钛世纪回眸与展望
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发布时间：2008-07-31
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银白色的钛是２０世纪出现的最引人注目的新型工业金属。它轻而强，不锈又无毒，并具有某些特殊功能。经过人们的开发，它已成为优质轻型结构材料、新型的功能材料和重要的医学生物材料。↑
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↑金属钛的制取↑ 钛元素发现于１８世纪末。１７９１年英国化学爱好者Ｗ．格雷戈尔(Ｇｒｅｇｏｒ)在矿物中发现一种未知新元素。１７９５年德国化学家Ｍ．Ｈ．克拉普鲁斯(Ｋｌａｐｒｏｔｈ)在研究金红石(ＴｉＯ２)时发现了该元素，并命名为Ｔｉｔａｎｉ-ｕｍ。由于钛的化学活性强，从矿物中提取异常困难，在其后的１００多年内，人们始终未彻底揭开它神秘的面纱。↑ 本世纪初(１９１０年)，美国科学家Ｍ．Ａ．亨特(Ｈｕｎｔｅｒ)首次用纯ＮａＣｌ制取的金属Ｎａ在钢瓶中还原ＴｉＣｌ４，制取了可锻的纯钛。开创了人类实际开发利用金属钛的先河。↑ １９４０年，卢森堡科学家Ｗ．Ｊ．克劳尔(Ｋｒｏｌｌ)又用Ｍｇ还原ＴｉＣｌ４制取纯钛。由于Ｍｇ比Ｎａ安全，且还原产物(海绵钛)经破碎后的粒度更适于熔炼，Ｃｌ－含量较低，因此镁法(克劳尔法)逐渐成为生产海绵钛的主导工业生产法。１９４８年，美国利用这一技术制出了数吨海绵钛，开始了钛的工业规模生产。因此，４０年代克劳尔法的发明及其产业化是世界钛工业史上的一个重要里程碑。↑ 从生产优质与低成本海绵钛的愿望出发，人们进行了冶炼新工艺的广泛探索，其中比较成功接近工业化的是熔盐电解法。但半个世纪过去了，电解法尚未成功。金属钛生产新工艺的开发已成为世纪性难题。↑ 在Ｍｇ法工业化后的约１０年内，在军备竞赛激烈和航空航天技术突飞猛进的５０年代，海绵钛生产也突飞猛进。１９５２年在日本，１９５３年在英国，１９５８年在苏联、在中国都陆续开始海绵钛生产，其产量由吨级跃升到万吨级，创造了金属材料发展史上的高速发展奇迹。↑ 然而，钛的发展历程是非常曲折的。由于国际政治、经济形势的风云变幻，海绵钛的生产呈波浪式发展。５０年来，全世界大约生产了２．５×１０６ｔ～３．０×１０６ｔ海绵钛。↑
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↑材的生产↑ 钛熔点高(１６６８℃)，高温活性强。钛材生产与钢、铝、铜等传统材料相比，最大差异与难点在于熔炼。真空自耗电弧熔炼(ＶＡＲ)是生产钛锭的主导熔炼工艺，目前的铸锭质量大多为３ｔ～１０ｔ。↑ ８０年代中期以来，从回收残钛和提高铸锭冶金质量的需要出发，一种新型熔炼技术--冷床炉熔炼(ＣＨＭ)得到迅速发展。在美国，各主要钛材生产公司均装备了冷床炉(电子束冷床炉或等离子冷床炉)，已形成３．５×１０４ｔ／ａ的熔炼能力。冷床炉已达到商业化水平，可熔炼重达２５ｔ的铸锭。↑ 钛的变形抗力大，屈强比高(达０．９以上)，其加工特性与铜、铝差别较大，但与钢，特别是不锈钢的加工特性很接近，因此，钢材加工装备基本上适用，仅是模具与加工参数须做些调整而已。然而，对钛来说，一些特殊加工技术，如等温锻造、超塑成型／扩散连接、精密铸造等近成型技术更重要，因而应用比例更高。↑ 另外，由于钛在高温下易吸气和氧化，钛的焊接不能采用通常的气焊和电焊，因而适应钛加工的惰性气体保护焊和真空电子束焊在本世纪获得了很大的发展。↑
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↑合金的发展↑ 第１个实用的钛合金是１９５４年美国研制成功的Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ合金，由于它在耐热性、强度、塑性、韧性、成型性、可焊性、耐蚀性和生物相容性方面均达较好水平，因而成为钛工业中的王牌合金，占全部用钛量的５０％以上。↑ ５０年代～６０年代主要是发展航空发动机用的高温钛合金和机体用的结构钛合金，７０年代开发出一批耐蚀钛合金，８０年代以来，耐热钛合金和高强钛合金得到进一步发展。耐热钛合金的使用温度已从５０年代的４００℃提高到９０年代的６００℃～６５０℃。在先进战机上，钛的用量达４０％，已超过铝和钢，成为第一金属。↑ 另外，７０年代以来，还出现了Ｔｉ－Ｎｉ、Ｔｉ－Ｎｉ－Ｆｅ、Ｔｉ－Ｎｉ－Ｎｂ等形状记忆合金，并在工程上获得了日益广泛的应用。↑ 全世界已研制出的钛合金有数百种，最著名的合金有２０种～３０种。我国在“七五”与“八五”期间，自行研制出船用钛合金Ｔｉ－３１、Ｔｉ－７５、Ｔｉ－８０和耐热钛合金Ｔｉ－５５等。↑ 总之，经过近１００年的发展，钛已由梦幻中的金属变为重要的工程金属。钛已从航空航天尖端技术领域进入到一般工业领域及人们的日常生活。从飞机、导弹到坦克、火炮，从遨游太空的飞船到驰骋五洲大洋的核潜艇，从化工厂的管道、泵、阀到发电厂的冷凝器，从汽车、摩托车到桥梁、大厦，从赛场上的球拍、球杆到书案上的笔筒、墨盒，从衣服上的胸花、领带夹到人体的牙齿、骨骼、心脏 从标牌、饰物到节日缤纷的焰火，到处都可以看到钛的身影和闪光。钛已成为人类物质文明进步的重要标志。↑
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↑展望↑ 钛兼有钢、不锈钢和铝材的许多优点，是一种大用之材，人们对其发展寄予厚望，称为正在崛起的“第三金属”。↑ 钛作为年轻的材料，它要发展，性价比(ＰＰ)是竞争的焦点。从钢铁等材料的发展史可以看出，影响材料发展的五个要素是：需求(Ｄ)、性能(Ｐ)、成本(Ｃ)、资源(Ｓ)和经济技术环境(Ｅ)，如图２所示。一种材料要获得迅速的发展，就必须在Ｄ、Ｐ、Ｃ、Ｓ、Ｅ诸因素中取得某几项优势。↑ 因此，钛工业要获得大的发展，必须取得新的重大技术突破，特别是在冶炼技术(金属钛制取技术)上取得新突破，降低海绵钛的成本，在加工技术上，要像钢一样实现连铸连轧。同时，还要大力发展钛的应用技术，如成型焊接、机加与表面处理技术等。目前，人们对钛还比较陌生，钛的许多优良特性，包括物理特性(无磁、低导热率、低膨胀率、低模量等)、化学特性(无毒、表面易钝化)和机械特性等，人们还不十分熟悉，还未被充分认识和综合利用。钛的工程技术潜力还有待开发，需要冶金工作者与各行业技术专家共同努力，在应用方面多做开拓性、创新性研究，扩大社会对钛的需求。↑
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