Apa Titik Leleh Titanium?

1. Perkenalan

Titik leleh kesetimbangan murni Titanium (Dari) pada 1 atmosfer adalah 1668.0 ° C. (≈ 1941.15 K, 3034.4 ° f).

Nomor tunggal itu adalah referensi penting, namun untuk teknik dan produksi, ini hanyalah titik awal: titanium menunjukkan transformasi alotropik α→β di ≈ 882 ° C.;
paduan dan pengotor menghasilkan rentang solidus/cairan, bukan satu titik; dan reaktivitas kimia titanium yang ekstrim pada suhu tinggi memaksa produsen untuk melebur dan menanganinya dalam lingkungan vakum atau inert.

Artikel ini menjelaskan titik leleh dalam istilah termodinamika, menunjukkan bagaimana paduan dan kontaminasi mengubah perilaku peleburan/pemadatan, memberikan perkiraan energi peleburan praktis dan menjelaskan teknologi peleburan industri dan pengendalian proses yang diperlukan untuk menghasilkan produk bersih, produk titanium dan paduan titanium berkinerja tinggi.

2. Titik leleh fisik titanium murni

3. Termodinamika dan kinetika peleburan

• Definisi termodinamika: peleburan adalah transisi fase orde pertama di mana energi bebas Gibbs pada fase padat dan cair adalah sama.
  Untuk unsur murni pada tekanan tetap, suhunya ditentukan secara tajam (titik lelehnya).
• Panas laten: energi diserap sebagai panas laten fusi untuk memecah tatanan kristal; suhu tidak naik selama perubahan fasa sampai peleburan selesai.
• Kinetika dan pendinginan bawah: selama pemadatan, cairan dapat tetap berada di bawah titik leleh kesetimbangan (cairan) suhu — pendinginan yang kurang — yang mengubah laju nukleasi dan struktur mikro (ukuran butir, morfologi).
  Dalam praktiknya, laju pendinginan, situs nukleasi dan komposisi paduan menentukan jalur pemadatan dan struktur mikro akhir.
• Nukleasi heterogen vs homogen: sistem nyata diperkuat oleh nukleasi heterogen (pada kotoran, dinding cetakan, atau inokulan), jadi kebersihan proses dan desain cetakan mempengaruhi perilaku pemadatan yang efektif.

4. Alotropi dan perilaku fase yang relevan dengan peleburan

• A ↔ transformasi β: titanium memiliki dua struktur kristal dalam keadaan padat: heksagonal padat (α-Ti) stabil pada suhu rendah dan kubik berpusat pada tubuh (β-Ti) stabil di atas transisi β (~882 °C untuk Ti murni).
  Perubahan alotropik ini jauh di bawah titik leleh tetapi mempengaruhi perilaku mekanik dan evolusi mikrostruktur selama pemanasan dan pendinginan.
• Implikasi: keberadaan fase α dan β berarti banyak paduan titanium dirancang untuk memanfaatkan α, a+b, atau bidang fase β untuk kekuatan yang dibutuhkan, ketangguhan dan respons pemrosesan.
  Transus β mengontrol jendela penempaan/perlakuan panas dan memengaruhi perilaku suatu paduan saat mendekati titik leleh selama proses seperti pengelasan atau peleburan kembali..

5. Sungguh paduan, kotoran dan tekanan mempengaruhi peleburan/pemadatan

• Paduan: sebagian besar bagian rekayasa titanium adalah paduan (TI-6AL-4V, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, dll.). Paduan ini terlihat Padat → cairan interval suhu; beberapa penambahan paduan menaikkan atau menurunkan likuidus dan memperluas rentang pembekuan.
  Kisaran pembekuan yang lebih luas meningkatkan kerentanan terhadap cacat penyusutan dan mempersulit pemberian pakan selama pemadatan. Selalu gunakan data solidus/cairan khusus paduan untuk setpoint proses.
• Pengantara & elemen gelandangan: oksigen, nitrogen dan hidrogen bukanlah “pengubah titik leleh” yang sederhana namun sangat mempengaruhi sifat mekanik (oksigen dan nitrogen meningkatkan kekuatan tetapi rapuh).
  Lacak kontaminan (Fe, Al, V, C, dll.) mempengaruhi pembentukan fase dan perilaku peleburan. Sejumlah kecil kontaminan dengan titik leleh rendah dapat menyebabkan anomali leleh lokal.
• Tekanan: tekanan tinggi sedikit meningkatkan titik leleh (hubungan Clapeyron). Peleburan titanium dalam industri dilakukan di dekat atmosfer atau di bawah vakum/gas inert;
  tekanan yang diterapkan dalam solidifikasi (MISALNYA., dalam pengecoran tekanan) tidak secara signifikan mengubah suhu leleh dasar tetapi dapat mempengaruhi pembentukan cacat.

6. Rentang Peleburan Paduan Titanium Umum

Di bawah ini adalah yang bersih, tampilan tabel yang berfokus pada teknik pencairan yang khas (Padat → cairan) rentang untuk paduan titanium yang umum digunakan.
Nilai adalah perkiraan rentang tipikal digunakan untuk perencanaan proses dan perbandingan paduan — selalu verifikasi dengan sertifikat analisis pemasok paduan atau dengan analisis termal (DSC / kurva pendinginan) untuk titik leleh/pemrosesan yang tepat pada batch tertentu.

7. Metode peleburan dan peleburan kembali industri untuk titanium

Karena titanium bersifat reaktif secara kimia pada suhu tinggi, peleburan dan peleburan kembali memerlukan teknologi dan atmosfer khusus untuk menghindari kontaminasi dan penggetasan.

Metode industri umum

• Rembese busur vakum (KITA): elektroda habis pakai yang dilebur kembali dalam kondisi vakum; banyak digunakan untuk memurnikan bahan kimia dan menghilangkan inklusi dalam ingot berkualitas tinggi.
• Berkas Elektron (EB) Meleleh: dilakukan pada kondisi vakum tinggi; menawarkan lelehan yang sangat bersih dan digunakan untuk ingot dengan kemurnian tinggi dan produksi bahan baku manufaktur aditif.
• Pencairan Busur Plasma / Perapian Plasma: sistem plasma vakum atau atmosfer terkendali digunakan untuk produksi dan reklamasi paduan.
• Tengkorak induksi mencair (ALIRAN, tengkorak mencair): menggunakan arus induksi untuk melelehkan logam di dalam kumparan tembaga berpendingin air; “tengkorak” padat tipis dari logam membentuk dan melindungi lelehan dari kontaminasi wadah—berguna untuk logam reaktif termasuk titanium.
• Perapian dingin mencair / elektroda habis pakai EB atau VAR untuk spons dan skrap titanium: memungkinkan penghapusan inklusi kepadatan tinggi dan kontrol elemen gelandangan.
• Produksi bubuk (atomisasi gas) untuk AM: untuk metalurgi serbuk dan manufaktur aditif, peleburan kembali dan atomisasi gas dilakukan di atmosfer inert untuk menghasilkan bola, bubuk rendah oksigen.
• Casting investasi: Membutuhkan cetakan keramik (tahan terhadap 2000℃+) dan titanium cair pada 1700–1750℃. Titik leleh yang tinggi meningkatkan biaya cetakan dan waktu siklus, membatasi pengecoran menjadi kecil, komponen kompleks.

Mengapa atmosfer vakum/inert?

• Titanium bereaksi cepat dengan oksigen, nitrogen dan hidrogen pada suhu tinggi; reaksi tersebut menghasilkan fase yang distabilkan oksigen/nitrogen (rapuh), embrittlement, dan kontaminasi kotor.
  Mencair vakum atau argon dengan kemurnian tinggi mencegah reaksi ini dan menjaga sifat mekanik.

8. Memproses tantangan dan mitigasi

Reaktivitas dan kontaminasi

• Oksidasi dan nitridasi: pada suhu leleh titanium membentuk kental, oksida dan nitrida yang melekat; senyawa ini mengurangi keuletan dan meningkatkan jumlah inklusi.
  Mitigasi: meleleh di bawah vakum/gas inert; menggunakan peleburan tengkorak atau fluks pelindung dalam proses khusus.
• Penyerapan hidrogen: menyebabkan porositas dan embrittlement (pembentukan hidrida). Mitigasi: bahan muatan kering, pencairan vakum, dan mengendalikan suasana tungku.
• Elemen gelandangan (Fe, Cu, Al, dll.): skrap yang tidak terkontrol dapat memasukkan unsur-unsur yang membentuk intermetalik yang rapuh atau mengubah rentang leleh — gunakan kontrol skrap yang ketat dan pemeriksaan analitis (OES).

Masalah keamanan

• Kebakaran titanium cair: titanium cair bereaksi hebat dengan oksigen dan dapat terbakar; kontak dengan air dapat menghasilkan reaksi uap yang eksplosif.
  Diperlukan pelatihan khusus dan prosedur ketat untuk penanganannya, penuangan dan tanggap darurat.
• Ledakan debu: bubuk titanium bersifat piroforik; penanganan serbuk logam memerlukan peralatan tahan ledakan, landasan, dan APD tertentu.
• Bahaya asap: pemrosesan suhu tinggi dapat menghasilkan asap berbahaya (uap unsur oksida dan paduan); menggunakan ekstraksi asap dan pemantauan gas.

9. Pengukuran dan pengendalian kualitas peleburan dan pemadatan

• Analisis termal (DSC/DTA): kalorimetri pemindaian diferensial dan analisis penangkapan termal mengukur solidus dan likuidus paduan secara tepat dan mendukung kontrol setpoint peleburan dan pengecoran.
• Pirometri & termokopel: menggunakan sensor yang sesuai; mengoreksi emisivitas dan oksida permukaan saat menggunakan pirometer. Termokopel harus dilindungi (lengan tahan api) dan dikalibrasi.
• Analisis kimia: OES (spektrometri emisi optik) dan alat analisa LECO/O/N/H sangat penting untuk melacak oksigen, kandungan nitrogen dan hidrogen dan kimia secara keseluruhan.
• Pengujian non-destruktif: X-ray, ultrasonik dan metalografi untuk memeriksa inklusi, porositas dan segregasi.
  Untuk komponen penting, pengujian struktur mikro dan mekanik mengikuti standar (Astm, AMS, Iso).
• Proses pencatatan: mencatat tingkat vakum tungku, profil suhu leleh, input daya dan kemurnian argon untuk menjaga ketertelusuran dan pengulangan.

10. Analisis Perbandingan dengan Logam dan Paduan Lain

Data tersebut merupakan nilai-nilai industri yang representatif dan cocok untuk perbandingan teknis dan pemilihan proses.

11. Implikasi praktis untuk desain, pengolahan dan daur ulang

• Desain: titik leleh menempatkan titanium dalam aplikasi struktural suhu tinggi, tetapi desain harus memperhitungkan biaya dan batasan penyambungan (pengelasan vs pengikatan mekanis).
• Pengolahan: meleleh, pengecoran, pengelasan dan pembuatan aditif semuanya memerlukan atmosfer yang terkendali dan pengendalian material yang cermat.
  Untuk bagian cor, pengecoran investasi vakum atau pengecoran sentrifugal dalam atmosfer inert digunakan bila diperlukan.
• Daur ulang: daur ulang skrap titanium praktis tetapi memerlukan pemisahan dan pemrosesan ulang (KITA, EB) untuk menghilangkan elemen gelandangan dan mengontrol kadar oksigen/nitrogen.

12. Kesimpulan

Titik leleh titanium (1668.0 ° C. (≈ 1941.15 K, 3034.4 ° f) untuk titanium murni) adalah sifat dasar yang berakar pada struktur atom dan ikatan logam yang kuat, membentuk perannya sebagai material rekayasa berkinerja tinggi.

Kemurnian, elemen paduan, dan tekanan mengubah perilaku lelehnya, memungkinkan desain paduan titanium yang disesuaikan dengan beragam aplikasi—mulai dari implan medis yang biokompatibel hingga komponen ruang angkasa bersuhu tinggi.

Meskipun titik leleh titanium yang tinggi menimbulkan tantangan dalam pemrosesan (membutuhkan teknologi peleburan dan pengelasan khusus), ini juga memungkinkan servis di lingkungan yang mengandung logam ringan (aluminium, magnesium) gagal.

Pengukuran titik leleh yang akurat (melalui DSC, kilatan laser, atau metode hambatan listrik) dan pemahaman yang jelas tentang faktor-faktor yang mempengaruhi sangat penting untuk mengoptimalkan pemrosesan titanium, memastikan integritas material, dan memaksimalkan kinerja.

 

FAQ

Apakah paduan mengubah titik leleh titanium secara signifikan??

Ya. Paduan titanium terlihat rentang padat/cair daripada titik leleh tunggal.

Beberapa paduan meleleh sedikit di bawah atau di atas unsurnya tergantung pada komposisinya. Gunakan data khusus paduan untuk pemrosesan.

Apakah titanium bersifat magnetis?

TIDAK. Titanium murni dan paduan titanium biasa tidak bersifat feromagnetik; mereka bersifat paramagnetik lemah (kerentanan magnetik positif yang sangat rendah), jadi mereka hanya tertarik pada medan magnet dengan dapat diabaikan.

Apakah titanium berkarat?

Tidak — titanium tidak “berkarat” dalam pengertian oksida besi. Titanium tahan korosi karena cepat membentuk lapisan tipis, penganut, titanium-oksida penyembuhan diri (Tio₂) film pasif yang melindungi logam dari oksidasi lebih lanjut.

Mengapa titanium harus dicairkan dalam ruang hampa atau gas inert?

Karena titanium cair bereaksi kuat dengan oksigen, nitrogen dan hidrogen. Reaksi tersebut membentuk senyawa rapuh dan inklusi yang menurunkan sifat mekanik.

Metode peleburan apa yang lebih disukai untuk titanium kelas dirgantara?

Titanium dirgantara dengan kemurnian tinggi biasanya diproduksi oleh KITA (peleburan kembali busur vakum) atau EB (Balok elektron) meleleh untuk mengontrol kimia dan inklusi.

Untuk bahan baku pembuatan aditif, Pelelehan EB dan atomisasi gas di atmosfer terkendali adalah hal biasa.

Berapa banyak energi yang diperlukan untuk melelehkan titanium?

Perkiraan teoritis kasar (ideal, tidak ada kerugian) adalah ≈1,15 MJ per kg untuk memanaskan 1 kg dari 25 °C menjadi cair pada 1668 ° C. (menggunakan cp ≈ 520 J·kg⁻¹·K⁻¹ dan kalor laten ≈ 297 kJ·kg⁻¹).

Konsumsi energi riil lebih tinggi karena kerugian dan ketidakefisienan peralatan.