คุณอาจจะเข้ามาติดต่อกับไทเทเนียมทุกวัน-ในกรอบโทรศัพท์ กรอบแว่นตา รากฟันเทียม และแม้แต่จักรยานที่คุณขี่ แต่คุณอาจไม่ทราบว่าโลหะที่ดูเหมือน "ห่างเหิน" นี้มีคุณสมบัติทางกายภาพและทางกลที่น่าอัศจรรย์สิบประการ ตั้งแต่ส่วนลึกของมหาสมุทรไปจนถึงพื้นผิวดวงจันทร์ ตั้งแต่เครื่องยนต์ของเครื่องบินไปจนถึงโครงกระดูกมนุษย์-อะไรที่ทำให้ไทเทเนียมแพร่หลายขนาดนี้ วันนี้เราจะอธิบายทั้งหมดอย่างละเอียด
I. ความหนาแน่นต่ำ ความแข็งแกร่งเฉพาะสูง: น้ำหนักเบาแต่แข็งแกร่ง
ไทเทเนียมมีความหนาแน่น 4.51 g/cm³ ซึ่งเป็นเพียง 57% ของความหนาแน่นของเหล็ก-มากกว่าครึ่งเล็กน้อย-และน้อยกว่าสองเท่าของอะลูมิเนียม แต่ความแข็งแกร่งของมันก็มากกว่าอะลูมิเนียมถึงสามเท่า สิ่งนี้หมายความว่าอย่างไร? ความแข็งแรงจำเพาะ (ความแข็งแรงหารด้วยความหนาแน่น) ของโลหะผสมไททาเนียมนั้นสูงที่สุดในบรรดาโลหะผสมอุตสาหกรรมที่ใช้กันทั่วไป: 3.5 เท่าของเหล็กกล้าไร้สนิม 1.3 เท่าของโลหะผสมอะลูมิเนียม และ 1.7 เท่าของโลหะผสมแมกนีเซียม กล่าวอีกนัยหนึ่ง สำหรับน้ำหนักที่เท่ากัน โลหะผสมไททาเนียมสามารถรับน้ำหนักได้มากเกินกว่าโลหะอื่นๆ คุณลักษณะนี้เป็น "ความจำเป็นอย่างยิ่ง" ในภาคการบินและอวกาศ ปัจจุบันโลหะผสมไทเทเนียมคิดเป็น 9.3% ของน้ำหนักโครงสร้างของเครื่องบินโดยสารขนาดใหญ่ C919 โดยเครื่องบินแต่ละลำใช้ไทเทเนียมประมาณ 7 เมตริกตัน ไทเทเนียมพบได้ทุกที่ ตั้งแต่ผิวลำตัวไปจนถึงตัวยึดเสาเครื่องยนต์ ตามข้อมูลอุตสาหกรรม ตลาดของจีนสำหรับวัสดุไทเทเนียมระดับไฮเอนด์-ในภาคการบินและอวกาศคาดว่าจะมีมูลค่าถึง 24 พันล้านหยวนภายในปี 2568 ซึ่งคิดเป็นการเพิ่มขึ้น 9.1 เปอร์เซ็นต์-ในช่วงปีที่ผ่านมา{20}}ต่อปี โดยการเพิ่มขึ้นของ-การผลิตจำนวนมากของ C919 เป็นหนึ่งในตัวขับเคลื่อนหลัก ในส่วนของเครื่องยนต์ การใช้โลหะผสมไทเทเนียมในเครื่องยนต์ "Taihang" ที่ผลิตในประเทศมีจำนวนถึง 25 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งเทียบได้กับเครื่องยนต์ US F100
ครั้งที่สอง ทนต่อการกัดกร่อนได้ดีเยี่ยม:
ไทเทเนียม ซึ่งเป็นโลหะ "อมตะ" ในน้ำทะเล มีความต้านทานการกัดกร่อนจาก "เกราะ" ที่มองไม่เห็น-ฟิล์มออกไซด์หนาแน่น (TiO₂) บนพื้นผิว ฟิล์มนี้มีความเสถียรเป็นพิเศษในตัวกลางออกซิไดซ์ สภาพแวดล้อมต่างๆ เช่น น้ำทะเล ก๊าซคลอรีนชื้น คลอไรต์ กรดไนตริก กรดโครมิก และกรดอินทรีย์-ซึ่งทำให้เหล็กธรรมดาเกิดสนิมอย่างรวดเร็ว-ทำให้ไทเทเนียมไม่เสียหายแต่อย่างใด
III. ทนความร้อนได้ดีเยี่ยม:
ยังคงใช้งานได้ที่ 500 องศา อลูมิเนียมอัลลอยด์เริ่ม "ดิ้นรน" ที่ 150 องศา และสแตนเลสจะ "จ่ายออก" เป็นหลักที่ 310 องศา ในขณะที่โลหะผสมไทเทเนียมยังคงสามารถรักษาคุณสมบัติทางกลที่ดีได้ที่ประมาณ 500 องศา เมื่อเครื่องบินมีความเร็วเป็น 2.7 เท่า อุณหภูมิพื้นผิวของลำตัวจะสูงถึง 230 องศา อะลูมิเนียม-โลหะผสมแมกนีเซียมไม่สามารถใช้งานได้อีกต่อไปที่อุณหภูมินี้ แต่โลหะผสมไทเทเนียมสามารถจัดการได้อย่างง่ายดาย ทำให้เป็นวัสดุในอุดมคติสำหรับจานคอมเพรสเซอร์ของเครื่องยนต์เครื่องบิน ใบพัด และผิวหนังลำตัวด้านหลัง โลหะผสมไทเทเนียมอุณหภูมิสูง Ti65-ที่พัฒนาขึ้นในประเทศมีอุณหภูมิการใช้งาน-ในระยะยาวสูงถึง 650 องศา ทำให้เป็นเกรดต้านทาน-อุณหภูมิ-สูงสุดในบรรดาโลหะผสมไทเทเนียมดัดขึ้นรูปในปัจจุบัน GR5 (Ti-6Al-4V) ซึ่งเป็นโลหะผสมไทเทเนียมที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย โดยยังคงความแข็งแกร่งไว้กว่า 80% ของอุณหภูมิที่ต่ำกว่า 400 องศา และคิดเป็นมากกว่า 90% ของส่วนประกอบที่สำคัญในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ
IV. ประสิทธิภาพอุณหภูมิต่ำที่ยอดเยี่ยม-:
มันไม่ "ทำให้คุณผิดหวัง" ที่อุณหภูมิไฮโดรเจนเหลว แม้ว่าโลหะส่วนใหญ่จะเปราะเหมือนแก้วในสภาพแวดล้อมที่อุณหภูมิเยือกแข็ง แต่ไททาเนียมอัลลอยด์บางชนิดก็ต่อต้านแนวโน้มนี้-ความแข็งแรงของพวกมันจะเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิลดลง ในขณะที่ความเหนียวของพวกมันจะลดลงเพียงเล็กน้อยเท่านั้น ทำให้พวกมันสามารถรักษาความเหนียวและความเหนียวที่ดีได้แม้ที่อุณหภูมิต่ำ
V. ไม่ใช่-แม่เหล็ก: ไทเทเนียม "เสื้อคลุมล่องหน" ของเรือดำน้ำเป็นวัสดุพาราแมกเนติกที่มีความสามารถในการซึมผ่านของแม่เหล็กเพียง 1.00005 ทำให้แทบ "มองไม่เห็น" ในสนามแม่เหล็ก คุณสมบัตินี้ทำให้โลหะผสมไทเทเนียมเป็นวัสดุในอุดมคติสำหรับตัวเรือดำน้ำ- ไม่ก่อให้เกิดทุ่นระเบิดแม่เหล็ก และไม่รบกวนอุปกรณ์นำทางที่มีความแม่นยำของเรือ
วี. ค่าการนำความร้อนต่ำ: เปลี่ยนข้อเสียให้เป็นข้อได้เปรียบ ค่าการนำความร้อนของไททาเนียมอยู่ที่ประมาณ 17 W/(m·K)-หนึ่งในห้า-ของเหล็ก หนึ่ง-ของอะลูมิเนียม และหนึ่งใน-ยี่สิบ-ของทองแดง การนำความร้อนต่ำเป็นปัญหาในการตัดเฉือน-ความร้อนสะสมบนเครื่องมือตัดได้ง่าย ส่งผลให้เครื่องมือสึกหรอเร็วขึ้น อย่างไรก็ตาม ในบางสถานการณ์ นี่เป็นข้อได้เปรียบจริงๆ ค่าการนำความร้อนต่ำของไทเทเนียมทำให้สามารถใช้งานได้เป็นเลิศในการใช้งานที่ต้องการฉนวนกันความร้อนหรือลดการสูญเสียความร้อน เช่น ส่วนประกอบฉนวนความร้อนในอุปกรณ์แปรรูปทางเคมีบางชนิด ในเวลาเดียวกัน แม้ว่าเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนไททาเนียมอัลลอยด์จะมีค่าการนำความร้อนต่ำกว่าทองแดง แต่ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนสามารถสูงถึง 800–1,200 W/(m²· องศา ) ผ่าน-โครงสร้างบาดแผลแบบเกลียวและการรักษาพื้นผิวระดับไมโคร- และนาโน- เมื่อรวมเข้ากับความต้านทานการกัดกร่อนที่ยอดเยี่ยมแล้ว พวกมันจึงมีอัตราส่วนต้นทุนโดยรวมที่ดีกว่า-มากเมื่อเทียบกับอุปกรณ์แบบเดิมในสภาพแวดล้อมที่มีการกัดกร่อนสูง เช่น การผลิตคลอ{-อัลคาไลและการแยกเกลือออกจากน้ำทะเล
ปกเกล้าเจ้าอยู่หัว โมดูลัสความยืดหยุ่นต่ำ: ความแข็งครึ่งหนึ่ง มูลค่าเฉพาะ- ไทเทเนียมมีโมดูลัสความยืดหยุ่นประมาณ 108 GPa ซึ่งคิดเป็นเหล็กเพียง 55% และประมาณครึ่งหนึ่งของเหล็ก เนื่องจากเป็นวัสดุโครงสร้าง โมดูลัสความยืดหยุ่นต่ำจึงหมายถึงความแข็งแกร่งที่ลดลงและความไวต่อการเสียรูปมากขึ้น ซึ่งต้องได้รับการดูแลเป็นพิเศษเมื่อผลิตแท่งเรียวและส่วนประกอบที่มีผนังบาง-
8. ความต้านแรงดึงและกำลังรับแรงดึงใกล้เคียงกัน: แทบ "ไม่มีการประนีประนอม" เมื่อใช้ GR5 (Ti-6Al-4V) เป็นตัวอย่าง ความต้านทานแรงดึงในสภาวะอบอ่อนจะอยู่ที่ประมาณ 960 MPa และความแข็งแรงของผลผลิตจะอยู่ที่ประมาณ 892 MPa ซึ่งต่างกันเพียง 68 MPa ในทางตรงกันข้าม เหล็กกล้าไร้สนิม 18-8 มีความต้านทานแรงดึง 608 MPa และความแข็งแรงของผลผลิตเพียง 294 MPa ซึ่งต่างกันมากกว่า 300 MPa
ยิ่งกำลังครากของผลผลิตใกล้เคียงกับความต้านทานแรงดึงมากเท่าใด "โซนบัฟเฟอร์" ระหว่างการเริ่มต้นของการเสียรูปของพลาสติกและการแตกหัก-ในการออกแบบทางวิศวกรรมก็จะยิ่งเล็กลง ซึ่งจะทำให้-ความสามารถในการรับน้ำหนักของส่วนประกอบโลหะผสมไทเทเนียมสามารถนำไปใช้ได้อย่างเต็มที่มากขึ้น หลีกเลี่ยงสถานการณ์ที่น่าอึดอัดใจซึ่งการเสียรูปจะเกิดขึ้นก่อนที่วัสดุจะถึงขีดจำกัด เทคโนโลยีการผลิตแบบเติมเนื้อช่วยเพิ่มข้อได้เปรียบนี้: ชิ้นงานทดสอบ GR5 ที่ผลิตผ่านการหลอมลำอิเล็กตรอน (EBM) สามารถรับค่าความแข็งแรงครากได้สูงถึง 1,120 MPa และความต้านทานแรงดึง 1,209 MPa ในขณะที่ยังคงรักษาการยืดตัวไว้ที่ 11.1%
ทรงเครื่อง มีแนวโน้มที่จะเกิดออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูง: ต้องมี "การจัดการอย่างระมัดระวัง"-ไทเทเนียมมีความสัมพันธ์กับออกซิเจน ไนโตรเจน และไฮโดรเจนอย่างมาก ที่อุณหภูมิสูง ไททาเนียมจะดูดซับองค์ประกอบของก๊าซเหล่านี้อย่างรวดเร็ว ทำให้เกิดชั้นแข็งที่พื้นผิว (" ชั้น") และความเป็นพลาสติกลดลง ดังนั้นการเชื่อมไทเทเนียมจะต้องดำเนินการภายใต้การป้องกันอาร์กอน ท่อไทเทเนียมและแผ่นบางต้องผ่านการบำบัดความร้อนในสุญญากาศ และการบำบัดความร้อนของการตีขึ้นรูปไทเทเนียมจำเป็นต้องมีการควบคุมบรรยากาศออกซิไดซ์อย่างเข้มงวดอย่างเข้มงวด ไฮโดรเจนคือ "ศัตรูอันดับหนึ่ง" ของไทเทเนียม-เมื่อไทเทเนียมดูดซับไฮโดรเจน จะทำให้เกิดการแตกตัวของไฮโดรเจน ซึ่งนำไปสู่การแตกหักล่าช้า ในทางอุตสาหกรรม ปัญหานี้ได้รับการแก้ไขด้วยการกำจัดปริมาณไฮโดรเจนผ่านการหลอมแบบสุญญากาศ (ที่ประมาณ 700 องศา) ในสภาพแวดล้อมที่มีความดันสูง-ในทะเลลึก{- การต้านทานต่อการแตกตัวของไฮโดรเจนเป็นเกณฑ์สำคัญในการเลือกใช้วัสดุ โลหะผสมไทเทเนียมที่ออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับการใช้งานทางเรือ เช่น Ti80 และ Ti180 จะต้องปราศจากการแตกร้าวที่เกิดจากการแตกตัวของไฮโดรเจน{13}}ภายใต้แรงดันน้ำทะเลลึก-ที่ 30 MPa
10. การหน่วงเสียงต่ำ: ความลับเบื้องหลังเสียงสะท้อนที่ค้างอยู่-เมื่อระฆังทองแดง เหล็ก และไทเทเนียมที่มีรูปร่างและขนาดเท่ากันทุกประการถูกกระแทกด้วยแรงที่เท่ากัน กระดิ่งไทเทเนียมจะสร้างเสียง-ที่ยาวนานที่สุด เนื่องจากไทเทเนียมมีการสูญเสียภายในต่ำและมีการหน่วงต่ำ-พลังงานที่ได้รับจากการกระแทกจึงไม่กระจายไปได้ง่ายผ่านกลไกระดับจุลภาคภายในวัสดุ
อีเมล:garychen3215@hotmail.com
ที่อยู่: No.35, Baoti Rd, เมือง Baoji, มณฑลส่านซี, จีน
ติดต่อ: นายแกรี่เฉิน
โทรศัพท์: +86-917-8883215
มือถือ/WhatsApp: +86 13092900605
