Co dělá z titanu titan
krystalová struktura, fáze a pasivační vrstva

Tak proč se z něj nestaví všechno?

Odpověď není jednoduchá a má v sobě několik vrstev, technických i ekonomických. Titan je drahý, obtížně se zpracovává, vyžaduje speciální postupy při svařování. Ale aby člověk pochopil proč, musí se nejprve podívat na to, co se s titanem děje uvnitř, na úrovni jednotlivých atomů. Tahle série šesti článků se přesně tímhle zabývá. Začneme základem.

Tatáž slitina, dvě různé struktury

Když se podíváme na kus čistého titanu pod hypotetickým mikroskopem, který by viděl jednotlivé atomy, najdeme uvnitř pravidelnou krystalickou mřížku. Atomy nesedí náhodně, ale tvoří uspořádanou trojrozměrnou strukturu, která se opakuje napříč celým materiálem.

V čistém titanu při pokojové teplotě má tato struktura tvar šestihranné těsně uspořádané mřížky, zkráceně HCP z anglického hexagonal close-packed. Atomy v ní leží ve dvou vrstvách na sebe naskládaných šestiúhelníků, kde každý atom má šest sousedů ve stejné rovině a tři sousedy v každé z přilehlých rovin. Je to nejhustší možné uspořádání, jakého lze v krystalu dosáhnout. V titanu se této struktuře říká alfa fáze.

Když titan zahřejeme na 882 °C, stane se něco zajímavého. Atomy se přeskupí do úplně jiné konfigurace. Strukturu, do které přejdou, jsme už potkali v sérii o nerezi. Je to krychlová prostorově středěná struktura, BCC z anglického body-centered cubic. Atomy v ní sedí v rozích krychle a jeden uprostřed. V titanu se této struktuře říká beta fáze.

Teplota 882 °C, při které k přechodu mezi alfa a beta fází dochází, se nazývá beta transus. Je to jedno z nejdůležitějších čísel celé titanové metalurgie, protože všechno co se dělá s titanem za vysokých teplot (kování, válcování, svařování, tepelné zpracování) se vztahuje právě k tomuto bodu.

Proč na struktuře záleží

Rozdíl mezi alfa a beta fází není kosmetický. Obě struktury se chovají jinak, protože jejich geometrie umožňuje různý pohyb dislokací (mikroskopických defektů krystalové mřížky, které jsou nositeli plastické deformace).

V HCP struktuře, tedy alfa fázi, existuje jen málo směrů, ve kterých se dislokace mohou snadno pohybovat. Materiál je proto pevnější, tužší, ale méně tažný. Hůř se ohýbá a tvaruje. Naopak lépe odolává creepu (pomalé deformaci pod stálým zatížením při vyšších teplotách) a lépe si udržuje strukturu při vysokých teplotách.

V BCC struktuře, tedy beta fázi, existuje víc skluzových systémů a dislokace se v ní pohybují snadněji. Materiál je tažnější, lépe se zpracovává, ale je méně pevný za vysokých teplot a méně odolný vůči creepu.

Tahle dualita je důvod, proč jsou slitiny titanu tak rozmanité a proč existují techniky tepelného zpracování, které z téhož chemického složení dokáží udělat materiál s úplně jinými vlastnostmi. Tomu se budeme věnovat ve druhém článku této série.

Čistý titan není úplně čistý

V praxi se nikdy nepracuje s úplně čistým titanem. I po nejdokonalejším čištění obsahuje materiál stopová množství dalších prvků: kyslíku, železa, dusíku, uhlíku a vodíku. Tyhle nečistoty nejsou vada. Jsou neoddělitelnou součástí vlastností finálního materiálu.

Kyslík má na vlastnosti titanu obzvlášť velký vliv. Atomy kyslíku jsou malé a sedí v mezerách mezi atomy titanu (v takzvaných intersticiích, volných místech v krystalové mřížce). Tím lokálně mřížku deformují a stěžují pohyb dislokací. Důsledek je zvýšení pevnosti, ale snížení tažnosti.

Pokud je obsah nečistot nižší než 1 %, materiál se označuje jako komerčně čistý titan. Existují čtyři stupně tohoto materiálu, označované jako Grade 1 až Grade 4, s rostoucím obsahem kyslíku a tedy s rostoucí pevností, ale klesající tažností. Grade 1 je nejčistší, nejtažnější a nejlépe tvarovatelný. Grade 4 má nejvyšší pevnost ze čtyř komerčně čistých variant.

Komerčně čistý titan má vynikající korozní odolnost a slušnou tažnost, ale nízkou pevnost ve srovnání s ocelí nebo se slitinami titanu. Používá se tam, kde vlastnosti povrchu rozhodují víc než mechanická pevnost: chemické procesní vybavení, lékařské nástroje, výměníky tepla, nádoby pro agresivní média.

Když je potřeba vysoká pevnost, sahá se po slitinách. Mezi titan se přidávají další prvky, které mění chemii i strukturu materiálu. Vzniká několik rodin slitin s velmi odlišnými vlastnostmi. Tomuto tématu se budeme věnovat ve druhém článku.

Pasivační vrstva — proč titan nekoroduje

Druhým důvodem, proč je titan tak výjimečný materiál, je jeho povrch. V tomto smyslu titan paradoxně sdílí klíčový mechanismus s nerezovou ocelí, byť v jiné chemii.

V okamžiku, kdy se čerstvý titanový povrch dostane do kontaktu se vzduchem, atomy kyslíku okamžitě reagují s atomy titanu a vytvoří na povrchu vrstvu oxidu titaničitého, chemicky TiO₂. Tato vrstva se tvoří tak rychle, že je prakticky nemožné mít titanový povrch bez ní za běžných atmosférických podmínek.

Vrstva roste, dokud nedosáhne tloušťky kolem 5 nanometrů. V tom okamžiku už nedokáže kyslík proniknout dále k titanu pod ní, a růst se zastaví. Pět nanometrů, pro představu, je asi 14 000krát méně než průměr lidského vlasu.

A přesto tahle nepředstavitelně tenká vrstva dělá z titanu jeden z nejvíce korozně odolných kovů, které známe. TiO₂ je chemicky velmi stabilní sloučenina. Brání kontaktu mezi titanem pod ní a okolním prostředím tak účinně, že většina běžných korozních prostředí nemá na materiál žádný vliv.

Vrstva má navíc, stejně jako u nerezi, schopnost samohojení. Pokud se povrch poškrábe nebo mechanicky poruší, vrstva se v místě poškození okamžitě obnoví, jakmile má přístup ke kyslíku. Materiál se tedy pasivně chrání po celou dobu své existence.

Tahle pasivační vrstva je důvod, proč titan funguje v mořské vodě, v mnoha kyselinách, v alkalických prostředích, v lidském těle, ve vysokoteplotních aplikacích. Změna prostředí znamená pro většinu kovů změnu korozního chování. Pro titan to platí jen okrajově.

Stojí za zmínku, že vrstva TiO₂ a vrstva Cr₂O₃ u nerezi fungují na podobném principu, ale s důležitým rozdílem. U nerezi tvoří ochranu chrom, který musí být ve slitině přítomen v dostatečné koncentraci. U titanu je ochranná vrstva tvořena samotným základním materiálem. Není to přísada, je to vlastnost.

Proč je titan tak drahý

Když má titan tak skvělé vlastnosti, proč není všudypřítomný? Odpověď je v ekonomice jeho výroby.

Titanu je v zemské kůře dostatek, je devátým nejhojnějším prvkem (přibližně 0,6 % hmotnosti kůry). Problém je v tom, jak ho z rudy získat. Titan má vysokou afinitu ke kyslíku, dusíku a uhlíku — třem prvkům, se kterými se v rudě běžně vyskytuje. Aby se získal čistý titan, musí se z rudy odstranit všechny tyto vazby. To vyžaduje vysokoteplotní redukci hořčíkem v atmosféře inertního plynu, několikadenní proces zvaný Krollův proces.

Výsledný materiál, takzvaná titanová houba, se musí dále tavit, opět v inertní atmosféře, protože roztavený titan reaguje s prakticky čímkoli kolem sebe. Konečné zpracování (kování, válcování, obrábění) vyžaduje speciální postupy. Titan není možné zpracovávat běžnými technikami pro ocel nebo hliník.

Energetická náročnost a obtížnost celého řetězce dělá z titanu materiál, jehož cena je řádově vyšší než u oceli nebo hliníku. Pro běžné konstrukce to znamená, že se titan vyplatí jen tam, kde jeho vlastnosti přinášejí hodnotu, kterou alternativní materiály neumí dodat. V aerospace, v medicíně, ve specifických chemických aplikacích. Pro stavební konstrukci nebo strojírenství je obvykle levnější použít ocel a vyrobit součást masivnější.

Co bude dál

Tímto článkem jsme položili základ. Vědět co je alfa a beta fáze, co je beta transus, co je pasivační vrstva TiO₂, a proč existují čtyři stupně komerčně čistého titanu, znamená rozumět tomu, o čem budou ostatní články.

Ve druhém článku se podíváme na slitiny titanu a na to, jak tepelné zpracování dokáže z téhož materiálu udělat několik velmi odlišných variant. Ve třetím se budeme věnovat havárii Air France 066 v září 2017 a unikátnímu mechanismu selhání, který za ní stál. Ve čtvrtém a pátém se vrátíme k povrchu titanu, jednou v kontextu biologické integrace a podruhé v kontextu barevné anodizace. V šestém si rozebereme, kdy titan dává smysl a kdy je to luxus bez technického opodstatnění.

Pět nanometrů oxidu titaničitého. Tenká, neviditelná, samohojící. Důvod proč může kus titanu ležet sto let v mořské vodě a vyjít z ní v podstatě nedotčený.