مقدمة لخصائص التيتانيوم وسبائك التيتانيوم
1.1 مقدمة إلى التيتانيوم
التيتانيوم هو نوع جديد من المواد التي تتميز بمزايا الكثافة المنخفضة والقوة النوعية العالية والمقاومة للحرارة ومقاومة التآكل. ويزن نصف وزن الحديد فقط، ولكن خواصه الميكانيكية، مثل الطرق والسحب، يمكن مقارنتها بالنحاس. بشكل عام، مع انخفاض درجة الحرارة، ستقل مقاومة المعادن، لكن التيتانيوم على العكس من ذلك، فكلما انخفضت درجة الحرارة، أصبح التيتانيوم أكثر صلابة، وتظهر الموصلية الفائقة عند الوصول إلى درجة الحرارة الحرجة.
1.2 مقدمة لسبائك التيتانيوم
تتشابه سبائك التيتانيوم والتيتانيوم في طبيعتها إلى حد ما، وتتميز بخصائص الكثافة المنخفضة والقوة العالية، بالإضافة إلى خواصها الميكانيكية الممتازة، ومقاومتها القوية للتآكل. علاوة على ذلك، فإن قوتها الحرارية عالية، ومن الواضح أنها أفضل من سبائك الألومنيوم. وفي الوقت نفسه، فإن خواصه الميكانيكية لا تتغير إلا قليلاً عند درجات الحرارة المنخفضة ودرجات الحرارة المنخفضة للغاية.
التكنولوجيا الجديدة وتطبيق التيتانيوم
2.1 طريقة تحضير التيتانيوم
على الرغم من أن التيتانيوم متوافر نسبيًا في الطبيعة، إلا أنه أيضًا معدن نادر لأنه متفرق ويصعب استخراجه. في الوقت الحاضر، يتم تقسيم تحضير التيتانيوم إلى فئتين: طريقة الاختزال الحراري وطريقة التحليل الكهربائي للملح المنصهر.
(1) تم تحضير التيتانيوم بطريقة الاختزال الحراري
طريقة التخفيض الحراري هي عند درجة حرارة معينة، واستخدام Li، Na، Mg، Ca وهيدريدها وعوامل الاختزال القوية الأخرى، والتيتانيوم من مركبات التيتانيوم مثل تخفيض TiCl4، TiO2، K2TiF6. وفقا لمركبات التيتانيوم المختلفة، يمكن تقسيم تكنولوجيا تحضير التيتانيوم عن طريق الاختزال الحراري إلى ثلاث فئات:
① طريقة REDOX لكلوريد التيتانيوم، مثل طريقة Kroll وطريقة Hunter وطريقة Armstrong وطريقة EMR؛
② طريقة REDOX لأكسيد التيتانيوم، مثل طريقة OS، وعملية PRP، وطريقة MHR، وما إلى ذلك.
③ طريقة الأكسدة والاختزال من تيتانات.
في الوقت الحاضر، يمكن فقط تطبيق طريقة كرول وطريقة هنتر بنجاح في الإنتاج الصناعي. تستخدم طريقة كرول المغنيسيوم ليحل محل التيتانيوم من الكلوريد، وتستخدم طريقة هنتر معدن الصوديوم ليحل محل التيتانيوم من الكلوريد. بالإضافة إلى ذلك، طورت شركة مسحوق التيتانيوم الدولية في شيكاغو بالولايات المتحدة طريقة أرمسترونج، وطريقة تحضيرها مشابهة لطريقة هنتر، كما أنها تستخدم عامل اختزال الصوديوم لتنقية معدن التيتانيوم. وتستخدم الولايات المتحدة بالفعل هذه الطريقة في مرحلة ما قبل الإنتاج في المصانع.
(2) تحضير التيتانيوم عن طريق التحليل الكهربائي للملح المنصهر
في عام 1959، توقع كرول أن التحليل الكهربائي للملح المنصهر سيحل محل كرول باعتباره الطريقة السائدة لإنتاج التيتانيوم خلال السنوات الخمس إلى العشر القادمة. على مر السنين، طورت المؤسسات البحثية والمختبرات في الداخل والخارج ما مجموعه أكثر من اثنتي عشرة تقنية جديدة لتحضير التيتانيوم عن طريق التحليل الكهربائي للملح المنصهر، والتي يمكن تقسيمها إلى الفئات الثلاث التالية وفقًا للمواد الخام:
① التحليل الكهربائي للتيتانات؛
(2) التحليل الكهربائي لكلوريد التيتانيوم؛
③ طريقة التحليل الكهربائي لأكسيد التيتانيوم، بما في ذلك طريقة FFC Cambridge، وعملية MER، وطريقة USTB، وعملية QIT، وطريقة SOM، وطريقة التحليل الكهربائي السائل الأيوني، وما إلى ذلك.
2.2 الاستخدامات الجديدة للتيتانيوم
منذ أربعينيات القرن العشرين، تطور استخدام التيتانيوم بسرعة، وتم استخدامه على نطاق واسع في الطائرات والصواريخ والقذائف والأقمار الصناعية وسفن الفضاء والسفن والصناعة العسكرية والعلاج الطبي ومجالات البتروكيماويات. وجدت أحدث الأبحاث أن جسم الإنسان يحتوي على كمية معينة من التيتانيوم، وسوف يحفز التيتانيوم الخلايا البلعمية، ويمكن أن يقوي وظيفة المناعة، لذلك تلتزم العديد من المختبرات بتطوير وتطبيق التيتانيوم البيولوجي.
التكنولوجيا الجديدة وتطبيق سبائك التيتانيوم
3.1 طريقة تحضير سبائك التيتانيوم
تعتمد المعالجة التقليدية لسبائك التيتانيوم عمومًا تقنية الصهر والصب، وتنقسم أحدث تقنيات المعالجة إلى ما يلي:
(1) تكنولوجيا صب الشبكة القريبة؛
(2) تكنولوجيا اللحام الاحتكاكي الخطي؛
(3) تكنولوجيا تشكيل البلاستيك الفائق.
(4) تكنولوجيا المحاكاة الحاسوبية لإعداد المواد وعملية المعالجة.
تتضمن تقنية التشكيل القريب من الشبكة القولبة بالليزر، والصب الدقيق، والتزوير الدقيق للقالب، وتعدين المساحيق، والقولبة النفاثة وغيرها من الطرق. تعدين المساحيق هو استخدام مسحوق التيتانيوم أو مسحوق سبائك التيتانيوم كمواد خام، بعد القولبة والتلبيد، وذلك لتصنيع أجزاء التيتانيوم من العملية الجديدة. الأول هو إنتاج المسحوق، وذلك باستخدام طريقة صناعة السبائك الميكانيكية بشكل عام، وذلك باستخدام مطحنة كروية لتأثير المواد الخام وطحنها وتحريكها بقوة. ثم يتم ضغط وتشكيل السبيكة التي تكونت مسحوقًا. هناك طريقتان للضغط، وهما التشكيل بالضغط والتشكيل بدون ضغط. الغرض من هذه الخطوة هو صنع شكل وحجم معين للجنين المضغوط، وجعله يتمتع بكثافة وقوة معينة. بعد ذلك، في تصنيع تلبيد البلازما بتفريغ البلاستوبلازم، فإن استخدام التثقيب العلوي والسفلي والقطب الكهربائي سيكون مصدر طاقة تلبيد محددًا وضغط ضغط مطبق على المسحوق الملبد، بعد تنشيط التفريغ، وتشوه اللدائن الحرارية والتبريد لإكمال تحضير مواد التيتانيوم عالية الأداء. ثم يتم استخدام سبائك التيتانيوم الملبدة بالبلازما للمعالجة اللاحقة، بشكل عام المعالجة الحرارية أو معالجة البلاستيك.
3.2 الاستخدامات الجديدة لسبائك التيتانيوم
تم استخدام سبائك التيتانيوم على نطاق واسع في مجال الطيران في الأيام الأولى، وخاصة في إنتاج محركات الطائرات أو المكونات الهوائية. في وقت لاحق، مع التطور المستمر للتكنولوجيا، دخلت سبائك التيتانيوم حياة الناس العاديين، في المصنع أو الأجهزة المنزلية لديها أيضا شكل سبائك التيتانيوم. الآن تتدافع البلدان والمؤسسات لتطوير سبائك تيتانيوم جديدة، بحيث تتمتع بخصائص التكلفة المنخفضة والأداء العالي، ويتركز التطوير الجديد لسبائك التيتانيوم في السنوات الأخيرة بشكل أساسي في الجوانب الخمسة التالية.
(1) سبائك التيتانيوم الطبية
تعتبر سبائك التيتانيوم ذات الكثافة المنخفضة والتوافق الحيوي الجيد مواد طبية مثالية ويمكن حتى زرعها في جسم الإنسان. تحتوي سبائك التيتانيوم المستخدمة سابقًا في المجال الطبي على الفاناديوم والألومنيوم، مما قد يسبب ضررًا لجسم الإنسان. ولكن في المستقبل القريب، طور العلماء اليابانيون نوعًا جديدًا من سبائك التيتانيوم، مع توافق حيوي جيد، ولكن لم يتم إنتاج السبائك بكميات كبيرة بعد، ويعتقد أنه في المستقبل القريب، يمكن استخدام هذه السبائك عالية الجودة على نطاق واسع في الحياة اليومية.
(2) سبائك التيتانيوم المقاومة للهب
إن سبيكة التيتانيوم الأساسية التي يمكنها مقاومة الاحتراق تحت ضغط معين ودرجة الحرارة ومعدل تدفق الهواء هي سبائك التيتانيوم المقاومة للهب. طورت الولايات المتحدة وروسيا والصين سبائك تيتانيوم مقاومة جديدة، من بينها ستطبق الولايات المتحدة سبائك التيتانيوم المقاومة هذه على المحرك، لأن سبائك التيتانيوم هذه ليست حساسة للاحتراق، لذلك يمكنها تحسين استقرار المحرك بشكل كبير.
(3) النوع ذو القوة والمتانة العالية
تتميز سبائك التيتانيوم من النوع بخصائص القوة العالية وقابلية اللحام الجيدة وأداء العمل الممتاز على البارد والساخن. يستخدم الباحثون هذا القانون، وإعداد خصائص سبائك التيتانيوم من النوع واضحة جدًا: أداء العمل الساخن الجيد، اللدونة الجيدة، أداء اللحام الجيد. ويتم تحسين الخواص الميكانيكية بشكل كبير بعد معالجة الشيخوخة بالمحلول. وفي الوقت الحاضر، أعدت اليابان وروسيا سبائك التيتانيوم هذه.
(4) مركبات التيتانيوم والألومنيوم
بالمقارنة مع سبائك التيتانيوم العامة، فإن مركب الألومنيوم التيتانيوم لديه أداء جيد في درجات الحرارة العالية، ومقاومة جيدة للأكسدة ومقاومة الزحف، والكثافة أقل من سبائك التيتانيوم العامة. هذه الخصائص الممتازة مخصصة لمركبات Ti-Al التي ستطلق طفرة سبائكية جديدة. تم تصنيع سبائك التيتانيوم والألومنيوم الجديدة المركبة في الولايات المتحدة ويتم إنتاجها بكميات كبيرة.
(5) سبائك التيتانيوم ذات درجة الحرارة العالية
من خلال الجمع بين طريقة التصلب السريع وطريقة تعدين المساحيق، فإن سبائك التيتانيوم المحضرة بواسطة الألياف أو المركب المقوى بالجسيمات لها خصائص ميكانيكية ممتازة لدرجة الحرارة العالية. حد درجة الحرارة لسبائك التيتانيوم ذات درجة الحرارة المرتفعة أعلى بكثير من سبائك التيتانيوم العادية. في الوقت الحاضر، أعدت الولايات المتحدة سبيكة تيتانيوم جديدة ذات درجة حرارة عالية.
(6) سبائك النيكل والتيتانيوم
يتم تصنيع سبيكة من التيتانيوم والنيكل، تُعرف باسم "سبيكة الذاكرة"، إلى شكل محدد مسبقًا. بعد تشكيله، إذا تشوه بواسطة قوى خارجية، يمكن إعادته إلى مظهره الأصلي مع قليل من الحرارة. يمكن استخدام هذه السبيكة في مجالات مختلفة مثل الأجهزة والأجهزة الإلكترونية.
الوضع الحالي لتطوير مواد سبائك التيتانيوم في الصين
تشير سبائك التيتانيوم إلى مجموعة متنوعة من معادن السبائك المصنوعة من التيتانيوم والمعادن الأخرى. في السنوات الأخيرة، أصدرت الصين بشكل متكرر سياسات لتشجيع البحث والتطوير وإنتاج وتطبيق مواد سبائك التيتانيوم. في السوق العالمية، يتم استخدام مواد سبائك التيتانيوم بشكل رئيسي في صناعة الطيران، وصناعة الدفاع، وغيرها من الصناعات. من بينها، يمثل الطلب على التطبيقات في صناعة الطيران حوالي 50٪، وذلك بشكل رئيسي لصناعة الطائرات والمحركات. في هيكل الطلب على مواد التيتانيوم في بلدنا، تستخدم مواد معالجة التيتانيوم بشكل رئيسي في مجال الصناعة الكيميائية، وتبلغ نسبة مواد التيتانيوم المستخدمة في الفضاء الجوي المحلي 20٪ فقط، مما يشير إلى أن هناك إمكانات كبيرة في سوق التيتانيوم. المواد المستخدمة في الطيران في بلادنا. في الوقت الحاضر، في مجال سبائك التيتانيوم المتطورة، هناك عدد قليل من الشركات التي يمكنها إنتاج قضبان وأسلاك سبائك التيتانيوم للطيران العسكري بكميات كبيرة في بلدنا، وهو نمط منافسة "احتكار ثنائي".
1. تشجع السياسة تطوير مواد سبائك التيتانيوم
تشير سبائك التيتانيوم إلى مجموعة متنوعة من سبائك المعادن المصنوعة من التيتانيوم ومعادن أخرى. أدركت العديد من دول العالم أهمية مواد سبائك التيتانيوم، وأجرت بحثًا وتطويرًا عليها، وتم تطبيقها عمليًا. في السنوات الأخيرة، أصدرت الصين بشكل متكرر سياسات لتشجيع البحث والتطوير وإنتاج وتطبيق مواد سبائك التيتانيوم. في عام 2019، وفقًا للمعلومات التي تم الكشف عنها في كتالوج التوجيهات لتعديل الهيكل الصناعي (مسودة 2019)، تم استخدام مواد كربيد مركّبة عالية الأداء وفائقة الخشونة وعالية الأداء ومنتجات المعالجة العميقة ومواد سبائك التيتانيوم ذات معامل منخفض ومقاومة للتآكل. سيتم إدراج مواد سبائك التيتانيوم ومثبتات سبائك التيتانيوم المستخدمة في الفضاء الجوي وما إلى ذلك كمشاريع مشجعة لتعديل الهيكل الصناعي.
2. تستخدم مواد سبائك التيتانيوم بشكل رئيسي في المجالات الفضائية والعسكرية
في السوق العالمية، يتم استخدام مواد سبائك التيتانيوم بشكل رئيسي في صناعة الطيران، وصناعة الدفاع، وغيرها من الصناعات. من بينها، يمثل الطلب على التطبيقات في صناعة الطيران حوالي 50٪، وذلك بشكل رئيسي لصناعة الطائرات والمحركات. في هيكل الطلب على مواد التيتانيوم في الصين، تستخدم مواد معالجة التيتانيوم بشكل رئيسي في المجال الكيميائي. الفرق الأكثر أهمية مقارنة بالعالم هو في مجال الطيران. لطالما شكلت مواد التيتانيوم المستخدمة في الطيران حوالي 53% من إجمالي الطلب على مواد التيتانيوم في العالم، بينما تبلغ نسبة مواد التيتانيوم المستخدمة في الطيران المحلي 20% فقط، مما يشير إلى أنه لا تزال هناك إمكانات كبيرة في سوق التيتانيوم. المواد المستخدمة في الطيران في الصين.
ملخص
يتمتع التيتانيوم بالعديد من المزايا التي لا تضاهى من المعدن، مع تقدم المجتمع، وتطوير العلوم والتكنولوجيا، سيتم استخدام التيتانيوم وسبائك التيتانيوم على نطاق أوسع، وسيزداد الطلب البشري على التيتانيوم وسبائك التيتانيوم، وستكون تكلفة الإنتاج المرتفعة واحدة من أكثر العوامل أهمية. الأسباب الرئيسية للحد من الترويج واستخدام التيتانيوم وسبائك التيتانيوم. ولذلك، فإن تطوير وتطبيق عملية الإنتاج المستمر لحماية البيئة منخفضة التكلفة وواسعة النطاق والبيئية يمكن أن يجعل التيتانيوم وسبائك التيتانيوم تستخدم على نطاق أوسع.
