钛合金1-钛基础知识

钛的基础知识

一、钛元素Ti

与人类应用数千年的金银铜铁相比，人类认识钛元素的时间并不长。1789年，人们发现了一种未知的新元素，其原子序数为22，原子核由22个质子和20-32个中子组成。6年后的1795年，一位德国化学家Martin Heinrich Klaproth在研究来自匈牙利的矿物——“金红石”（请您记住这个词）时，发现了含有这种新元素的白色氧化物。最终，他将这种元素命名为，钛，元素字母Ti, 全称Titanium，源自希腊神话中大地之子的拉丁语:Titans。

这个偶然的拉丁语命名，确实很有预见性，因为它的意思是——力大无比的巨人。

重量轻：钛的密度只有4.51克/立方厘米，是钢的57%，铜的50%。

耐高温：比如航空器在2.2马赫时，表面温度会达到220℃以上，这时铝合金机械性能开始下降。达到3马赫时，表面温度会达到230℃以上，这时不锈钢机械性能也开始下降。而高温钛合金，500℃仍可以保持很好的强度性能。

耐低温：钛合金在-196℃的低温条件下也能保持良好的塑性，不像钢那样容易变脆，因此是航空航天的液氢贮箱的好材料。

耐腐蚀：纯钛在空气中非常容易形成一层致密、附着力强、惰性极大的氧化膜，在315℃以下耐腐蚀性都极强，而且氧化膜即使被机械磨损，也会很快自愈再生。因此，钛与碳氢化合物几乎不反应，这一性质使得钛阀门和管道接头在石油化学工业广泛应用。同样因为耐腐蚀，钛可以

在海水中长期浸泡无恙（见表1）。

表1：各金属在不同海水中腐蚀83天的情况

低磁性：钛基本上没有磁性，用钛建造的军舰、潜艇可以避免磁性水雷的攻击。苏联的一艘台风级核潜艇采用9000吨钛合金做外壳，也是利用

了钛的耐腐蚀和低磁性的性质。

此外，还有三项功能，主要表现在钛合金，而不是纯钛上。

能记忆：钛合金在低温下施加外力塑性变形，除去外力后加温到一定程度，能恢复到原来形状。比如中国研制的钛镍Ti-50Ni50合金, 就有2个温度-形状记忆点：0-37℃，和100-130℃。

能超导：钛合金在绝对温度0.4K时具有超导性能。比如中国研制的的超导合金主要就是铌钛Nb-Ti合金

强度高：钛的比强度比较高，高纯钛的抗拉强度250MPa,工业纯钛在

300-600MPa,钛合金的抗拉强度更高，甚至超过1200MPa。相比之下，纯铁的抗拉强度只有170MPa。合金钢的抗拉强度虽然也更高，但重量数倍于钛合金。

钛的上述优良品质，使得它在航空航天、石油化工、海洋船舶、兵器制造、医疗器械等尖端科学和体育生活领域，都有着非常广阔的应用空间。认识到这一点，科学家、工业家和投资家的眼光，很快就聚焦到了有关钛的另一个问题上：

二、钛资源

很多人以为钛很昂贵，是因为钛资源很少。这话说对了一半。钛确实很贵，但钛资源并不少。

钛在地壳中的含量为0.61%, 大多以二氧化钛TiO2的形式存在。

0.61%, 这是什么概念呢？

这相当于铜、镍、锡、铅、锌等一般有色金属总和……还要……多十几倍!

那位皱眉了——那为什么很多教科书，都说钛是“稀有金属”呢？

主要原因有两个：找到具有开发价值的钛矿很难，就是找到了提炼和加工也很难。

说到这里，兵器迷叹了口气。为什么呢？因为这两个难，中国都占全了，而且还要在难前面加上“特别“两个字。

先说矿：

我国钛资源非常丰富，总地质储量8.7亿吨，为世界第一。钛矿主要分布在四川、云南、广东、广西和海南五省区，其中攀枝花地区的特大钒钛磁铁矿蕴藏量占世界钛总储量的35%。

朋友乐了，这不是好事吗？咋还难呢？

原因是，钛矿有两种。

金红石矿：就是本文开头提到的德国科学家发现的钛矿石。这种矿石理论上含TiO2达100%。实际上，国外的金红石精矿含量可达95-96%,成分单纯，选矿冶炼都很方便。中国的钛矿中，金红石矿只有2%，主要在山西代县和河北枣阳一代，规模很小，其他98%都是另一种矿，叫钛铁矿：

钛铁矿，其TiO2理论含量值50%左右。中国攀枝花钛铁矿TiO2含量只有10-12%，相当于国外金红石精矿的九分之一左右。您别嫌低，在中国钛铁矿里，这就是富矿了。其他矿区，如河北承德大庙矿区，只有5%，更多的是含量更低，没有开采价值的贫矿。

好像咱中国的事儿，就没有特简单的。网上流行“复杂中国”这个词，这是无奈，也是现实。

中国的钛矿多为钛钒铁共生岩矿，成分复杂，勘探难度之大，选矿成本之高，可想而知。据说当年，攀枝花钢铁集团，冶炼钢材后的矿渣就堆放在一个角落，无人问津。后来还是日本人对攀钢考察的时候提出要购

买我们的矿渣，可就是不说为什么。万幸中国人多了个心眼，说不忙，“回去研究研究”——谁说官僚主义没优点来着？这不，“研究研究”才发现，这渣里面富含钛。恍然大明白之余，当即回绝了日本。经过几十年的努力，用废渣开发出一个全球最大的钒钛磁铁矿来。这个，兵器迷后面还有详述。

这日本人，让人又恨又怕：恨的是老是要占中国的便宜，硬着不行偷着来；怕的是他们也确实厉害，万里之外他都能闻到肉味，我们眼皮底下却是睁眼瞎，要不是他们提醒，我们什么时候才能发现这废渣山是聚宝盆，哎！

找到了矿，下一步就是冶炼生产。

三、海绵钛的生产

钛的生产，虽然早在1908年，挪威和美国就开始用硫酸法试制钛，1910年又在实验室中第一次用钠法成功制钛，但是硫酸法的污染极其严重，钠的成本又太高。因此，直到1940年，卢森堡冶金专家克劳尔用镁还原四氯化钛，制备出纯钛，才发展成至今最为广泛使用的镁还原制钛法。

1948年，美国杜邦公司(DUPONT)，用镁还原制钛法制造了成吨的工业钛，这标志钛的工业化生产真正开始。大致的过程是：先把二氧化钛用

氯制成四氯化钛，再用镁还原成钛。这样制成的钛成品，疏松多孔，状似海绵，所以业内一般称之为海绵钛，见下图

图1：海绵钛

镁还原法的基本化学过程如下：

TiO2+Cl2→ TiCl4

TiCl4+Mg → Ti +MgCl2

工艺原理如下图示意：

图2：镁还原-真空蒸馏法制海绵钛基本工艺图