Titan wurde 1791 vom englischen Mineralogen und Mineralogen William Gregor entdeckt. Gregor analysierte magnetische Erzsande in Cornwall, England, und isolierte Ilmenit.
Vier Jahre später, im Jahr 1795, isolierte der deutsche Chemiker Martin Heinri Klaproth aus von Ungarn produziertem Rutil Titanoxid und benannte dieses neue Element Titanium.
Metallisches Titan wurde erstmals 1910 von Matthew A. Hunter am Rensselaer Polytechnic Institute hergestellt, indem TiCl4 mit Natrium erhitzt wurde。
Im Jahr 1932 stellte der luxemburgische Chemiker Wilhelm Justin Kroll mittels TiCl4 und Na eine große Menge Titan her. Zu Beginn des Zweiten Weltkriegs bewies er im U.S. Bureau of Mines, dass Titan gewerblich gewonnen werden kann, indem man Ca statt Mg als Reduktionsmittel verwendet, um TiCl4 zu reduzieren. Dieses Verfahren ist als „Kroll-Verfahren“ bekannt und wird bis heute weit verbreitet angewandt. Titanmetall wurde erstmals 1948 von DuPont in den Vereinigten Staaten kommerziell produziert.
Bis heute sind China, die Vereinigten Staaten, Russland und Japan die wichtigsten Hersteller von Titanprodukten; ihre kombinierte Produktion macht über 90 % der weltweiten Titanproduktion aus.
1. Grundlegende Eigenschaften von Titan und seinen Legierungen
Um ehrlich zu sein, ist Titan kein seltenes Metall; es ist das neuntreichhaltigste Element in der Erdkruste und das viertreichhaltigste Konstruktionsmetall, nur hinter Aluminium, Eisen und Magnesium. Es ist jedoch bedauerlich, dass Erze mit hohem Titangehalt in der Erdkruste selten vorkommen und reines Titan niemals in der Natur gefunden wurde. Da die Herstellung von reinem Titanmetall äußerst schwierig ist, ist Titan traditionell immer so „teuer“. Selbst heute kann Titan nur chargenweise und diskontinuierlich hergestellt werden, im Gegensatz zu anderen Konstruktionsmetallen gibt es keinen kontinuierlichen Produktionsprozess.
Unter den 112 bekannten chemischen Elementen im Periodensystem (Abbildung 1) sind etwa 85 % Metalle oder Metalloide. Es gibt verschiedene Einteilungen der Metalle, beispielsweise in Eisen- und Nichteisenmetalle oder Leicht- und Schwermetalle. Titan ist ein Nichteisenmetall und zählt zu den Leichtmetallen.
Abbildung 1 Periodensystem
Die Ordnungszahl von Titan beträgt 22. Sein standardmäßiges Atomgewicht ist 47,90, die Dichte beträgt 4,5 g/cm³ und der Schmelzpunkt liegt bei bis zu 1725 °C. Titan ist ein dimorpher Allotrop; bei Temperaturen unterhalb von 882,5 °C besitzt es eine hexagonal dichteste Packungsstruktur, α-Titan, und oberhalb von 882,5 °C wandelt es sich in eine kubisch raumzentrierte Struktur, β-Titan, um.
Die Eigenschaften von Metallen hängen hauptsächlich von den metallischen Bindungen zwischen den Atomen im Gitter ab, was bedeutet, dass die frei beweglichen Valenzelektronen im Gitter zu typischen metallischen Eigenschaften wie elektrischer Leitfähigkeit führen. Diese können durch plastische Verformungen infolge von Atomverschiebungen im Gitter sowie durch das Einbringen von Fremdatomen in das Gitter legiert werden. Die Zugabe anderer Metallelemente zu reinem Titan, um die mechanischen Eigenschaften bei Raumtemperatur (bzw. Hochtemperatur) und die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern, wird als Titanlegierung bezeichnet.
Titan und Titanlegierungen weisen zwei hervorragende Eigenschaften auf: eine hohe spezifische Festigkeit und eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit.
Spezifische Festigkeit ist ein Indikator, der das Verhältnis zwischen der Festigkeit und der Dichte eines Materials misst. Er wird definiert als das Verhältnis der Festigkeit eines Materials (üblicherweise ausgedrückt als Zugfestigkeit) zu seiner Dichte. Die spezifische Festigkeit wird verwendet, um die Tragfähigkeit von Materialien pro Masseeinheit zu bewerten, und ist ein wichtiger Parameter bei der Konstruktion von leichten und zugleich hochfesten Strukturen. Titanlegierungen zeichnen sich durch ihre geringe Dichte und hohe Spezifische Festigkeit aus, wodurch sie besonders in der Luft- und Raumfahrtindustrie weit verbreitet sind.
Korrosionsbeständig bezeichnet die Fähigkeit eines Materials, chemischen oder elektrochemischen Reaktionen zu widerstehen, die eine Zersetzung, Beschädigung oder Verschlechterung des Materials verursachen können. Korrosionsbeständigkeit ist eine sehr wichtige Eigenschaft in der Werkstoffkunde, insbesondere für Anwendungen, bei denen das Material harschen Umgebungen oder korrosiven Medien ausgesetzt ist. Die Korrosionsbeständigkeit von Titanlegierungen beruht hauptsächlich darauf, dass sich auf ihrer Oberfläche ein dichter, selbstheilender Oxidfilm bildet. Dieser Passivfilm verleiht Titanlegierungen eine um das 100-fache höhere Korrosionsbeständigkeit als Edelstahl. In der Offshore-Technik wird Titanlegierung als „Meeresmetall“ bezeichnet und hat aufgrund ihrer Eigenschaften wie geringes Gewicht, hohe Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit Edelstahl zunehmend ersetzt.
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