Khi nào cần Titan? So sánh Inox vs Titan cho ứng dụng kỹ thuật cao
Trong mọi so sánh vật liệu kim loại, Inox (thép không gỉ) thường là “chuẩn mặc định”. Nhưng khi bước vào các ứng dụng kỹ thuật cao – nơi trọng lượng, ăn mòn clorua, độ tin cậy và chứng chỉ vật liệu trở thành ranh giới – Titan xuất hiện như một lựa chọn khác hẳn. Bài viết này đi thẳng vào câu hỏi: Khi nào cần đến Titan, và Titan khác gì Inox trong thực tế vận hành ở Việt Nam?
– Ưu tiên Titan nếu:
– Cần tỉ số bền/trọng lượng vượt trội (aerospace, đua xe, UAV, thiết bị nâng di động).
– Môi trường clorua nặng (nước biển, nước muối, hypochlorite, chlorine dioxide) đòi hỏi tuổi thọ “gần như miễn bảo trì”.
– Ứng dụng y sinh/tiếp xúc cơ thể (implant, dụng cụ y tế) yêu cầu tính trơ sinh học cao.
– Hệ thống quan trọng, chi phí dừng máy cao (bộ trao đổi nhiệt nước biển, chlor-alkali, khử mặn RO).
– Giữ Inox nếu:
– Nhiệt độ làm việc cao >400°C (lò, ống khói, gia nhiệt – ưu tiên 310/309, 316).
– Dự án nhạy chi phí, khối lượng không phải yếu tố quyết định.
– Cần gia công, hàn nhanh, chuỗi cung ứng rộng và linh hoạt.
– Mài mòn/ma sát cao (Titan dễ galling, cần phủ/cặp vật liệu phù hợp).
– Khối lượng riêng:
– Titan: ≈ 4,5 g/cm³
– Inox austenitic (304/316): ≈ 7,9–8,0 g/cm³
– Độ bền kéo điển hình:
– Titan Gr.5 (Ti-6Al-4V): UTS ~ 900–1000 MPa, giới hạn chảy ~ 800–880 MPa
– Titan Gr.2 (thương phẩm tinh khiết): UTS ~ 345–485 MPa
– Inox 304/316: UTS ~ 515–620 MPa, giới hạn chảy ~ 205–240 MPa
– Inox 17-4PH (tôi ram H900): UTS ~ 1100–1310 MPa, chảy ~ 1000+ MPa
– Duplex 2205: UTS ~ 620–880 MPa, chảy ~ 450–620 MPa
– Hàm ý:
– Bền riêng (UTS/ρ): Titan (đặc biệt Gr.5) vượt Inox 304/316 rõ rệt → giảm 30–45% khối lượng ở cùng độ bền.
– Mô đun đàn hồi (E): Titan ~ 105–116 GPa; Inox ~ 190–210 GPa → Titan “mềm” hơn về độ cứng vững, dễ rung/lệch nếu không tăng tiết diện.
– Nhiệt độ làm việc:
– Titan đảm bảo cơ tính tốt tới ~300°C (trên nữa dễ suy giảm, rủi ro oxy hóa/giòn).
– Inox 304/316 dùng tốt tới 500–600°C; mác chịu nhiệt 310/309 có thể cao hơn (oxy hóa khô).
– Dẫn nhiệt:
– Titan ~ 7 W/m·K (thấp) → phân tán nhiệt kém khi gia công; thiết bị trao đổi nhiệt cần bù diện tích.
– Inox 304/316 ~ 14–16 W/m·K (vẫn thấp so với đồng/nhôm nhưng gấp ~2 lần Titan).
– Hệ số giãn nở nhiệt:
– Titan ~ 8,6–9,5 µm/m·K; Inox 304/316 ~ 16–17 µm/m·K → Titan giãn nở thấp hơn, lợi thế cho lắp ghép chính xác.
– Titan:
– Thụ động hóa TiO2 bền vững, hầu như “miễn nhiễm” pitting/crevice trong nước biển, NaCl, hypochlorite, ướt chlorine.
– Lưu ý cần oxy để duy trì màng thụ động; môi trường hoàn toàn khử (acid mạnh không có oxy) có thể tấn công.
– Không bền với HF, acid chứa fluoride; thận trọng với H2SO4/HCl nóng, đậm đặc trong điều kiện khử.
– Inox:
– 304 dễ pitting/crevice trong clorua; 316/316L cải thiện nhờ Mo nhưng vẫn giới hạn (đặc biệt >50–60°C).
– Duplex 2205/siêu duplex tăng PREN chống pitting; tuy nhiên lắp ghép khe hở vẫn là điểm yếu.
– Thực tế:
– Nước biển Việt Nam: Titan cho tốc độ ăn mòn gần như 0 mm/năm, tuổi thọ >20 năm ở bộ trao đổi nhiệt, ống ngưng. 316 thường pitting/crevice trong 6–24 tháng nếu khe hở/đọng muối.
– Gia công cơ:
– Titan: dẫn nhiệt thấp → vùng cắt nóng, lẹm dao; cần tốc độ cắt thấp, tưới nguội mạnh, dao sắc PVD TiAlN, chiến lược trochoidal.
– Inox: cũng khó cắt hơn thép carbon nhưng “dễ thở” hơn Titan; nguồn gia công phổ biến.
– Hàn:
– Titan cần che phủ khí trơ tuyệt đối (argon ≥99,99%), back-purge kỹ, sạch bề mặt; nhiễm O/N/H → giòn.
– Inox 304/316 hàn MIG/TIG thông dụng; kiểm soát biến dạng và ăn mòn khe là chính.
– Ma sát/mài mòn:
– Titan dễ galling, kém chống mài mòn dính → ưu tiên phủ (nitriding, DLC) hoặc cặp với vật liệu khác; bôi trơn bắt buộc cho bu lông.
– Inox cũng có xu hướng galling nhưng nhẹ hơn và dễ xử lý với mạ/lubricant.
– Điện: cả hai dẫn điện kém; Titan còn kém hơn.
– Từ tính: Titan không từ; Inox austenitic (304/316) gần như không từ, nhưng có thể nhiễm từ nhẹ sau gia công nguội.
– Y sinh: Titan (Gr.2, Gr.23 ELI) trơ sinh học vượt trội cho implant lâu dài; 316L dùng cho dụng cụ/thiết bị nhưng có rủi ro ion Ni.
– Nhiệt – lạnh nước biển:
– Bộ trao đổi nhiệt ống chùm/plate-and-frame cấp nước biển, dàn ngưng máy nén NH3: 316L từng hỏng do pitting/crevice sau 12–18 tháng; chuyển sang ống Titan Gr.2 vận hành >10 năm không sửa lớn.
– Khử mặn RO và chlor-alkali:
– Nước muối/hypochlorite ăn mòn mạnh vật liệu Mo; Titan Gr.2 cho chi phí vòng đời thấp nhất dù đầu tư cao.
– Marine/offshore:
– Bu lông, nẹp, trục bơm Titan giảm trọng lượng 40–50%, không rỉ sét; chú ý cách điện galvanic khi ghép với nhôm/Thép.
– Hàng không – đua xe – xe đạp:
– Ống, bu lông, cổ phuộc Titan: giảm khối lượng, giữ độ bền cao; cần thiết kế bù độ cứng để hạn chế rung.
– Y tế:
– Implant, vít xương, trụ răng: Titan Gr.23 ELI là tiêu chuẩn; Inox 316L cho dụng cụ, khay, máy móc.
– Tương quan chi phí (tham khảo, theo vật liệu thô): 304 = 1x; 316L ≈ 1,4–1,7x; Duplex 2205 ≈ 1,8–2,3x; Titan Gr.2 ≈ 6–8x; Titan Gr.5 ≈ 8–12x.
– Nguồn cung:
– Inox 201/304/316L: có sẵn dạng tấm, ống, cây tại Hà Nội/Hải Phòng/TP.HCM, giao nhanh 1–3 ngày.
– Duplex/17-4PH: sẵn ở mức hạn chế, có thể phải đặt 5–10 ngày.
– Titan Gr.2/Gr.5: thường đặt hàng theo quy cách, lead time 2–6 tuần; cần kiểm tra chứng chỉ Mill Test Certificate (ASTM/EN).
– Chi phí vòng đời:
– Môi trường clorua: Titan thường thắng về tổng chi phí sau 2–5 năm nhờ loại bỏ thay thế/gián đoạn vận hành.
1) Trọng lượng có là KPI? Nếu cần giảm >25% khối lượng mà vẫn giữ bền, ưu tiên Titan Gr.5.
2) Clorua/nước biển/hypochlorite có hiện diện? Nếu có và nhiệt độ >40–50°C, Titan là ứng viên số 1.
3) Nhiệt độ làm việc >400°C? Nếu có, nghiêng về Inox chịu nhiệt (309/310).
4) Lắp ghép có khe hở/đọng muối? Khe tăng rủi ro crevice cho Inox; Titan kháng tốt.
5) Y sinh/tiếp xúc cơ thể? Titan (Gr.2/Gr.23) là tiêu chuẩn.
6) Có sẵn năng lực hàn/giám sát khí trơ? Nếu không, chi phí chế tạo Titan sẽ đội cao và rủi ro chất lượng.
– Titan:
– Gr.2 (CP-Ti): chống ăn mòn cực tốt, dễ hàn; dùng ống/plate trao đổi nhiệt, bồn, ống dẫn nước biển.
– Gr.5 (Ti-6Al-4V): bền cao, kết cấu nhẹ, cơ khí chính xác.
– Tiêu chuẩn: ASTM B265 (tấm), ASTM B348 (thanh), ASTM B338 (ống trao đổi nhiệt), AWS A5.16 (que dây hàn ERTi-2/ERTi-5).
– Inox:
– 304/304L: thiết bị thực phẩm, kiến trúc, môi trường ít clorua.
– 316/316L: hóa chất nhẹ, ven biển, CIP; chú ý pitting ở nước biển nóng.
– 17-4PH: trục, khuôn, chi tiết chịu lực cao.
– Duplex 2205: chống clorua tốt hơn 316, nhiệt độ làm việc vừa phải.
– Tiêu chuẩn: ASTM A240 (tấm), ASTM A312 (ống), ASTM A276 (thanh), ASTM A182 (rèn).
– Galvanic corrosion:
– Titan là kim loại “quý” → khi ghép với thép/aluminium trong nước biển, phần kia dễ bị ăn mòn. Dùng đệm cách điện (PTFE/FRP), sơn cách ly, bu lông/đai ốc đồng vật liệu, hoặc anode hy sinh.
– Bu lông Titan:
– Bôi trơn ren (MoS2/Ptfe paste), giới hạn mô-men theo nhà sản xuất; tránh cặp Titan–Titan khô.
– Hàn Titan:
– Làm sạch cơ học + hóa học, hạn chế chạm tay; tốc độ khí trơ cao, màn che đuôi hồ quang (trailing shield); màu mối hàn phải bạc rơm – xanh nhạt, không xám/tím đen.
– Gia công:
– Dùng dao HSS-Co hoặc carbide phủ, tốc độ cắt thấp, lượng ăn dao cao vừa đủ; làm mát áp lực cao.
– Kết cấu Titan:
– Do E thấp, tăng momen quán tính tiết diện (dạng ống) để đạt độ cứng vững tương đương Inox.
– Môi trường có fluoride/HF hoặc tẩy rửa chứa F− (titan bị tấn công mạnh).
– Acid khử mạnh, nhiệt cao, thiếu oxy (HCl/H2SO4 đậm đặc, nóng) nếu không kiểm soát oxy hóa.
– Ứng dụng chịu mài mòn trượt nặng mà không có phủ/lubricant.
– Dự án cần giao gấp số lượng lớn, quy cách đặc thù nhưng chuỗi cung ứng Titan không kịp đáp ứng.
– Bộ trao đổi nhiệt nước biển:
– Inox 316L: CAPEX thấp, rủi ro pitting/crevice, chi phí bảo trì cao.
– Titan Gr.2: CAPEX cao, gần như miễn bảo trì, LCC thấp nhất >5 năm.
– Kết cấu nhẹ (giá đỡ UAV, phụ tùng đua):
– 17-4PH/Inox 304: rẻ hơn, nặng, dễ gia công.
– Titan Gr.5: nhẹ ~40%, bền cao, cần kỹ thuật gia công chuyên.
– Thiết bị y tế:
– 316L: dụng cụ, khay.
– Titan Gr.23: implant, vít xương lâu dài.
Titan không phải “Inox đắt tiền” – đó là một họ vật liệu khác biệt, tối ưu khi bài toán đặt nặng bền riêng, chống ăn mòn clorua tuyệt đối, y sinh và độ tin cậy vòng đời. Trong môi trường nước biển/hypochlorite hoặc ứng dụng trọng lượng nhạy, Titan thường cho tổng chi phí thấp hơn dù đầu tư ban đầu cao. Ngược lại, với nhiệt độ cao, yêu cầu gia công nhanh, và ngân sách hạn chế, Inox (304/316, 17-4PH, Duplex) vẫn là lựa chọn kinh tế và đủ tốt. Chìa khóa nằm ở việc định nghĩa đúng môi trường, tải trọng, nhiệt độ và rủi ro dừng máy: nếu ba yếu tố đầu nghiêng về clorua – nhẹ – độ tin cậy, hãy chọn Titan; nếu nghiêng về nhiệt – chi phí – tốc độ chế tạo, hãy chọn Inox.