Yazar: Emre Seymenler - Tarih: 04 Şubat 2023 14:23 - Kategori: Genel

---

Üniversitede yüksek lisans eğitiminde Hafif Metaller isimli bir ders almışsanız yada bir diş implantı yaptırmışsanız, titanyum elementi ile yüzyüze tanışmışsınız demektir. Aslına bakarsanız titanyum kelimesini birçok alanda görmek mümkün. O yüzden bu yazımızda titanyum elementi enine boyuna inceleyeceğiz, titanyum hakkında merak ettiğimiz tüm konuları ve özellikli başlıkları sizler için bir araya getirdik. 

Titanyum Nedir?

Titanyum, periyodik cetvelde "Ti" simgesiyle gösterilen ve atom numarı 22 olan bir elementtir. Titanyumu bu kadar popüler yapan bir iki özelliğini girişte bahsedersek sanırım sizler için daha aydınlatıcı olacaktır. Örneğin titanyum herhangi bir metalik elementin sahip olabileceği en yüksek mukavemet-yoğunluk oranına sahiptir, daha net anlatmak istersek çelik kadar güçlüdür ama çelikten %45 daha hafiftir, başka bir bilindik elementle de kıyaslamak istersek alüminyumdan iki kat daha güçlüdür fakat sadece %60 kadar daha ağırdır. Titanyumun korozyon direnci de aynı derecede dikkate değerdir. Organik asitlere, seyreltik sülfürik ve hidroklorik asitlere, klor gazına ve klorür çözeltilerine karşı dayanıklıdır. Kısacası bu özellikleri, titanyumu sevilen ve özellikli yerlerde tercih edilen bir metal elementi sınıfına sokmuştur. 

Peki titanyum ne zaman keşfedilmiş, nasıl keşfedilmiş birazda bunlara değinelim...

Titanyumun Keşfi

Titanyum 200 yıldan fazladır bilinen bir element çünkü 1791 yılında demir oksit ve titanyum oksit karışımı olan ilmenit olarak bilinen siyah kumun içinde keşfedilmiştir. Farklı kaynaklarda farklı isimler var bunlardan ilk keşfeden kişi Cornwall, Büyük Britanya'dan William Gregor'dur ve daha sonra uranyum, zirkonyum ve seryumu da keşfeden başarılı Alman kimyager Martin Heinrich Klaproth tarafından titanyum olarak adlandırılmıştır. Klaproth titanyuma Yunan mitolojisindeki Titanların adını vermiştir. Titanyum en yaygın olarak cevher halinde bulunur. Saf titanyum 1910 yılında Yeni Zelandalı Matthew Hunter tarafından izole edilmiştir. Hunter, titanyum üretimi için Hunter prosesinin de mucididir. ABD'de General Electric için çalışan M. A. Hunter, titanyum tetraklorür ve sodyum metalini ısıtarak saf titanyum metali elde etti.

Tarihçesini de verdikten sonra Titanyum'un özeliklerini gösterme sırası geldi...

Titanyum'un özellikleri; 

• Atom numarası: 22
• Atomik kütle: 47.867 amu
• Yoğunluk @ 293 K: 4,54 g/cm3
• Erime noktası: 1660°C (1933 K)
• Kaynama noktası: 3287°C (3560 K)
• Kristal yapısı: Altıgen
• Proton/elektron sayısı: 22
• Nötron sayısı: 26

Titanyum Nerelerde Kullanılır

Günümüzde titanyumun %95'i kağıt, boya, plastik ve diş macunu gibi ürünlerde kullanılan çok parlak beyaz bir pigment olan titanyum dioksit üretiminde kullanılmaktadır. Kızılötesi radyasyonun mükemmel bir yansıtıcısıdır ve titanyum-dioksit (TiO2) boyalar güneş gözlemevlerinde kullanılmaktadır.

Titanyum ayrıca biyolojik olarak inert kabul edilir ve ortopedik çubuklar, pimler ve plakalar gibi tıbbi vidalar ve implantların yanı sıra diş implantları ve cerrahi aletler için yaygın olarak kullanılır. Tıpta kullanılan en yaygın titanyum 6AL4V ve 6AL4V ELI, %6 alüminyum ve %4 vanadyumdan yapılmış alaşımlardır.

Titanyum ayrıca, vücudun doğal kemik ve dokusunun metale gerçekten bağlandığı benzersiz bir fenomen olan Osseointegrasyon olarak adlandırılan insan kemiğiyle birleşme konusunda doğuştan gelen bir yeteneğe sahiptir. Bu özelliği onu kalça ve diz protezleri ve cerrahi bağlantı elemanları için ideal bir malzeme haline getirmektedir. Ayrıca, sadece zayıf ferromanyetiktir, bu da titanyum implantlı hastaların MRI ve NMRI ile taranmasına izin verir.

Titanyumun hafifliği ve yüksek mukavemeti onu havacılık ve uzay yapılarında yaygın bir malzeme haline getirmektedir. Uçaklarda motor destekleri, güvenlik duvarları, iniş takımı bileşenleri ve hidrolik boruların yanı sıra jet motorlarının kompresör kanatları, diskleri ve muhafazası olarak kullanılır.

Boeing'e göre, 737 Dreamliner %15 titanyumdan yapılmıştır. Genel olarak, tipik bir ticari jet 3,500-12,000 kg metal kullanır. Titanyum kullanımı uzay araştırmalarını mümkün kılmıştır ve Mercury, Gemini ve Apollo kapsüllerinde yaygın olarak kullanılmıştır. Uzay mekiği, Uluslararası Uzay İstasyonu gibi birçok titanyum parçaya sahiptir. Titanyum ayrıca jet avcı uçakları, füzeler, tanklar, gemiler ve denizaltılar gibi askeri donanımlarda da yaygın olarak kullanılmaktadır.

Titanyum çelik kadar güçlüdür ancak çok daha az yoğundur. Bu nedenle alüminyum, molibden ve demir de dahil olmak üzere birçok metalle alaşım maddesi olarak önemlidir. Bu alaşımlar, düşük yoğunlukları ve aşırı sıcaklıklara dayanma kabiliyetleri nedeniyle golf sopalarında, dizüstü bilgisayarlarda, bisikletlerde ve koltuk değneklerinde de kullanılırlar.

Enerji santrali kondansatörlerinde korozyona karşı dirençleri nedeniyle titanyum borular kullanılır. Titanyum deniz suyunda korozyona karşı mükemmel bir dirence sahip olduğundan, tuzdan arındırma tesislerinde ve gemilerin, denizaltıların ve deniz suyuna maruz kalan diğer yapıların gövdelerini korumak için kullanılır.

Titanyumun en büyük kullanımı titanyum (IV) oksit formundadır. Ev boyalarında, sanatçı boyalarında, plastiklerde, emayelerde ve kağıtlarda pigment olarak yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Mükemmel örtme gücüne sahip parlak beyaz bir pigmenttir. Aynı zamanda kızılötesi radyasyonun iyi bir yansıtıcısıdır ve bu nedenle ısının zayıf görüşe neden olduğu güneş gözlemevlerinde kullanılır.

Titanyum (IV) oksit güneş kremlerinde kullanılır çünkü UV ışığının cilde ulaşmasını engeller. Titanyum(IV) oksit nanopartikülleri cilde uygulandığında görünmez görünür.

Peki, neden bu kadar önemli? En önemli bileşik, dünya çapında kullanılan Ti'nin %95'ini oluşturan TiO2 oksididir. Aslında her yıl 4 milyon ton TiO2 kullanıyoruz, bunun büyük bir kısmı boya ve ilaçlar ve diş macunu gibi parlak beyaz, çözünmez ve toksik olmayan bir şeye ihtiyaç duyan diğer uygulamalar için. Gıda endüstrisinde E171 numaralı katkı maddesidir ve şekerlemeler, peynirler, kremalar ve soslar gibi şeyleri beyazlatmak için kullanılır.

Çok opak bir beyaz olduğu ve UV ışığını emmede çok iyi olduğu için güneş kremlerinde de kullanılır. UV ışığını emme yeteneği TiO2'nin fotokatalist olarak hareket etmesine yardımcı olur. Bu, UV ışığı üzerine düştüğünde, yüzeydeki moleküllerle reaksiyona girerek çok reaktif organik serbest radikaller oluşturan serbest elektronlar ürettiği anlamına gelir. Şimdi bu radikalleri cildinizde istemezsiniz, bu nedenle güneş kremlerinde kullanılan TiO2 koruyucu bir silika veya alümina tabakası ile kaplanır.

Diğer durumlarda, bu radikaller bakterileri öldürebildikleri için iyi bir şey olabilirler. Bilim adamları, TiO2'ye az miktarda nitrojen veya gümüş gibi farklı elementler eklediğinizde, görünür ışık aynı işi göreceğinden UV ışığına gerek olmadığını keşfettiler. TiO2'nin çok ince kaplamalarını cam (ya da fayans gibi diğer maddeler) üzerine koyabilirsiniz; bunlar enfeksiyonları azaltmanın bir yolu olarak hastanelerde test edilmektedir.

Bu tür bir cama su girdiğinde, yayılır, böylece buğulanmaz (araba kanat aynalarını düşünün) ve ayrıca kiri temizler. Bu, Pilkington'ın harika bir İngiliz buluşu olan ActivT kendi kendini temizleyen camının temelidir. Bilim insanları şimdi sakızlardan ve hatta köpek pisliklerinden kurtulmak amacıyla binaların, kaldırımların ve yolların yüzeylerine TiO2 yerleştirmeyi araştırıyor. Ayrıca, araba egzozlarından çıkan hava kirleticilerini temizleyebileceğini düşündükleri için, içinde bir TiO2 tabakası bulunan yol yüzeylerini de test ediyorlar.

Titanyum metali demir kadar ucuz değildir - çünkü çıkarılması daha zordur - bu nedenle uygulamaları özel uygulamalar olma eğilimindedir. Titanyum metalinin çok değerli bazı özellikleri vardır. Pratikte oldukça az reaktiftir çünkü alüminyum gibi ince bir koruyucu oksit tabakası oluşturur, bu nedenle korozyona uğramaz. Yoğunluğu cm3 başına 4,5 gramdır, demirden çok daha azdır, bu nedenle titanyum alaşımları havacılık ve uzay endüstrisinde önemlidir. Dünyanın en hızlı insanlı uçağı olan SR-71 Blackbird'ün büyük bir kısmının yanı sıra 747'ler ve Airbus'lar da dahil olmak üzere büyük yolcu uçaklarının motorlarının ve gövdelerinin önemli bir kısmının yapımında kullanılmıştır.

Bu metal deniz suyuna dayanıklı olduğundan pervane şaftları gibi denizcilik uygulamalarında kullanılır ve Rusların bunu denizaltı yapımında kullandığı söylenir. Titanyum zehirli değildir ve vücut tarafından reddedilmez. Aynı zamanda kemiğe de bağlanır, bu nedenle eklem replasmanları - özellikle kalça eklemleri - ve diş implantları gibi cerrahi uygulamalar bulmuştur.

Titanyum Nasıl Üretilir (Elde Edilir)

İlk titanyum bileşiği, 1791 yılında William Gregor adında Cornishli bir papaz tarafından saf olmayan oksit çıkarıldığında tanımlanmıştır. Asitte çözdü ve renksiz bir çözelti elde etti, ancak mor bir çözelti yapmak için çinko ile indirgenebileceğini buldu. Zamanının ötesinde bir geçiş metali kimyageriydi. Yüz yılı aşkın bir süre boyunca pek çok kimyager saf metali elde etmeye çalıştı. Artık bunun çok zor olduğunu biliyoruz çünkü normalde reaktif olmayan gaz nitrojen bile sıcak titanyum metaliyle reaksiyona girerek nitrür, TiN oluşturuyor.

Günümüzde titanyum Kroll süreci ile üretilmektedir. Önce titanyum dioksiti karbonla birlikte yaklaşık 1000 C dereceye kadar ısıtır ve üzerinden klor geçirirsiniz. Bu TiCl4 yapar. İnsanlar buna "Tickle" diyor. Daha sonra Tickle'ı bir argon örtüsüyle kaplarsınız ve metalik elementi elde etmek için sıcak magnezyumla [850 derece C'de] reaksiyona sokarsınız.

Ticari Olarak Saf Titanyum Sınıfları 

Aşağıda, en sık karşılaşılan titanyum alaşımları ve saf kaliteleri, özellikleri, faydaları ve endüstri uygulamalarına genel bir bakış yer almaktadır. 

Ticari Olarak Saf Titanyum Kaliteleri

1. Sınıf - Grade 1

1.Sınıf (Grade 1) titanyum, ticari olarak saf dört titanyum sınıfından ilkidir. Bu kaliteler arasında en yumuşak ve en sünek olanıdır. En yüksek şekillendirilebilirliğe, mükemmel korozyon direncine ve yüksek darbe tokluğuna sahiptir.

Tüm bu nitelikleri nedeniyle, Grade 1, kolay şekillendirilebilirliğin gerekli olduğu her uygulama için tercih edilen malzemedir ve genellikle titanyum plaka ve boru olarak mevcuttur. Bunlar şunları içerir:

• Kimyasal işleme
• Klorat üretimi
• Boyutsal kararlı anotlar
• Tuzdan Arındırma
• Mimarlık
• Tıp endüstrisi
• Denizcilik endüstrisi
• Otomotiv parçaları
• Gövde yapısı

2. Sınıf - Grade 2

Grade 2 titanyum, çeşitli kullanılabilirliği ve geniş bulunabilirliği sayesinde ticari olarak saf titanyum endüstrisinin "beygiri" olarak adlandırılır. Sınıf 1 titanyum ile aynı niteliklerin çoğunu paylaşır, ancak biraz daha güçlüdür. Her ikisi de eşit derecede korozyona dayanıklıdır.

Bu kalite iyi kaynaklanabilirlik, mukavemet, süneklik ve şekillendirilebilirliğe sahiptir. Bu, Grade 2 titanyum çubuk ve levhayı birçok uygulama alanı için birincil seçim haline getirir:

• Mimari
• Enerji üretimi
• Tıp endüstrisi
• Hidro-karbon işleme
• Denizcilik endüstrisi
• Egzoz borusu örtüleri
• Gövde kaplaması
• Tuzdan Arındırma
• Kimyasal işleme
• Klorat üretimi

3. Sınıf - Grade 3

Bu kalite, ticari olarak saf titanyum kaliteleri arasında en az kullanılanıdır, ancak bu onu daha az değerli yapmaz. Grade 3, Grade 1 ve 2'den daha güçlüdür, süneklik açısından benzerdir ve sadece biraz daha az şekillendirilebilir - ancak öncekilerden daha yüksek mekanik özelliklere sahiptir.

Grade 3, orta düzeyde mukavemet ve büyük korozyon direnci gerektiren uygulamalarda kullanılır. Bunlar şunları içerir:

• Havacılık ve uzay yapıları
• Kimyasal işleme
• Tıp endüstrisi
• Denizcilik endüstrisi

4. Sınıf - Grade 4

Grade 4, ticari olarak saf titanyumun dört sınıfının en güçlüsü olarak bilinir. Ayrıca mükemmel korozyon direnci, iyi şekillendirilebilirliği ve kaynaklanabilirliği ile bilinir.

Normalde aşağıdaki endüstriyel uygulamalarda kullanılmasına rağmen, Grade 4 son zamanlarda tıbbi sınıf titanyum olarak bir niş bulmuştur. Yüksek mukavemetin gerekli olduğu uygulamalarda gereklidir:

• Uçak gövdesi bileşenleri
• Kriyojenik kaplar
• Isı eşanjörleri
• CPI ekipmanı
• Kondansatör boruları
• Cerrahi donanım

Titanyum Alaşımları Nelerdir? Çeşitleri (Sınıfları - Gradeleri) Nelerdir?

Saf titanyum güçlüdür ve korozyona dayanıklıdır. Titanyum alaşımları aynı gücü ve korozyon direncini korur, ancak birleştirildiği metalin daha fazla esnekliğini ve işlenebilirliğini alır. Titanyum alaşımları, bu nedenle, saf titanyumdan daha fazla uygulama alanına sahiptir. Altı saf titanyum sınıfı (1,2,3,4,7 ve 11. sınıflar - grades) ve 4 çeşit titanyum alaşımı vardır. Titanyum alaşımları tipik olarak alüminyum, molibden, vanadyum, niyobyum, tantal, zirkonyum, manganez, demir, krom, kobalt, nikel ve bakır izleri içerir.

Titanyum alaşımlarının dört sınıfı grade veya çeşidi Ti 6AL-4V, Ti 6AL ELI, Ti 3Al 2.5 ve Ti 5Al-2.5Sn'dir.

Ti 6Al-4V (Sınıf 5) (Grade 5)

Ti-6AL-4V titanyum alaşımları arasında en yaygın kullanılanıdır. Bu nedenle genellikle titanyum alaşımı "beygir" olarak adlandırılır. Dünya çapında titanyum kullanımının yarısında kullanıldığına inanılmaktadır.

Bu arzu edilen özellikler, Ti-6AL-4V'yi tıp, denizcilik, havacılık ve kimyasal işleme dahil olmak üzere çeşitli endüstrilerde popüler bir seçim haline getirmektedir. Ti 6AL-4V yaygın olarak aşağıdakilerin yapımında kullanılır:

• Uçak türbinleri
• Motor bileşenleri
• Uçak yapısal bileşenleri
• Havacılık ve uzay bağlantı elemanları
• Yüksek performanslı otomatik parçalar
• Denizcilik uygulamaları
• Spor ekipmanları

Ti 6AL-4V ELI (Sınıf 23) (Grade 23)

Ti 6 AL-4V ELI, cerrahide kullanımı nedeniyle genellikle cerrahi titanyum olarak adlandırılır. Grade 5 (Ti 6AL-4V) titanyum alaşımının daha saf bir versiyonudur. Kolayca kalıplanabilir ve küçük teller, bobinler ve teller halinde kesilebilir.

Ti 6AL-4V ile aynı mukavemete ve yüksek korozyon direncine sahiptir. Ayrıca hafiftir ve diğer alaşımların zarar görmesine karşı oldukça toleranslıdır. Sadece bu özellikleri nedeniyle değil, aynı zamanda Ti 6AL-4V ELI'nin sahip olduğu benzersiz cerrahi özellikler nedeniyle de karmaşık cerrahi prosedürlerde kullanım için tıp ve dişçilik alanlarında kullanımı oldukça arzu edilmektedir. Üstün biyouyumluluğa sahiptir ve insan vücudu tarafından kabul edilirken kemiğe greftlenmesini ve bağlanmasını kolaylaştırır. Ti 6AL-4V ELI'nin kullanıldığı daha yaygın cerrahi prosedürlerden bazıları şunlardır:

• Ortopedik pimler ve vidalar
• Ortopedik kablolar
• Bağ klipsleri
• Cerrahi zımbalar
• Yaylar
• Ortodontik aletler
• Eklem replasmanlarında
• Kriyojenik kaplar
• Kemik sabitleme cihazları

Ti 3Al 2.5 (12. Sınıf) (Grade 12)

Ti 3 AI 2.5 en iyi kaynaklanabilirliğe sahip titanyum alaşımıdır. Diğer titanyum alaşımları gibi yüksek sıcaklıklarda da güçlüdür. Bu 12. sınıf titanyum alaşımı, diğer titanyum alaşımlarından daha ağır olması gibi paslanmaz çeliğin (diğer güçlü metallerden biri) özelliklerini sergilemesi bakımından benzersizdir.

Ti 3 Al 2.5 en yaygın olarak imalat sanayinde, özellikle de ekipmanlarda kullanılır. Korozyona karşı oldukça dirençlidir ve sıcak veya soğuk ile oluşturulabilir. Grade 12 titanyum alaşımı en çok aşağıdaki endüstrilerde ve uygulamalarda kullanılır:

• Kabuk ve ısı eşanjörleri
• Hidrometalurjik uygulamalar
• Yüksek sıcaklıkta kimyasal üretim
• Deniz ve hava taşımacılığı bileşenleri

Ti 5Al-2.5Sn (Sınıf 6) (Grade 6)

Ti 5Al-2.5Sn, stabilite ile iyi kaynaklanabilirlik elde edebilen ısıl işlem görmeyen bir alaşımdır. Aynı zamanda yüksek sıcaklık kararlılığına, yüksek mukavemete ve iyi korozyon direncine sahiptir. Benzersiz bir şekilde yüksek sürünme (genellikle aşırı sıcaklıkların neden olduğu uzun süreler boyunca plastik benzeri gerilme) direncine sahiptir. Ti 5Al-25.Sn çoğunlukla uçak ve uçak gövdesi uygulamalarında kullanılır.

Titanyum bir bütün olarak son derece dayanıklı ve güçlü bir metaldir. Saf haliyle birçok kullanım alanı vardır. Alaşımları, zaten güçlü olan metale daha fazla işlenebilirlik ve esneklik katarak çok daha fazla uygulamaya kapı açar. Her titanyum alaşımı aynı gücü ve korozyon direncini paylaşır. Esneklik açısından farklılık gösterirler, bu da belirli bir alaşımı belirli endüstriler ve uygulamalar için ideal hale getirir. 

Kaynaklar: 

https://www.industrialheating.com/blogs/14-industrial-heating-experts-speak-blog/post/93649-facts-about-the-elements-titanium

https://www.rsc.org/periodic-table/element/22/titanium

https://images-of-elements.com/titanium.php

https://www.titaniumprocessingcenter.com/the-element-titanium/

https://www.supraalloys.com/titanium-grades.php