Titan được dùng cho thân máy bay, khớp háng nhân tạo và gọng kính vì nó vừa nhẹ (khoảng 4,5 g/cm³, bằng khoảng 57% thép), vừa bền ngang nhiều loại thép, lại gần như không bị ăn mòn trong nước biển và trong cơ thể người. Titan nóng chảy ở khoảng 1.668 °C. Titan đắt không phải vì hiếm, mà vì luyện ra kim loại titan rất khó: nó bám ôxy và nitơ cực chặt, phải tách bằng quy trình Kroll nhiều bước trong môi trường khí trơ.
Titan có hiếm không, sao lại đắt?
Titan không hiếm. Nó là nguyên tố phổ biến thứ chín trong vỏ Trái Đất, nhiều hơn đồng, kẽm, chì cộng lại nhiều lần. Hai khoáng vật chính là ilmenit (FeTiO₃) và rutin (TiO₂), thường gặp trong cát nặng ven biển, trong đó có dải cát đen ven biển miền Trung Việt Nam (chi tiết ở danh mục Mỏ & luyện kim Việt Nam).
Điều bất ngờ là phần lớn quặng titan khai thác trên thế giới không bao giờ trở thành kim loại. Khoảng chín phần mười đi vào bột titan điôxít trắng, thứ bột màu trong sơn tường, nhựa trắng, giấy, kem đánh răng, kem chống nắng. Chỉ một phần nhỏ được luyện thành titan kim loại.
Lý do nằm ở hoá học. Ở nhiệt độ cao, titan "hút" ôxy, nitơ, cacbon và hydro. Chỉ một chút ôxy hoà vào cũng làm titan giòn. Không thể khử quặng titan bằng than như sắt, vì sẽ thu được cacbua titan cứng giòn chứ không phải kim loại. Cũng không thể nấu titan trong nồi gốm thông thường, vì titan lỏng ăn cả vật liệu nồi.
Quy trình Kroll luyện titan diễn ra thế nào?
Năm 1940, nhà luyện kim William Kroll (người Luxembourg) công bố cách làm titan mà đến nay vẫn là con đường chính. Các bước được giản lược như sau:
- Clo hoá: quặng giàu titan trộn với than cốc, cho phản ứng với khí clo ở khoảng 1.000 °C, thu được titan tetraclorua (TiCl₄), một chất lỏng bốc khói trong không khí ẩm.
- Tinh chế: chưng cất TiCl₄ để loại các clorua kim loại khác.
- Khử bằng magie: nhỏ TiCl₄ vào magie nóng chảy trong bình thép kín chứa khí argon, ở khoảng 800–900 °C. Magie lấy clo, để lại titan dạng khối xốp gọi là "titan bọt biển".
- Tách: chưng chân không hoặc rửa để loại magie và magie clorua còn bám.
- Nấu lại: nghiền bọt titan, ép thành điện cực, nấu chảy bằng hồ quang trong lò chân không, thường hai đến ba lần, mới ra thỏi titan đồng đều.
Mỗi mẻ khử kéo dài nhiều ngày, chạy theo mẻ chứ không liên tục như lò cao, tốn nhiều năng lượng và vật tư. Vì vậy titan đắt hơn thép và nhôm nhiều lần dù quặng không hề hiếm. Các nhà nghiên cứu vẫn đang tìm cách điện phân trực tiếp ôxít titan để rút ngắn con đường này.
Vì sao titan gần như không bị ăn mòn?
Giống nhôm, titan được phủ một màng ôxít titan cực mỏng, tự hình thành ngay khi gặp không khí hoặc nước và tự liền khi bị trầy. Màng ôxít titan bền hơn ôxít nhôm trong môi trường có muối clorua, nên titan chịu được nước biển, dung dịch tẩy trắng, nhiều loại axit. Thiết bị trao đổi nhiệt dùng nước biển ở nhà máy điện ven biển, nhà máy khử mặn, giàn khoan thường dùng ống titan vì có thể chạy hàng chục năm.
Titan anod hoá đổi màu mà không cần thuốc nhuộm
Màng ôxít titan trong suốt. Khi được làm dày bằng dòng điện (anod hoá), ánh sáng phản xạ ở mặt trên và mặt dưới của màng giao thoa với nhau, giống vệt dầu loang trên mặt nước. Độ dày màng quyết định màu nhìn thấy: vàng đồng, tím, xanh lam, xanh lục, hồng... Điện áp càng cao, màng càng dày, màu càng đổi. Đây là điểm khác hẳn nhôm anod hoá, vốn phải nhuộm thuốc vào lỗ ôxít. Vít xương, dụng cụ phẫu thuật, linh kiện xe đạp titan nhiều màu đều dựa vào hiệu ứng này.
Vì sao titan được cấy vào cơ thể người?
Thập niên 1950, bác sĩ người Thuỵ Điển Per-Ingvar Brånemark nghiên cứu dòng máu trong xương thỏ bằng buồng quan sát làm từ titan. Khi muốn lấy buồng ra, ông thấy xương đã mọc bám chặt vào titan. Hiện tượng này về sau được gọi là tích hợp xương, và trở thành nền tảng của trụ cấy ghép răng ngày nay.
Titan hợp với cơ thể vì ba lý do:
- Trơ: màng ôxít ngăn titan tan vào mô, cơ thể ít phản ứng thải loại.
- Xương bám được lên bề mặt titan đã xử lý nhám.
- Đàn hồi gần xương hơn thép: môđun đàn hồi của titan khoảng 105–120 GPa, chỉ bằng khoảng một nửa thép không gỉ. Thanh nẹp cứng quá sẽ "gánh hết" lực, khiến xương quanh đó yếu dần; titan chia sẻ lực với xương tốt hơn.
Trong một khớp háng nhân tạo điển hình, phần chuôi cắm vào xương đùi thường là hợp kim titan, còn chỏm cầu tiếp xúc ổ khớp thường là gốm hoặc hợp kim coban – crom vì cần cứng và chịu mài mòn hơn. Hợp kim titan phổ biến nhất là titan pha khoảng 6% nhôm và 4% vanađi, chiếm khoảng một nửa lượng titan kim loại dùng trên thế giới.
Titan dùng trên máy bay ở đâu?
Trên máy bay phản lực, titan có mặt ở các bộ phận vừa cần bền, vừa cần nhẹ, vừa chịu nóng tốt hơn nhôm: quạt và máy nén phía trước của động cơ, khung đỡ động cơ, càng hạ cánh, các mối nối với vật liệu composite sợi cacbon. Nhôm tiếp xúc composite cacbon dễ bị ăn mòn điện hoá, titan thì không, nên các dòng máy bay thân rộng đời mới dùng tỷ lệ titan cao hơn thế hệ trước.
| Đặc điểm | Titan (hợp kim Ti-6Al-4V) | Thép không gỉ thông dụng | Nhôm hợp kim bền cao |
|---|---|---|---|
| Khối lượng riêng | khoảng 4,4 g/cm³ | khoảng 8 g/cm³ | khoảng 2,8 g/cm³ |
| Nhiệt độ nóng chảy (gần đúng) | khoảng 1.600–1.660 °C | khoảng 1.400–1.450 °C | khoảng 480–640 °C |
| Chịu nước biển | rất tốt | khá, có thể ăn mòn điểm | kém hơn, cần bảo vệ |
| Dẫn nhiệt | kém (khoảng 7 W/m·K) | kém (khoảng 15 W/m·K) | tốt (khoảng 130–150 W/m·K) |
| Gia công cắt gọt | khó, dao mòn nhanh | trung bình | dễ |
Titan dẫn nhiệt kém nên khi tiện, phay, nhiệt dồn hết vào mũi dao thay vì toả vào phôi, làm dao mòn nhanh. Phoi titan mảnh còn có thể bắt lửa, nên xưởng gia công titan phải tưới dung dịch làm mát đầy đủ và dọn phoi thường xuyên.
Gọng kính, đồng hồ, đồ dùng bằng titan có gì khác?
Gọng kính titan nhẹ hơn gọng thép, không gỉ khi dính mồ hôi, và titan nguyên chất không chứa niken nên hợp với người dị ứng niken. Lưu ý: "gọng titan" trên thị trường có nhiều mức, từ titan nguyên chất, hợp kim titan, tới gọng chỉ có một phần titan hoặc chỉ mạ màu; người mua có thể hỏi rõ thành phần. Vỏ đồng hồ, hộp đựng, cốc dã ngoại titan cũng dựa trên các ưu điểm nhẹ và không gỉ. Miệng cốc titan đựng đồ uống nóng cũng đỡ nóng môi hơn cốc nhôm, vì titan dẫn nhiệt kém.
Góc nhìn hôm nay: titan từ cát đến khớp háng
Tên titan do nhà hoá học Đức Martin Heinrich Klaproth đặt năm 1795 theo các vị thần khổng lồ Titan trong thần thoại Hy Lạp; trước đó, năm 1791, mục sư kiêm nhà khoáng vật học William Gregor ở Cornwall (Anh) đã nhận ra một nguyên tố mới trong cát đen. Phải hơn 150 năm sau, nhờ quy trình Kroll, titan kim loại mới được sản xuất ở quy mô công nghiệp. Ngày nay hướng nghiên cứu đáng chú ý là in 3D kim loại từ bột titan, cho phép làm những chi tiết cấy ghép rỗng xốp vừa khít từng bệnh nhân, nội dung có ở danh mục Nghề đúc & xưởng đúc.
Câu hỏi thường gặp
Titan nóng chảy ở bao nhiêu độ?
Titan nguyên chất nóng chảy ở khoảng 1.668 °C, cao hơn sắt khoảng 130 độ. Hợp kim titan thông dụng bắt đầu chảy thấp hơn một chút.
Vì sao titan đắt dù không hiếm?
Titan bám chặt ôxy và nitơ, không thể khử bằng than như sắt. Phải đi qua quy trình Kroll: clo hoá quặng, khử bằng magie trong khí argon, rồi nấu lại trong lò chân không, chạy theo mẻ, tốn nhiều năng lượng và thời gian.
Titan có gỉ không?
Titan gần như không gỉ nhờ màng ôxít titan cực mỏng, bám chặt và tự liền khi trầy. Titan chịu được nước biển và nhiều hoá chất tốt hơn thép không gỉ và nhôm.
Vì sao trụ implant răng làm bằng titan?
Xương có thể mọc bám chặt lên bề mặt titan, hiện tượng gọi là tích hợp xương, do bác sĩ Per-Ingvar Brånemark phát hiện thập niên 1950. Titan cũng trơ, ít gây phản ứng với mô.
Titan có hút nam châm không?
Không. Titan không có từ tính đáng kể, nam châm không hút. Đây cũng là một lý do titan được dùng trong dụng cụ và vật cấy ghép.
