Le caratteristiche e le funzioni del titanio
Il titanio è un elemento con numero atomico 22 nella tavola periodica. Il sottogruppo degli elementi del quarto periodo, la designazione IVB, comprende zirconio e afnio oltre al titanio. La caratteristica comune è l'alto punto di fusione, che si forma sulla sua superficie a temperatura ambiente. film di ossido stabile.
1. Bassa densità, alta resistenza, elevata resistenza specifica
La densità del titanio è di 4,51 g/cm3, ovvero il 57% dell'acciaio. Il titanio pesa meno del doppio dell’alluminio, ma è tre volte più resistente. La resistenza specifica (rapporto resistenza/densità) della lega di titanio è la maggiore tra le leghe industriali comunemente utilizzate (vedere Tabella 2-1). La resistenza specifica della lega di titanio è 3,5 volte quella dell'acciaio inossidabile; 1,3 volte quello della lega di alluminio; 1,7 volte quello della lega di magnesio. È un materiale strutturale indispensabile per l'industria aerospaziale.
Tabella 2-1 Confronto di densità e resistenza specifica del titanio e di altri metalli
2. Eccellente resistenza alla corrosione
La passivazione del titanio dipende dalla presenza di film di ossido, che sono più resistenti alla corrosione in mezzi ossidanti che in mezzi riducenti. La corrosione ad alta velocità si verifica nei mezzi riducenti. Il titanio non viene corroso in alcuni mezzi corrosivi, come acqua di mare, cloro umido, soluzioni di clorito e ipoclorito, acido nitrico, acido cromico, cloruri metallici, solfuri e acidi organici. Ma nel mezzo (come acido cloridrico, acido solforico) che reagisce con il titanio per generare idrogeno, il titanio solitamente ha un elevato tasso di corrosione. Tuttavia, se all'acido viene aggiunta una piccola quantità di ossidante, sulla superficie del titanio si formerà una pellicola di passivazione. Pertanto, il titanio ha resistenza alla corrosione in una miscela concentrata di acido solforico-acido nitrico o di acido cloridrico-acido nitrico, anche in acido cloridrico contenente cloro libero. Una pellicola protettiva di ossido di titanio si forma solitamente quando il metallo entra in contatto con l'acqua, anche in piccole quantità, o con il vapore acqueo. Se il titanio viene esposto ad un ambiente fortemente ossidante senza acqua, si verificheranno una rapida ossidazione e reazioni violente e spesso si verificherà anche una combustione spontanea. Questo fenomeno si verifica quando il titanio reagisce con acido nitrico fumante contenente ossidi di azoto in eccesso e quando il titanio reagisce con gas di cloro secco. Pertanto, per prevenire tali reazioni, deve essere presente una certa quantità di acqua. Anche in piccole quantità o sotto forma di vapore acqueo. Se il titanio viene esposto ad un ambiente fortemente ossidante senza acqua, si verificheranno una rapida ossidazione e reazioni violente e spesso si verificherà anche una combustione spontanea. Questo fenomeno si verifica quando il titanio reagisce con acido nitrico fumante contenente ossidi di azoto in eccesso e quando il titanio reagisce con gas di cloro secco. Pertanto, per prevenire tali reazioni, deve essere presente una certa quantità di acqua. Anche in piccole quantità o sotto forma di vapore acqueo. Se il titanio viene esposto ad un ambiente fortemente ossidante senza acqua, si verificheranno una rapida ossidazione e reazioni violente e spesso si verificherà anche una combustione spontanea. Questo fenomeno si verifica quando il titanio reagisce con acido nitrico fumante contenente ossidi di azoto in eccesso e quando il titanio reagisce con gas di cloro secco. Pertanto, per prevenire tali reazioni, deve essere presente una certa quantità di acqua.
3. Buona resistenza al calore
Di solito l'alluminio perde le sue proprietà originali a 150 gradi, l'acciaio inossidabile perde le sue proprietà originali a 310 gradi e le leghe di titanio mantengono ancora buone proprietà meccaniche a circa 500 gradi. Quando la velocità dell'aereo raggiunge 2,7 volte la velocità del suono, la temperatura superficiale della struttura dell'aereo raggiunge i 230 gradi e le leghe di alluminio e magnesio non possono essere utilizzate, mentre le leghe di titanio possono soddisfare i requisiti. Il titanio ha una buona resistenza al calore e viene utilizzato nei dischi e nelle pale dei compressori dei motori aeronautici e nel rivestimento della fusoliera posteriore dell'aereo.
4. buone prestazioni a bassa temperatura
La resistenza di alcune leghe di titanio (come Ti-5AI-2.5SnELI) aumenta con la diminuzione della temperatura, ma la plasticità non diminuisce molto. Ha ancora una buona plasticità e tenacità a bassa temperatura, adatta per l'uso a temperature ultra-basse. Può essere utilizzato per motori a razzo a idrogeno liquido secco e ossigeno liquido e può anche essere utilizzato per contenitori a temperatura ultrabassa e serbatoi di stoccaggio di veicoli spaziali con equipaggio.
5. non magnetico
Il titanio non è magnetico e viene utilizzato nei proiettili sottomarini e non provoca esplosioni di mine.
6. Piccola conduttività termica
Il confronto della conduttività termica tra il titanio e altri metalli è mostrato nella Tabella 2-2.
Tabella 2-2 Confronto della conduttività termica tra titanio e altri metalli
La conduttività termica del titanio è piccola, solo 1/5 dell'acciaio, 1/13 dell'alluminio e 1/25 del rame. La scarsa conduttività termica è uno svantaggio del titanio, ma in alcuni casi questa proprietà del titanio può essere sfruttata.
7. basso modulo elastico
Il modulo elastico del titanio viene confrontato con altri metalli nella Tabella 2-3.
Tabella 2-3 Confronto dei moduli elastici del titanio e di altri metalli
Il modulo di elasticità del titanio è solo il 55% di quello dell'acciaio e il suo basso modulo di elasticità costituisce uno svantaggio quando viene utilizzato come materiale strutturale.
8. La resistenza alla trazione e la resistenza allo snervamento sono molto simili
La resistenza alla trazione della lega di titanio Ti-6AI-4V è 960 MPa, il carico di snervamento è 892 MPa, la differenza tra i due è di soli 58 MPa, vedere la tabella 2-4.
Tabella 2-4 Confronto tra resistenza alla trazione e resistenza allo snervamento del titanio e di altri metalli
9. Il titanio si ossida facilmente alle alte temperature
Il titanio ha forti legami idrogeno e ossigeno e occorre prestare attenzione per prevenire l'ossidazione e l'assorbimento dell'idrogeno. La saldatura del titanio deve essere eseguita sotto protezione argon per prevenire la contaminazione. I tubi e le piastre sottili di titanio dovrebbero essere trattati termicamente sotto vuoto e il trattamento termico dei pezzi fucinati di titanio dovrebbe controllare l'atmosfera micro-ossidativa.
10. Bassa resistenza allo smorzamento
Usa il titanio e altri materiali metallici (rame, acciaio) per realizzare campane esattamente della stessa forma e dimensione, e colpisci ciascuna campana con la stessa forza, e scoprirai che la campana di titanio vibra e il suono dura, cioè, suonando il campanello. L'energia data non è facile da scomparire, quindi diciamo che le prestazioni di smorzamento del titanio sono basse.
