เทคโนโลยีใหม่ การใช้งานใหม่ และสถานะการพัฒนาของไทเทเนียมและโลหะผสมไทเทเนียม

ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับคุณสมบัติของไทเทเนียมและโลหะผสมไทเทเนียม

1.1 ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับไทเทเนียม

ไทเทเนียมเป็นวัสดุชนิดใหม่ซึ่งมีข้อดีคือมีความหนาแน่นต่ำ มีความแข็งแรงจำเพาะสูง ทนความร้อน และทนต่อการกัดกร่อน มันมีน้ำหนักเพียงครึ่งหนึ่งของเหล็ก แต่คุณสมบัติทางกล เช่น การตอกและการดึง นั้นเทียบได้กับทองแดง โดยทั่วไปแล้ว เมื่ออุณหภูมิลดลง ความต้านทานของโลหะจะลดลง แต่ในทางกลับกัน ไททาเนียมยิ่งอุณหภูมิต่ำลง ไททาเนียมก็จะแข็งขึ้นเรื่อยๆ และความเป็นตัวนำยิ่งยวดจะปรากฏขึ้นเมื่อถึงอุณหภูมิวิกฤต

1.2 ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับโลหะผสมไทเทเนียม

โลหะผสมไททาเนียมและไททาเนียมมีลักษณะคล้ายคลึงกันในระดับหนึ่ง โดยมีลักษณะของความหนาแน่นต่ำและมีความแข็งแรงสูง นอกเหนือจากคุณสมบัติทางกลที่ยอดเยี่ยมแล้ว ยังมีความต้านทานการกัดกร่อนที่แข็งแกร่งอีกด้วย นอกจากนี้ความแข็งแรงทางความร้อนยังสูงซึ่งดีกว่าอลูมิเนียมอัลลอยด์อย่างเห็นได้ชัด ในเวลาเดียวกัน คุณสมบัติทางกลมีการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยที่อุณหภูมิต่ำและอุณหภูมิต่ำมาก

เทคโนโลยีใหม่และการประยุกต์ใช้ไทเทเนียม

2.1 วิธีการเตรียมไทเทเนียม

แม้ว่าไทเทเนียมจะมีอยู่ค่อนข้างมากในธรรมชาติ แต่ก็เป็นโลหะหายากเช่นกันเนื่องจากมีการกระจายตัวและสกัดได้ยาก ปัจจุบันการเตรียมไทเทเนียมแบ่งออกเป็นสองประเภท: วิธีลดความร้อนและวิธีอิเล็กโทรไลซิสเกลือหลอมเหลว

(1) ไทเทเนียมถูกเตรียมโดยวิธีลดความร้อน

วิธีการลดความร้อนอยู่ที่อุณหภูมิที่กำหนด การใช้ Li, Na, Mg, Ca และไฮไดรด์ของมันและตัวรีดิวซ์แรงอื่น ๆ ไทเทเนียมจากสารประกอบไทเทเนียมเช่นการลด TiCl4, TiO2, K2TiF6 ตามสารประกอบไทเทเนียมที่แตกต่างกัน เทคโนโลยีการเตรียมไทเทเนียมโดยการลดความร้อนสามารถแบ่งออกเป็นสามประเภท:

1 วิธีไทเทเนียมคลอไรด์รีดอกซ์ เช่น วิธี Kroll วิธี Hunter วิธี Armstrong และวิธีการ EMR

2 วิธีรีดอกซ์ของไททาเนียมออกไซด์ เช่น วิธี OS, กระบวนการ PRP, วิธี MHR เป็นต้น

3 วิธีรีดอกซ์ของไททาเนต

ปัจจุบันมีเพียงวิธี Kroll และวิธี Hunter เท่านั้นที่สามารถนำไปใช้ในการผลิตทางอุตสาหกรรมได้สำเร็จ วิธีโครลล์ใช้แมกนีเซียมเพื่อแทนที่ไททาเนียมจากคลอไรด์ และวิธีฮันเตอร์ใช้โลหะโซเดียมเพื่อแทนที่ไททาเนียมจากคลอไรด์ นอกจากนี้ บริษัทผงไทเทเนียมระหว่างประเทศของชิคาโก้ในชิคาโกได้พัฒนาวิธีการของอาร์มสตรอง วิธีการเตรียมคล้ายกับวิธีฮันเตอร์ และยังใช้โซเดียมตัวรีดิวซ์เพื่อทำให้โลหะไทเทเนียมบริสุทธิ์ สหรัฐอเมริกาใช้วิธีนี้ในขั้นตอนก่อนการผลิตในโรงงานอยู่แล้ว

(2) การเตรียมไทเทเนียมโดยอิเล็กโทรลิซิสเกลือหลอมเหลว

ในปีพ.ศ. 2502 Kroll คาดการณ์ว่ากระบวนการอิเล็กโตรไลซิสของเกลือหลอมเหลวจะมาแทนที่ Kroll ซึ่งเป็นวิธีหลักในการผลิตไทเทเนียมภายในห้าถึงสิบปีข้างหน้า ในช่วงหลายปีที่ผ่านมา สถาบันวิจัยและห้องปฏิบัติการทั้งในและต่างประเทศได้พัฒนาเทคโนโลยีใหม่มากกว่าหนึ่งโหลสำหรับการเตรียมไทเทเนียมด้วยอิเล็กโทรลิซิสเกลือหลอมเหลว ซึ่งสามารถแบ่งออกเป็นสามประเภทต่อไปนี้ตามวัตถุดิบ:

1 กระแสไฟฟ้าของไททาเนต

(2) อิเล็กโทรไลซิสของไทเทเนียมคลอไรด์

3 วิธีอิเล็กโทรไลต์ของไททาเนียมออกไซด์ รวมถึงวิธี FFC Cambridge, กระบวนการ MER, วิธี USTB, กระบวนการ QIT, วิธี SOM และวิธีการอิเล็กโทรไลต์ของเหลวไอออนิก ฯลฯ

2.2 การใช้ไทเทเนียมแบบใหม่

นับตั้งแต่ทศวรรษ 1940 การใช้ไทเทเนียมได้รับการพัฒนาอย่างรวดเร็ว และมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในเครื่องบิน จรวด ขีปนาวุธ ดาวเทียม ยานอวกาศ เรือ อุตสาหกรรมการทหาร การรักษาพยาบาล และสาขาปิโตรเคมี การวิจัยล่าสุดพบว่าร่างกายมนุษย์มีไทเทเนียมอยู่จำนวนหนึ่ง ไทเทเนียมจะกระตุ้นเซลล์ phagocytic สามารถเสริมสร้างการทำงานของระบบภูมิคุ้มกันได้ ดังนั้นห้องปฏิบัติการจำนวนมากจึงมุ่งมั่นที่จะพัฒนาและประยุกต์ใช้ไทเทเนียมทางชีวภาพ

เทคโนโลยีใหม่และการประยุกต์ใช้โลหะผสมไทเทเนียม

3.1 วิธีการเตรียมโลหะผสมไทเทเนียม

การประมวลผลแบบดั้งเดิมของโลหะผสมไทเทเนียมโดยทั่วไปใช้เทคโนโลยีการถลุงและการหล่อ เทคโนโลยีการประมวลผลล่าสุดแบ่งออกเป็นดังต่อไปนี้:

(1) ใกล้เทคโนโลยีการปั้นสุทธิ

(2) เทคโนโลยีการเชื่อมด้วยแรงเสียดทานแบบเส้น

(3) เทคโนโลยีการขึ้นรูปพลาสติกซุปเปอร์

(4) เทคโนโลยีการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์สำหรับการเตรียมวัสดุและกระบวนการแปรรูป

เทคโนโลยีการขึ้นรูปแบบ Near net ได้แก่ การขึ้นรูปแบบเลเซอร์ การหล่อแบบแม่นยำ การตีขึ้นรูปแบบแม่นยำ ผงโลหะ การขึ้นรูปแบบเจ็ท และวิธีการอื่นๆ ผงโลหะคือการใช้ผงไทเทเนียมหรือผงโลหะผสมไทเทเนียมเป็นวัตถุดิบ หลังจากการปั้นและการเผาผนึก เพื่อผลิตชิ้นส่วนไทเทเนียมของกระบวนการใหม่ ประการแรกคือการผลิตผง โดยทั่วไปใช้วิธีการผสมเชิงกล โดยใช้เครื่องบดลูกกลมเพื่อส่งผลกระทบอย่างรุนแรง บดและกวนวัตถุดิบ จากนั้นโลหะผสมที่ก่อตัวเป็นผงจะถูกกดและขึ้นรูป การอัดขึ้นรูปมี 2 วิธี คือ การขึ้นรูปด้วยแรงดัน และการขึ้นรูปโดยไม่ใช้แรงดัน จุดประสงค์ของขั้นตอนนี้คือการสร้างรูปร่างและขนาดของเอ็มบริโอที่ถูกกดทับ และทำให้มีความหนาแน่นและแข็งแรงในระดับหนึ่ง จากนั้นในการเผาผนึกพลาสมาแบบปล่อยพลาสซึม การใช้การเจาะแม่พิมพ์บนและล่างและอิเล็กโทรดไฟฟ้าจะเป็นแหล่งจ่ายไฟการเผาผนึกเฉพาะและแรงดันกดที่ใช้กับผงเผาผนึก หลังจากเปิดใช้งานการปลดปล่อย การเปลี่ยนรูปเทอร์โมพลาสติกและการระบายความร้อน เพื่อให้การเตรียมการเสร็จสมบูรณ์ วัสดุไทเทเนียมประสิทธิภาพสูง จากนั้นนำโลหะผสมไททาเนียมเผาพลาสมาเพื่อการบำบัดในภายหลัง โดยทั่วไปการให้ความร้อนหรือการแปรรูปพลาสติก

3.2 การใช้โลหะผสมไทเทเนียมแบบใหม่

โลหะผสมไทเทเนียมถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านการบินและอวกาศในช่วงแรก ๆ โดยส่วนใหญ่ในการผลิตเครื่องยนต์อากาศยานหรือส่วนประกอบเกี่ยวกับนิวแมติก ต่อมา ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีอย่างต่อเนื่อง โลหะผสมไทเทเนียมได้เข้ามาในชีวิตของคนทั่วไป ในโรงงานหรืออุปกรณ์ในบ้านก็มีรูปโลหะผสมไทเทเนียมเช่นกัน ขณะนี้ประเทศและสถาบันต่าง ๆ กำลังแย่งชิงเพื่อพัฒนาโลหะผสมไทเทเนียมใหม่ เพื่อให้มีลักษณะต้นทุนต่ำและประสิทธิภาพสูง การพัฒนาโลหะผสมไทเทเนียมใหม่ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาส่วนใหญ่เข้มข้นในห้าด้านต่อไปนี้

(1) โลหะผสมไทเทเนียมทางการแพทย์

โลหะผสมไทเทเนียมที่มีความหนาแน่นต่ำและมีความเข้ากันได้ทางชีวภาพที่ดีเป็นวัสดุทางการแพทย์ในอุดมคติและยังสามารถฝังลงในร่างกายมนุษย์ได้ โลหะผสมไทเทเนียมที่เคยใช้ในวงการแพทย์ประกอบด้วยวาเนเดียมและอะลูมิเนียม ซึ่งอาจเป็นอันตรายต่อร่างกายมนุษย์ได้ แต่ในอนาคตอันใกล้นี้นักวิชาการชาวญี่ปุ่นได้พัฒนาโลหะผสมไทเทเนียมชนิดใหม่ที่มีความเข้ากันได้ทางชีวภาพที่ดี แต่โลหะผสมดังกล่าวยังไม่ได้มีการผลิตเป็นจำนวนมาก เชื่อกันว่าในอนาคตอันใกล้นี้โลหะผสมคุณภาพสูงดังกล่าวสามารถนำไปใช้กันอย่างแพร่หลาย ในชีวิตประจำวัน

(2) โลหะผสมไทเทเนียมสารหน่วงไฟ

โลหะผสมฐานไทเทเนียมที่สามารถต้านทานการเผาไหม้ภายใต้ความดัน อุณหภูมิ และอัตราการไหลของอากาศที่แน่นอนคือโลหะผสมไทเทเนียมที่หน่วงไฟ สหรัฐอเมริกา รัสเซีย และจีนได้พัฒนาโลหะผสมไทเทเนียมต้านทานใหม่ โดยสหรัฐอเมริกาจะใช้โลหะผสมไทเทเนียมต้านทานเหล่านี้กับเครื่องยนต์ เนื่องจากโลหะผสมไทเทเนียมเหล่านี้ไม่ไวต่อการเผาไหม้ จึงสามารถปรับปรุงเสถียรภาพของเครื่องยนต์ได้อย่างมาก

(3) ประเภทที่มีความแข็งแรงและความเหนียวสูง

โลหะผสมไททาเนียมชนิดมีคุณลักษณะความแข็งแรงสูง เชื่อมได้ดี และประสิทธิภาพการทำงานทั้งเย็นและร้อนดีเยี่ยม นักวิจัยใช้กฎหมายนี้ การเตรียมลักษณะโลหะผสมไททาเนียมประเภทนั้นชัดเจนมาก: ประสิทธิภาพการทำงานที่ดีในที่ร้อน, ความเป็นพลาสติกที่ดี, ประสิทธิภาพการเชื่อมที่ดี และคุณสมบัติทางกลได้รับการปรับปรุงอย่างมากหลังการบำบัดด้วยสารละลาย ปัจจุบันญี่ปุ่นและรัสเซียได้เตรียมโลหะผสมไทเทเนียมดังกล่าวแล้ว

(4) สารประกอบไทเทเนียมและอลูมิเนียม

เมื่อเปรียบเทียบกับโลหะผสมไททาเนียมทั่วไป สารประกอบอลูมิเนียมไททาเนียมมีประสิทธิภาพการทำงานที่อุณหภูมิสูงได้ดี ทนต่อการเกิดออกซิเดชันและความต้านทานการคืบคลานได้ดี และมีความหนาแน่นน้อยกว่าโลหะผสมไททาเนียมทั่วไป ลักษณะพิเศษที่ยอดเยี่ยมเหล่านี้ถูกกำหนดให้เป็นสารประกอบ Ti - Al ที่จะทำให้เกิดบูมโลหะผสมแบบใหม่ โลหะผสมไทเทเนียม - อะลูมิเนียมชนิดใหม่ได้รับการสังเคราะห์ในสหรัฐอเมริกาและอยู่ระหว่างการผลิตจำนวนมาก

(5) โลหะผสมไทเทเนียมอุณหภูมิสูง

ด้วยการรวมวิธีการแข็งตัวอย่างรวดเร็วและวิธีการโลหะผสมผง โลหะผสมไททาเนียมที่เตรียมด้วยเส้นใยหรือคอมโพสิตเสริมแรงอนุภาคจึงมีลักษณะทางกลที่อุณหภูมิสูงได้ดีเยี่ยม ขีดจำกัดอุณหภูมิของโลหะผสมไททาเนียมอุณหภูมิสูงนั้นสูงกว่าโลหะผสมไททาเนียมธรรมดามาก ปัจจุบันสหรัฐอเมริกาได้เตรียมโลหะผสมไทเทเนียมอุณหภูมิสูงชนิดใหม่

(6) โลหะผสมนิกเกิลไทเทเนียม

โลหะผสมของไทเทเนียมและนิกเกิลหรือที่เรียกว่า "โลหะผสมหน่วยความจำ" จะถูกสร้างเป็นรูปร่างที่กำหนดไว้ล่วงหน้า หลังจากขึ้นรูปแล้ว หากถูกเปลี่ยนรูปโดยแรงภายนอก ก็สามารถทำให้กลับคืนสู่สภาพเดิมได้โดยใช้ความร้อนเล็กน้อย โลหะผสมนี้สามารถนำไปใช้ในด้านต่างๆ เช่น เครื่องมือวัดและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

สถานะปัจจุบันของการพัฒนาวัสดุโลหะผสมไทเทเนียมในประเทศจีน

โลหะผสมไทเทเนียมหมายถึงโลหะผสมหลายชนิดที่ทำจากไทเทเนียมและโลหะอื่นๆ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา จีนได้ออกนโยบายเพื่อส่งเสริมการวิจัยและพัฒนา การผลิต และการประยุกต์ใช้วัสดุโลหะผสมไทเทเนียมบ่อยครั้ง ในตลาดโลก วัสดุโลหะผสมไทเทเนียมส่วนใหญ่จะใช้ในอุตสาหกรรมการบิน อุตสาหกรรมการป้องกันประเทศ และอุตสาหกรรมอื่นๆ ความต้องการใช้งานในอุตสาหกรรมการบินมีสัดส่วนประมาณ 50% ส่วนใหญ่มาจากการผลิตเครื่องบินและเครื่องยนต์ ในโครงสร้างความต้องการวัสดุไทเทเนียมในประเทศของเรา วัสดุแปรรูปไทเทเนียมส่วนใหญ่จะใช้ในอุตสาหกรรมเคมี และสัดส่วนของวัสดุไทเทเนียมที่ใช้ในการบินและอวกาศในประเทศมีเพียง 20% บ่งชี้ว่ามีศักยภาพที่ดีในตลาดไทเทเนียม วัสดุที่ใช้ในการบินในประเทศของเรา ในปัจจุบัน ในด้านโลหะผสมไทเทเนียมระดับไฮเอนด์ มีองค์กรไม่กี่แห่งที่สามารถผลิตแกนและลวดโลหะผสมไทเทเนียมการบินทางทหารจำนวนมากในประเทศของเรา ซึ่งเป็นรูปแบบการแข่งขันแบบ "duopoly"

1. นโยบายส่งเสริมการพัฒนาวัสดุโลหะผสมไทเทเนียม

โลหะผสมไทเทเนียมหมายถึงโลหะผสมหลายประเภทที่ทำจากไทเทเนียมและโลหะอื่นๆ หลายประเทศทั่วโลกตระหนักถึงความสำคัญของวัสดุโลหะผสมไทเทเนียม และได้ดำเนินการวิจัยและพัฒนาและนำไปใช้ในทางปฏิบัติ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา จีนได้ออกนโยบายเพื่อส่งเสริมการวิจัยและพัฒนา การผลิต และการประยุกต์ใช้วัสดุโลหะผสมไทเทเนียมบ่อยครั้ง ในปี 2019 ตามข้อมูลที่เปิดเผยในแค็ตตาล็อกคำแนะนำสำหรับการปรับโครงสร้างอุตสาหกรรม (ร่างปี 2019) วัสดุซีเมนต์คาร์ไบด์ที่มีโครงสร้างละเอียดพิเศษ หยาบเป็นพิเศษ ประสิทธิภาพสูงและผลิตภัณฑ์แปรรูปเชิงลึก วัสดุโลหะผสมไทเทเนียมโมดูลัสต่ำ ทนต่อการกัดกร่อน วัสดุโลหะผสมไทเทเนียม ตัวยึดโลหะผสมไทเทเนียมสำหรับการบินและอวกาศ และอื่นๆ จะถูกระบุว่าเป็นโครงการที่ได้รับการสนับสนุนสำหรับการปรับโครงสร้างอุตสาหกรรม

2. วัสดุโลหะผสมไทเทเนียมส่วนใหญ่จะใช้ในการบินและอวกาศและการทหาร

ในตลาดโลก วัสดุโลหะผสมไทเทเนียมส่วนใหญ่จะใช้ในอุตสาหกรรมการบิน อุตสาหกรรมการป้องกันประเทศ และอุตสาหกรรมอื่นๆ ความต้องการใช้งานในอุตสาหกรรมการบินมีสัดส่วนประมาณ 50% ส่วนใหญ่มาจากการผลิตเครื่องบินและเครื่องยนต์ ในโครงสร้างความต้องการของวัสดุไทเทเนียมในประเทศจีน วัสดุแปรรูปไทเทเนียมส่วนใหญ่จะใช้ในสาขาเคมี ความแตกต่างที่สำคัญที่สุดเมื่อเทียบกับโลกคือในด้านการบิน วัสดุไทเทเนียมที่ใช้ในการบินคิดเป็นประมาณ 53% ของความต้องการวัสดุไทเทเนียมทั่วโลกมาโดยตลอด ในขณะที่สัดส่วนของวัสดุไทเทเนียมที่ใช้ในการบินและอวกาศภายในประเทศมีเพียง 20% เท่านั้น บ่งชี้ว่ายังมีศักยภาพที่ดีในตลาดไทเทเนียม วัสดุที่ใช้ในการบินในประเทศจีน

สรุป

ไทเทเนียมมีข้อได้เปรียบที่ไม่มีใครเทียบได้มากมายของโลหะ ด้วยความก้าวหน้าของสังคม การพัฒนาทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ไทเทเนียมและโลหะผสมไทเทเนียมจะถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายมากขึ้น ความต้องการของมนุษย์สำหรับโลหะผสมไทเทเนียมและไทเทเนียมจะเพิ่มขึ้น และต้นทุนการผลิตที่สูงเป็นหนึ่งใน เหตุผลหลักในการจำกัดการส่งเสริมและการใช้ไทเทเนียมและโลหะผสมไทเทเนียม ดังนั้นการพัฒนาและการประยุกต์ใช้กระบวนการผลิตอย่างต่อเนื่องที่มีต้นทุนต่ำ ขนาดใหญ่ และการคุ้มครองสิ่งแวดล้อมในระบบนิเวศสามารถทำให้โลหะผสมไทเทเนียมและไทเทเนียมใช้กันอย่างแพร่หลายมากขึ้น