鈦材料行業(yè)專題研究之一：“全能金屬”的起源、用途和現(xiàn)狀

鈦，元素符號(hào)為 Ti，在元素周期表中排第22位。在人們的印象中，鈦常用于航空航天等高端領(lǐng)域，是一種 “高級(jí)”的金屬，但其實(shí)它早已深入到人們生活的方方面面：你可能每天都在用含有二氧化鈦增白劑的牙膏刷牙，住在用添加了鈦白粉的涂料粉刷的臥室，用著鈦合金做的眼鏡框……

由于其良好的耐高溫、耐低溫、抗強(qiáng)酸、抗強(qiáng)堿、高強(qiáng)度、低密度等特性，鈦及鈦合金是被公認(rèn)的替代鋼、不銹鋼、銅及其合金、鉛、鎳、鋅、石墨、巖石等材料的理想金屬，其應(yīng)用范圍已經(jīng)越來(lái)越寬廣。因此，鈦在金屬材料王國(guó)中被稱為“全能金屬”，是繼鐵、鋁之后極具發(fā)展前景的“第三金屬”、“戰(zhàn)略金屬”及“空間金屬”。

但因?yàn)殁伜茈y分離，在自然界中找不到它的金屬單質(zhì)，其發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用也經(jīng)歷了很長(zhǎng)的歷程。雖然早在1791年，英國(guó)牧師W．Gregor在黑磁鐵礦中發(fā)現(xiàn)了鈦這一新的金屬元素，但直到1795年，德國(guó)化學(xué)家M．H．Klaproth在研究金紅石時(shí)發(fā)現(xiàn)了該元素，才得以正式確定其存在，并以希臘神Titans命名。

在經(jīng)過(guò)了一個(gè)多世紀(jì)的艱難探索之后，1910年，美國(guó)科學(xué)家M．A．Hunter首次用鈉還原TiCl4制取了純鈦。1940年盧森堡科學(xué)家W．J．Kroll用鎂還原TiCl4制得了純鈦。從此，鎂還原法（又稱為克勞爾法）和鈉還原法（又稱為亨特法）成為生產(chǎn)海綿鈦的工業(yè)方法。美國(guó)在1948年用鎂還原法制出2噸海綿鈦，從此開始了鈦的工業(yè)化生產(chǎn)。

鈦的金屬特征

鈦金屬材料比強(qiáng)度高（強(qiáng)度與密度之比）。鈦合金材料雖然強(qiáng)度略低于傳統(tǒng)材料合金鋼，但其具有密度低的優(yōu)勢(shì)，使其比強(qiáng)度高。在追求材料輕質(zhì)高強(qiáng)的航空航天領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用。

鈦金屬材料具有優(yōu)異的耐腐蝕性能。腐蝕是工業(yè)設(shè)備失效的主要原因。鈦元素雖然較為活潑，但是鈦合金材料在工作環(huán)境下可以在表面形成一層致密的氧化膜，該氧化膜阻斷了金屬與腐蝕介質(zhì)的接觸，使金屬不易被腐蝕，即使由于機(jī)械磨損也會(huì)很快自愈或重新再生。介質(zhì)溫度在315℃以下鈦的氧化膜始終保持這一特性。

鈦金屬材料無(wú)磁無(wú)毒，且具有非常好的生物相容性。鈦元素本身是人體的組成元素，且與人體組織及血液有相溶性好，對(duì)人體基本無(wú)傷害，被醫(yī)療領(lǐng)域廣為應(yīng)用。

使用溫度范圍廣。新型鈦合金可在600℃或更高的溫度下長(zhǎng)期使用，鈦合金TA7和TC4為代表的低溫鈦合金，其強(qiáng)度隨溫度的降低而提高，但塑性變化卻不大。在-196至-253℃低溫下保持較好的延性及韌性，避免了金屬冷脆性，是低溫容器，貯箱等設(shè)備的理想材料。

鈦金屬材料性能仍有提升空間。鈦合金是材料研究的熱門領(lǐng)域，并且性能提高迅速，現(xiàn)在應(yīng)用量*大的TC4鈦合金抗拉強(qiáng)度約為900MPa，而由西北有色金屬研究院研究的新型鈦合金TC21抗拉強(qiáng)度已達(dá)1200MPa左右。

產(chǎn)品及用途

目前，鈦產(chǎn)品主要分為鈦白粉、海綿鈦和鈦加工材三大類，其它產(chǎn)品還包括鈦錠、鈦粉和鈦設(shè)備等，可以廣泛應(yīng)用于航空航天、工業(yè)生產(chǎn)和民用生產(chǎn)。其中，鈦白粉主要成分為二氧化鈦，是一種白色顏料，主要應(yīng)用于涂料、塑料、油墨和造紙等；海綿鈦為鈦加工材及其他產(chǎn)品的原料，一般為淺灰色顆粒；鈦加工材指海綿鈦經(jīng)熔煉形成的鈦鑄錠，再通過(guò)鍛造、軋制和擠壓等塑性方式加工而成的材料，主要分為鈦板材、鈦棒材、鈦管材、鈦鑄件等。