Титан

Ракета застывает в небе. — "Меняли ли вы фамилию?" — В честь сыновей Геи. — Титаническая задача. — Ошибка за ошибкой. — Широкий резонанс. — Ложка дегтя. — Ирония здесь неуместна. — Освобождение из плена. — "Черная птица". — Вот это выдержка! — Гребцы меняют лодки. — Парадокс? — На папирусном судне "Ра". — Нелепая точка зрения. — Тысячу лет спустя. — В океанских пучинах. — Третий шпиль Северной Пальмиры. — Акрополь закрыт на ремонт. — Порок излечим. — Вот так редкий! — Немного фантастики. — Рудник в Море Спокойствия. — В объятиях кислорода. — Тяжелые испытания.

18 августа 1964 года в предрассветный час на проспекте Мира в Москве стартовала космическая ракета. Этому звездному кораблю не суждено было достичь Луны или Венеры, однако судьба, уготованная ему, не менее почетна: навеки застыв в московском небе, серебристый обелиск должен пронести через столетия память о первом пути, проложенном советским человеком в космическом пространстве.

Авторы проекта долго не могли выбрать облицовочный материал для этого величественного монумента. Сначала обелиск запроектировали в стекле, потом в пластмассе, затем в нержавеющей стали. Но все эти варианты были забракованы самими авторами. После долгих раздумий и экспериментов решено было остановиться на отполированных до блеска титановых листах.

Почему же именно на титан была возложена столь почетная миссия - рассказать потомкам о подвиге наших современников?

Титан не случайно называют вечным материалом. Но прежде, чем говорить о свойствах, познакомимся с биографией этого металла.

Если бы титану пришлось заполнять анкету, то в графе "Меняли ли Вы фамилию?" он вынужден был бы указать, что до 1795 года назывался "менакином". Такое название дал этому элементу открывший его в 1791 году английский священник Уильям Грегор, в свободное от работы время с увлечением занимавшийся минералогией и химией. Вблизи своего прихода в местечке Менакан в Корнуолле он набрел как-то на незнакомый минерал в виде темного крупного песка. В нем-то и был обнаружен им неизвестный ранее элемент. Грегор окрестил минерал менаканитом, а новый элемент - менакином.

Но, видимо, это имя пришлось элементу не по вкусу и при первой же возможности (а она представилась в 1795 году, когда немецкий химик Мартин Клапрот вторично открыл элемент - на этот раз в минерале рутиле), он сменил его на красивое, ко многому обязывающее имя "титан". Титанами в древнегреческой мифологии звали сыновей Геи - богини Земли.

Спустя два года выяснилось, что Грегор и Клапрот открыли один и тот же элемент, за которым с тех пор и утвердилось гордое название - титан.

Открыть элемент - это еще не значит выделить его в чистом виде. И Грегору, и Клапроту удалось получить только химическое соединение титана с кислородом - белый кристаллический порошок оксида титана. Выделение титана из его соединений оказалось поистине титанической задачей. Решить ее пытались многие известные химики прошлого века, но всех их ждала неудача.

Одно время казалось, что поиски английского ученого Волластона увенчались успехом. Исследуя в 1823 году кристаллы, обнаруженные в металлургических шлаках, он пришел к заключению, что кристаллическое вещество - не что иное, как чистый титан. Спустя 33 года немецкий химик Вёлер установил, что эти кристаллы представляют собой соединение титана с азотом и углеродом, а отнюдь не свободный титан, как ошибочно считал Волластон.

Много лет полагали, что впервые металлический титан был получен в 1825 году знаменитым шведским ученым Берцелиусом при восстановлении фтортитаната калия металлическим натрием. Но сегодня, сравнивая свойства титана и продукта, полученного Берцелиусом, можно утверждать, что непременный секретарь Королевской шведской Академии наук ошибался, ибо чистый титан быстро растворяется в плавиковой кислоте (в отличие от многих других кислот), а титан Берцелиуса успешно сопротивлялся ее действию.

Лишь в 1875 году русский ученый Д.К. Кириллов сумел получить металлический титан. Результаты этих работ Д.К. Кириллов опубликовал в брошюре "Исследования над титаном". Но в условиях царской России этот важный труд никого не заинтересовал и поэтому остался незамеченным.

В 1887 году довольно чистый продукт - около 95 % титана - получили соотечественники Берцелиуса Нильсон и Петерсон, восстанавливавшие тетрахлорид титана металлическим натрием в стальной герметичной бомбе.

Следующий шаг на пути к чистому титану сделал в 1895 году французский химик Муассан, который восстанавливал оксид титана углеродом в дуговой печи и затем подвергал полученный металл двухкратному рафинированию. Его титан содержал всего 2% примесей.

Наконец, в 1910 году американский химик Хантер, усовершенствовав способ Нильсона и Петерсона, сумел получить несколько граммов сравнительно чистого титана. Это событие вызвало широкий резонанс в различных странах. Именно поэтому многие до сих пор ошибочно приписывают Хантеру, а не его предшественникам приоритет выделения титана в чистом виде.

Итак, чистый титан был получен. Но чистым он мог считаться с большой натяжкой, так как все же содержал несколько десятых долей процента примесей. Всего несколько десятых... Но ложка дегтя портит бочку меда. Примеси делали титан хрупким, непрочным, не поддающимся механической обработке. О нем пошла дурная слава как о бесполезном металле, не пригодном ни для каких целей. Разумеется, с такой характеристикой титан не мог и мечтать об ответственной работе. Приходилось довольствоваться второстепенными ролями.

Еще в 1908 году Розе и Бартран в США, а Фаруп в Норвегии предложили изготовлять белила не из соединений свинца или цинка, как делалось прежде, а из оксида титана. Такими белилами можно окрасить в несколько раз большую поверхность, чем тем же количеством свинцовых или цинковых белил. К тому же титановые белила не ядовиты (бич свинцовых белил), поскольку оксид титана безвреден для человеческого организма. Медицине известен случай, когда некий гражданин "принял" за один раз почти полкилограмма этого вещества без каких-либо печальных последствий.

Со временем оксид титана стали применять при окрашивании кож, тканей, в производстве стекла, фарфора, эмали, для изготовления искусственных бриллиантов.

Нашлась работа и для другого титанового соединения - уже упоминавшегося тетрахлорида титана, впервые полученного французским химиком Дюма еще в 1826 году. Способность этого соединения интенсивно образовывать маскирующие дымовые завесы широко использовалась в период первой мировой войны. В мирные же годы оно служит для окуривания растений во время весенних заморозков.

Но титан, как мы увидим далее, вправе был претендовать на более серьезную и интересную работу.

И вот, наконец, в 1925 году голландские ученые ван Аркель и де Бур разложением тетрахлорида титана на раскаленной вольфрамовой проволоке получили титан очень высокой чистоты. Вот тогда-то оказалось, что бытовавшее представление о хрупкости титана не выдерживает никакой критики, поскольку металл, полученный ван Аркелем и де Буром, обладал очень высокой пластичностью: его можно было ковать на холоде, как железо, прокатывать в листы, ленту, проволоку и даже тончайшую фольгу.

Теперь гордое имя, которое носил элемент, никому уже не казалось, как прежде, иронией судьбы - перед ним открылась широкая дорога в мир техники.

Словно в благодарность за освобождение из плена примесей титан начал изумлять ученых своими чудесными свойствами. Выяснилось, например, что титан, который почти вдвое легче железа, оказался прочнее многих сталей. По удельной прочности титан не имеет соперников среди промышленных металлов. Даже такой металл, как алюминий, уступил ряд позиций титану, который всего в полтора раза тяжелее алюминия, но зато в шесть раз прочнее. И что особенно важно, титан сохраняет свою прочность при высоких температурах (до 500°С, а при добавке легирующих элементов - до 650°С), в то время как прочность большинства алюминиевых сплавов резко падает уже при 300°С.

Титан - очень твердый металл: он намного тверже алюминия, меди и даже железа. Чем выше предел текучести металла, тем увереннее детали из него сопротивляются эксплуатационным нагрузкам, тем дольше они сохраняют свои формы и размеры. Предел текучести титана в пять раз выше, чем у алюминия, и почти в три раза - чем у железа.

Неудивительно, что когда перед авиаконструкторами встал вопрос, какому металлу доверить преодоление звукового барьера, выбор пал на титан. Еще в 60-х годах в зарубежной печати появилось сообщение о создании в США сверхзвукового реактивного самолета "Черная птица", развивающего скорость более 3200 километров в час. Корпус этой машины был изготовлен из титана. С тех пор позиции титана в авиастроении заметно окрепли: из его сплавов изготовляют наружные части самолетов (мотогондолы, элероны, рули поворота) и многие другие узлы и детали - от двигателя до болтов и гаек. Благодаря титану самолеты становятся легче, а значит, возрастает их грузоподъемность. Так, только в результате замены стальных болтов двигателя титановыми в одном из типов истребителя масса двигателя снижается чуть ли не на сто килограммов. По прогнозам специалистов, в ближайшие годы доля конструкций из титана и его сплавов в самолетах, скорость которых в два-три раза выше скорости звука, возрастет до 60-90%.

Не обойдется без этого металла и космическая техника. Отличные эксплуатационные качества демонстрируют, в частности, титановые баки для хранения жидкого кислорода и водорода: при сверхнизких температурах титан не разрушается, как большинство металлов, а наоборот, становится еще прочнее. По-видимому, титан будет основным конструкционным материалом объектов, монтируемых непосредственно в космосе. Как показали эксперименты, проведенные в 1969 году советскими космонавтами Георгием Шониным и Валерием Кубасовым, этот металл в условиях космического вакуума легко поддается сварке и резке.

С почтением относятся к титану конструкторы не только небесного оборудования. Инженеры ГДР, например, применили упрочняющее титановое покрытие для деталей ручных часов: тончайший слой титана - всего 0,2 микрона - в несколько раз повышает долговечность часового механизма, возрастает и точность хода. Для фоторепортеров, специализирующихся на съемках спортивных сюжетов, в Японии создан фотоаппарат, позволяющий делать снимки с выдержкой в 1/4000 секунды: это стало возможным благодаря титановому сплаву, из которого изготовлен шторный затвор камеры. Велосипедная рама из титана весит чуть больше килограмма, а весь велосипед - менее 7 килограммов. Эти легкие машины пользуются большим спросом у спортсменов. Гребцы экстракласса тоже охотно сменили старые лодки-скифы на новые - из углеволокна и титановых сплавов: такая "восьмерка" легче прежней на добрых 20 килограммов.

Титан привлек к себе внимание и химиков. На одном из заводов был проведен следующий эксперимент. Из чугуна, нержавеющей стали и титана изготовили три насоса для перекачки агрессивных жидкостей. Первый был "съеден" через трое суток, второй продержался десять дней, а третий (титановый) и через полгода непрерывной работы оставался цел и невредим.

Несмотря на то что титан еще довольно дорог, замена им более дешевых материалов во многих случаях оказывается экономически выгодной. Так, корпус реактора одного из химических аппаратов, изготовленный из титанового сплава, стоит в четыре раза дороже, чем такой же корпус из нержавеющей стали. Но при этом стальной реактор служит лишь шесть месяцев, а титановый десять лет. Прибавьте еще затраты на частую замену стальных реакторов, да потери, вызванные простоями оборудования, - и станет совершенно очевидно, что дорогой титан, как ни парадоксально это звучит, дешевле, чем дешевая сталь.

На выставке по применению титана в промышленности, организованной несколько лет назад в Лондоне, демонстрировался широкий ассортимент оборудования химических заводов, изготовленного из титана. Титановые сопла, проработав более двух месяцев в атмосфере горячих газов, содержащих диоксид серы, могли как ни в чем не бывало продолжать трудиться дальше; сопла из нержавеющей стали разрушались после нескольких часов работы. Успешно используют титан для изготовления деталей, работающих в атмосфере паров хлора, серной или азотной кислоты и других химических "агрессоров". Некоторые предприятия обзавелись даже громадными, высотой 120 метров, вентиляционными трубами из этого металла. Конечно, такая труба дороговата, но зато она простоит без ремонта добрую сотню лет - все затраты окупятся с лихвой.

Широкое применение получил титан при производстве твердых сплавов для режущих инструментов. Тончайшее покрытие из карбида титана значительно повышает режущие свойства инструмента, улучшает качество поверхности обработанных изделий.

Доброй славой пользуются превосходные хирургические инструменты из сплавов титана. Советский врач Юрий Сенкевич - участник интернациональной экспедиции под руководством известного норвежского путешественника Тура Хейердала - брал с собой в дальнее плавание на папирусном судне "Ра" титановые хирургические инструменты - легкие, коррозионностойкие, долговечные.

В 60-е годы ученые создали удивительный сплав никеля с титаном - нитинол, который обладает необычным свойством "помнить" свое прошлое, а точнее говоря, принимать после деформации и соответствующей обработки свою прежнюю форму (об этом подробнее рассказано в очерке "Медный дьявол", посвященном никелю).

Еще в начале нашего века среди металлургов господствовало мнение, что титан - вредная примесь для железа. Понадобилось много лет, чтобы доказать нелепость подобной точки зрения. Сегодня металлургия - один из основных потребителей титана. Можно насчитать сотни марок сталей и сплавов, в состав которых в том или ином количестве входит этот элемент. В нержавеющие стали его вводят для предотвращения межкристаллитной коррозии. В жаростойких высокохромистых сплавах он уменьшает размер зерна, делая структуру металла однородной и мелкокристаллической. В других жаростойких сплавах титан служит упрочняющим элементом.

Высокое сродство титана к кислороду (к этому мы еще вернемся) позволяет использовать его для раскисления стали, т.е. для удаления из нее кислорода: по раскислительной способности титан примерно в 10 раз превосходит кремний - один из основных раскислителей. Такова же роль титана и по отношению к азоту. Очистка стали от газов повышает ее механические свойства, улучшает коррозионную стойкость.

Одно из замечательных свойств титана - его необычная стойкость против коррозии - этого злейшего врага металлов. На пластинке из титана за 10 лет пребывания в морской воде не появилось и следа ржавчины (за такой срок от железной пластинки остались бы лишь воспоминания). Да что там какой-то десяток лет: расчеты показывают, что если бы этот эксперимент начался тысячу лет назад, например, когда проходило крещение Руси, то к нашему времени коррозия смогла бы проникнуть в глубь титана всего на 0,02 миллиметра. Не мудрено поэтому, что судостроители, гидростроители, конструкторы глубоководных аппаратов проявляют к титану не меньшую симпатию, чем авиаконструкторы и химики. Американская фирма "Дженерал электрик" намеревалась создать проект обитаемых станций, которые смогут размещаться на глубинах до 3700 метров. Титановым сплавам в этом проекте отведена важная роль.

Высокая коррозионная стойкость титана - вот объяснение, почему создатели обелиска, увековечившего покорение человеком космического пространства, выбрали именно этот металл в качестве облицовочного материала. Примерно в те же годы титан намечалось использовать еще для одного монументального сооружения. На конкурсе проектов памятников в честь 100-летнего юбилея организации Международного союза электросвязи, организованном ЮНЕСКО, первый приз (из 213 представленных проектов) получила работа советских архитекторов. Монумент, который предполагалось установить на площади Наций в Женеве, должен был представлять собой две бетонные раковины высотой 10,5 метра, облицованные пластинами полированного титана. Человек, проходящий между этими раковинами по специальной дорожке", мог бы услышать свой голос, шаги, шум города, увидеть свое изображение в центре кругов, уходящих в бесконечность. Этот проект пока не воплощен в жизнь, но другой советский обелиск, также выполненный из титана, уже украшает парк Дворца наций в Женеве: 28-метровый монумент, который символизирует стремление человека проникнуть в космические дали и успехи, достигнутые на этом пути, в 1971 году передан Советским Союзом в дар Организации Объединенных Наций.

В 1980 году в Москве воздвигнут памятник Юрию Гагарину: двенадцатиметровая фигура первого космонавта планеты на высокой колонне-постаменте и модель космического корабля "Восток", на котором был совершен исторический полет, выполнены из титана. А в панораму Ленинграда, немыслимую без двух знаменитых шпилей - Адмиралтейства и Петропавловской крепости, удачно вписался еще один шпиль, венчающий здание крупнейшего в стране Морского вокзала, сооруженного на Васильевском острове. Материалом для этого шпиля, украшающего морскую гавань Северной Пальмиры, послужил все тот же титан, ставший излюбленным материалом архитекторов, скульпторов, строителей.

Если бы титан был известен древним грекам, то вполне вероятно, что они использовали бы его в качестве строительного материала при сооружении зданий афинского Акрополя. Но, к сожалению, зодчие древности не располагали '*вечным металлом". Их замечательные творения оказались подвержены губительному воздействию столетий. Время безжалостно разрушало памятники эллинской культуры. В начале нашего века заметно состарившийся афинский Акрополь пришлось подремонтировать: отдельные элементы зданий скрепили стальной арматурой. Но прошли годы, металл кое-где съела ржавчина, многие мраморные плиты осели и потрескались. Чтобы приостановить разрушение Акрополя, решено было заменить стальные крепления титановыми, которым коррозия не страшна.

Важная характеристика титана - его немагнитность: даже сильные магнитные поля не могут оказать на него никакого воздействия. В ряде случаев такой антимагнитный "иммунитет" весьма полезен. Так, участники арктической экспедиции газеты "Советская Россия", преодолевшие в 1983 году на собачьих упряжках более десяти тысяч километров по побережью Ледовитого океана, везли на немагнитных титановых нартах уникальный прибор - магнитометр в северном исполнении.

Итак, титан является счастливым обладателем многих ценных качеств. Не случайно замечательный советский металлург академик И.П. Бардин ратовал за всемерное развитие металлургии титана в нашей стране. "Металл сегодня, - писал ученый, - это не только чугун и сталь..., это и титан - юный соперник железа, превосходящий его по всем чертам своего "характера" - и легкости, и прочности, и жаропрочности, и коррозионной стойкости". Почему же до сих пор его применяют в промышленности не столь широко, как, например, сталь или алюминий?

Высокая цена - вот что в какой-то мере тормозило потребление титана. Собственно говоря, этот "порок" не врожденный, а обусловлен лишь чрезвычайной трудностью извлечения титана из руд. Если принять относительную стоимость титана в концентрате за единицу, то после длинного и сложного технологического пути, который преодолевает титан в процессе превращения в готовую продукцию - тонкий лист, стоимость его возрастает в сотни раз. Но это - беда поправимая: производство нового металла непрерывно совершенствуется, и не за горами то время, когда он будет так же дешев, как алюминий, который еще в конце прошлого века конкурировал с драгоценными металлами. На прилавках магазинов уже можно встретить столовые и кухонные приборы из титана и его сплавов - титан "шагает в массы".

До самого последнего времени титан совершенно необоснованно относили (а порой и сейчас относят) к редким металлам. В действительности же лишь очень немногие элементы распространены в природе больше, чем титан. Количество титана в земной коре в несколько раз превышает запасы таких металлов, как медь, цинк, свинец, золото, серебро, платина, хром, вольфрам, ртуть, молибден, висмут, сурьма, никель, олово, вместе взятых. Вот так редкий!

Впрочем, в известном смысле термин "редкий" имеет некоторое отношение к титану: ведь редкая горная порода не содержит в том или ином количестве этот элемент. Известно около 70 минералов титана, в которых он находится в виде оксида или солей титановой кислоты. Наибольшее практическое значение имеют ильменит (который раньше назывался менаканитом), рутил, перовксит и сфен. "Компания" титановых минералов постоянно расширяется. В Ловозерских тундрах, на Кольском полуострове, геологи нашли неизвестный ранее камень (точнее, песчинку - ведь находка весила лишь десятую долю грамма), который был назван натиситом, поскольку его основными компонентами оказались натрий, титан и кремний (силиций). Крохотный кристаллик другого нового титансодержащего минерала, размером в один квадратный миллиметр, обнаружен в Северном Прибайкалье. В честь выдающегося советского физика академика Л.Д. Ландау этот редчайший минерал назван ландаунитом.

Всего на земном шаре насчитывается более 150 значительных рудных и россыпных месторождений титана. Но сколь ни богата земля полезными ископаемыми, рано или поздно подземные кладовые опустеют. Вот почему в поисках металлургического сырья взоры ученых и писателей-фантастов все чаще обращаются в океанские глубины и космические дали. Один из главных героев научно-фантастического романа известного советского палеонтолога и писателя И.А. Ефремова "Туманность Андромеды" Дар Ветер трудится на подводном титановом руднике, расположенном вблизи побережья Южной Америки. Вот какая картина предстает перед взором героя, прибывшего туда, чтобы приступить к работе: "Далеко в море выдавалась искусственная мель, заканчивающаяся обмытой ударами волн башней. Она стояла у края материкового склона, круто спадающего в океан на глубину километра. Под башней вниз шла отвесно огромная шахта в виде толстейшей цементной трубы, противостоявшей давлению глубоководья. На дне труба погружалась в вершину подводной горы, состоявшей из почти чистого рутила - окиси титана. Все процессы переработки руды производились внизу, под водой и горами. На поверхность поднимались лишь крупные слитки чистого титана и муть минеральных отходов, расходившаяся далеко вокруг".

Еще до полетов американских космических кораблей "Аполлон" и советских автоматических станций "Луна", доставивших на Землю образцы лунных пород, некоторые ученые высказывали предположение, что лунный грунт содержит довольно большие количества титана. Теперь вчерашняя гипотеза стала уже экспериментально подтвержденным фактом. Кто знает, может быть, в недалеком будущем газеты сообщат, что где-нибудь в районе Моря Спокойствия или Океана Бурь начал действовать первый на Луне титановый рудник.

Интересные данные доставили на Землю советские космонавты Петр Климук и Валентин Лебедев - экипаж космического корабля "Союз-13". Им удалось получить ультрафиолетовую спектрограмму одной из планетарных туманностей, к которым астрономы всегда проявляли повышенный интерес. Типичная туманность представляет собой газовое образование с горячей звездой в центре. Поскольку эти небесные объекты находятся на колоссальном расстоянии от нашей планеты, информация о них крайне скудна. За все годы изучения планетарных туманностей в них было обнаружено лишь 17 химических элементов, причем за последние четверть века никаких новостей в этом смысле из дальних краев не поступало. И вот приборы, находящиеся на борту "Союза-13", неопровержимо установили наличие в планетарной туманности еще двух элементов - алюминия и титана.

Итак, ни наша планета, ни ее ближайшая спутница, ни другие небесные тела не вправе сетовать на отсутствие титана. Но ведь нужно еще извлечь металл из руды и довести его до такого состояния, в котором он может быть использован в современной технике. Задача эта очень нелегкая.

Дело в том, что союз титана с кислородом (а именно в виде такого соединения элемент обычно и встречается в природе) - один из самых прочных в химии. Ни электрический ток, ни высокие температуры не в силах вырвать титан из объятий кислорода. Это заставило ученых искать окольные пути получения титана в свободном виде. В 1940 году американский ученый Кролль сумел разработать так называемый магниетермический способ промышленного производства титана. Сущность его заключается в следующем. Сначала оксид титана с помощью хлора и углерода переводят в тетрахлорид титана. Справиться же с хлором, который теперь занимает место кислорода, уже значительно легче; эту задачу вполне успешно решает, например, такой элемент, как магний. В результате реакции тетрахлорида титана с магнием образуется губчатая масса, состоящая из титана, магния и хлорида магния. Переплавленная в вакууме или в атмосфере инертного газа (чтобы в металл не попали азот и кислород воздуха) эта масса превращается в чистый компактный титан. Для получения особо чистого титана используют йодидный метод, предложенный уже известными нам ван Аркелем и де Буром.

Сделать титан более дешевым, а следовательно, и более доступным, - эту задачу решают сегодня специализированные научно-исследовательские институты, число которых непрерывно растет. Не так давно новый институт легких металлов был создан в Кливленде (США). Любопытно, что на церемонии открытия традиционная ленточка, натянутая перед входом в институт, была изготовлена из... титана. Чтобы ее перерезать, мэр города вместо ножниц вынужден был воспользоваться газовой горелкой и защитными очками.

В наши дни к титану приковано внимание тысяч ученых. В многочисленных лабораториях образцы этого металла ежедневно подвергаются жестоким пыткам: его рвут на части, гнут, варят в кислотах и щелочах, раскаляют, охлаждают до сверхнизких температур, воздействуют на него чудовищными нагрузками, током высокой частоты, ультразвуком.

И титан раскрывает человеку свои тайны...