简介

钛（Titanium），原子序数为22，最早于1791年由格雷戈尔在英国康沃尔郡发现，是一种银白色的金属，具有密度小、比强度高、耐高温、化学性质性质稳定等明显优于传统金属的特性而备受重视。钛及钛合金常用来制造飞机、火箭等航天机械，一直是航空航天工业的“脊柱”之一，被誉为“太空机械”[1]。相较于纯钛，一同发展起来的钛合金由于其更高的强度、耐蚀性、抗高温性能而得到了更为广泛的应用，尤其是在机械制造、航空航天、化工、军工等领域，钛合金的占比更大。钛工业的发展水平在一定程度上是衡量一个国家航空航天、汽车工业等发展水平的重要标志[2]。

钛与钛合金的特点

  • 密度小，强度高，相较于高强度钢具有更大的比强度。
合金 镁合金 铝合金 高强钢 钛合金
比强度 16 21 23 29
  • 熔点高，钛的熔点为1668℃，比铁的熔点还高出138℃。加入合金元素后可以获得极佳的热强性。
  • 弹性模量低，屈服强度高，适合做弹簧材料，高端赛车内部的弹簧大多数都是由钛合金制成，它同时还具有较好的耐磨性。
  • 表面极易生成致密的氧化层，在氧化性或中性介质中有较强的耐腐蚀能力。
  • 此外还有无磁性，，形状记忆性等优良特点。
  • 化学活性高，当钛加热到500℃以上时，氧化膜变得稀松且易脱落，在熔融状态下，极易发生自然。
  • 此外，某些钛合金还具有储氢、超导、低阻尼性，生物相容性、形状记忆 、 超弹 、高阻尼等特殊功能。由于钛合金具有以上诸多特点，目前已广泛应用于自动化 、能源 、航空航天 、 医疗卫生 、 汽车和家电等领域。

国外发展

钛工业的发展充满曲折。从钛元素的发现(1791)到第一次制得较纯的金属钛(1910)经历了120年的历程。又由实验室第一次获得纯钛(1940)到首次进行工业生产，又花费了近30年的时间。钛在自然界中主要以钛矿石的形式存在，如钛铁矿、金红石（TiO2）等，需要进行精炼（refining）才能获得纯金属。起初，钛的提取是通过高温还原法，但这种方法费时费力，成本高昂。直到了二十世纪四十年代，一种利用氯化钛矿与氯气进行反应来制备四氯化钛，然后通过还原反应（比如Na、Mg等）来得到纯钛的精炼工艺方法终于以其低廉的成本、高效的回收率得到了广泛的商业化应用[3]。

第二次世界大战之后，世界上许多国家都开始意识到钛工业的重要性，钛工业在数年间便迅速发展成为航空、航天、军事等领域的关键材料。1954年，美国成功研发出一种Ti-6Al-4V合金，这种合金在耐热性、强度、塑性、韧性、成形性、可焊性、耐蚀性和生物相容性方面均达到较高水平，使它成为钛工业的主要合金，并占据全部用钛量的50％以上，可以说，许多其他型号钛合金也可以作为Ti-6Al-4V的改良版[4]。

进入21 世纪以来，钛工业在多个领域遍地开花。

  • 在航空航天领域中，大型客机的研制如火如荼、军机也处于过渡时期，世界航空工业对钛合金的需求也随之迅猛增长。
  • 在医疗健康领域，由于钛合金生物相容性良好，可以降低人体对植入物的排斥反应和感染风险，它也被广泛用于制造人工关节、牙科种植体和其他医疗设备。
  • 在汽车制造领域，钛合金的应用主要集中在高档汽车的制造中。钛合金零部件可以减少车辆的自重，从而提高燃油效率和运行性能。同时，钛合金也具有优异的耐腐蚀性能，可以延长汽车零部件的使用寿命。
  • 在建筑工程领域，钛合金被广泛应用于大型建筑的外墙幕墙、顶棚和立面系统。钛合金具有良好的耐候性和抗腐蚀性能，可以抵御各种恶劣气候条件的侵蚀，并且具有高度的可塑性和装饰性，可以为建筑带来更加优美的外观。

国内发展

我国的钛工业发展起源于20世纪50年代，在六七十年代，成为了世界上第四个拥有完整钛工业体系的国家。自21世纪以来我国钛工业进入高速发展阶段，产能与产量已经连续多年占据世界第一的位置，目前海绵钛产量占全球比重已经达到六成，钛加工材产量稳定增长，钛产品消费端需求旺盛[5]，无论是在生产还是在加工领域均保持在世界前列，我国已成为名副其实的世界钛工业大国。[6]2014年，浙江余杭高端钛材的研发投产，标志着中国彻底摆脱了对国外的依赖，填补了中国高端钛材的技术空白。

目前，我国的钛产品消费正处于上升期，如工业、航空航天、海洋船舶和体育休闲等中高端领域的钛材料的需求量平均增长约20％，而医疗行业受疫情影响，需求有所减少，电力和制盐等行业仍有小幅增长，整体盈利水平也有所改善。[7]

此外，近年来计算机技术的发展也为钛工业带来了新的发展机遇。计算机模拟技术用于优化钛合金的生产工艺，显著提高了产品质量。邵一涛等[8]通过采用BP人工神经网络方法建立TC17钛合金组织与性能的关系模型，克服了传统BP人工神经网络训练高精度而预测低精度的过拟合问题；计算机辅助设计和制造技术也为钛制品的设计和生产带来了更多的可能，李淼泉[9]等人对 TC6 合金叶片在等温锻造过程中初生α晶粒尺寸的演变进行了数值模拟，将有限元法与 Yada 微观组织模型结合起来，并给出了 TC6 合金叶片在等温锻造过程中初生α相的分布和晶粒尺寸的变化。在未来，随着物联网、大数据、人工智能、AIGC等技术的不断发展，钛工业也将迎来更多新的机遇和挑战。

应用领域

  1. 航空航天领域：
  2. 汽车领域：
  3. 化工领域：
  4. 医疗器械领域：
  5. 轻工业领域钛开始用于手表大约是在20世纪70年代到80年代初，如Omega公司推出的防水体育用手表；Hoya公司的附有计时功能的体育用表；IWC公司的防水且附计时功能的体育用手表，它们的共同点是都属于高档体育用表。日本的钛手表是由西铁城和精工两大手表厂家在同一时期投入市场的，当时有西铁城的防水室外用手表、精工的附计时功能的体育用手表等，这些手表属于中高档体育用手表。为了提高钛制手表的耐指纹性及耐擦伤性等，都涂以无机或无机加有机的膜，呈浅暗灰色。现今，用钛材制作壳体和表带的低成本加工方法也已确定，并用于从中档到大众化的体育用手表上，加上钛表面技术的改进，从而扩大了钛在手表行业中的应用领域。采用硬度高的钛合金或进行氮化处理以提高硬度，比采用钛喷丸处理加涂层的成本要高，因而各公司在用高强钛的商品上采用了“精钛”、“硬精钛”、“亮钛”等名称。手表用钛的另一个优势是皮肤对钛没有过敏反应，1990年在日本西铁城公司与中央病院皮肤科共同对100位有金属过敏反应的患者进行了试验，结果使用钛手表的皮肤过敏病症为零。据2001年的统计，钛手表在日本的总销售中约占6%，其中70%为体育用手表，20%为实用普及型手表。但在其他国家，钛手表已占一半，而且价格也逐渐降低，如在德国手表市场上，最便宜的约为3000日元，比香港产品还便宜，也有益于环境卫生，这也快速推广了无皮肤过敏反应的钛手表。今后将继续降低钛手表的成本，开发易冲压、切削、表面抛光等加工性能好的钛材，从中档到普及品种不断推广。

参考文献

  1. 李梁,孙健科,孟祥军.钛合金的应用现状及发展前景[J].钛工业进展,2004(05):19-24. ↩︎

  2. 钟玉;屈金山;陈文静;潘全喜.TC4钛合金电子束焊接头性能研究[J].焊接,2007(10):5-9 ↩︎

  3. 李有观. 用碘化物精炼高纯钛[J]. 世界有色金属, 2003(12):68. ↩︎

  4. 高敬,姚丽.国内外钛合金研究发展动态[J].世界有色金属,2001(02):4-7. ↩︎

  5. 申晨.我国钛工业技术进展及趋势[J].中国金属通报,2022,(09):1-3. ↩︎

  6. 申庆飞,闫明,司华彬. 海绵钛工业生产现状及发展[J]. 化工管理, 2022, (20): 4-6. ↩︎

  7. Guanzhou Qiuand Yufeng Guo, Current situation and development trend of titanium metal industry in China, Int. J. Miner. Metall. Mater., 29(2022), No. 4, pp. 599-610. ↩︎

  8. 邵一涛,曾卫东,韩远飞等.基于BP人工神经网络的TC17钛合金显微组织-力学性能关系预测[J].稀有金属材料与工程,2011,40(02):225-230. ↩︎

  9. 史延沛,李淼泉,罗皎.TC4钛合金叶片锻造过程中晶粒尺寸的数值模拟[J].锻压装备与制造技术,2009,44(02):101-104.DOI:10.16316/j.issn.1672-0121.2009.02.014. ↩︎