Titan ist ein Element mit der Ordnungszahl 22 im Periodensystem und ein Nebengruppenelement im vierten Zyklus, nämlich der IVB-Gruppe. Zu dieser Elementgruppe zählen neben Titan auch Zirkonium und Hafnium. Ihr gemeinsames Merkmal ist der hohe Schmelzpunkt, der bei Raumtemperatur einen stabilen Oxidfilm auf seiner Oberfläche bildet.

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Die zehn Eigenschaften von Titan

1. Geringe Dichte, hohe Festigkeit und hohe spezifische Festigkeit

Die Dichte von Titan beträgt 4,51 g/cm3, was 57 % der Dichte von Stahl entspricht. Titan ist weniger als doppelt so schwer wie Aluminium und dreimal stärker als Aluminium. Die spezifische Festigkeit (Festigkeits-/Dichteverhältnis) der Titanlegierung ist die größte unter den üblicherweise verwendeten Industrielegierungen (siehe Tabelle 1). Die spezifische Festigkeit einer Titanlegierung beträgt das 3,5-fache der von Edelstahl, das 1,3-fache der einer Aluminiumlegierung und das 1,7-fache der einer Magnesiumlegierung, was sie zu einem unverzichtbaren Strukturmaterial in der Luft- und Raumfahrtindustrie macht.

Tabelle 1. Vergleich der Dichte und spezifischen Festigkeit zwischen Titan und anderen Metallen

2. Ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit

Die Passivität von Titan hängt vom Vorhandensein eines Oxidfilms ab und seine Korrosionsbeständigkeit in oxidierenden Medien ist viel besser als in reduzierenden Medien. In reduzierenden Medien tritt Korrosion mit hoher Geschwindigkeit auf. Titan korrodiert in einigen korrosiven Medien wie Meerwasser, feuchtem Chlorgas, Chlorit- und Hypochloritlösungen, Salpetersäure, Chromsäure, Metallchloriden, Sulfiden und organischen Säuren nicht. Wenn der Säure jedoch eine kleine Menge Oxidationsmittel zugesetzt wird, bildet sich auf der Titanoberfläche ein Passivierungsfilm. Daher ist Titan in einer Mischung aus starker Schwefelsäure, Salpetersäure oder Salzsäure und sogar in Salzsäure, die freies Chlor enthält, korrosionsbeständig. Der schützende Oxidfilm von Titan bildet sich oft, wenn das Metall mit Wasser in Kontakt kommt, selbst in kleinen Mengen Wasser oder Dampf. Wenn Titan einer stark oxidierenden Umgebung völlig ohne Wasser ausgesetzt wird, oxidiert es schnell und löst heftige Reaktionen aus, die oft sogar zu einer Selbstentzündung führen. Dieses Phänomen trat bei der Reaktion zwischen Titan und rauchender Salpetersäure mit überschüssigem Stickoxid sowie zwischen Titan und trockenem Chlorgas auf. Um das Auftreten solcher Reaktionen zu verhindern, muss Wasser beteiligt sein.

3. Gute Hitzebeständigkeit

Normalerweise verliert Aluminium seine ursprünglichen Eigenschaften bei 150 °C, Edelstahl verliert seine ursprünglichen Eigenschaften bei 310 °C, während Titanlegierungen bei etwa 500 °C immer noch gute mechanische Eigenschaften behalten. Wenn die Flugzeuggeschwindigkeit das 2,7-fache der Schallgeschwindigkeit erreicht, erreicht die Oberflächentemperatur der Flugzeugstruktur 230 °C und Aluminium- und Magnesiumlegierungen können nicht mehr verwendet werden, während Titanlegierungen die Anforderungen erfüllen können. Titan weist eine gute Hitzebeständigkeit auf und wird für die Scheiben und Schaufeln von Flugzeugtriebwerkskompressoren sowie für die Haut des hinteren Flugzeugrumpfs verwendet.

4. Gute Leistung bei niedrigen Temperaturen

Die Festigkeit bestimmter Titanlegierungen (z. B. Ti-5AI-2,5SnELI) nimmt mit sinkender Temperatur zu, die Plastizität nimmt jedoch nicht wesentlich ab. Sie weisen auch bei niedrigen Temperaturen noch eine gute Duktilität und Zähigkeit auf und eignen sich für den Einsatz bei extrem niedrigen Temperaturen. Es kann in Raketentriebwerken mit trockenem Flüssigwasserstoff und Flüssigsauerstoff oder als Ultratieftemperaturbehälter und Lagertanks in bemannten Raumfahrzeugen eingesetzt werden.

5. Nicht magnetisch

Titan ist nicht magnetisch und führt bei Verwendung in U-Boot-Granaten nicht zur Explosion von Minen.

6.Geringe Wärmeleitfähigkeit

Der Vergleich der Wärmeleitfähigkeit zwischen Titan und anderen Metallen ist in Tabelle 2 dargestellt. Titan hat eine geringe Wärmeleitfähigkeit, nur 1/5 von Stahl, 1/13 von Aluminium und 1/25 von Kupfer. Die schlechte Wärmeleitfähigkeit ist ein Nachteil von Titan, in bestimmten Situationen kann diese Eigenschaft von Titan jedoch zu einem besonderen Anwendungsvorteil werden.

 Tabelle 2. Vergleich der WÄRMELEITUNG zwischen Titan und anderen Metallen

7. Niedriger Elastizitätsmodul

Der Vergleich des Elastizitätsmoduls zwischen Titan und anderen Metallen ist in Tabelle 3 dargestellt. Der Elastizitätsmodul von Titan beträgt nur 55 % des Elastizitätsmoduls von Stahl, was bei der Verwendung als Strukturmaterial ein Nachteil ist.

Tisch 3. Vergleich von ELASTISCHER MODUL zwischen Titan und anderen Metallen

8. Die Zugfestigkeit liegt sehr nahe an der Streckgrenze

Die Zugfestigkeit der Titanlegierung Ti-6AI-4V beträgt 960 MPa, die Streckgrenze 892 MPa und der Unterschied zwischen den beiden beträgt nur 58 MPa, wie in Tabelle 4 gezeigt.

Tabelle 4. Vergleich der Zugfestigkeit und Streckgrenze zwischen Titan und anderen Metallen

9. Titan oxidiert bei hohen Temperaturen leicht

Titan hat eine starke Bindungskraft mit Wasserstoff und Sauerstoff, daher sollte bei der Verwendung darauf geachtet werden, Oxidation und Wasserstoffaufnahme zu verhindern. Das Schweißen von Titan sollte unter Argonschutz durchgeführt werden, um eine Kontamination zu verhindern. Titanrohre und dünne Platten müssen unter Vakuum wärmebehandelt werden, und die Wärmebehandlung von Titanschmiedestücken sollte die mikrooxidierende Atmosphäre kontrollieren.

10. Geringe Dämpfungsleistung

Durch die Verwendung von Titan und anderen Metallmaterialien (Kupfer, Stahl) zur Herstellung von Uhren mit genau derselben Form und Größe und durch Schlagen jeder Uhr mit der gleichen Kraft wird deutlich, dass Uhren aus Titan über einen langen Zeitraum schwingen, was bedeutet, dass die der Uhr zugeführte Energie durch Schlagen wird nicht leicht abgebaut. Daher sagen wir, dass Titan eine geringe Dämpfungsleistung hat.

Drei besondere Funktionen von Titan

1.Formgedächtnisfunktion

Es bezieht sich auf die Fähigkeit einer Ti-50 % Ni-Legierung (Atomlegierung), unter bestimmten Temperaturbedingungen ihre ursprüngliche Form wiederherzustellen, und wird als Formgedächtnislegierung bezeichnet.

2. Supraleitende Funktion

Es bezieht sich auf eine Nb-Ti-Legierung. Sinkt die Temperatur auf nahezu den absoluten Nullpunkt, verliert der Draht aus der Nb-Ti-Legierung seinen Widerstand. Ein großer Strom, der durch den Draht fließt, erzeugt keine Wärme und es entsteht kein Energieverbrauch. Nb-Ti wird als supraleitendes Material bezeichnet.

3. Wasserstoffspeicherfunktion

Es handelt sich um eine Ti-50 % Fe-Legierung (Atomlegierung), die die Fähigkeit besitzt, eine große Menge Wasserstoffgas zu absorbieren. Durch die Nutzung dieser Eigenschaft von TiFe kann Wasserstoff sicher gespeichert werden, was bedeutet, dass die Wasserstoffspeicherung nicht unbedingt den Einsatz von Hochdruckstahlflaschen erfordert. Unter bestimmten Bedingungen kann TiFe auch Wasserstoff freisetzen, der als Energiespeichermaterial bekannt ist.