Il titanio fu scoperto per la prima volta nel 1791 da William Gregor, un ecclesiastico della Cornovaglia e mineralogista dilettante, mentre studiava i depositi di sabbia nella valle di Manaccan. Nel suo campione identificò un ossido di ferro e un metallo sconosciuto; lo chiamò ‘menachanite’. Purtroppo il suo contributo alla scoperta del titanio è stato dimenticato. L’ossido da lui esaminato, ora conosciuto come ilmenite, è il minerale commerciale più importante del titanio e rappresenta il 92% di tutta l’estrazione del titanio.
I risultati di Gregor furono trascurati, il titanio fu riscoperto nel 1795 da Martin Heinrich Klaproth un rinomato chimico tedesco a cui è attribuita anche la scoperta dell’uranio. Klaproth stava studiando il rutilo e chiamò il metallo non identificato come i Titani della mitologia ellenica. Contrariamente alla concezione popolare, la sua scelta del nome non si riferisce alle proprietà di forza e durata dell’elemento, i suoi appunti mostrano che scelse il nome per la sua neutralità, come sostenuto da Antoine Lavosier.
“Quando non si riesce a trovare un nome per un nuovo fossile che indichi le sue proprietà peculiari e caratteristiche (in questa situazione mi trovo attualmente) penso che sia meglio scegliere una denominazione che non significa nulla di per sé, e quindi non può dare origine ad alcuna idea errata. (come aveva suggerito Lavoisier) Di conseguenza, come ho fatto nel caso dell’Uranio, prenderò in prestito il nome di questa sostanza metallica dalla mitologia, e in particolare dai Titani, i primi figli della terra. Chiamo quindi questo nuovo genere metallico Titanio.”
L’isolamento del Titanio si è rivelato problematico con molti scienziati, tra cui lo stesso Klaproth, che hanno provato e fallito. Ma, nel 1887, 94 anni dopo la scoperta iniziale di Gregor, il titanio metallico fu isolato da Lars Nilson e Otto Pettersson, che raggiunsero una purezza del 95%. Il loro metodo che utilizzava il sodio fu poi raffinato nel processo Hunter.
Henry Moissan riuscì a raggiungere una purezza del 98% utilizzando un forno elettrico nel 1896. Il prodotto era fortemente contaminato da interstiziali (ossigeno, azoto e carbonio) che lo rendevano fragile. L’alta affinità del titanio per l’azoto alle alte temperature fu documentata nel 1908.
Trovare un metodo per prevenire il legame del titanio con l’azoto era fondamentale. Nel 1910 Matthew A. Hunter raggiunse il 99,9% di purezza in collaborazione con General Electric al Rensselaer Polytechnic Institute. L’ilmenite fu ridotta attraverso il processo del cloruro per fare il tetracloruro di titanio. Poi, usando quello che ora è conosciuto come il Processo Hunter, si faceva reagire il TiCl4 con il sodio in un altoforno evacuato a 700-800 gradi Celsius.
Il Processo Kroll sviluppato da William J. Kroll in Lussemburgo negli anni ’30 ha sostituito il Processo Hunter. L’uso del magnesio al posto del sodio ha ridotto il costo del processo, il che ha favorito l’ingresso diffuso del titanio nel mercato aerospaziale dopo la seconda guerra mondiale. L’affidabilità del titanio dipende interamente dalla sua catena di approvvigionamento; i miglioramenti incrementali hanno visto la purezza del titanio usato nel settore aerospaziale migliorare di oltre 100 volte tra il 1950 e il 2010.
I minimi difetti nella produzione di titanio possono avere conseguenze disastrose. Il disastro aereo di Sioux del 1989 ne è un esempio: l’incidente è avvenuto quando il foro del motore in titanio del volo 232 della compagnia aerea statunitense si è incrinato. Il conseguente “guasto al motore non trattenuto” ha immobilizzato i sistemi idraulici dell’aereo e i suoi supporti. L’equipaggio fu costretto a improvvisare, usando la spinta dei due motori rimanenti dell’aereo per rullare e inclinare l’aereo verso l’aeroporto di Sioux City. Hanno ricevuto un elogio per le loro azioni nell’inchiesta del National Transportation Safety Board degli Stati Uniti. 185 delle 296 persone a bordo sono sopravvissute. La crepa in questione è nata da un’inclusione “hard alpha” nella lega Ti 6al 4V, che era cresciuta in dimensioni durante i 18 anni di servizio dell’aereo.
Il rischio di frattura del titanio può essere ridotto gestendo la sua meccanica e microstruttura. I cambiamenti sono stati implementati per la prima volta dall’industria negli anni ’70. La FAA ha imposto il passaggio dalla rifusione ad argon alla rifusione ad arco a doppio vuoto nel 1972. Il ragionamento era che il vuoto aiuta a rimuovere l’ossigeno disciolto migliorando la qualità del lingotto, anche se non è sufficiente a rimuovere le inclusioni alfa dure come quelle nel foro del motore del volo 232. La crisi petrolifera dell’OPEC del 1973 fu un fattore che contribuì all’adozione di massa del titanio nell’industria. L’aumento del costo del carburante ha fatto sì che i miglioramenti dell’efficienza del titanio rendessero il metallo più desiderabile.
La metà degli anni ’80 ha visto ulteriori miglioramenti con il passaggio al VAR a tripla fusione che è ora lo standard minimo per il metallo di titanio usato nel settore aerospaziale. L’indagine sull’incidente di Sioux del 1989 ha visto un ulteriore sforzo a livello industriale negli anni ’90 per migliorare il processo di produzione su tutta la linea, dalla manipolazione, alla saldatura degli elettrodi e al vuoto, alle perdite d’acqua; le perdite sono particolarmente problematiche durante il processo Kroll, dove l’ossigeno reagisce nella fusione causando inclusioni alfa dure che non possono essere rimosse facilmente attraverso il VAR.
Una soluzione a questo problema è stato il processo di fusione del cranio, noto anche come Electron Beam Cold Hearth Remelting, che è stato brevettato negli anni ’80 e ha raggiunto un uso diffuso negli anni 2000, è un’alternativa alla terza fase del processo di tripla fusione. A differenza del VAR, esso surriscalda il metallo fondendo i difetti alfa duri e permettendo alle materie prime contaminate di essere riutilizzate in un lingotto di alta qualità, le impurità si formano sulla superficie del lingotto e possono essere rimosse facilmente. Il processo è utile perché permette ai trucioli di scarto, creati e contaminati dalla lavorazione del metallo, di fondersi nuovamente e di avere i suoi contaminanti rimossi ed essere utilizzati in applicazioni di alta qualità.
Kroll ha previsto che l’elettrolisi avrebbe superato il suo processo pionieristico entro 15 anni. 80 anni dopo, Chen, Fray e Farthing hanno sviluppato il metodo necessario all’Università di Cambridge alla fine degli anni ’90. Il processo FFC Cambridge dovrebbe ridurre considerevolmente il costo della fabbricazione del titanio, consentendo al minerale di ossido purificato di un metallo di essere elettrolizzato nel metallo o nella lega desiderata. Il processo è simile a quello attualmente utilizzato per l’alluminio, ma il punto di fusione più alto del Ti rende la questione più impegnativa. Puoi saperne di più sul titanio sulla nostra pagina delle proprietà.
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