Titan

Titan je jedním z nejdůležitějších kovových materiálů v moderním průmyslu. Vyniká nízkou hustotou, vysokou pevností, odolností proti korozi a vynikající biokompatibilitou. Tyto vlastnosti jej činí ideálním materiálem pro letecký, lékařský a chemický průmysl.

Co je titan?

Titan (chemická značka Ti) je lehký kovový prvek s atomovým číslem 22. Je známý svou vysokou pevností při nízké hmotnosti, odolností vůči korozi a chemickou stabilitou. V přírodě se titan nevyskytuje v čisté formě, ale jako součást minerálů, zejména rutilu (TiO₂) a ilmenitu (FeTiO₃).

Titan je přibližně o 40 % lehčí než ocel, ale má srovnatelnou pevnost. Oproti hliníku je sice těžší, ale výrazně pevnější a odolnější vůči vysokým teplotám i agresivnímu prostředí.

Chemické složení a struktura titanu

Čistý titan obsahuje minimálně 99 % Ti, avšak v průmyslové výrobě se často používají slitiny titanu, které obsahují prvky jako hliník, vanad, molybden, zirkonium nebo chrom, čímž se zlepšují jeho mechanické vlastnosti.

Titan může existovat ve dvou krystalických strukturách:

• Alfa (α) fáze – stabilní při nižších teplotách, má lepší pevnost a odolnost vůči korozi.
• Beta (β) fáze – stabilní při vyšších teplotách, lze ji tepelně zpracovávat pro dosažení lepších mechanických vlastností.

Na základě těchto struktur se titanové slitiny dělí na alfa, beta a alfa-beta slitiny.

Fyzikální vlastnosti titanu

Titan vyniká následujícími vlastnostmi:

✔ Nízká hustota – přibližně 4,5 g/cm³, což je o 40 % méně než ocel.
✔ Vysoká pevnost – některé slitiny dosahují pevnosti 1000 MPa a více.
✔ Vynikající odolnost proti korozi – díky vrstvě oxidu titaničitého (TiO₂) je titan extrémně odolný vůči kyselinám, mořské vodě a chemikáliím.
✔ Biokompatibilita – titan je netoxický, nekoroduje v tělních tekutinách, což jej činí ideálním pro implantáty a lékařské nástroje.
✔ Tepelná odolnost – titan si zachovává své mechanické vlastnosti i při teplotách nad 600 °C.
✔ Nízká tepelná a elektrická vodivost – oproti jiným kovům vede teplo a elektřinu hůře.

Nevýhodou titanu je především vysoká cena, obtížná obrobitelnost a komplikovaná výroba.

Výroba titanu

Titan se získává z rud pomocí Krollova procesu, který je energeticky náročný a zvyšuje cenu výsledného materiálu.

Kroky výroby titanu:

1. Těžba a zpracování rudy – titan se nachází v minerálech rutil a ilmenit, které se těží a chemicky zpracovávají.
2. Přeměna na chlorid titaničitý (TiCl₄) – ruda se zahřívá s uhlíkem a chlórem, čímž vzniká kapalný chlorid titaničitý.
3. Redukce hořčíkem nebo sodíkem – TiCl₄ se redukuje na kovový titan v podobě houbovité struktury (sponge titanium).
4. Tavení a tváření – titan se taví ve vakuových pecích a následně se odlévá nebo válcuje na plechy, trubky a další polotovary.

Kvůli složité výrobě je titan výrazně dražší než ocel nebo hliník, což omezuje jeho masové použití.

Druhy titanu a jeho slitiny

Titan se dělí na čistý komerční titan a slitiny titanu.

Čistý titan (Grade 1 – 4)

Vlastnosti: Dobrá korozní odolnost, snadná svařitelnost, nižší pevnost.
Využití: Chemický průmysl, lékařství, mořské aplikace.

Alfa slitiny

Vlastnosti: Vysoká pevnost a korozní odolnost, ale špatná obrobitelnost.
Využití: Letecký průmysl, turbínové lopatky.

Beta slitiny

Vlastnosti: Dobrá obrobitelnost a svařitelnost, vyšší pevnost než alfa slitiny.
Využití: Konstrukční materiály, sportovní vybavení.

Alfa-beta slitiny (např. Ti-6Al-4V)

Vlastnosti: Výborný poměr pevnosti k hmotnosti, široké využití.
Využití: Letecký a kosmický průmysl, biomedicína, vojenské aplikace.

Využití titanu v průmyslu

Titan a jeho slitiny se používají v různých odvětvích:

Letecký a kosmický průmysl – lehké a pevné konstrukční prvky, lopatky turbín.
Lékařství – náhrady kloubů, kostní implantáty, zubní šrouby.
Chemický průmysl – nádoby a potrubí odolné vůči agresivním látkám.
Automobilový průmysl – výfukové systémy, součástky motorů.
Sportovní vybavení – rámy kol, golfové hole, tenisové rakety.
Vojenské aplikace – pancíře, ponorky, letouny.

Výhody a nevýhody titanu

Titan má lepší pevnost než hliník a nižší hmotnost než ocel, což jej činí ideálním pro letectví a biomedicínu. Je však obtížně zpracovatelný a drahý, což omezuje jeho širší využití.

Závěr

Titan je jedinečný materiál s vynikajícím poměrem pevnosti k hmotnosti, vysokou odolností proti korozi a biokompatibilitou. Jeho hlavní nevýhodou je vysoká cena a náročná výroba. Přesto se díky svým jedinečným vlastnostem využívá v letectví, medicíně, chemickém průmyslu a dalších špičkových technologiích.