טיטניום לתעופה רפואה ותעשייה

הטיטניום נחשב לאחת המתכות החזקות ביותר. שם המתכת נובע מהשם טיטנים שלקוח מהמיתולוגיה היוונית, לפיה הטיטנים היו ענקים אגדתיים, בניהם של אל השמים אוראנוס ואלת האדמה גאיה. הם שלטו במשך דורות רבים ביקום והאלים היווניים היו צאצאיהם. למתכת הטיטניום תכונות ייחודיות שהופכות אותה לחומר מיוחד ומשובח, זו הסיבה שהיא נחשבת למתכת מובחרת לשימוש בתעשייה בכלל ובתעשיית החלל האווירודינמיקה והרפואה בפרט. המתכת התגלתה בשנת 1795 על ידי כימאי גרמני, שלאחר שוידא שאכן מדובר ביסוד שלא היה מוכר עד כה, נתן לו את השם טיטניום. למרות שהתגלתה לפני יותר מ-200 שנה, היו קשיים טכניים להפיק את הטיטניום והשיטה לעשות זאת הומצאה רק בשנת 1910. השימוש המסחרי והתעשייתי בה הפך נפוץ רק לקראת אמצע המאה ה-20.

הטיטניום הוא יסוד כימי טהור המשתייך לקבוצת המתכות האצילות וסימונו הכימי הוא Ti. הטיטניום הוא מתכת קלה וחזקה, בעלת ברק ועמידות בפני חלודה חמצון וחומצות חזקות. בכדי להמיס אותה בחום דרושה טמפרטורה של 3000 מעלות צלסיוס לפחות. המבנה הגבישי שלה הקסהגונלי-משושה. משקלה הסגולי הממוצע 4.4 גרם לסמ”ק (כחצי מזה של הפלדה) (ראה טבלה 1). הטיטניום משמש לייצור מטוסים, אניות, צוללות וחלליות, קוצבי-לב, גפיים ואיברים פנימיים מלאכותיים, תכשיטים ומחבטי גולף.

הטיטניום בטבע
הטיטניום הוא יסוד נפוץ בטבע וממוקם במקום התשיעי מבחינת שכיחותו. ניתן למצוא כמות קטנה של טיטניום ברוב סוג הקרקעות, הסלעים והחול. הטיטניום נמצא במחצבי אילמניט ורוטיל, האילמניט יותר שכיח מהרוטיל ולכן גם יותר זול, אולם כמות הטיטניום שבו קטנה מזו הנמצאת ברוטיל. האילמניט נמצא בארה”ב, במדינות מזרח אירופה, בהודו, בקנדה, בשוודיה ובנורבגיה. הרוטיל נמצא רק בברזיל, בקנדה, בנורבגיה ובחופים הצפוניים של אוסטרליה. כמו כן ניתן למצוא את הטיטניום בטבע בצירוף של חמצן וברזל. הטיטניום נחשב למינרל ייחודי ואיכותי מאד ולמרות זאת הוא אינו נפוץ כמתכות דוגמת נחושת, כסף, אלומיניום ואפילו זהב. גם כשעושים ממנה תכשיטים בדרך כלל הם עשויים ממתכת נקייה ללא שיבוץ. תכשיטי טיטניום משובצים בקריסטלים אינם נפוצים, כנראה מאחר והטיטניום נראית כמו כסף אך מחירה גבוה בהרבה.

תכונות
על פני השטח של טיטניום נוצרת שכבה דקיקה של תחמוצת טבעית, אשר בדומה לאלומיניום מעניקה למתכת הגנה מצוינת מפני חמצון. בשל זאת לטיטניום עמידות גבוהה בפני חמצון, הקרובה לזו של פלטינה. בזכות שכבת התחמוצת הטבעית, טיטניום גם עמידה נגד תמיסות דלילות של חומצה כלורית וחומצה גופרתית, כמו גם תמיסות של כלור ורוב החומצות האורגניות. עם זאת, חומצות חזקות תוקפות טיטניום במהירות. לטיטניום נקודת היתוך גבוהה וחוזק דומה לפלדה ומשקל סגולי קטן יותר ב-45%. הטיטניום אומנם כבד ב-60% מאלומיניום אבל חזקה פי שניים ממנו. תכונות אלו הופכות את הטיטניום למתכת שימושית מאוד. טיטניום הוא אחד היסודות היחידים הבוערים בסביבת חנקן, ב-800°C, ובאטמוספירת חנקן, הוא מתרכב איתו לטיטניום חנקני. טיטניום דו-חמצני מתרכב עם מים ליצירת חומצה טיטנית: TiO4H4. טיטניום דו-חמצני (TiO2) משמש בתור פיגמנט לצבעים, נייר וחומרים פלסטיים. צבעים שמכילים טיטניום דו-חמצני הם רפלקטורים מצוינים לקרינת אור תת-אדום ומשמשים כחומרי צביעה במתקנים אסטרונומיים. בין הצבענים מבוססי הטיטניום נכללים לבן טיטניום וצהוב ניקל טיטניום.
לטיטניום יש ארבעה יתרונות חשובים על הפלדה: הטיטניום אינו מחליד ואילו הפלדה היא חומר שמחליד; הטיטניום ניתך בטמפ’ יותר גבוהה מזו שבה ניתכת הפלדה (הטיטניום ניתך בטמפ’ של 1680ºC והפלדה “רק” בטמפ’ של 1360ºC). הטיטניום גם הרבה יותר קל מהפלדה: משקלו הסגולי של הטיטניום הוא כמחצית מהמשקל הסגולי של הפלדה. הטיטניום גם יותר חזק ועמיד מהפלדה, גם בטמפ’ גבוהות. בגלל כל הסיבות המוזכרות משתמשים בטיטניום בייצור חלקי מטוסים, ספינות וטילים. אז מדוע לא משתמשים בטיטניום גם בייצור חלקי מכוניות למרות כל היתרונות שלו? כי לטיטניום יש חסרון אחד גדול: תהליך ההפקה שלו הוא מורכב ויקר. מדוע? הטיטניום הוא מתכת פעילה, וכאשר הטיטניום הוא במצב מותך הוא מתרכב עם כל חומר הנמצא בסביבתו. לכן כאשר מפיקים טיטניום יש להכניס אותו לכלים שכל האוויר הורק מתוכם כי הטיטניום יכול להתרכב אפילו עם החנקן, או שמזרימים לתוך הכלי גז כדוגמת הארגון, שהוא אינו פעיל לחלוטין והטיטניום לא יכול להתרכב איתו. זוהי הסיבה שהפקת הטיטניום היא יקרה ואף מסובכת. והיה אם וכאשר תמצא דרך פשוטה וזולה יותר ניתן לשער שהטיטניום ישמש בעיקר בייצור והכנת כלי תחבורה שונים, כמו מכוניות, רכבות, אוטובוסים וכו’.
בזכות התכונות המצוינות של הטיטניום (ראה איור 1), סגסוגות טיטניום משמשות לבניית מטוסים, רוטורים של מסוקים, תחמושת, ספינות, חלליות, קוצבי לב, אפודי מגן, תכשיטים, שלדות אופניים ומחבטי גולף. טיטניום משולב לעתים קרובות עם אלומיניום, עם ונדיום, עם נחושת, עם ברזל, עם מנגן, עם מוליבדנום וכן עם מתכות אחרות. סגסוגת של טיטניום וונדיום משמשת לציפוי מטוסים. אחת הסגסוגות הנפוצות ביותר היא Ti-6Al-4V, המכונה בקיצור Titanium-6-4, והיא כוללת 6% משקלי של אלומיניום ו-4% משקלי של ונדיום (והיתר טיטניום).
לטיטניום שימוש נרחב ברפואה. חומר זה הוא החומר המוביל ממנו מייצרים שתלים אורטופדיים להשתלות שיניים, לחובור חלקי עצם, ועוד. היתרון בשימוש בטיטניום לצורך זה הוא שחומר זה אדיש מבחינה כימית ומתקבל באופן טוב על ידי גוף האדם. כמו כן, חוסר המגנטיות שלו מאפשרת למושתלים, להיבדק במכונות.

הפצה
בעולם ישנם מספר חברות מצומצם שמפיקות טיטניום בסטנדרט אבטחת איכות גבוהה. סטנדרט הייצור הגבוה חיוני מאוד ללקוחות המייצרות לתעשיית התעופה והרפואה. חברת ברמיל ודומיה מתמחים בשיווק טיטניום לתעופה, תעשיה ורפואה. המתכת מיוצרת בפרופיל בר עגול, משושה, מלבני ומרובע, ומופק בהרכב מולקולרי שונה. להלן המשפחות העיקריות של הרכבי הטיטניום:

Ti Grade 2
טיטניום גרייד 2 הוא “סוס העבודה” של תעשיית הטיטניום הטהורה מבחינה מסחרית, הודות לשימושיות המגוונת שלה וזמינות רחבה. בעל עמידות בפני קורוזיה. עמידה בטמפרטורה גבוהה, חוזק, ואלסטיות גבוהים. זה עושה את הגריייד 2 למשפחה הנמכרת ביותר. החומר משמש בעיקר לאדריכלות, ייצור חשמל, תעשייה רפואית, הידרו-פחם, עיבוד תת ימית, תכריכי צינור פליטה, ציפוי ועיבוד כימי, ייצור כלורט.
MRI ללא בעיות.

Ti Grade 4
ידוע בהרכב בעל החוזק הגבוה ביותר של משפחות הרכב הטיטניום המסחרי הטהור. גרייד זה ידוע גם לעמידות מצוינת בפני קורוזיה ואלסטיות. למרות שגרייד זה בדרך כלל משתמש ביישומים התעשייתיים הנוגעים למתקנים לציפוי, לאחרונה החלו לעשות בו שימוש באלמנטים רפואיים. הוא דרוש ביישומים בהם נדרש חוזק גבוה: רכיבי שלדה, כלים קריוגניים, מחליפי חום, כלים כירורגיים וסלי כבישה וציפויים.

Ti Grade 5
ידוע בשם “סוס העבודה” של סגסוגות הטיטניום, Ti 6AL-4V, או גרייד 5. הוא נפוץ ביותר בין כל סגסוגות הטיטניום. הוא מהווה 50 אחוזים מכלל שימוש הטיטניום ברחבי העולם. ניתן להשתמש בו בבנייה מרותכת בטמפרטורות שירות של עד 600 מעלות צלסיוס. סגסוגת זו מציעה את החוזק הגבוה שלה במשקל קל ועמידות גבוהה בפני קורוזיה. השימושיות של Ti 6AL-4V עושה אותה לסגסוגת הטובה ביותר לשימוש במספר תעשיות, כמו התעשייה האווירית, הרפואית, הימית והעיבוד הכימי. ניתן להשתמש בו ביצירה של דברים טכניים כגון: טורבינות מטוסים, רכיבי מנוע ורכיבים מבניים למטוסים, מחברים, חלקים אוטומטיים לביצועים גבוהים, יישומים ימיים, ציוד ספורט ומכוניות מירוץ.

Ti Grade 7
תרכובת זו הינה שוות ערך מכאנית ופיזית לגרייד 2, למעט תוספת של פלדיום. אלמנט ביניים זה הופך את הסגסוגת לבעלת נקודת היתוך מצוינות וגבוהה במיוחד, העמידה במיוחד בפני קורוזיה (יותר מכל סגסוגות הטיטניום). למעשה, סגסוגת זו עמידה ביותר בפני קורוזיה בהפחתת חומצות. גרייד 7 משמשת בתהליכים כימיים ורכיבי ציוד ייצור ומנועי סילון..

Ti Grade 23
שמו הנפוץ TI 6AL-4V ELI. סגסוגת זו היא גירסה ברמת נקיון גבוהה יותר של הגרייד 5. זוהי הבחירה המתאימה ביותר לכל מצב שנדרש בו שילוב של חוזק גבוה, משקל קל, עמידות טובה בפני קורוזיה וקשיחות גבוהה. יש לו סובלנות נזק עדיפה על סגסוגות אחרות. יתרונות אלה הופכים את גרייד 23 לסגסוגת הטיטניום הרפואית האולטימטיבית. סגסוגת זו יכולה להיות בשימוש ביישומים ביו-רפואיים כגון רכיבים מושתלים, בשל כוח עייפות טוב ומודולוס נמוך, כמו כן יכולה לשמש בניתוחים מפורטים, כמו: סיכות וברגים אורתופדיים, כלים אורתופדיים וסיכות כירורגיות, קפיצים, מכשירים אורתודנטיים, בהחלפת מפרקים, כלים קריוגניים ומכשירי קיבוע עצם.

שמואל שריקי, ברמיל בע”מ חברה לשיווק והפצה של טיטניום לתעשייה, רפואה ותעופה