Tytan
22 Ti Układ okresowy pierwiastków
Pręt z krystalicznego tytanu Pręt z krystalicznego tytanu
Dane ogólne
Nazwa, symbol, l.a.	Tytan, Ti, 22
Grupa, okres, blok	4 , 4, d
Właściwości metaliczne	metal przejściowy
Właściwości atomowe Masa atomowa 47,867 u Promień atomowy 140 (obl. 176) pm Promień walencyjny 136 pm Promień van der Waalsa bd Konfiguracja elektronowa [ Ar ]3d24s2 Zapełnienie powłok 2, 8, 10, 2 Elektroujemność 1,54 ( Pauling ) 1,32 ( Allred ) Stopień utlenienia 4 Właściwości kwasowe tlenków amfoteryczne
Właściwości fizyczne Stan skupienia stały Gęstość 4507 kg/m³ Twardość 6 Kolor srebrzystobiały Temperatura topnienia 1941 K 1667,85 °C Temperatura wrzenia 3560 K 3286,85 °C Objętość molowa 10,64×10-6 m³/ mol Ciepło parowania 421 kJ/mol Ciepło topnienia 15,45 kJ/mol Ciśnienie pary nasyconej 0,49 Pa (1933 K) Prędkość dźwięku 4140 m/s (293,15 K)
Pozostałe dane Ciepło właściwe 520 J/(kg*K) Konduktywność 2,34×106 S /m Przewodność cieplna 21,9 W/(m*K) Potencjały jonizacyjne I. 658,8 kJ/mol II. 1309,8 kJ/mol III. 2652,5 kJ/mol IV. 4174,6 kJ/mol V. 9581 kJ/mol VI. 11533 kJ/mol VII. 13590 kJ/mol VIII. 16440 kJ/mol
Najbardziej stabilne izotopy izotop wyst. o.p.r. s.r. e.r. MeV p.r. 44Ti {syn.} 63 lata w.e. 0,268 44 Sc 46Ti 8,0% stabilny izotop z 24 neutronami 47Ti 7,3% stabilny izotop z 25 neutronami 48Ti 73,8% stabilny izotop z 26 neutronami 49Ti 5,5% stabilny izotop z 27 neutronami 50Ti 5,4% stabilny izotop z 28 neutronami
Jeżeli nie podano inaczej, dane dotyczą warunków normalnych (0 °C, 1013,25 hPa)

Tytan (Ti, łac. titanium) – pierwiastek chemiczny z grupy metali przejściowych w układzie okresowym o liczbie atomowej 22. Jest lekki, posiada wysoką wytrzymałość mechaniczną , odporny na korozję (w tym również wody morskiej i chloru ), metal o szarawym kolorze. Tytan jest dodawany jako dodatek stopowy do żelaza , aluminium , wanadu , molibdenu i innych. Stopy tytanu są wykorzystywane w przemyśle lotniczym ( silniki odrzutowe , promy kosmiczne ), militarnym, procesach metalurgicznych, motoryzacyjnym , medycznym (protezy dentystyczne, ortopedyczne klamry), sportów ekstremalnych i innych^[1]. Został odkryty w Wielkiej Brytanii przez Williama Gregora w 1791 . Nazwę pochodzącą od boga z mitologii greckiej zawdzięcza Martinowi Heinrichowi Klaprothowi .

Występuje w skorupie ziemskiej w ilościach rzędu 5000 ppm (udział w skorupie ziemskiej 0,61%), w postaci minerałów : ilmenitu , rutylu i tytanitu , które są szeroko rozpowszechnione na całej Ziemi^[1]. Metaliczny tytan otrzymujemy przez przerób rud w procesie Krolla ^[2]. Jego najbardziej rozpowszechniony związek – dwutlenek tytanu znajduje zastosowanie w produkcji białych pigmentów ^[3]. Inne związki zawierające tytan to czterochlorek tytanu używany do zasłon dymnych oraz jako katalizator i trójchlorek tytanu, który znajduje zastosowanie jako katalizator w produkcji polipropylenu ^[1].

Dwie najbardziej użyteczne własności tytanu to jego odporność na korozję oraz najwyższy stosunek wytrzymałości mechanicznej do jego ciężaru ^[4]. Znane są dwie odmiany alotropowe pierwiastka^[5]. Posiada pięć trwałych izotopów o masach atomowych od 46 do 50^[6]. Właściwości fizykochemiczne tytanu są podobne do cyrkonu .

Historia

Tytan został odkryty w Kornwalii w Wielkiej Brytanii w 1791 przez pastora i geologa amatora Williama Gregora . Zauważył on obecność nowego pierwiastka w ilmenicie – czarnym piasku, który znalazł w strumieniu nieopodal swojej parafii. Piasek ten był przyciągany przez magnes . Dokładniejsza jego analiza wykazała obecność dwóch substancji: tlenku żelaza (wyjaśniając przyciąganie magnesem) oraz 45,25% białego metalicznego tlenku, którego nie mógł zidentyfikować. Gregor, zdając sobie sprawę, że niezidentyfikowany tlenek zawierał metal, który nie pasował do właściwości jakiegokolwiek znanego pierwiastka, poinformował o swoim odkryciu Królewskie Towarzystwo Geologiczne w Kornwalii i niemieckie czasopismo naukowe Annalen Crell^[7].

Martin Heinrich Klaproth nazwał tytan zaczerpując nazwę z mitologii greckiej .

Tlenek tytanu został odnaleziony niezależnie od Gregora w 1795 przez niemieckiego chemika Martina Heinricha Klaprotha w rutylu na Węgrzech ^[8]. Klaproth stwierdził, że ruda zawiera nowy pierwiastek i postanowił nazwać go tytanem zaczerpując nazwę z mitologii greckiej ^[7]. Po usłyszeniu o odkryciu Gregora nowej substancji, nabył jej próbki i potwierdził odkrycie tytanu.

Przez wiele lat próbowano otrzymać czysty tytan, jednak nie udawało się tego dokonać zwyczajnymi sposobami poprzez ogrzewanie tlenku w obecności węgla, ponieważ tworzył się węglik tytanu zamiast spodziewanej redukcji tlenku do metalu. Dopiero w 1910 Matthew A. Hunter otrzymał czysty (99,9%) metaliczny tytan poprzez ogrzewanie TlCl₄ z sodem w bombie stalowej w temperaturze 700-800 °C. Do 1946 tytan nie był używany nigdzie poza laboratorium, dopóki William Justin Kroll nie opracował opłacalnego sposobu otrzymywania metalicznego tytanu poprzez redukcje czterochlorku tytanu magnezem . Technologia ta została nazwana procesem Krolla. Pomimo badań nad tańszym i wydajniejszym sposobem otrzymywania tytanu, proces Krolla jest do dzisiaj używany do komercyjnego pozyskiwania metalu.

Tytan otrzymany w procesie Krolla

Tytan o bardzo wysokiej czystości został otrzymany przez Anton Eduard van Arkela i Jan Hendrik de Boera w procesie jodkowym w 1925 . Rafinacje tytanu prowadzi się w próżni w zamkniętym reaktorze. Pary jodu reagując z technicznym tytanem tworząc czterojodek tytanu, który następnie ulega rozkładowi na ogrzanym oporowo cienkim drucie wolframowym , pogrubiając go w miarę trwania procesu.

W latach 50. i 60. XX w. Związek Radziecki zapoczątkował wykorzystywanie tytanu do celów militarnych (m.in. w okrętach podwodnych K-278 Komsomolec i projektu 705 ). We wczesnych latach 50. XX wieku tytan był szeroko stosowany w lotnictwie wojskowym, szczególnie w odrzutowcach o wysokich parametrach silnika zaczynając od F100 Super Sabre i Lockheed A-12. W Stanach Zjednoczonych Departament Obrony zdał sobie sprawę ze strategicznego znaczenia tytanu i rozpoczął magazynowanie tego metalu przez całą zimną wojnę .

W 2006 Agencja Obrony Stanów Zjednoczonych przyznała 5,7 mln $ konsorcjum dwóch spółek, aby opracowały nowy proces otrzymywania tytanu sproszkowanego^[9].

Własności

Fizyczne

Pierwiastek metaliczny , tytan, jest znany z jego wysokiej wytrzymałości mechanicznej w stosunku do niskiego ciężaru ^[5]. Jest stosunkowo lekki (gęstość 4507 kg/m³), o dużej wytrzymałości mechanicznej, przy wysokiej czystości jest ciągliwy (zwłaszcza w atmosferze redukcyjnej)^[10]. Charakteryzuje się wysoką temperaturą topnienia: 1649 °C (co czyni ten metal użytecznym jako materiał ogniotrwały). Jest błyszczący, posiada biały, metaliczny kolor.

Handlowy tytan o czystości 99,2% posiada wytrzymałość na rozciąganie 434  MPa , porównywalną z rozciągalnością stopów stali , jednak jest lżejszy od nich o 45%. Tytan jest cięższy od aluminium o 60%, ale charakteryzuje się ponad dwukrotnie większą wytrzymałością mechaniczną niż najpopularniejszy stop Al: 6061-T6. Pewne stopy tytanu (np.: Beta C) posiadają wytrzymałość na rozciąganie ponad 1380 MPa (spada ona przy podgrzaniu powyżej temperatury 430 °C)^[11].

Posiada wysoką twardość (jednak nie tak wysoką jak niektóre hartowane stale), trudno się obrabia mechanicznie^[12].

Metal posiada dwie odmiany alotropowe : Ti-α – krystalizujący w układzie heksagonalnym do temperatury 882 °C; powyżej tej temperatury występuje Ti-β – krystalizujący w układzie regularnym przestrzennie centrowanym. Pojemność cieplna Ti-α gwałtownie wzrasta wraz z podgrzewaniem, po przekroczeniu temperatury 882 °C i przemianie w Ti-β pojemność cieplna kształtuje się na stałym poziomie^[13].

Chemiczne

Diagram Pourbaixa dla tytanu w wodzie.

Najbardziej znana własność chemiczna tytanu to jego doskonała odporność na korozję ; prawie taka sama jak platyny , jest także odporny na działanie środowiska kwaśnego ( kwasu siarkowego , kwasu solnego i większości kwasów organicznych ), chloru gazowego oraz roztworów zasadowych (np. morska woda )^[5]. Czysty tytan nie jest rozpuszczalny w wodzie , rozpuszczają go stężone kwasy . Jest jednym z nielicznych pierwiastków, który reaguje z czystym azotem tworząc azotek tytanu (reakcja przebiega powyżej temperatury 800 °C). Jest paramagnetykiem (słabo przyciągany przez magnes ) oraz wykazuje stosunkowo niską przewodność elektryczną i cieplną .

Diagram Pourbaixa dla tytanu ukazuje bardzo wysoką reaktywność termodynamiczną przy niskiej aktywności z wodą i tlenem^[14].

Na skutek kontaktu tytanu z tlenem na jego powierzchni tworzy się pasywacyjna warstwa tlenku tytanu o grubości ok. 2 nm (po czterech latach osiąga grubość 25 nm). Warstwa ta dodatkowo zwiększa odporność na korozję^[7].

Eksperymenty wykazały promieniotwórczość wzbudzoną tytanu na skutek zbombardowania jego jąder deuteronami . Produktami tej reakcji są pozytony i twarde promieniowanie gamma ^[2].

Występowanie

Tytan zawsze występuje w rudach innych pierwiastków. Jest dziewiąty pod względem występowania na Ziemi (0,63%) i siódmy jako metal ^[13]. Najczęściej występuje w skałach magmowych oraz skałach osadowych . Na przykład na 801 skał przebadanych przez United States Geological Survey, tytan zawarty był w 784^[13]. Jego udział w ziemiach wynosi w przybliżeniu 0,5-1,5%^[13].

Jest szeroko rozpowszechniony, występuje głównie pod postacią minerałów : anatazytu , brukitu , ilmenitu , perowskitu , rutylu , tytanitu (sfen) oraz w wielu rudach żelaza . Z powyższych minerałów tylko ilmenit i rutyl mają znaczenie ekonomiczne (pod warunkiem eksploatacji rudy o odpowiednio wysokiej zawartości tytanu). Znaczące złoża tytanu (ilmenitu) znajdują się w zachodniej Australii , Kanadzie , Nowej Zelandii , Norwegii i Ukrainie . Duże ilości rutylu są eksploatowane w Ameryce Północnej i Republice Południowej Afryki . Roczna produkcja wynosi 90 000 ton metalu i 4,3 milionów ton dwutlenku tytanu . Całkowite zasoby tytanu na Ziemi szacuje się na ponad 600 milionów ton^[7].

Tytan jest zawarty w meteorytach , jego obecność zauważono na Słońcu i gwiazdach typu M (najchłodniejszy typ gwiazd o temperaturze powierzchni około 3200 °C). Skały dostarczone przez Apollo 17 z Księżyca zawierają 12,1% tytanu^[2].

Produkcja

Koncentrat tytanu

Otrzymywanie metalicznego tytanu zachodzi w pięciu głównych etapach^[15]:

• przeróbka rud tytanu;
• otrzymywanie czterochlorku tytanu TlCl₄;
• proces Krolla – redukcja TlCl₄ magnezem ;
• oczyszczanie tytanu – proces jodkowy;
• topienie tytanu.

Ponieważ tytan reaguje z tlenem przy wysokich temperaturach (610 °C), nie może być otrzymywany przez redukcję dwutlenku tytanu . Dlatego do celów handlowych stosuje się proces Krolla , który jest złożony i drogi (stosunkowo wysoka wartość rynkowa tytanu jest spowodowana głównie poprzez przetwarzania innego drogiego metalu – magnezu )^[13]. Przemysłowa produkcja czterochlorku tytanu polega na chlorowaniu przy jednoczesnej redukcji zbrykietowanego z węglem surowca tytanowego ( rutylu lub ilmenitu ) w szybowym piecu elektrycznym.

Reakcje zachodzące podczas procesu Krolla:

2 TiFeO3 + 7 Cl2 + 6 C (900 °C) → 2TiCl4 + 2 FeCl3 + 6 CO

TiCl₄ + 2 Mg (1100 °C) → 2 MgCl2 + Ti

Techniczny tytan otrzymany w procesie Krolla powinien być rafinowany . Zasada procesu pozwalającego na otrzymanie czystego tytanu polega na rozkładzie termicznym czterojodku tytanu.

TiI₄ → Ti + 2I₂

W wysokich temperaturach (około 1400 °C) i przy określonym ciśnieniu reakcja ta przebiega w kierunku dysocjacji czterojodku tytanu, natomiast niskie temperatury sprzyjają syntezie i tworzeniu TiI₄. Zaletą tego procesu jest otrzymanie czystego tytanu nie zawierającego domieszek ( tlen , azot , węgiel ) obniżających jego własności mechaniczne.

Proces topienia tytanu stanowi poważny problem. Trudności sprawiają wysoka temperatura topienia tytanu (1668 °C) i jego duża aktywność chemiczna w tej temperaturze. Dodatkową niedogodność stanowi fakt, że stopiony tytan reaguje z nieomal wszystkimi materiałami ogniotrwałymi. Jedynie dwutlenek toru , rekrystalizowany tlenek wapnia i grafit są odporne na jego działanie. Topienie tytanu odbywa się w piecach łukowych, indukcyjnych, plazmowych oraz elektronowych. Przy czym najbardziej przyszłościowe wydaje się topienie elektronowe.

Związki chemiczne tytanu

Tytan w związkach chemicznych występuje na +4 stopniu utlenienia .

Wiertło pokryte azotkiem tytanu

Dwutlenek tytanu (TiO₂) jest najpopularniejszym związkiem tytanu. Znajduje on bardzo szerokie zastosowanie:

• przemysł metalurgiczny – do produkcji elektrod , stopów , radioelementów ceramicznych;
• przemysł barw i lakierów – bardzo dobra intensywność kolorów^[16];
• przemysł papierniczy – wysoka jakość białego papieru ;
• przemysł włókien szklanych – zastosowanie dzięki nietoksyczności, małej reaktywności chemicznej;
• przemysł wyrobów gumowych – do produkcji naturalnego i sztucznego kauczuku .

Azotek tytanu (TiN) nanosi się na narzędzia tnące, formujące i ślizgowe. Warstwa TiN o grubości od 0,5 do kilku mikrometrów daje wzrost twardości powierzchniowej do 2400 HV . Czas pracy narzędzi ulega znacznemu wydłużeniu (do kilkunastu razy). Natryskiwane plazmowo powłoki z TiN nanoszone są na elementach roboczych łopatek turbin , silników i narzędzi skrawających.

Czterochlorek tytanu (TiCl₄) jest bezbarwną cieczą, używaną w procesie produkcji dwutlenku tytanu do farb lub redukowany magnezem bezpośrednio do tytanu. Tytan tworzy również trójchlorek tytanu TiCl₃, który jest używany jak czynnik redukcyjny.

Węglik tytanu (TiC) – posiada szereg unikalnych własności, tj. wysoką twardość (ok. 90 HRC ), niski współczynnik tarcia, wysoką temperaturę topienia, dobrą odporność korozyjną i cieplną (zachowuje własności skrawalne do ok. 1000 °C). Stosowany jest w przemyśle narzędziowym, kosmicznym i energetyce atomowej. Węglik tytanu znalazł też zastosowanie w kompozytach diamentowo-węglikowych przeznaczonych na ostrza skrawające.

Tytaniany cechuje wysoka przenikalność elektryczna . Metatytaniany wapnia (CaTiO₃) i magnezu (MgTiO₃) znalazły zastosowanie w ceramice kondensatorowej. Tytanian baru (BaTiO₃) posiadający własności piezoelektryczne i ferroelekryczne. Stosowany jest w urządzeniach ultradźwiękowych, mikrofonach i urządzeniach do zapalania gazu w kuchenkach. Tytanian strontu (SrTiO₃) stosowany jest do produkcji szkła o dużym współczynniku załamania światła: do wyrobu soczewek, pryzmatów i biżuterii. Tytanian sodowy (Na₂TiO₃) wchodzi w skład mas do pokrywania prętów spawalniczych^[3].

Izotopy

Występujący w przyrodzie tytan posiada pięć stabilnych izotopów : ⁴⁶Ti, ⁴⁷Ti, ⁴⁸Ti, ⁴⁹Ti oraz ⁵⁰Ti i ⁴⁸Ti, które stanowią 73,8% wszystkich izotopów. Jedenaście znanych izotopów charakteryzuje promieniotwórczość . Najbardziej stabilnym z radioaktywnych izotopów jest ⁴⁴Ti o okresie połowicznego rozpadu wynoszącym 63 lata, dalej ⁴⁵Ti o czasie rozpadu 184,8 minut, ⁵¹Ti z czasem połowicznego rozpadu wynoszącym 5,76 minut, oraz ⁵²Ti o czasie 1,7 minuty. Pozostałe promieniotwórcze izotopy posiadają czas połowicznego rozpadu krótszy niż 33 sekundy, a nawet większość z nich posiada czas krótszy niż 0,5 sekundy. Izotopy tytanu mają masę atomową od 39,99 (⁴⁰Ti) do 57,966 u (⁵⁸Ti)^[6].

Znaczenie biologiczne

Pokrzywy zawierają około 80 ppm tytanu

Tytan jest nietoksyczny nawet w dużych dawkach i nie ma żadnego wpływu na organizm ludzki. Szacuje się, że każdego dnia człowiek spożywa 0,8 mg tytanu, ale większość nie jest przyswajana przez organizm. Ma tendencje do akumulacji w tkankach zawierających krzemionkę . Większość roślin zawiera około 1 ppm tytanu, natomiast skrzyp i pokrzywa może zawierać nawet do 80 ppm^[7].

Tytan pod postacią proszku lub wiórów może ulec zapaleniu, a rozpylony w powietrzu grozi wybuchem. Woda i dwutlenek węgla są nieefektywne w przypadku palenia się tytanu; jedynie skuteczne w takim przypadku są suche materiały przeciwpożarowe (klasa D materiałów przeciwpożarowych)^[3].

Tytan może zapalić się kiedy świeża, nieutleniona powierzchnia pozostanie w kontakcie z ciekłym tlenem. Do zapalenia może dojść przy uderzeniu twardym przedmiotem lub przy odkształceniu mechanicznym po powstaniu pęknięcia. Takie zachowanie tytanu powoduje ograniczenie dla jego stosowania z ciekłym tlenem (np. w przemyśle lotniczym i kosmonautycznym ).

Większość soli tytanu jest nieszkodliwych, ale jego związki z chlorem, takie jak: TiCl₂, TiCl₃ i TiCl4 posiadają niebezpieczne własności. Dwuchlorek pod postacią czarnych kryształów ulega samozapaleniu, natomiast czterochlorek jest lotnym dymiącym się płynem. Wszystkie chlorki tytanu są żrące.

Zastosowanie tytanu

Pigmenty i powłoki

Dwutlenek tytanu najbardziej rozpowszechniony i najczęściej używany związek chemiczny tytanu.

Około 95% z wydobytych z Ziemi rud tytanowych jest przeznaczonych na otrzymywanie dwutlenku tytanu TiO₂ z racji jego intensywnej białej barwy. Najczęściej stosuje się go jako pigment w farbach, papierze , paście do zębów oraz chirurgii plastycznej^[17]. Używany również jako dodatek do cementu , w kamieniach szlachetnych ^[18] oraz jako dodatek wzmacniający kompozyty grafitowe stosowane do wędek oraz kijów golfowych .

Proszek TiO₂ jest chemicznie obojętny, jest nieprzezroczysty. W stanie wolnym występuje pod postacią minerałów: anatazu , brukitu i rutylu ^[10]. Farba wytworzona z dwutlenku tytanu jest odporna na niskie temperatury oraz na działanie środowiska morskiego ^[3]. Czysty dwutlenek tytanu ma bardzo wysoki wskaźnik załamywania światła i rozszczepia światło silniej niż diament ^[2].

Jest wykorzystywany jako filtr oczyszczający powietrze, stosowany również jako błona naniesiona na okna chroniąca przed działaniem promieni UV ^[19].

Stale mikrostopowe o podwyższonej wytrzymałości

Transport rurociągowy na Alasce

Są to stale posiadające zmniejszoną zawartość węgla , a także obniżony poziom zanieczyszczeń ( siarka , fosfor ), o podwyższonej zawartości manganu , w których przez dodawanie niewielkich ilości dodatków stopowych, takich jak: tytan, niob i wanad uzyskuje się znaczny wzrost własności wytrzymałościowych . Działanie tytanu związane jest z tworzeniem z azotem i węglem bardzo stabilnych węglików i azotków . Jego dodatek do stali w ilości 0,01-0,02% powoduje wydzielenie podczas walcowania na granicach ziaren austenitu przede wszystkim azotku tytanu, który nie pozwala na rozrost ziaren austenitu nawet w temperaturze 1200 °C. Tytan również wpływa pozytywnie na spawalność blach. Stale zawierające oprócz niobu dodatek tytanu w ilości około 0,015% o wytrzymałości blisko 500 MPa stosowane są na rurociągi pracujące w warunkach arktycznych (obniżenie progu kruchości w niskich temperaturach).

Stale maraging [SM]

Stale maraging zawierają 20-25% Ni z dodatkami 1,3-1,6% Ti, 0,15-0,30% Al , 0,3-0,5% Nb . Tytan w tych stopach stanowi składnik umacniający, dzięki tworzeniu w czasie starzenia licznych dyspersyjnych wydzieleń (Ni₃Ti, NiTi i inne). Stale SM stosuje się w budowie statków kosmicznych, w lotnictwie (produkcja katapult , podwozia samolotów, konstrukcja samolotu myśliwskiego Mirage F1 ), w przemyśle zbrojeniowym (lufy dział szybkostrzelnych, lufy broni palnej), budowie maszyn i urządzeń (elementy turbin parowych ), korbowody (Ferrari F355/360M/550M, Porsche 911 GT3, Honda NSX), wały napędowe samochodów wyścigowych, elementy wagonów kolejowych, cienkościenne naczynia ciśnieniowe o średnicy do 4m oraz kotły i rury o dużych średnicach pracujące w podwyższonych temperaturach i pod ciśnieniem do 2GPa^[20][21].

Jedną z najistotniejszych własności tytanu jest jego odporność na działanie wody morskiej . Wykorzystano to zostało do budowy rurociągów transportujących wodę używaną do chłodzenia rafinerii i zakładów chemicznych pracujących w pobliżu morza. Z końcem lat 90. XXw . na świecie zainstalowanych było blisko 100 milionów metrów bieżących rurociągów wykonanych z tytanu^[22].

Tytan stosuje się też do produkcji pomp wody morskiej, śrub okrętowych i zaworów, a dzięki swym paramagnetycznym właściwościom do budowy "niemagnetycznych" statków badawczych, używanych do pomiarów geofizycznych. Stopy tytanu ze względu na swą odporność na korozję , jak i możliwość przenoszenia dużych ciśnień (praca na głębokości do 3700 m), uważane są za najbardziej perspektywiczny materiał na kadłuby okrętów podwodnych i batyskafów ^[23][21].

Architektura i zastosowania konsumenckie

Muzeum Guggenheima w Bilbao pokryte tytanowymi panelami.

Tytan znajduje zastosowanie w przemyśle motoryzacyjnym , a w szczególności w branży samochodów sportowych i motocykli , gdzie przywiązuje się dużą wagę do redukcji masy pojazdu przy utrzymaniu wysokiej wytrzymałości mechanicznej. Tytan jest jeszcze zbyt drogim metalem, aby był używany w najpopularniejszych samochodach (o niewygórowanej cenie). Przykładem zastosowania elementów tytanowych są rury wydechowe w późnych wersjach w Chevrolet Corvette , tłumiki w motocyklach sportowych i inne^[24].

Parker Pen Company (firma produkująca długopisy i pióra) wypuściła w 1970 serię T-1 wiecznych piór z tytanu, a rok później na rynku pokazały się tytanowe pióra kulkowe. Produkcję zaprzestano w 1972 z powodu zbyt dużej ceny tytanu. Obecnie pióra z serii T-1 są bardzo cenione i zbierane przez kolekcjonerów.

Od 1999 dostępne są młotki z obuchem tytanowym. Ich lekka waga umożliwia zastosowanie dłuższego trzonka , dzięki czemu wbijanie gwoździ staje się szybsze i skuteczniejsze oraz mniej męczące. Tytan niweluje wstrząsy przenoszone z narzędzia na wbijającego; generuje zaledwie 3% odskok obucha, podczas gdy stalowy młotek generował aż 29% odskok.

Tytan i jego stopy wykorzystywane są do produkcji sprzętu sportowego. Stosuje się je wszędzie tam, gdzie konieczne jest uzyskanie dużej wytrzymałości przy minimalnej masie wyrobu. Najpopularniejsze wyroby tytanowe to: sprzęt alpinistyczny , ramy rowerowe (doskonale tłumiące drgania , sprężyste i odporne na zmęczenie), rakiety tenisowe , wyczynowe sanki , narty , kije golfowe , kije hokejowe , kije do krykieta , osłony hełmów do rugby czy sprzęt wędkarski. Stopy tytanu można znaleźć w oprawkach okularów (lekkie, wytrzymałe i nie powodujące alergii skórnej ale o wysokiej cenie) czy w podkowach głównie dla koni wyścigowych oraz sporadycznie zaprzęgowych. Stopy tytanu stosuje się do produkcji osprzętu w żeglarstwie ( okucia , bloki, elementy kabestanów , olinowanie stałe).

Tytan bywa stosowany w rozwiązaniach architektonicznych . Przykładem mogą być Muzeum Guggenheima w Bilbao i Cerritos Millennium Library (pierwsze budynki w Ameryce Północnej i Europie pokryte panelami tytanowymi)^[25].

Tytan wykorzystywany jest przez artystów do tworzenia rzeźb (czterdziestometrowy pomnik Jurija Gagarina w Moskwie )^[26], detali dekoracyjnych oraz w elementach mebli.

Tytan znajduje zastosowanie w produkcji broni palnej , gdzie zastępuje stal i stopy aluminium (np. bęben rewolweru).

Inżynieria biomedyczna

Tytanowa proteza

Właściwości biologiczne i fizykochemiczne tytanu spowodowały znaczący przełom w biomedycynie. Tytan stosowany jest w protetyce dentystycznej . Posiada kilkakrotnie niższe niż tradycyjne materiały protetyczne przewodnictwo cieplne , dużą twardość , wytrzymałość mechaniczną oraz trwałość . Poza tym nie wywołuje reakcji alergicznych i jest odporny na korozje ^[7]. Do leczenia złamań kości stosuje się stopy tytanu z Al , Nb i Ta oraz tytanu z Al i Nb . Na przykład tzw. klamry Blounta, których żywotność wynosi około 20 lat, wykonane są ze stopu tytanu (43-47%) z niklem (53-57%) charakteryzującego się pamięcią kształtu . Innym zastosowaniem stopów Ni-Ti są płytki implantacyjne oraz urządzenia do leczenia zgryzu u dzieci^[7]. Tytan wykorzystywany jest również w produkcji narzędzi chirurgicznych, wózki inwalidzkich oraz kul.

Ponieważ tytan nie jest ferromagnetykiem pacjenci z implantami tytanowymi mogą być bezpiecznie badani tomografem MRI ( obrazowanie rezonansu magnetycznego ). Przygotowując tytan do wszczepienia należy go oczyścić w strumieniu plazmy , który po skończonym procesie ulega natychmiastowemu utlenieniu^[7].

Metal ten zyskuje coraz większą popularność w piercingu jako materiał na ( kolczyki , ćwieki itp.)^[27] a jego kolor można odpowiednio zmieniać poprzez anodowanie ^[28].

Lotnictwo

Silniki Airbus A380 zawierają około 11 ton tytanu

Stopy tytanu stanowią perspektywiczny materiał dla samolotów przyszłości. Z uwagi na największy współczynnik wytrzymałości do ciężaru właściwego^[5], wysoką odporność na korozję^[2] i wysoką temperaturę topnienia wykorzystywane są w przemyśle lotnicznym , morskim, kosmicznym oraz w pociskach ^[3][2]. 2/3 produkowanego tytanu zużywane jest, jako stop z aluminium , wanadem i innymi dodatkami, w silnikach lotniczych i pokryciach samolotów^[12]. Stopy tytanu używane są do produkcji większości elementów głowic wirników w śmigłowcach.

SR-71 "Blackbird" był jednym z pierwszych samolotów wykonany w dużym stopniu ze stopów tytanu, torując jednocześnie drogę do zastosowań tytanu w samolotach pasażerskich . Szacuje się, że w Boeing 777 znajduje się 58 ton tytanu, 43 ton w 747 , 18 ton w 737 , 24 ton w Airbus A340 , 17 ton w A330 i 12 ton w A320 . A380 zawiera 77 ton tytanu, w tym około 11 ton w silnikach^[29]. W konstrukcji Ił-86 znajduje się ponad 20 ton stopów tytanu^[29].

W naddźwiękowym samolocie Tupolew Tu-144 znaleźć można kilka tysięcy części z tytanu i jego stopów. Tytan stosowany był do budowy silnika Concorde . Zastąpienie stopów aluminium stopami tytanu umożliwia zmniejszenie całkowitej masy samolotu o 20-25%. Stop 6AL-4V znalazł się w około połowie wszystkich zastosowań tytanu związanych z przemysłem lotniczym^[30].

Biżuteria

Ze względu na trwałość, w ostatnich latach, tytan staje się coraz popularniejszym materiałem używanym w jubilerstwie , podczas gdy do niedawna był uznawany za metal zbyt trudny do obróbki i kształtowania skomplikowanych i precyzyjnych wzorów. Jednym z najszybciej rosnących segmentów rynku jubilerskiego są obrączki ślubne i zaręczynowe wykonane z tytanu oraz koperty i bransolety zegarków ręcznych. Główną zaletą wyrobów tytanowych jest fakt, iż nie wywołują reakcji alergicznej oraz nie ulegają zniszczeniu (pociemnieniu) w środowiskach wodnych (np. basenach).

Bibliografia

• Kaczyński J., Tytan, Wydawnictwo Naukowo Techniczne, Warszawa 1961;
• Bylica A., Sieniawski J., Tytan i jego stopy, PWN, 1985;
• Cieszewski B., Przetakiewicz W., Nowoczesne materiały w technice, wydawnictwo Bellona, 1993;
• Froes F.H., Titanium Products and Applications, JOM, 1987, no.3, 10-11;
• Dobrzański L.A., Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwie, Wydawnictwo Naukowo Techniczne, Warszawa 2002;
• Dobrzański L.A., Metalowa materiały inżynierskie, Wydawnictwo Naukowo Techniczne, Warszawa 2004;

Przypisy