Giới thiệu về tính chất của titan và hợp kim titan
1.1 Giới thiệu về Titan
Titan là một loại vật liệu mới, có ưu điểm là mật độ thấp, cường độ riêng cao, khả năng chịu nhiệt và chống ăn mòn. Nó chỉ nặng bằng một nửa sắt, nhưng các tính chất cơ học của nó, chẳng hạn như đóng búa và kéo, có thể so sánh với đồng. Nói chung, khi nhiệt độ giảm, điện trở của kim loại sẽ giảm, nhưng ngược lại, titan ở nhiệt độ càng thấp, titan sẽ ngày càng cứng hơn và tính siêu dẫn sẽ xuất hiện khi đạt đến nhiệt độ tới hạn.
1.2 Giới thiệu về hợp kim titan
Hợp kim titan và titan có bản chất tương tự nhau ở một mức độ nào đó, với đặc điểm là mật độ thấp và độ bền cao, ngoài các tính chất cơ học tuyệt vời, khả năng chống ăn mòn mạnh. Hơn nữa, độ bền nhiệt của nó cao, rõ ràng là tốt hơn so với hợp kim nhôm. Đồng thời, tính chất cơ học của nó ít thay đổi ở nhiệt độ thấp và nhiệt độ cực thấp.
Công nghệ mới và ứng dụng của titan
2.1 Phương pháp điều chế titan
Mặc dù titan tương đối phong phú trong tự nhiên nhưng nó cũng là một kim loại hiếm vì dễ phân tán và khó chiết xuất. Hiện nay, việc điều chế titan được chia thành hai loại: phương pháp khử nhiệt và phương pháp điện phân muối nóng chảy.
(1) Titan được điều chế bằng phương pháp khử nhiệt
Phương pháp khử nhiệt là ở nhiệt độ nhất định, sử dụng Li, Na, Mg, Ca và hydrua của nó và các chất khử mạnh khác, khử titan từ các hợp chất titan như TiCl4, TiO2, K2TiF6. Theo các hợp chất titan khác nhau, công nghệ điều chế titan bằng phương pháp khử nhiệt có thể được chia thành ba loại:
① Phương pháp REDOX clorua titan, như phương pháp Kroll, phương pháp Hunter, phương pháp Armstrong và phương pháp EMR;
② Phương pháp REDOX của oxit titan, chẳng hạn như phương pháp OS, quy trình PRP, phương pháp MHR, v.v.
③ Phương pháp REDOX của titanate.
Hiện nay chỉ có phương pháp Kroll và phương pháp Hunter mới có thể áp dụng thành công trong sản xuất công nghiệp. Phương pháp Kroll sử dụng magie để thay thế titan thành clorua và phương pháp Hunter sử dụng kim loại natri để thay thế titan thành clorua. Ngoài ra, công ty bột titan quốc tế Chicago của Hoa Kỳ đã phát triển phương pháp Armstrong, phương pháp điều chế của nó tương tự như phương pháp Hunter, cũng là sử dụng chất khử natri để tinh chế kim loại titan. Hoa Kỳ đã sử dụng phương pháp này để tiền sản xuất tại các nhà máy.
(2) Điều chế titan bằng phương pháp điện phân muối nóng chảy
Năm 1959, Kroll dự đoán rằng điện phân muối nóng chảy sẽ thay thế Kroll trở thành phương pháp sản xuất titan thống trị trong vòng 5 đến 10 năm tới. Trong những năm qua, các tổ chức nghiên cứu và phòng thí nghiệm trong và ngoài nước đã phát triển tổng cộng hơn chục công nghệ mới để điều chế titan bằng phương pháp điện phân muối nóng chảy, có thể chia thành ba loại sau theo nguyên liệu thô:
① Điện phân titanate;
(2) Điện phân titan clorua;
③ Phương pháp điện phân oxit titan, bao gồm phương pháp FFC Cambridge, quy trình MER, phương pháp USTB, quy trình QIT, phương pháp SOM và phương pháp điện phân chất lỏng ion, v.v.
2.2 Công dụng mới của titan
Kể từ những năm 1940, việc sử dụng titan đã phát triển nhanh chóng và nó được sử dụng rộng rãi trong máy bay, tên lửa, tên lửa, vệ tinh, tàu vũ trụ, tàu thủy, công nghiệp quân sự, điều trị y tế và các lĩnh vực hóa dầu. Nghiên cứu mới nhất cho thấy cơ thể con người có chứa một lượng titan nhất định, titan sẽ kích thích tế bào thực bào, có thể tăng cường chức năng miễn dịch nên nhiều phòng thí nghiệm cam kết phát triển và ứng dụng titan sinh học.
Công nghệ mới và ứng dụng hợp kim titan
3.1 Phương pháp điều chế hợp kim titan
Gia công truyền thống hợp kim titan thường áp dụng công nghệ nấu chảy và đúc, công nghệ xử lý mới nhất được chia thành:
(1) Công nghệ đúc lưới gần;
(2) Công nghệ hàn ma sát đường dây;
(3) công nghệ tạo hình siêu dẻo;
(4) Công nghệ mô phỏng máy tính quá trình chuẩn bị và xử lý nguyên liệu.
Công nghệ đúc gần lưới bao gồm đúc laser, đúc chính xác, rèn khuôn chính xác, luyện kim bột, đúc phản lực và các phương pháp khác. Luyện kim bột là việc sử dụng bột titan hoặc bột hợp kim titan làm nguyên liệu thô, sau khi đúc và thiêu kết, để sản xuất các bộ phận titan của quy trình mới. Đầu tiên là sản xuất bột, thường sử dụng phương pháp hợp kim hóa cơ học, sử dụng máy nghiền bi tác động mạnh, nghiền và khuấy nguyên liệu thô. Sau đó hợp kim đã tạo thành bột được ép và tạo hình. Có hai phương pháp ép là tạo hình áp lực và tạo hình không áp lực. Mục đích của bước này là tạo ra hình dạng và kích thước nhất định của phôi ép, đồng thời làm cho nó có mật độ và độ bền nhất định. Sau đó, trong quá trình thiêu kết plasma phóng điện blastoplasm, việc sử dụng khuôn dập trên và dưới và điện cực sẽ là nguồn cung cấp năng lượng thiêu kết cụ thể và áp suất ép tác dụng lên bột thiêu kết, sau khi kích hoạt phóng điện, biến dạng nhựa nhiệt dẻo và làm mát để hoàn thành việc chuẩn bị vật liệu titan hiệu suất cao. Sau đó, hợp kim titan thiêu kết plasma để xử lý tiếp theo, nói chung là xử lý nhiệt hoặc xử lý nhựa.
3.2 Công dụng mới của hợp kim titan
Hợp kim titan đã được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực hàng không vũ trụ trong những ngày đầu, chủ yếu trong sản xuất động cơ máy bay hoặc linh kiện khí nén. Sau này, với sự phát triển không ngừng của công nghệ, hợp kim titan đã đi vào cuộc sống của người dân bình thường, trong các thiết bị nhà máy, gia đình cũng có hình hợp kim titan. Hiện nay các quốc gia và tổ chức đang nỗ lực phát triển hợp kim titan mới để có đặc điểm chi phí thấp và hiệu suất cao, sự phát triển mới của hợp kim titan trong những năm gần đây chủ yếu tập trung vào năm khía cạnh sau.
(1) Hợp kim titan y tế
Hợp kim titan có mật độ thấp và khả năng tương thích sinh học tốt là vật liệu y tế lý tưởng và thậm chí có thể được cấy ghép vào cơ thể con người. Hợp kim titan trước đây được sử dụng trong lĩnh vực y tế có chứa vanadi và nhôm, có thể gây hại cho cơ thể con người. Nhưng trong tương lai gần, các học giả Nhật Bản đã phát triển được một loại hợp kim titan mới, có khả năng tương thích sinh học tốt nhưng hợp kim này vẫn chưa được sản xuất hàng loạt, người ta tin rằng trong tương lai gần, hợp kim chất lượng cao như vậy có thể được sử dụng rộng rãi. trong cuộc sống hàng ngày.
(2) Hợp kim titan chống cháy
Hợp kim gốc titan có thể chống cháy dưới áp suất, nhiệt độ và tốc độ dòng khí nhất định là hợp kim titan chống cháy. Hoa Kỳ, Nga và Trung Quốc đã phát triển các hợp kim titan điện trở mới, trong đó Hoa Kỳ sẽ áp dụng các hợp kim titan điện trở này cho động cơ, vì các hợp kim titan này không nhạy cảm với quá trình đốt cháy nên có thể cải thiện đáng kể độ ổn định của động cơ.
(3) loại có độ bền và độ dẻo dai cao
loại hợp kim titan có đặc tính cường độ cao, khả năng hàn tốt và hiệu suất làm việc nóng và lạnh tuyệt vời. Các nhà nghiên cứu sử dụng luật này, việc chuẩn bị các đặc tính hợp kim titan loại rất rõ ràng: hiệu suất làm việc nóng tốt, độ dẻo tốt, hiệu suất hàn tốt. Và các tính chất cơ học được cải thiện rất nhiều sau khi xử lý lão hóa dung dịch. Hiện nay, Nhật Bản và Nga đã chuẩn bị được hợp kim titan như vậy.
(4) Hợp chất titan và nhôm
So với hợp kim titan thông thường, hợp chất nhôm titan có hiệu suất nhiệt độ cao tốt, khả năng chống oxy hóa và chống rão tốt và mật độ nhỏ hơn hợp kim titan thông thường. Những đặc tính ưu việt này được định sẵn cho hợp chất Ti - Al sẽ tạo ra một sự bùng nổ hợp kim mới. Hợp kim titan - nhôm mới đã được tổng hợp ở Hoa Kỳ và đang được sản xuất hàng loạt.
(5) Hợp kim titan nhiệt độ cao
Bằng cách kết hợp phương pháp hóa rắn nhanh và phương pháp luyện kim bột, hợp kim titan được điều chế bằng composite gia cố bằng sợi hoặc hạt có các đặc tính cơ học ở nhiệt độ cao tuyệt vời. Giới hạn nhiệt độ của hợp kim titan nhiệt độ cao cao hơn nhiều so với hợp kim titan thông thường. Hiện tại, Hoa Kỳ đã chuẩn bị một hợp kim titan nhiệt độ cao mới.
(6) Hợp kim niken titan
Một hợp kim của titan và niken, được gọi là "hợp kim bộ nhớ", được chế tạo thành hình dạng xác định trước. Sau khi được tạo hình, nếu bị biến dạng bởi ngoại lực, nó có thể phục hồi lại hình dáng ban đầu chỉ với một chút nhiệt. Hợp kim này có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như thiết bị đo đạc và thiết bị điện tử.
Hiện trạng phát triển vật liệu hợp kim titan ở Trung Quốc
Hợp kim titan dùng để chỉ nhiều loại kim loại hợp kim được làm từ titan và các kim loại khác. Trong những năm gần đây, Trung Quốc thường xuyên ban hành các chính sách khuyến khích nghiên cứu phát triển, sản xuất và ứng dụng vật liệu hợp kim titan. Trên thị trường toàn cầu, vật liệu hợp kim titan chủ yếu được sử dụng trong ngành hàng không, công nghiệp quốc phòng và các ngành công nghiệp khác. Trong đó, nhu cầu ứng dụng trong ngành hàng không chiếm khoảng 50%, chủ yếu phục vụ cho việc chế tạo máy bay và động cơ. Trong cơ cấu nhu cầu về vật liệu titan ở nước ta, vật liệu chế biến titan chủ yếu được sử dụng trong lĩnh vực công nghiệp hóa chất và tỷ lệ vật liệu titan được sử dụng trong ngành hàng không vũ trụ trong nước chỉ là 20%, cho thấy thị trường titan có tiềm năng rất lớn. vật liệu sử dụng trong ngành hàng không ở nước ta. Hiện nay, trong lĩnh vực hợp kim titan cao cấp, ở nước ta hiếm có doanh nghiệp nào có thể sản xuất hàng loạt thanh, dây hợp kim titan hàng không quân sự, đây là hình thức cạnh tranh “lưỡng quyền”.
1. Chính sách khuyến khích phát triển vật liệu hợp kim titan
Hợp kim titan dùng để chỉ nhiều loại kim loại hợp kim được làm từ titan và các kim loại khác. Nhiều quốc gia trên thế giới đã nhận ra tầm quan trọng của vật liệu hợp kim titan và đã tiến hành nghiên cứu phát triển nó và áp dụng vào thực tế. Trong những năm gần đây, Trung Quốc thường xuyên ban hành các chính sách khuyến khích nghiên cứu phát triển, sản xuất và ứng dụng vật liệu hợp kim titan. Năm 2019, theo thông tin được tiết lộ trong Danh mục hướng dẫn điều chỉnh cơ cấu công nghiệp (Dự thảo 2019), vật liệu cacbua xi măng cấu trúc hỗn hợp siêu mịn, siêu thô, hiệu suất cao và các sản phẩm gia công sâu, vật liệu hợp kim titan mô đun thấp, chống ăn mòn vật liệu hợp kim titan, ốc vít hợp kim titan cho hàng không vũ trụ, v.v. sẽ được liệt kê là các dự án được khuyến khích điều chỉnh cơ cấu công nghiệp.
2. Vật liệu hợp kim titan chủ yếu được sử dụng trong lĩnh vực hàng không vũ trụ và quân sự
Trên thị trường toàn cầu, vật liệu hợp kim titan chủ yếu được sử dụng trong ngành hàng không, công nghiệp quốc phòng và các ngành công nghiệp khác. Trong đó, nhu cầu ứng dụng trong ngành hàng không chiếm khoảng 50%, chủ yếu phục vụ cho việc chế tạo máy bay và động cơ. Trong cơ cấu nhu cầu vật liệu titan ở Trung Quốc, vật liệu chế biến titan chủ yếu được sử dụng trong lĩnh vực hóa chất. Điểm khác biệt quan trọng nhất so với thế giới là ở lĩnh vực hàng không. Vật liệu titan dùng trong hàng không luôn chiếm khoảng 53% tổng nhu cầu vật liệu titan trên thế giới, trong khi tỷ lệ vật liệu titan dùng trong hàng không vũ trụ trong nước chỉ là 20%, cho thấy thị trường titan vẫn còn nhiều tiềm năng Vật liệu được sử dụng trong ngành hàng không ở Trung Quốc
Bản tóm tắt
Titan có nhiều ưu điểm không thể so sánh được của kim loại, với sự tiến bộ của xã hội, sự phát triển của khoa học công nghệ, hợp kim titan và titan sẽ được sử dụng rộng rãi hơn, nhu cầu của con người về titan và hợp kim titan sẽ ngày càng tăng và chi phí sản xuất cao là một trong những nguyên nhân những lý do chính để hạn chế việc quảng bá và sử dụng titan và hợp kim titan. Do đó, việc phát triển và ứng dụng quy trình sản xuất liên tục bảo vệ môi trường sinh thái, quy mô lớn và chi phí thấp có thể làm cho hợp kim titan và titan được sử dụng rộng rãi hơn.
