عنصر تیتانیوم در سال ۱۷۹۰ در انگلستان توسط کشیش ویلیام گرگور (William gregor) کشف شد. عنصر تیتانیوم فلزی منحصر به فرد است. از نظر فراوانی این عنصر نهمین عنصر فراوان در پوسته زمین است که ترکیبی از خواص فیزیکی، شیمیایی (مقاومت به خوردگی)، زیستی و مکانیکی را داراست که سبب می‌شود در صنایع هوافضا، پزشکی و دیگر صنایع پرکاربرد شود. تیتانیوم یک فلز انتقالی بوده که با فلزات سبک دیگر همانند آلومینیوم و منیزیم تفاوت‌هایی دارد. حلالیت آن برای تعداد زیادی از عناصر دیگر بالا بوده و با عناصر بین‌نشین همانند اکسیژن، نیتروژن، هیدروژن و کربن واکنش‌پذیری زیادی دارد. از نظر ساختاری تیتانیوم دو آلوتروپ دارد. یکی آلفا با ساختار HCP و دیگری بتا با ساختار BCC. در تیتانیوم خالص، فاز آلفا تا ۸۸۰ درجه سانتی‌گراد پایدار است و در این دما استحاله فازی به فاز بتا رخ می‌دهد. فاز بتا از دمای ۸۸۰ درجه سانتی‌گراد تا نقطه ذوب پایدار است. پس در دمای اتاق تیتانیوم خالص فاز آلفا دارد. با این وجود، آلیاژهای تیتانیوم می‌توانند فاز آلفا، مخلوطی از آلفا و بتا و یا فاز بتا داشته باشند که این بستگی به شرایط خاص هر آلیاژ دارد. بنابراین آلیاژهای تیتانیوم به سه دسته آلفا، آلفا – بتا و بتا تقسیم‌بندی می‌شوند.
چگالی فلز تیتانیوم بالاتر از آلومینیوم و کمتر از فولاد است و با این حال استحکامی همانند فولاد آلیاژی دارد. خلاصه‌ای از خواص این فلز در جدول زیر آورده شده است.
خواص |
میزان |
| چگالی | 51.4 g/cm3 |
| دمای ذوب | 1660 ºC |
| مقاومت الکتریکی | 42 μΩ.cm |
| مدول کششی | GPa 101 |
| مدول برشی | GPa 44 |
| استحکام کششی | MPa 240 |
| استحکام تسلیم | MPa 170 |
| استحکام برشی | MPa 140 |
| استحکام ضربه شارپی | J 27-54 |
منابع و معادن تیتانیوم و روش‌های فراوری معدنی آن
اقتصادی‌ترین سنگ معدن برای فلز تیتانیوم، روتیل معدنی (mineral rutile) است که در آمریکای شمالی، آفریقا، هند، برزیل و استرالیا بیشترین میزان آن وجود دارد. دیگر عنصر معدنی شامل این فلز ایلمنیت (Ilmanit) یا آهن – تیتانیوم اکسید (FeTiO3) است. معادن ایلمنیت در سراسر دنیا به وفور وجود دارند. بیشترین ذخیره آن در آمریکا و کانادا وجود دارد که از آن برای تولید رنگ‌دانه TiO2 و همچنین پوشش‌دهی سطوح جوشکاری استفاده می‌شود. کاربرد دیگر ایلمنیت، تبدیل سنگ معدن آن به روتیل مصنوعی برای تولید تیتانیوم تتراکلرید است. در این فرآیند در واقع آهن از ایلمنیت طی فرآیندهایی گرفته می‌شود. سنگ معدنی‌های دیگر شامل این فلز شامل لکوکسین (leucoxene) (ایمنیت با مخلوطی از روتیل)، پرووسکایت (CaTiO3) (perovskite)، اسفن (CaTiSiO5) (sphene) و پیروفانیت (MnTiO3) (pyrophanite) است. از اسفن و پیروفانیت برای تولید این فلز به دلیل هزینه بالای استخراج آن استفاده نمی‌شود. در این بین روتیل به دلیل بالاتر بودن میزان TiO2 در آن بهترین سنگ معدن برای استخراج فلز تیتانیوم است.
اولین فرآیند استحصال تیتانیوم به صورت خالص در سال ۱۹۰۶ توسط هانتر در آمریکا صورت گرفت. پس از آن در سال ۱۹۲۵ در هلند تیتانیوم برای اولین بار از تیتانیوم تتراکلرید به صورت خالص استحصال شد؛ امّا شروع استفاده گسترده و صنعتی از تیتانیوم با طراحی فرآیندی توسط کرول آغاز شد. او فلز تیتانیوم چقرمه را با واکنش دادن تیتانیو تتراکلرید با فلز منگنز در یک سیستم بسته با استفاده از اتمسفر گاز خنثی (آرگون) به دست آورد.
تیتانیوم دی‌اکسید
یکی از محصولاتی که می‌توان آن را پیش از فرآیند استحصال تیتانیوم به دست آورد، تیتانیوم دی‌اکسید (تیتان) است. با پی‌بردن به خواص بالای رنگ‌دانه‌ای این ذره به مرور فرآیندهایی به منظور فرآوری تیتان با خواص بالا ابداع شد. روش‌های زیادی برای تولید TiO2 بیان شده است امّا به طور صنعتی دو فرآیند سولفاته و کلراته بیشترین کاربرد را دارند که در هر دوی این فرآیندها از سرباره تیتانیوم، ایلمنیت و روتیل به عنوان ماده اولیه استفاده می‌شود.
فرآیند کلراته تولید تیتان
این روش برای استفاده معمولاً به روتیل نسبتاً خالص نیاز دارد (روتیل که حداقل حاوی %۷۰ تیتان باشد). واکنش ابتدایی در این روش کاهش TiO2 با کربن و سپس واکنش مجدد آن با کلر است.
واکنش ۱:
TiO2 + C → Ti + CO2
واکنش ۲:
Ti + 2Cl2 → TiCl4
در مرحله بعد TiCl4 تقطیر شده (در واقع با این کار ناخالصی‌های موجود گرفته شده و باعث می‌شود تیتان نهایی خالص‌تر باشد) و در دمای ۱۲۰۰-۱۷۰۰ درجه سانتی‌گراد تحت شعله اکسیژن خالص به TiO2 تبدیل می‌شود.
واکنش ۳:
TiCl4 + O2 → TiO2 + 2Cl2
شمای کلی این فرآیند در شکل ۱ نشان داده شده است.
شکل ۱- شمای کلی فرآیند کلراته برای تولید TiO2
فرآیند سولفاته تولید تیتان
در این روش کنسانتره معدنی در دمایی حدود ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد طی فرآیند لیچینگ در اسید سولفوریک حل شده و تیتانیل سولفات (TiOSO4) به دست می‌دهد.
واکنش ۴:
FeTiO3 + 2H2SO4 → FeSO4 + TiOSO4 + 2H2O
در مرحله بعد با کم کردن دما و فیلتر کردن، سولفات آهن از محلول جدا می‌شود. سپس فرآیند هیدرولیز طبق واکنش ۴ انجام می‌شود و تیتانیوم سولفید آب‌دار به دست می‌دهد.
واکنش ۵:
TiOSO4 + (n+1) H2O → TiO2.nH2O + H2SO4
در مرحله آخر با استفاده از افزایش حرارت (فرآیند کلسیناسیون)، می‌توان به محصول تیتان دست یافت.
واکنش ۶:
TiO2.nH2O → TiO2 + nH2O
با این که آب در دماهای پایین‌تر نیز تبخیر می‌شود امّا فاز به دست آمده آناتاز خواهد بود. برای دست‌یافتن به فاز روتیل نیاز است تا دما در این مرحله حدود ۹۰۰ تا ۹۳۰ درجه سانتی‌گراد باشد.