Мартін Генріх Клапрот, хрещений батько титану, найвідоміший хімік кінця XVIII - початку XIX ст., вважав, що для нових елементів «найкраще підбирати такі назви, які нічого не говорили б про властивості і не давали б таким чином приводів для перекручених тлумачень». Тому, писав він, я називаю новий металевий осад титаном - на честь стародавніх мешканців Землі. Зауважимо, що даючи елементу ім'я, Клапрот, так само як і першовідкривач титану Вільям Грегор, не мав, та й не міг мати, достовірної інформації про його властивості. Протягом майже півтора століття істинних властивостей цього металу

не знав ніхто. До 1925 р. весь виплавлений в світі титан містив від 0,5 до 5% домішок. Через це він здавався абсолютно непридатним для механічної обробки. «Він крихкий і легко перетворюється в порошок при дробленні в ступці» - так писали про титан на початку нашого століття.

Досить чистий титан вдалося отримати і досліджувати лише через 135 років після відкриття, в 1925 р, коли голландці ван Аркель і де Бур винайшли свій іодідний метод. Титан високого ступеня чистоти - 99,99% - получався при осадженні на розпечений дріт металу з тетраіодіда ТіІ4.

Чистий титан - зовсім інший метал. Його можна кувати, витягати в дріт, прокатувати бляхи і найтоншу фольгу. По міцності і пружності він перевершує багато сталей. При цьому він майже вдвічі легше них. Що ж до корозійної стійкості титану, то, як відомо, в багатьох агресивних середовищах він поводиться подібно благородній платині. Так, в морській воді корозія з'їдає шар титану товщиною всього 20 мікрон за тисячу років (це екстраполяція - настільки тривалих дослідів ніхто не ставив).
Воістину титанічна стійкість!
Виходить, всупереч бажанню Клапрота, назва елемента № 22 все ж відображає його властивості...

Титан в сплавах

Титан легкий, міцний, стійкий, пружний. Однак і його властивості можна ще поліпшити легіруванням. Тоді виходять сплави в два-три рази міцніші чистого титану. І легувати його порівняно просто. Однак титан недешевий, і хоча в результаті вдосконалення технології вартість його поступово знижується, здешевленню титанових сплавів заважала присутність в них дорогих легуючих металів. Є, наприклад, дуже хороші титанові сплави з добавками платини і паладію...

Створити високоякісні, високоміцні титанові сплави без дефіцитних добавок - таке завдання сформулювали і в значній мірі вирішили співробітники Лабораторії хімії металевих сплавів Інституту металургії імені А. А. Байкова АН під керівництвом нині покійного професора І.І.Корнілова. Їх практичні рекомендації засновані на глибокому дослідженні твердих розчинів різних металів в титані.
Було відомо, що такий звичний метал, як алюміній, здатний підвищувати міцність титану подібно до того, як вуглець зміцнює залізо. Характеристики титанових сплавів, легованих алюмінієм (або алюмінієм і ванадієм), можна знайти навіть в енциклопедіях. Однак в результаті роботи металознавців і хіміків Інституту металургії були створені нові чотирьох-п'ятикомпонентні сплави на основі розчинів алюмінію в титані. Всі компоненти цих сплавів недефіцитні.

Ці сплави отримали марку АТ з цифровим індексом, що означає процентний вміст алюмінію. У сплаві АТ-3 - алюмінію 3%, в сплаві АТ-6 - відповідно 6%. Крім титану і алюмінію до складу цих сплавів в якості легуючих добавок входять залізо, кремній, хром... Їх вміст в сплаві в порівнянні з алюмінієм невеликий.
Вартість цих сплавів порівнянна з вартістю технічного титану. Але при цьому сплави групи АТ володіють майже втричі більшою міцністю і, що особливо цінно, стійкістю до розтріскування. Совокупність високих експлуатаційних якостей і відносна дешевизна дозволила ефективно використовувати нові сплави в хімічній, мікробіологічній, харчовій, медичній промисловості. У деяких галузях вони успішно конкурують з нержавіючою сталлю. Так, гідролізний апарат зі сплаву АТ-3 служить в п'ятнадцять разів довше, ніж з нержавійки. На багатьох підприємствах молочної промисловості сталеві сепаратори замінені на більш довговічні зі сплавів АТ. Це позитивно позначилося на якості продуктів. Сплав АТ-6 виявився дуже хороший для виготовлення центрифуг і інших важко нагружених апаратів.

Сьогодні, на думку фахівців, вилучити сплави АТ з промисловості було б незмірно важче, ніж свого часу їх впровадити. Економічний ефект від їх використання обчислюється у великі суми.
Група сплавів АТ - не єдиний внесок Інституту металургії в дослідження титану. Також заЙмаються дослідженням можливостей незвичайного матеріалу, ім'я якому аморфному титан. Тут необхідно невеликий відступ від теми.

Про «металеве скло»

Метали і сплави традиційно існують в кристалічному стані. Скло - класичний приклад стану аморфного. Але... Перший металевий сплав в аморфному стані (це був сплав золота з кремнієм) отримано в США в 1960р.

Довгий час здавалося, що скловидні метали представляють суто теоретичний інтерес. Однак до 1978 р ситуація змінилася. Удосконалювалися обладнання і методи отримання аморфних металевих матеріалів, відкривалися їх нові властивості і можливості. Відмінною особливістю феромагнітних аморфних сплавів виявилося поєднання високої магнітної проникності і твердості, причому стабільність магнітних властивостей залишалася високою і при механічних впливах.

Для металевого скла взагалі характерне поєднання високої міцності, твердості і пластичності, а корозійна стійкість аморфних сплавів, як правило, в десятки разів вище стійкості їх кристалічних аналогів.
Дослідження, виконані в Лабораторії хімії металевих сплавів Інституту металургії імені А. А. Байкова, дозволили сформулювати фізико-хімічні принципи створення багатокомпонентних аморфних сплавів на титановій основі.

Титан аморфний

Матеріал цей зовні схожий на звичайну фольгу, в яку загортають шоколад. Хіба що блиск його не такий яркий. Але це, якщо можна так висловитися, стікляннотітанова фольга. Всередині її - хаотичне нагромадження атомів, повна відсутність кристалічної решітки. І як наслідок, властивості аморфної титанової стрічки значно відрізняються від властивостей звичайного кристалічного титану.

По-перше, повна ідентичність механічних, магнітних і інших параметрів в усіх напрямках. Це закономірно: немає кристалічної решітки, значить, нема звідки взятися і анізотропії. Склоподібний титан на 30-40% міцніше кращих кристалічних титанових сплавів і при цьому дуже пластичний: стрічку аморфного титану можна зігнути на 180 градусів навколо леза бритви - вона не зламається.

Властивості титанових сплавів, як ми вже знаємо, можна значно змінювати легуванням. Це справедливо і для аморфного титану. Підбирають склади на основі діаграм стану багатокомпонентних систем. Наприклад, щоб збільшити міцність, до титану необхідно додати залізо, кобальт або марганець. Найбільшою корозійною стійкістю володіють аморфний сплав титану з міддю і фосфором.

Список достоїнств склоподібних титанових сплавів можна було б і продовжувати, але заради об'єктивності варто згадати і про їх недоліки. Найістотніше - температурна нестабільність. Вище певного температурного порога аморфна структура неминуче порушується, виникають вогнища кристалізації, і, перетворюючись з аморфного в мілкокристалічний, незвичайний титановий сплав втрачає свої чудові властивості.

Температурний поріг існування аморфної структури не так вже низька: від 400 до 600°С в залежності від рецептури. При температурах нижче критичної аморфний титан досить стабільний.
Є, однак, інший недолік - виготовити титанове скло дуже непросто. Щоб зберегти аморфну структуру, метал потрібно охолодити зі швидкістю, значно більшою, ніж швидкість його кристалізації. Технічно це складно - потрібен спосіб, що дозволяє стрімко охолодити глибинні шари титану.

Вирішити цю проблему допомогла мідь - її висока теплопровідність у поєднанні з інертністю по відношенню до титану. В Інституті металургії була створена установка, в якій для надшвидкого охолодження титану використовували масивний обертовий диск з мідного сплаву. Потрапляючи на поверхню цього диска, розплавлений титан миттєво віддавав тепло міді, остигав за тисячні частки секунди, утворюючи тонку (30-50 мікрон) аморфну стрічку. У міру обертання диска охолоджувалися все нові і нові порції титану, який сам витягувався в стрічку.

У цьому описі опущені технологічні подробиці, а вони часом цікаві. Ось як, наприклад, досягаються постійні ширина і товщина одержуваної стрічки. На поверхню мідного диска розплавлений титан повинен надходити дуже рівномірно - інакше порушиться режим затвердіння (гарту), в аморфній стрічці з'являться кристалічні вкраплення. Щоб цього не сталося, рідкий титан проходить через спеціальний кварцовий живильник, де додатково розігрівається безконтактним індукційним методом. Температура розплаву підтримується з точністю до декількох градусів. Видавлюється титану на охолоджуючий диск теж через кварцове сопло (в обох випадках бажано монокристалічний кварц).

Вся установка для виробництва аморфного титану поміщається в герметичній камері з інертною атмосферою. Інакше не можна: на повітрі розплавлений титан насичується газами (цей небажаний процес називається окклюдованням), і стрічка з нього стає крихкою.

Зараз вартість виготовлення аморфної титанової стрічки зрівнянна з вартістю прокатного листа з близьких за складом полікристалічних сплавів. Використовують аморфні металеві матеріали поки в основному в електроніці та електротехніці. Вважається перспективним застосування аморфного титанового дроту як арматури в нових композиційних матеріалах.
Загартування на мідному диску - найефективніший і продуктивний, але вже не єдиний метод отримання аморфного титану.

Метод лазерного глазурування. Імпульс лазера розплавляє найтонший шар металу на поверхні готової деталі, в цілому ж деталь залишається холодною. Швидко остигаючи (швидкість порядка мільйона градусів в секунду), розплавлений поверхневий шар гартується, і полікристалічний титан покривається міцно привареною аморфної плівкою.
В результаті поліпшуються механічні властивості поверхні і корозійна стійкість вироби в цілому. Методи вакуумного і плазмового напилення також дозволяють покривати вироби з титану плівкою аморфної будови.
П'ятдесят років тому титан називали металом майбутнього. Як його назвуть ще через стільки ж років?