaproth, yeni bir element içerdiğini fark etti ve onu Yunan mitolojisindeki Titanlarla adlandırdı. Gregor'un daha önceki keşfini duyduktan sonra, bir manakanit örneği aldı ve bunun titanyum içerdiğini doğruladı.
Titanyumu çeşitli cevherlerinden çıkarmak için şu anda bilinen işlemler zahmetli ve maliyetlidir; Cevheri demir eritmede olduğu gibi karbonla ısıtarak azaltmak mümkün değildir, çünkü titanyum karbonla birleşerek titanyum karbür üretir. Saf metalik titanyum (% 99,9) ilk olarak 1910'da Matthew A. Hunter tarafından Rensselaer Polytechnic Institute'ta TiCl4'ü basınç altında sodyum ile ısıtarak hazırlandı. Titanyum metali, William Justin Kroll'un titanyum tetrakloridi kalsiyum ile indirgeyerek ürettiği 1932 yılına kadar laboratuvar dışında kullanılmadı. Sekiz yıl sonra, Kroll işlemi olarak bilinen süreçte bu işlemi magnezyum ve sodyum ile rafine etti. FFC Cambridge süreci gibi araştırmalar daha ucuz ve verimli yollar aramaya devam etse de, Kroll süreci hala ağırlıklı olarak ticari üretim için kullanılıyor.
Yüksek saflıkta titanyum, Anton Eduard van Arkel ve Jan Hendrik de Boer 1925'te iyot ile reaksiyona girerek ve oluşan buharları sıcak bir filament üzerinde ayrıştırarak iyodür sürecini keşfettiklerinde küçük miktarlarda yapılabilmişti.
1950'ler ve 1960'larda Sovyetler Birliği, Soğuk Savaş ile ilgili programların bir parçası olarak askeri ve denizaltı uygulamalarında (Alfa sınıfı ve Mike sınıfı ) titanyum kullanımına öncülük etti. 1950'lerin başından itibaren titanyum, F-100 Super Sabre ve Lockheed A-12 ve SR-71 gibi uçaklardan başlayarak, özellikle yüksek performanslı jetler olmak üzere askeri havacılıkta yaygın bir şekilde kullanılmaya başlandı.
Titanyum ABD hükümeti tarafından soğuk savaş dönemi boyunca stratejik bir malzeme olarak kabul edildi ve büyük bir titanyum sünger stoğu 2000'lere kadar Ulusal Savunma Stok Merkezi tarafından elde tutuldu. 2021 itibariyle, önde gelen dört titanyum sünger üreticisi Çin (%52), Japonya (%24), Rusya (%16) ve Kazakistan'dır (%7).
Üretim
Titanyumun işlenmesi dört adımda gerçekleşir: titanyum cevherinin gözenekli bir form olan "sünger"e indirgenmesi; sünger veya sünger artı bir ana alaşımın eritilmesi (külçe); külçenin kütük, çubuk, levha, şerit ve boru gibi genel değirmen ürünlerine dönüştürüldüğü birincil imalat; ve değirmen ürünlerinden bitmiş şekillerin ikincil imalatı.
Titanyum metali, Titanyum dioksitin indirgenmesiyle kolayca üretilemediğinden, Kroll işleminde TiCl4'ün magnezyum ile indirgenmesiyle elde edilir. İşlemin Hunter işleminden daha ucuz olmasına rağmen Kroll işlemindeki karmaşıklık titanyumun yüksek piyasa değerini açıklamaktadır. Kroll işleminin gerektirdiği TiCl4'ü üretmek için dioksit, klor varlığında karbotermik indirgemeye tabi tutulur. Bu işlemde, klor gazı, karbon mevcudiyetinde kızgın bir rutil veya ilmenit karışımı üzerinden geçirilir. Ayrımsal damıtma yoluyla kapsamlı saflaştırmadan sonra, TiCl4 de argon atmosferinde erimiş magnezyum ile indirgenir. Titanyum metali, titanyum tetraiyodürün termal ayrışmasını içeren van Arkel-de Boer işlemiyle daha da saflaştırılabilir.
2FeTiO3 + 7Cl2 + 6C ->[900^oC] 2FeCl3 + 2TiCl4 + 6CO
TiCl4 + 2Mg ->[1100^oC] Ti + 2MgCl2
Titanyum alaşımları en fazla indirgeme ile yapılır. Örneğin, kuprotitanyum (bakır eklenmiş rutil indirgenir), ferrokarbon titanyum (elektrikli fırında kokla indirgenen ilmenit) ve manganotitanyum (manganez veya manganez oksitlerle rutil) indirgenir.
Yaklaşık elli derece titanyum alaşımı tasarlanmış ve şu anda kullanılmaktadır. ASTM International birden dörde kadar olan dereceler ticari olarak saf (alaşımsız) olan 31 sınıf titanyum metali ve alaşımını tanır. Bu dördü, oksijen içeriğinin bir fonksiyonu olarak gerilme mukavemetinde farklılık gösterir; 1. derece en esnek (%0,18 oksijen içeriği ile en düşük gerilme mukavemeti) ve 4. derece en az sünektir (%0,40 oksijen içeriği ile en yüksek gerilme mukavemeti) ). Geri kalan kaliteler, her biri süneklik, güç, sertlik, elektriksel direnç, sünme direnci, spesifik korozyon direnci ve bunların kombinasyonlarının belirli özellikleriyle tasarlanmış alaşımlardır.
ASTM spesifikasyonlarına ek olarak, titanyum alaşımları ayrıca havacılık ve uzay ve askeri spesifikasyonları (SAE-AMS, MIL-T), ISO standartlarını ve ülkeye özgü spesifikasyonların yanı sıra havacılık, askeri, tıbbi ve endüstriyel uygulamaların şartlarını karşılamak üzere üretilirler.
Titanyum tozu, Armstrong süreci olarak bilinen bir seri üretim süreci kullanılarak üretilir. Erimiş sodyum titanyum tetraklorür gazından geçirilir; sodyum klorür tuzu ve titanyum partikülleri oluşur, titanyum daha sonra suyla yıkanarak tuzdan ayrılır. Hem sodyum hem de klor, daha fazla titanyum tetraklorür üretmek ve işlemek için geri dönüştürülür.
İşlenmesi
Titanyum kaynakları, atmosferik gazlarla (oksijen, nitrojen ve hidrojen) kirlenmesini önlemek için inert bir argon veya helyum atmosferinde yapılmalıdır. Kirlenme, gevrekleşme gibi, montaj kaynaklarının bütünlüğünü azaltan ve bağlantı hatalarına yol açan çeşitli koşullara neden olur.
Titanyumun doğrudan lehimlenmesi çok zordur, bunun için lehimlenebilir bir metal veya çelik benzeri bir alaşım, lehimlemeden önce titanyum üzerine kaplanır. Titanyum metali, paslanmaz çelik ile aynı ekipman ve aynı işlemlerle işlenebilir.
Şekillendirme ve dövme
Saf yassı ürün (sac, plaka) kolayca şekillendirilebilir, ancak işleme metalin geri esneme eğilimini hesaba katmalıdır. Bu özellikle bazı yüksek mukavemetli alaşımlar için geçerlidir. Dövmede kullanılan yüksek sıcaklıklarda havadaki oksijene maruz kalma, yorulma özelliklerini kötüleştiren "alfa durumu" adı verilen, oksijen açısından zengin kırılgan bir metalik yüzey tabakasının oluşmasına neden olur, bu nedenle öğütme, aşındırma veya elektrokimyasal işlemle çıkarılması gerekir.
Uygulamalar
Titanyum, çelikte (ferro-titanyum) tane boyutunu küçültmek ve oksit giderici olarak ve paslanmaz çelikte karbon içeriğini azaltmak için kullanılır. Titanyum genellikle alüminyum (tane boyutunu inceltmek için), vanadyum, bakır (sertleştirmek için), demir, manganez, molibden ve diğer metallerle alaşımlanır. Titanyum değirmen ürünleri (sac, levha, çubuk, tel, dövme, döküm) endüstriyel, havacılık, eğlence ve gelişmekte olan pazarlarda uygulama bulmaktadır. Toz haline getirilmiş titanyum, piroteknikte parlak yanan parçacıkların kaynağı olarak kullanılır.
Pigmentler, katkı maddeleri ve kaplamalar
Tüm titanyum cevherinin yaklaşık %95'i, titanyum dioksite () dönüştürülerek, boya, kağıt, diş macunu ve plastiklerde kullanılan yoğun beyaz kalıcı bir pigment yapımında ayrıca çimento, değerli taşlar kağıtta (optik opaklaştırıcı olarak) ve kompozit oltalar ve golf malzemelerinde güçlendirici olarak kullanılır.
TiO2 pigmenti kimyasal olarak inerttir, güneş ışığında solmaya karşı dirençlidir ve çok opaktır: ev plastiklerinin çoğunu oluşturan kahverengi veya gri kimyasallara saf ve parlak bir beyaz renk verir. Doğada, bu bileşik anataz, brokit ve rutil minerallerinde bulunur. Titanyum dioksit ile yapılan boya, aşırı sıcaklıklarda ve deniz ortamlarında iyi sonuç verir. Saf titanyum dioksit çok yüksek bir kırılma indisi ve elmastan daha yüksek bir optik dağılıma dağılma sahiptir. Titanyum dioksit çok önemli bir pigment olmasının yanı sıra güneş kremlerinde de kullanılmaktadır.
Havacılık ve denizcilikte
Titanyum alaşımları yüksek gerilme mukavemeti/yoğunluk oranı, yüksek korozyon direnci, yorulma direnci, yüksek çatlama direnci ve sürünmeden orta derecede yüksek sıcaklıklara dayanma kabiliyetine sahip olduklarından, uçaklarda, zırh kaplamada, donanma gemileri, uzay araçları ve füzelerde kullanılırlar. Bu uygulamalar için titanyum, kritik yapısal parçalar, yangın duvarları, iniş takımları, egzoz kanalları (helikopterler) ve hidrolik sistemler dahil olmak üzere çeşitli bileşenleri üretmek için alüminyum, zirkonyum, nikel, vanadyum ve diğer elementlerle alaşımlanır. Aslında, üretilen tüm titanyum metalinin yaklaşık üçte ikisi uçak motorları ve çerçevelerinde kullanılmaktadır. Titanyum 6AL-4V alaşımı, uçak uygulamalarında kullanılan tüm alaşımların neredeyse %50'sini oluşturur.
Lockheed A-12 ve onun gelişimi olan SR-71 "Blackbird" titanyumun kullanıldığı ilk uçak gövdelerindendi ve modern askeri ve ticari uçaklarda çok daha geniş bir kullanımın yolunu açtı. Birçok uçağın üretiminde büyük miktarda titanyum değirmen ürünleri kullanılmaktadır, örneğin (aşağıdaki değerler kullanılan ham değirmen ürünlerinin miktarıdır 116 Boeing 787'de 116, Airbus A380'de 77, Boeing 777'de 59, Boeing 747'de 45, Boeing 737'de 18, Airbus A340'ta 32, Airbus A330'da 18 ve Airbus' A320'de 12 metrik ton. Uçak motoru uygulamalarında, rotorlar, kompresör kanatları, hidrolik sistem bileşenleri ve makine daireleri için titanyum kullanılır. Jet motorlarında erken bir kullanım, 1950'lerde Orenda Iroquoista gerçekleşti.
Titanyum deniz suyuyla korozyona dayanıklı olduğu için tuzdan arındırma tesislerinde, kardan mili, arma ve ısı eşanjörleri yapımında; tuzlu su akvaryumları için ısıtıcı-soğutucular, misina ve lider ve dalgıç bıçaklarında kullanılır. Titanyum, bilim ve ordu için okyanusta konuşlandırılmış gözetleme ve izleme cihazlarının mahfazalarında ve bileşenlerinde kullanılır. Eski Sovyetler Birliği, titanyum alaşımlarından gövdeli denizaltılar yapmak için teknikler geliştirdi.
Titanyum, Juno uzay aracının kasasının duvarlarında yerleşik elektronikleri korumak için kullanılıyor.
Sanayi
Titanyum boru ve proses ekipmanları (ısı eşanjörleri, tanklar, proses kapları, valfler) öncelikle korozyon direnci için kimya ve petrokimya endüstrilerinde kullanılmaktadır. Spesifik alaşımlar, yüksek mukavemetleri (örn: titanyum beta C alaşımı), korozyon dirençleri veya her ikisi için, petrol ve gaz kuyularında ve nikel hidrometalurjisinde kullanılır. Kağıt hamuru ve kağıt endüstrisi, sodyum hipoklorit veya ıslak klor gazı (ağartıcıda) gibi aşındırıcı ortamlara maruz kalan proses ekipmanlarında titanyum kullanır. Diğer uygulamalar arasında ultrasonik kaynak, dalga lehimleme, ve püskürtme bulunur.
Renksiz bir sıvı olan titanyum tetraklorür (TiCl4), TiO2 yapma sürecinde önemlidir ve ayrıca Ziegler-Natta katalizörünü üretmek için kullanılır. Titanyum tetraklorür camı iridize etmek için de kullanılır. Nemli havada güçlü bir şekilde duman çıkardığı için duman perdesi yapmak için kullanılır.
Tüketici ve mimari
Titanyum metal, otomotiv uygulamalarında, özellikle düşük ağırlık, yüksek mukavemet ve sertliğin kritik olduğu otomobil ve motosiklet yarışlarında kullanılır. Metal, genel tüketici pazarı için pahalıdır, ancak bazı son model Korvetler titanyum egzozlarla üretilmiştir, ve bir Corvette Z06'nın LT4 süper şarjlı motoru hafif, katı titanyum emme valfleri kullanır.
Titanyum birçok spor ürününde kullanılır: tenis raketleri, golf ve lakros sopaları; kasklar ve bisiklet çerçeveleri ve bileşenleri. Bisiklet üretimi için ana malzeme olmasa da, titanyum bisikletler yarış takımları ve macera bisikletçileri tarafından kullanılmıştır.
Titanyum alaşımları, oldukça pahalı ancak dayanıklı, uzun ömürlü, hafif ve cilt alerjisine neden olmayan gözlük çerçevelerinde kullanılmaktadır. Sırt çantası tencere ve yemek kapları için yaygın bir malzemedir. Geleneksel çelik veya alüminyum alternatiflerinden daha pahalı olmasına rağmen, titanyum ürünler güçten ödün vermeden önemli ölçüde daha hafif olabilir. At nalı, daha hafif ve dayanıklı olduğu için nalbantlar tarafından çeliğe tercih edilir.
Titanyumun paslanmaz çelik ve alüminyum gibi diğer metallere karşı mukavemet üstünlüğü ve hafifliği nedeniyle ve metal işleme tekniklerindeki son gelişmeler nedeniyle, kullanımı ateşli silah imalatında yaygınlaştı. Birincil kullanımlar arasında tabanca çerçeveleri ve tabanca silindirleri bulunur. Aynı sebeplerden dolayı dizüstü bilgisayarların gövdesinde de kullanılmaktadır (Örneğin Apple'ın PowerBook serisinde).
Kürekler, bıçak sapları ve el fenerleri gibi bazı lüks hafif ve dayanıklı aletler titanyum veya alaşımlarından yapılmıştır.
Takı
Dayanıklılığı nedeniyle titanyum, tasarımcı takıları (titanyum yüzükler) için daha popüler hale geldi. İnert olması, alerjisi olanlar veya yüzme havuzu gibi ortamlarda takı takacak olanlar için iyi bir seçimdir. Titanyum ayrıca 24 ayar altın olarak pazarlanabilen bir alaşım üretmek için altınla alaşımlanır çünkü %1' Ti alaşımı daha düşük bir işaret gerektirmez. Ortaya çıkan alaşım kabaca 14 ayar altının sertliğinde ve saf 24 ayar altından daha dayanıklıdır.
Titanyumun dayanıklılığı, hafifliği ve göçme ve korozyon direnci, onu saat kasaları için kullanışlı kılar. Bazı sanatçılar heykel, dekoratif obje ve mobilyalar üretmek için titanyum ile çalışırlar.
Titanyum, yüzey oksit tabakasının kalınlığını değiştirmek için anotlanabilir, bu da optik girişim saçaklarına ve çeşitli parlak renklere neden olur. Bu renklendirme ve kimyasal inertlik ile titanyum, vücut piercingi için popüler bir metaldir.
Titanyum, özel dolaşımda olmayan madeni para ve madalyalarda da küçük bir kullanıma sahiptir. 1999'da Cebelitarık, milenyum kutlaması için dünyanın ilk titanyum madeni parasını çıkardı. Avustralya rugby ligi takımı Gold Coast Titans, yılın oyuncusuna saf titanyum madalyası veriyor.
Tıbbi
Titanyum biyolojik olarak uyumlu olduğundan (toksik olmadığı ve vücut tarafından reddedilmediği için), kalça topları ve yuvaları gibi implantlar ve 20' yıla kadar yerinde kalabilen diş implantları ve cerrahi aletler dahil birçok tıbbi kullanıma sahiptir. Titanyum genellikle yaklaşık %4 alüminyum veya %6 Al ve %4 vanadyum ile alaşımlanır.
Titanyum, diş implantlarında 30 yılı aşkın bir süre kullanıma olanak tanıyan doğal bir osseointegrasyon yeteneğiyle özellikle ortopedik implantlar için de kullanışlıdır. Bunlar, titanyumun düşük esneklik modülünden (Young modülü), bu tür cihazların tamir etmesi amaçlanan kemiğinkiyle daha yakından eşleşmesinden yararlanır. Sonuç olarak, iskelet yükü kemik ve implant arasında daha eşit bir şekilde paylaşılır, bu da ortopedik implantların sınırlarında meydana gelen stres kalkanı ve periprostetik kemik kırıkları nedeniyle daha düşük kemik degradasyonu insidansına yol açar. Bununla birlikte, titanyum alaşımlarının sertliği hala kemiğin iki katından fazladır, bu nedenle bitişik kemik büyük ölçüde azaltılmış bir yük taşır ve bozulabilir.
Titanyum ferromanyetik olmadığından, titanyum implantlı hastalar manyetik rezonans görüntülemede güvenle incelenebilirler. Titanyumu vücuda implantasyon için hazırlamak için malzeme yüzey atomlarını uzaklaştıran ve anında oksitlenen taze titanyumu açığa çıkaran yüksek sıcaklıkta bir "plazma arkı"na tabi tutulur.
Üretim tekniklerindeki modern gelişmeler, titanyumun ortopedik implant uygulamalarında kullanım potansiyelini artırmıştır. Karmaşık implant iskelet tasarımları, hastaya özel uygulamalara ve artan implant osseoentegrasyonuna izin veren titanyum alaşımları kullanılarak, 3D yazıcılarda elde edilebilir.
Titanyum, görüntü kılavuzlu cerrahide kullanılan cerrahi aletlerin yanı sıra tekerlekli sandalyeler, koltuk değnekleri ve yüksek mukavemet ve düşük ağırlığın istendiği diğer ürünler için de kullanılır.
Titanyum dioksit nanoparçacıkları elektronikte, farmasötik ve kozmetiklerin eldesinde yaygın olarak kullanılmaktadır.
Nükleer atık depolama
Korozyon direnci nedeniyle, nükleer atıkların uzun süreli depolanması için titanyumdan yapılmış, 100.000 yıldan uzun ömürlü konteynerlerin, malzeme kusurlarını en aza indiren üretim koşullarıyla mümkün olduğu düşünülüyor. Ömürlerini artırmak için başka türdeki kapların üzerine bir titanyum "damlama kalkanı" da takılabilir.
Önlemler
Titanyum insan vücudunda herhangi bir doğal rol oynamayan, yüksek dozlarda bile toksik olayan bir elementtir. Tahmini olarak her gün 0.8 miligram titanyum insan tarafından alınır, ancak çoğu dokularda emilmeden geçer. Bununla birlikte, bazen silika içeren dokularda biyolojik olarak birikebilir. Bir çalışma, titanyum ve sarı tırnak sendromu arasında olası bir bağlantı olduğunu gösteriyor.
Toz veya metal talaşı formunda önemli bir yangın tehlikesi ve havada ısıtıldığında bir patlama tehlikesi oluşturur. Bir titanyum yangınını söndürmek için su ve karbondioksit etkisizdir; Bunun yerine D sınıfı kuru toz maddeler kullanılmalıdır.
Klor üretiminde veya işlenmesinde kullanıldığında, titanyum-klor yangınına neden olabilir; kuru klor gazına maruz bırakılmamalıdır.
Titanyumun oksitlenmemiş taze bir yüzeyi sıvı oksijenle temas ettiğinde alev alabilir.
Bitkilerde işlev
Bitkilerde bilinmeyen bir mekanizma, karbonhidrat üretimi ve büyümeyi teşvik etmek için titanyum kullanabilir. Bu, çoğu bitkinin neden milyonda 1 kısım (ppm) titanyum içerdiğini açıklayabilir. Atkuyruğu ve ısırgan 80' ppme kadar içerir.
Dipnotlar