تیتانیوم در 1790 کشف شد اما تا اوایل دهه 1900 مورد خالص سازی قرار نگرفت. بعلاوه، از این فلز تا نیمه دوم قرن بیستم بطور گسترده استفاده نشد. اما اکنون تیتانیوم دارای تجربه حدودا 50 ساله ای از استفاده صنعتی مدرن و طراحی برای پشتیبانی از کاربرد خود است. بیشتر این کاربرد در کاربردهای نظامی در هواپیما نظیر SR71 (شکل 1-1) یا موتورهای توربینهای گازی (شکل 1-2) بوده است. تازه ترین موارد استفاده آن شامل مواردی نظیر چوب گلف و دوچرخه میشود. بدلیل چگالی منحصربفرد، مقاومت به خوردگی و استحکام مناسب آن نسبت به مواد رقیب نظیر آلومینیوم، فولادها و سوپرآلیاژها، تیتانیوم جایگاه ویژه خود را در بسیاری از صنایع پیدا کرده است. برخی واقعیتهای مهم و/یا مزایای مهم آلیاژهای تیتانیوم، مبنای استفاده گسترده امروزه از تیانیوم را نشان میدهند
تیتانیوم عنصری با چگالی کم (تقریبا 60 درصد چگالی فولاد و سوپرآلیاژها) است که می توان آن را با آلیاژکردن و شکل دهی به شدت استحکام بخشید.(خواص مشخصه تیتانیوم در جدول 2-1 ارائه شده است) تیتانیوم غیرمغناطیسی بوده و دارای خواص انتقال حرارتی خوبی است. ضریب انبساط گرمایی آن مقداری کمتر از فولاد و کمتر از نصف ضریب آلومینیوم است. تیتانیوم و آلیاژهای آن دارای نقطه ذوبی بالاتر از فولاد هستند اما بیشینه دمای مفید برای کاربردهای سازه ای معمولا از °C 427 (°F 800) تا تقریبا °C 595 (°F 1000 تا 1100) متغیر است که این دما به ترکیب آن بستگی دارد. آلیاژهای آلومیناید تیتانیوم، نویدبخش کاربردهایی در دماهای تا °C 760 (°F 1400) می باشند.
ساختار بلوری و انواع آلیاژ
بطور کلی فلزات دارای چیدمان های ساده اتمی در مقایسه با سرامیکها و پلاستیکها هستند که برای راحتی می توان چنین تصور کرد که کره هایی سخت در شبکه های بلوری چیده شده اند. یک دانه توسط انباشت گروهی از بلورهای مشابه از یک فلز (یا آلیاژ) معین تشکیل می شود. جهت گیری توده های شبکه معمولا با افزایش مسافت متفاوت شده و در نتیجه، فلزی نظیر تیتانیوم از دانه های زیادی تشکیل می شود مگر اینکه بطور عامدانه بعنوان یک تک بلور رشد داده شده باشد. درون هر دانه، جهت گیری ساختار شبکه در مسافت های مختلف، یکسان است اما در عرض مرزدانه، دانه بعدی دارای جهتگیری فضایی متفاوتی خواهد بود.
علاوه بر وجود دانه ها و مرزدانه های همزمان، تیتانیوم یک عنصر آلوتروپی است؛ یعنی، در بیش از یک شکل کریستالوگرافی وجود دارد. در دمای اتاق، تیتانیوم دارای یک ساختار بلوری شش وجهی فشرده (hcp) است که به آن فاز آلفا اطلاق می شود. این ساختار در °C 888 (°F 1621) به ساختار بلوری مکعبی مرکزپر (bcc) استحاله می شود. مدلهای کره سخت از فاز بتا و فاز آلفا در شکل زیر نشان داده شده اند.
فرآیندهای تولید نظیر آهنگری در قالب، شکل دهی گرم و سرد، ماشینکاری، کار شیمیایی، اتصال دهی و گاهی اکستروژن همگی فرآیندهای تولید ثانویه به کار رفته برای تولید قطعات نهایی از محصولات اولیه می باشند. هر یک از این فرآیندها ممکن است شدیدا بر خواص تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم به تنهایی یا با برهم کنش با فرآیندی که فلز قبلا دست خوش آن شده است تاثیر بگذارند. ماشینکاری، اتصال دهی و کار شیمیایی در فصول آینده پوشش داده می شود. این فصل به فورج کاری و شکل دهی تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم اختصاص یافته است. شکل دهی راه اصلی استخراج اشکال از ورق نازک یا ضخیم است.
برای بیش از دو دهه، قطعات ریخته گری سازه ای بزرگ برای کاربردهای هوافضا موجود بوده است اما ریخته گری دارای اقبالی جهانی نبوده است. ریخته گری تیتانیوم هنوز هم یک چالش به حساب می آید زیرا یک فلز بشدت واکنشی است و می تواند با اتمسفر و با دیرگدازهای مرسوم بکار رفته در فرایند قالبگیری برهم کنش نماید. عوامل هزینه ای مربوط به فراوری آلیاژ کارشده منجر به تلاشهای مستمر برای ایجاد و بهبود روشهای ریخته گری برای تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم گردید. نتیجه این تلاشها، کاربرد تقریبا ناپایدار قطعات ریختگی تیتانیوم اما با اقبالی گسترده تر در دهه گذشته بوده است. در حال حاضر، ترکیبی از ریخته گری و پرسکاری ایزواستاتیک داغ (HIP) باعث تولید آلیاژهای تیتانیوم با خواص مکانیکی قابل قبول و مزایای هزینه ای قابل توجه نسبت به قطعات فورج شده می شود.
در هیچ کاربردی، همانند کاربردهایی که نیاز به پیش بینی دوام عملکرد دارند، از تیتانیوم استفاده نشده است. حوزه هایی با عملکرد عالی خاص نظیر هوافضا و ابزارهای ورزشی (سر چوب گلف و دوچرخه های مسابقه ای)، ایمپلنت های زیست پزشکی و دیگر کاربردهای صنعتی و خوردگی دریایی حاضر به پرداخت هزینه بالاتری برای قطعات تیتانیوم آلیاژی هستند. اما قیمت اولیه تیتانیوم یا آلیاژهای تیتانیوم و هزینه های ماشین کاری و فورجکاری که غالبا با هم ترکیب شده اند باعث می شوند تا تصمیم گیری درباره استفاده از تیتانیوم را دشوار سازند.
عبارت ماشینکاری دارای کاربرد وسیعی است و به همه انواع فرآیندهای برداشت فلز و برشکاری اطلاق می شود. روشهای ماشینکاری مرسوم عبارتند از تراشکاری، فرزکاری سطحی، فرزکاری با بار جانبی کم و برشکاری صعودی، مته زنی، برقوزنی، سنگ زنی چرخشی، سنگ زنی دیسکی، برشکاری سایشی، برشکاری سایشی دستی، اره کاری دوسره و ارهک اری نواری. روشهای پرکاربرد غیرسنتی عبارتند از ماشینکاری الکتروشیمیایی (ECM)، فرزکاری شیمیایی (CHM) و ماشینکاری پرتوی لیزری (LBM).
زمانی باور بر این بود که ماشینکاری تیتانیوم دشوار است. اما اکنون پایه ای وسیع از دانش ماشینکاری تیتانیوم وجود دارد و تولیدکنندگان می دانند که با انتخاب روش های مناسب، می توان تیتانیوم را با استفاده از روش هایی قابل مقایسه با روشهای به کار رفته برای ماشینکاری فولاد ضدزنگ 316، از کار در آورد.