Caratteristiche tecniche del titanio tra i diversi gradi: 
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Proprietà fisiche di base
Caratteristiche fisiche notevoli del titanio:
- La sua densità è circa il 60% di quella dell'acciaio.
- La sua resistenza alla corrosione è eccezionale in molti ambienti, come l'acqua di mare o il corpo umano.
- Le sue caratteristiche meccaniche rimangono elevate fino a una temperatura di circa 600°C e rimangono eccellenti fino a temperature criogeniche.
- La sua trasformazione in semilavorati e parti di forme diverse mediante le tecniche usuali (foratura, stampaggio, imbutitura, fusione, saldatura, lavorazione meccanica, ecc.) è piuttosto semplice.
- È disponibile in un'ampia varietà di forme e tipologie di prodotti: lingotti, billette, barre , fili, tubi , bramme, lamiere , nastri .
- Non è magnetizzabile.
- Il suo coefficiente di dilatazione termica, leggermente inferiore a quello dell'acciaio, è la metà di quello dell'alluminio. Si prenderà come standard un coefficiente di dilatazione termica medio di 10,5 × 10⁻⁶ K⁻¹. Il suo modulo di Young è molto vicino a quello delle strutture ossee.
Proprietà cristallografiche
Il titanio puro subisce una trasformazione allotropica di tipo martensitico in prossimità di 882 °C.
Al di sotto di questa temperatura, la struttura è esagonale pseudo-impacchettata (a=0,295 nm; c = 0,468 nm: c/a = 1,633) e viene chiamata Ti α (gruppo spaziale 194 / P63/mmc).
Al di sopra di questa temperatura la struttura è cubica a corpo centrato (a=0,332 nm) e viene chiamata Ti β.
La temperatura di transizione α→β è chiamata transus β.
L'esatta temperatura di trasformazione è largamente influenzata dagli elementi sostituzionali e interstiziali. Pertanto, dipende fortemente dalla purezza del metallo. Struttura cristallografica delle celle unitarie α e β del titanio.
Isotopi
Il titanio si trova in natura sotto forma di cinque isotopi: 46Ti, 47Ti, 48Ti, 49Ti e 50Ti. Il 48Ti è l'isotopo più abbondante, con una concentrazione naturale del 73,8%. Sono stati osservati undici radioisotopi; il più stabile, il 44Ti, ha un'emivita di 63 anni.
L'attività fotocatalitica del TiO2 è fortemente influenzata dalla sua cristallinità e dalle dimensioni delle particelle (Pecchi et al., 2001).
La modifica dell'anatasio è sufficientemente attiva nella fotocatalisi solo con un'energia dello spazio di banda Ebg di 3,2 eV.
Il TiO2 Hombikat UV-100 è costituito da anatasio modificato puro e le sue particelle hanno una superficie PARI di circa 186 m²/g (applicando la teoria di Brunauer-Emmett-Teller sull'adsorbimento di gas per la determinazione dell'isoterma di adsorbimento).
Tuttavia, la maggior parte delle ricerche è stata condotta utilizzando il TiO2 Degussa P-25. Questo materiale è costituito per circa l'80% da anatasio e per il 20% da rutilo e ha una superficie specifica BET di circa 55 m²/g.
Il diametro delle sue particelle è solitamente compreso tra 25 nm e 35 nm.
Ossidi
Monossido di titanio (TiO₂) Triossido di titanio (Ti₂O₃) Biossido di titanio (TiO₂) Triossido di titanio (TiO₃)
Proprietà meccaniche
Erosione
Lo strato di ossido altamente aderente e duro spiega la longevità dei componenti in titanio sottoposti a impatti con particelle sospese nei fluidi. Questo effetto è amplificato dalla capacità dello strato di rigenerarsi. L'erosione in acqua di mare è aumentata da portate più elevate o da particelle di dimensioni inferiori.
Resistenza e duttilità
Il titanio è considerato un metallo con elevata resistenza meccanica e buona duttilità in condizioni di temperatura standard. La sua resistenza specifica (rapporto resistenza a trazione/densità) supera quella dell'alluminio e dell'acciaio.
La sua resistenza è inversamente proporzionale alla temperatura, con un plateau tra -25 °C e 400 °C.
Al di sotto di -50 °C, in intervalli di temperatura criogenici, l'aumento di resistenza è notevole; tuttavia, ciò è accompagnato da una duttilità molto bassa.
Al di sopra di 400 °C, la resistenza meccanica inizia a diminuire.
Senza alcuna base teorica, la resistenza alla fatica è pari a circa il 70% della resistenza alla trazione.
usura e deterioramento
Ad oggi, non è stata ancora sviluppata una soluzione soddisfacente. I principali metodi sperimentati sono stati l'ossidazione, la nitrurazione, la borurazione e la cementazione. Sono state riscontrate numerose difficoltà tecnologiche nell'implementazione e nell'adesione. Inoltre, i trattamenti superficiali del titanio, che modificano la natura o la struttura della superficie, devono essere utilizzati solo con la massima cautela e dopo uno studio approfondito dei loro effetti; generalmente hanno un effetto negativo più o meno pronunciato sulla resistenza meccanica e sulla resistenza a fatica.
Biocompatibilità
Il titanio è uno dei metalli più biocompatibili, insieme all'oro e al platino, il che significa che è completamente resistente ai fluidi corporei. Inoltre, possiede un'elevata resistenza meccanica e un modulo di elasticità molto basso, che lo rendono compatibile con le strutture ossee. L'Agenzia Internazionale per la Ricerca sul Cancro (IARC) ha classificato il biossido di titanio nel Gruppo 2B, "possibilmente cancerogeno per l'uomo": gli studi condotti non hanno ancora raggiunto una conclusione definitiva.
Resistenza al fuoco
La sua resistenza al fuoco, in particolare agli idrocarburi, è eccellente. È stato dimostrato che un tubo di 2 mm di spessore può resistere a una pressione di dieci atmosfere sottoponendolo a un incendio di idrocarburi a una temperatura di 600 °C senza subire danni, deformazioni o esplosioni. Ciò è dovuto principalmente alla resistenza dello strato di ossido, che impedisce all'idrogeno di penetrare nel materiale. Inoltre, la bassa conduttività termica del titanio fornisce una protezione più duratura per i componenti interni contro gli aumenti di temperatura.
Proprietà chimiche
Corrosione classica del titanio
Il titanio è un metallo estremamente ossidabile. Nella serie dei potenziali elettrochimici standard, si trova vicino all'alluminio, tra magnesio e zinco. Non è quindi un metallo nobile; il suo intervallo di stabilità termodinamica, infatti, non condivide alcuna parte con l'intervallo di stabilità termodinamica dell'acqua e si trova ben al di sotto di esso. Uno dei motivi della resistenza alla corrosione del titanio è lo sviluppo di uno strato protettivo e passivante spesso poche frazioni di micrometro, composto principalmente da ossido di TiO2, sebbene sia noto che possa contenere altre forme di titanio. Questo strato è intatto e molto aderente. Se la superficie viene graffiata, l'ossido si riforma spontaneamente in presenza di aria o acqua. Pertanto, il titanio è praticamente inalterato da aria, acqua e acqua di mare.
Inoltre, questo strato è stabile in un ampio intervallo di pH, potenziale e temperatura. Condizioni altamente riducenti, ambienti altamente ossidanti o la presenza di ioni fluoro (un agente complessante) riducono la natura protettiva di questo strato di ossido; i reagenti di attacco utilizzati per registrare le micrografie sono spesso a base di acido fluoridrico. Durante una reazione con questo acido, si formano cationi titanio (II) e (III). La reattività delle soluzioni acide può tuttavia essere ridotta aggiungendo agenti ossidanti e/o ioni di metalli pesanti. L'acido cromico o nitrico e i sali di ferro, nichel, rame o cromo sono eccellenti inibitori.
Questo spiega perché il titanio può essere utilizzato in processi industriali e ambienti in cui i materiali convenzionali si corroderebbero. Gli equilibri elettrochimici possono, naturalmente, essere modificati aggiungendo elementi di lega che riducono l'attività anodica del titanio; questo porta a una migliore resistenza alla corrosione.
A seconda delle modifiche desiderate, vengono aggiunti elementi specifici. Di seguito è riportato un elenco non esaustivo di alcuni additivi comuni: spostamento del potenziale di corrosione e miglioramento delle proprietà catodiche: aggiunta di platino, palladio o rodio; aumento della stabilità termodinamica e riduzione della propensione alla dissoluzione anodica: aggiunta di nichel, molibdeno o tungsteno; aumento della tendenza alla passivazione: aggiunta di zirconio, tantalio, cromo o molibdeno. Questi tre metodi possono essere combinati.
Corrosione specifica del titanio
Il titanio è molto resistente a specifici tipi di corrosione, come la corrosione puntiforme o la corrosione interstiziale. Questi fenomeni si osservano solo quando utilizzato in ambienti prossimi ai limiti pratici della resistenza alla corrosione generale. La corrosione sotto sforzo si verifica nelle seguenti condizioni: in acqua di mare fredda (solo in presenza di tagli netti); in alcuni mezzi specifici come il metanolo anidro; e in ambienti caldi, in presenza di NaCl fuso. Le due strutture allotropiche differiscono nella loro resistenza a quest'ultimo tipo di corrosione: l'α-titanio è altamente suscettibile, mentre il β-titanio è praticamente inalterato.
Il processo Kroll e la produzione di titanio ad alta purezza
Il processo Kroll
Il primo passaggio prevede la carboclorurazione del biossido di titanio. Il prodotto si ottiene facendo reagire il cloro gassoso con l'ossido a circa 800 °C in un letto fluidizzato secondo la reazione: TiO2(s) + 2 C(s) + 2 Cl2(g) → TiCl4(g) + 2 CO(g). Il tetracloruro di titanio, con punto di ebollizione di 136 °C, viene recuperato per condensazione, decantato, filtrato e purificato per distillazione frazionata. Il successivo processo di riduzione prevede la reazione di questo tetracloruro in fase gassosa con magnesio liquido secondo la reazione: TiCl4(g) + 2 Mg(l) → 2MgCl2(l) + Ti(s). La reazione viene condotta sotto vuoto o in gas inerte (argon). Il cloruro di magnesio viene separato per decantazione, quindi, in un secondo passaggio, per distillazione sotto vuoto a circa 900-950 °C, oppure per lavaggio acido. Il titanio risultante è un solido poroso simile a una spugna, da cui il nome "spugna di titanio". Dalla sua prima applicazione industriale nel 1945, il processo Kroll non ha subito modifiche significative nel suo principio fisico-chimico, fatta eccezione per la resa di reazione.
Produzione di titanio ad alta purezza
Una volta ottenuta la spugna, questa viene macinata per produrre trucioli di titanio. Questo lotto viene quindi omogeneizzato in un miscelatore, sotto gas inerte o sotto aspirazione ad alta pressione, per impedire l'accensione delle particelle di titanio (particelle di circa cento micrometri) che potrebbero portare alla formazione di ossinitruro di titanio, un composto fragile e insolubile nel bagno liquido. Il lotto omogeneizzato viene quindi introdotto nello stampo di una pressa dove viene compresso a freddo in un cilindro denso chiamato compatto. La densità relativa del compatto consente la manipolazione per creare un elettrodo impilando questi compatti, strato per strato, e saldandoli insieme tramite plasma o fascio di elettroni. Questo produce un elettrodo primario. Successivamente, gli elettrodi di titanio vengono fusi mediante rifusione ad arco sotto vuoto (VAR). Questo processo prevede la creazione di un arco elettrico a bassa tensione e alta corrente (da 30 a 40 V; da 20.000 a 40.000 A) tra il fondo dell'elettrodo di titanio e un crogiolo di rame raffreddato ad acqua. La parte inferiore dell'elettrodo si riscalda e la sua temperatura sale al di sopra del liquidus; il metallo fuso cade quindi in un pozzo liquido contenuto in una guaina metallica nota come "pelle" del lingotto. Il lingotto viene rifuso più volte in questo modo, a seconda della purezza desiderata. A ogni rifusione, il diametro dei lingotti aumenta; questi pesano tipicamente tra 1 e 10 tonnellate e hanno un diametro da 0,5 a 1 metro.
Composti
Sebbene il titanio metallico sia piuttosto raro a causa del suo prezzo, il biossido di titanio è poco costoso e ampiamente utilizzato come pigmento bianco in vernici e materie plastiche. La polvere di TiO2 è chimicamente inerte, resistente alla luce solare e altamente opaca. Il biossido di titanio puro ha un indice di rifrazione molto elevato e una dispersione ottica maggiore rispetto al diamante.
Precauzioni, tossicologia
Nella sua forma metallica divisa, il titanio è altamente infiammabile, ma i sali di titanio sono generalmente considerati sicuri. I composti clorurati come TiCl4 e TiCl3 sono corrosivi. Il titanio può accumularsi nei tessuti viventi contenenti silicio, ma non ha alcun ruolo biologico noto.
Conclusione
Il titanio vanta una gamma estremamente diversificata di proprietà. Non solo è resistente alla corrosione, spesso associata a resistenza all'erosione e al fuoco, e biocompatibile, ma possiede anche eccellenti proprietà meccaniche (resistenza, duttilità, resistenza alla fatica, ecc.) che consentono la progettazione di componenti più sottili e leggeri. Questa interessante gamma di proprietà spiega le sue crescenti applicazioni nei settori aeronautico, aerospaziale, chimico e medico. Inoltre, grazie alla maggiore efficienza produttiva, il titanio è sempre più utilizzato in applicazioni quotidiane come l'industria degli articoli sportivi e automobilistica.