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titanium material
简介
用海绵钛或海绵钛加其他元素制成的，具有密度小、强度高、耐热、耐蚀性能优良的稀有金属材料。主要包括钛和钛合金。适用于制造航空、航天、舰船的承力件，化学和海洋工业的耐蚀件，医疗器械和人民日常生活用品等，是军工和民用部门不可缺少的材料。
简史 钛在地壳中的储量很多，在所有元素中占第9位，而在常用金属中仅次于铝、铁、镁，而居第4位，比其他常用金属铜、铅、锌的总和还多十倍至数百倍。1791年英国格雷戈尔(W.gregor)在黑钛矿砂中，发现了一种新元素的氧化物，后命名为钛(Titaniu m)。经100多年的研究试验，卢森堡科学家克罗尔(W.J.Kroll)于1940年研究成功用镁还原四氯化钛的方法制取海绵钛。1948年美国海绵钛生产达到工业化水平。世界上已有俄罗斯、美国、日本、英国、中国5国可以生产海绵钛，产能达13万t。1950年，美国已能生产钛加工材料。生产初期遇到过严重的氢脆现象，而且成材率很低，使人们怀疑钛是否能被应用于工业。针对这问题。70年代以后，钛工业向设备大型化、自动化、连续化和系列化发展。80年代，钛材料用量稳步增加。在美国，钛材料的应用以航空、航天工业为主要市场。前苏联、英国和日本的钛工业均始于50年代初，日本钛材料的应用以民用为主要市场。中国的钛工业是50年代后期发展起来的。中国钛资源极其丰富，有着发展钛工业的良好条件，并已形成一定规模的生产能力。
特性 钛材料的特性为：(1)密度小。纯钛的密度是4.5g/cm3，为 一般钢的56%左右，处于轻金属铝镁和钢铁之间，钛材料是第 一种能作为结构材料而密度介于二者之间的金属(见钛材料物理性能)。(2)强度高。钛材料具有较高的比强度(强度/密度)，也有较好的屈服强度、疲劳强度等(见钛材料力学性能)。(3)耐蚀性好。在许多介质中，钛材料都具有良好的抗蚀性能。它在氧化性介质中稳定而不起反应。在含有氯的介质中，更表现出其优越性，在潮湿的氯气、氯水和含氯或次氯酸盐溶液中，以及有机氯化物中，都具有良好的抗蚀性。钛耐海水腐蚀，其性能可与白金相比(见钛材料腐蚀)。对于流速较高海水的冲刷性腐蚀，钛的抵抗能力也很强。在还原性介质中，钛的稳定性不佳，但添加少量钯、钼等金属，能改善它的抗蚀性能。钛在高温下抗氧化能力不佳，可通过涂层等方法，改善其抗氧化性能(见钛材料氧化)。(4)耐热性能好。添加铝、钒、钼、锡、硅等合金元素，可明显提高钛材料的耐热性。(5)低温性能好。钛材料在超低温下能保持很好的力学性能，强度不但增加，而且具有良好的延性和韧性，因此，它是超低温下使用的良好结构材料。
制备 钛材料的制备工艺包括熔炼、铸造、粉末冶金、焊接、热处理、保护涂层、氧化着色、表面净化、塑料加工、残料处理等(见钛材料制备)。
应用 钛工业兴起的初期，钛材料主要用于航空和航天工业。由于钛具有许多优越特性，在化工、冶金、石化、海水淡化、轻工、军工等部门是不可缺少的材料。航空工业中使用钛材料设备的好处是，使用在飞机发动机的中等温度部位时，钛比钢具有更高的疲劳强度、屈服强度和蠕变强度，同时可以大大减轻设备重量。钛材料的优异抗大气腐蚀性能，能大大改善喷气发动机中的压缩性能。许多新型的军用和民用飞机已经使用了大量钛材料零件。主要用于制作喷气发动机压气机叶片、盘、机匣、发动机罩和排气罩等。机身应用包括结构锻件、紧固件和高温区蒙皮。在火箭、导弹和航天飞行器件中，钛材料的应用效果也很好。主要用作压力容器、燃料贮箱、火箭发动机壳体、航天飞机结构骨架、主起落架、登月舱推进系统等。
钛在海水中有极好的耐蚀性，美、日、法等国已研制成功钛制深潜器。前苏联曾建造了ALFA核动力潜艇，潜艇的耐压壳体是用钛合金制造的。钛材料甚至已进入人们的日常生活中，各种赛车和高性能多用途的车辆已使用了钛材料。钛材料的密度与人体骨骼相近且不被腐蚀，与人体的相溶性好，因而是医学补形和整形的理想材料。可用钛材料制作髋关节、头盖骨、肘关节和假肢等。综上所述，钛材料已成为海、陆、空使用的优异材料。
展望 21世纪钛工业将面临两方面的挑战，一方面是研制新的合金以吸引新的市场;另一方面是通过提高材料质量，扩大现有的市场。总的来说，钛材料的应用将继续扩大，其中包括宇航工业和非宇航工业的应用。预测21世纪初在非宇航方面的应用将占较大的比例。过去钛材料曾是航空工业的热门结构材料，这种状况还会保持很长 一段时间。未来飞机和发动机仍是钛的最大用户。但是，新型复合材料、硼纤维增强树脂、石墨增强环氧树脂等有可能成为钛材料的竞争对手。
在海洋中有希望大量使用钛材料的项目有：海水淡化、舰船海洋热能开发和海底资源开采等。未来涉及新的和扩大应用的钛材料研制项目包括：更高温度应用的钛合金，具有较高强度水平的钛合金，在更苛刻环境中应用的钛合金以及可减少缺陷(见钛材料冶金缺陷)、提高使用性能和安全性，并可满足燃气涡轮发动机要求的加工技术。影响钛材料广泛应用的主要障碍是价格昂贵，因此降低生产成本是生产中亟待解决的重要课题。国际上正在研究的钛电解工艺和设备，一旦成功，将能大大降低能耗。采用大型真空自耗电弧炉生产钛铸锭，开发冷炉床熔炼技术，提高残钛利用率和改善加工工艺等措施，都将有效地降低钛材料的成本。