Титан – металл будущего

Титан – уникальный металл, без которого сегодня немыслима авиакосмическая промышленность. Титан нашел применение в машиностроении, химической промышленности, энергетике, металлургии, судостроении, медицине, электро- и радиотехнике и т.д. А еще из него делают скульптуры, например знаменитый памятник Юрию Гагарину в Москве.

Разбираемся, чем титан заслужил такую славу.

Путь длиной в 150 лет

Дмитрий Иванович Менделеев считал титан «практически малополезным» металлом. Однако автор периодического закона химических элементов дал свою оценку слишком преждевременно. Титан входит в десятку самых распространенных в земной коре веществ и занимает четвертое место среди металлов. На его долю приходится 0,6% всего веса земной коры. Проблема в том, что титан не встречается в природе в чистом виде. Добывать его из соединений в хорошем качестве и количестве научились только в XX веке, так что в чем-то великий русский ученый был прав.

Открыли титан в конце XVIII века независимо друг от друга английский химик-любитель Уильям Грегор и немецкий ученый Мартин Клаптроп, первооткрыватель урана. Он же дал новому металлу название в честь мифических богов титанов, по другой версии − в честь шекспировской королевы фей Титании. В любом случае, мифологическое название подошло металлу, точные свойства которого определить в то время было невозможно.

Наиболее чистый титан удалось выделить русскому ученому Дмитрию Кириллову в 1875 году. И только спустя 50 лет в Голландии химики ван Аркель и де Бур добились такой чистоты металла, которая позволила выявить многие его полезные свойства. В итоге титан можно назвать рекордсменом по времени изучения среди современных конструкционных металлов. Если железо или медь после выявления их свойств довольно быстро находили применение в изделиях, то титану на этот путь понадобилось более 150 лет.  

Легкий, прочный, стойкий к коррозии

Когда удалось получить беспримесный титан, ученые смогли исследовать его замечательные свойства. Это легкость, прочность, твердость, низкая плотность, которые сохраняются при нагревании. Титан долговечен, устойчив к радиации, морской воде, кислотам. При обработке он может превращаться в тонкую фольгу или проволоку. А кроме того, он совсем не магнитится и обладает низкой электропроводностью. Главная проблема в том, как достать его из соединений, в которых он находится в природе.

Существует более сотни минералов, включающих титан. Титансодержащие руды разбросаны по всему земному шару: рутил, анатаз, брукит, ильменит, титанит, перовскит и другие.

На ильменит приходится большая часть мировых титановых запасов, а назван минерал так в честь Ильменских гор на Урале. Крупные месторождения титановых руд есть в Китае, России, Африке, Австралии, Канаде, США, Индии и других странах. Крупнейшим производителем титана в мире является российская корпорация ВСМПО-АВИСМА, недавно отметившая 90-летие.

Титановые сплавы

Для получения новых полезных свойств титан часто применяют в сплавах с другими веществами. Титан соединяли практически со всеми элементами таблицы Менделеева, и до сих пор продолжают появляться новые титансодержащие материалы.

Например, алюминий придает сплаву с титаном пластичности, упругости и еще большей стойкости к коррозии. Для сопротивления разъеданию в самых агрессивных средах титан также соединяют с цирконием, рением, танталом, ниобием и палладием.

При сплаве титана с никелем получается уникальный материал нитинол, обладающий памятью формы. Если деталь из этого соединения нагреть до красного каления, а затем после остывания деформировать, то при последующем нагревании она восстановит свою изначальную форму.

Для повышения жаропрочности к титану добавляют медь, хром или молибден. Ферротитан – сплав титана и железа – применяется в черной металлургии в качестве очищающего средства для железа и стали. Здесь уже, скорее, титан является добавкой.

Самым распространенным в промышленности, в частности авиастроении и медицине, является титановый сплав Ti-6Al-4V, в котором как раз лучше всего раскрыты малая плотность и устойчивость титана к коррозии.

От авиации до архитектуры

Благодаря свойствам титана его называют металлом будущего. Первоначально легкий и прочный металл использовался в оборонной промышленности, но со временем сфера его применения расширилась.

Основным потребителем титановой продукции сегодня остается авиастроительная отрасль, ведь по своим физико-механическим свойствам титановые сплавы являются универсальным конструкционным материалом. До конца 1960-х годов из титана делали в основном турбины авиадвигателей, а начиная с 1970-х годов титан стали применять в изготовлении и других деталей самолетов: обшивки, люков, пола, шасси, силовых элементов. Только замена стальных заклепок на титановые может сделать самолет легче на несколько тонн.  

Благодаря титану человек смог преодолеть звуковой барьер в авиации и выйти в космос. Сверхнизкие и сверхвысокие температуры, радиация и другие экстремальные условия космических полетов подвластны титановым сплавам. Материалы на основе титана использовались в пилотируемых ракетных комплексах «Восток» и «Союз», беспилотных «Луна», «Марс», «Венера», «Энергия» и в орбитальном корабле «Буран».

В судостроении титан незаменим для обшивки судов, производства деталей насосов и трубопроводов. Благодаря высокой коррозионной стойкости титана суда не ржавеют десятилетиями. А слабые магнитные свойства титана и его сплавов используют при изготовлении навигационных приборов. Кроме того, титан практически идеален для создания глубоководных аппаратов.

Из сплавов на основе титана изготавливается оборудование для энергетической промышленности: трубы для теплообменной аппаратуры различного назначения, конденсаторы турбин и др. Титан применяется при разработке оборудования для освоения нефтегазовых месторождений на морских шельфах, где важна высокая прочность и устойчивость к соленой воде и агрессивным средам: глубоководных бурильных и добывающих установок, насосов, трубопроводов и многого другого.

В медицине титан высоко ценится за то, что имплантаты из этого металла хорошо приживаются в организме, не вызывают аллергии, а также допускают проведение процедур с применением магнитов. Легкий и прочный титан нашел свое применение и в спорте: из него изготавливаются велосипеды, клюшки для гольфа, альпинистское и туристическое снаряжение.

Титан обеспечивает длительный срок службы даже зданиям: из него делают кровлю, облицовку и другие элементы архитектуры. Кроме того, он подчеркивает технологичность и современный характер зданий. Среди знаменитых построек − музей Гуггенхейма в Бильбао (Испания), облицованный 24 000 м² титана, или аэропорт в Абу Даби (ОАЭ), на который пошло более 680 тонн технического титана.

В скульптуре титан применяется там, где нужно показать связь с передовыми технологиями, вершиной которых можно назвать полеты в космос. Еще в 1964 году 25 тонн титана было использовано для облицовки монумента покорителям космоса на ВДНХ. А первой в мире монументальной литой скульптурой из титана является памятник Юрию Гагарину, открытый на площади его имени в Москве в 1980 году. Слитки из сплава ВТ5Л с низким содержанием кислорода были подготовлены на Верхнесалдинском металлургическом производственном объединении, сегодня входящем в корпорацию ВСМПО-АВИСМА.

Ростех