钛合金

背景

钛在元素周期表中被称为过渡金属，用符号 Ti 表示。它是一种轻质的银灰色材料，原子序数为 22，原子量为 47.90。它的密度为 4510 kg/m ³ ，其密度介于铝和不锈钢的密度之间。它的熔点约为 3,032°F（1,667°C），沸点为 5,948°F（3,287°C）。它的化学性质类似于锆和硅。它具有优异的耐腐蚀性和高强度重量比。

钛是第四丰富的金属，约占地壳的 0.62%。钛很少以纯形式存在，通常存在于锐钛矿、板钛矿、钛铁矿、白锰矿、钙钛矿、金红石和钆等矿物中。虽然钛相对丰富，但它仍然很昂贵，因为它难以分离。钛精矿的主要生产商包括澳大利亚、加拿大、中国、印度、挪威、南非和乌克兰。在美国，主要的钛生产州是佛罗里达州、爱达荷州、新泽西州、纽约州和弗吉尼亚州。

已经开发出数以千计的钛合金，这些可以分为四大类。它们的特性取决于它们的基本化学结构和它们在制造过程中的操作方式。用于制造合金的一些元素包括铝、钼、钴、锆、锡和钒。阿尔法相合金的强度最低，但可成型和可焊接。阿尔法加贝塔合金具有高强度。 Near alpha 合金具有中等强度但具有良好的抗蠕变性。 β 相合金在所有钛合金中强度最高，但也缺乏延展性。

钛及其合金的应用非常广泛。航空航天工业是钛制品的最大用户。由于其高强度重量比和高温特性，它对这个行业很有用。它通常用于飞机零件和紧固件。这些相同的特性使钛可用于生产燃气涡轮发动机。用于压缩机叶片、机壳、发动机整流罩、隔热罩等部件。

由于钛具有良好的耐腐蚀性能，是金属精加工工业的重要材料。在这里，它用于制造热交换器盘管、夹具和衬里。钛对氯和酸的耐受性使其成为化学加工中的重要材料。用于化工生产线上的各种泵、阀、换热器。由于耐腐蚀，炼油工业采用钛材料制造冷凝器管。这种特性也使其可用于脱盐过程中使用的设备。

钛用于人体植入物的生产，因为它与人体具有良好的相容性。钛最近最显着的用途之一是 2001 年首次植入人体的人造心脏。钛的其他用途包括髋关节置换、心脏起搏器、除颤器以及肘关节和髋关节。

最后，钛材料用于生产众多消费品。它用于制造鞋子、珠宝、电脑、运动器材、手表和雕塑。作为二氧化钛，它被用作塑料、纸张和油漆中的白色颜料。它甚至用作白色食用色素和化妆品中的防晒剂。

历史

大多数历史学家都将钛的发现归功于威廉·格雷戈尔。 1791 年，当他识别出这种新元素并发表了他的研究结果时，他正在研究锰锌矿（一种在英格兰发现的矿物）。几年后，德国化学家 M. H. Klaproth 在金红石矿石中重新发现了这种元素。克拉普罗特以神话中的巨人泰坦（Titans）的名字命名了钛元素。

Gregor 和 Klaproth 都使用钛化合物。 1875 年，俄罗斯的基里洛夫完成了对几乎纯钛的第一次重要分离。直到 1910 年马修亨特和他的同事在加热的钢弹中使四氯化钛与钠反应时，才证明了纯金属的分离。这个过程生产了单件纯钛。 1920 年代中期，一群荷兰科学家通过对四碘化钛进行解离反应，制造出细小的纯钛线。

这些演示促使威廉·克罗尔开始试验有效分离钛的不同方法。这些早期的实验导致 1937 年开发出一种通过镁还原来分离钛的工艺。这个工艺现在称为 Kroll 工艺，仍然是生产钛的主要工艺。第一批由钛制成的产品是在 1940 年代推出的，包括线材、板材和棒材等。

虽然 Kroll 的工作展示了一种在实验室规模生产钛的方法，但需要近十年的时间才能适应大规模生产。这项工作由美国矿业局于 1938 年至 1947 年在 R. S. Dean 的指导下进行。到 1947 年，他们对克罗尔的工艺进行了各种修改，生产了近 2 吨钛金属。 1948 年，杜邦开始了第一家大规模制造业务。

这种大规模的制造方法允许使用钛作为结构材料。在 1950 年代，它主要被航空航天工业用于制造飞机。由于钛在许多应用中优于钢，因此该行业发展迅速。到 1953 年，年产量已达到 200 万磅（907,200 公斤），钛的主要客户是美国军方。 1958 年，由于军方将重点从有人驾驶飞机转移到更适合用钢制造的导弹，对钛的需求大幅下降。此后，钛行业经历了各种高低需求周期。多年来，人们发现了钛及其合金的许多新应用和行业。今天，大约 80% 的钛用于航空航天工业，20% 用于非航空航天工业。

原材料

钛是从地球上天然存在的各种矿石中提取的。用于生产钛的主要矿石包括钛铁矿、白锰矿和金红石。其他值得注意的来源包括锐钛矿、钙钛矿和 sphene。

钛铁矿和白锰矿是钛铁矿。钛铁矿 (FeTiO3) 含有大约 53% 的二氧化钛。 Leucoxene 具有相似的成分，但含有约 90% 的二氧化钛。它们与硬岩沉积物或海滩和冲积沙有关。金红石是相对纯净的二氧化钛 (TiO2)。锐钛矿是另一种形式的结晶二氧化钛，最近才成为钛的重要商业来源。它们都主要存在于海滩和沙子沉积物中。

钙钛矿 (CaTiO3) 和钆 (CaTi-SiO5) 是钙和钛矿石。由于难以去除钙，这些材料均未用于钛的商业生产。未来，钙钛矿很可能会用于商业用途，因为它含有近 60% 的二氧化钛，并且只有钙作为杂质。 Spene 含有硅作为第二杂质，这使得分离钛变得更加困难。

除了矿石之外，钛生产中使用的其他化合物包括氯气、碳和镁。

钛用于自行车架、髋关节植入物、眼镜架和耳环等多种物品.

制造
过程

钛是使用克罗尔工艺生产的。涉及的步骤包括提取、纯化、海绵生产、合金制造以及成型和成型。在美国，许多制造商专注于这种生产的不同阶段。例如，有些制造商只生产海绵，有些制造商仅熔化并制造合金，还有一些制造商生产最终产品。目前，没有一家制造商完成所有这些步骤。

提取

• 1 在生产开始时，制造商会收到来自矿山的钛精矿。虽然金红石可以以其天然形式使用，但钛铁矿经过处理以去除铁，使其含有至少 85% 的二氧化钛。这些材料与氯气和碳一起放入流化床反应器中。该材料被加热到 1,652°F (900°C)，随后的化学反应会产生不纯的四氯化钛 (TiCl4) 和一氧化碳。杂质是因为一开始没有使用纯二氧化钛。因此，必须去除产生的各种不需要的金属氯化物。

净化

• 2 将反应后的金属放入大型蒸馏罐中并加热。在此步骤中，使用分馏和沉淀分离杂质。该动作可去除金属氯化物，包括铁、钒、锆、硅和镁的氯化物。

海绵的制作

• 3 接下来，将纯化的四氯化钛作为液体转移到不锈钢反应器容器中。然后加入镁并将容器加热至约 2,012°F (1,100°C)。氩气被泵入容器中，以便去除空气并防止氧气或氮气污染。镁与氯反应生成液态氯化镁。这留下纯钛固体，因为钛的熔点高于反应的熔点。
• 4 通过钻孔从反应器中除去钛固体，然后用水和盐酸处理以除去过量的镁和氯化镁。所得固体是一种称为海绵的多孔金属。

合金制作

• 5 然后可以通过自耗电极电弧炉将纯海绵钛转化为可用合金。此时，海绵与各种合金添加剂和废金属混合。海绵与合金材料的确切比例在生产前在实验室中配制。然后将该物质压成压块并焊接在一起，形成海绵电极。
• 6 然后将海绵电极放入真空电弧炉中进行熔化。在这个水冷的铜容器中，电弧用于熔化海绵电极以形成锭。容器中的所有空气要么被去除（形成真空），要么被氩气填充以防止污染。通常，将锭重熔一次或两次以上以生产商业上可接受的锭。在美国，通过这种方法生产的大多数锭重约 9,000 磅（4,082 千克），直径为 30 英寸（76.2 厘米）。
• 7 铸锭制成后，将其从炉中取出并检查是否存在缺陷。表面可以根据客户的要求进行调节。然后可以将锭运送到成品制造商，在那里可以将其研磨并制造成各种产品。

副产品/废物

在纯钛的生产过程中，会产生大量的氯化镁。这种材料在生产后立即在回收单元中回收。回收池首先分离出金属镁，然后收集氯气。这两种成分都在钛的生产中重复使用。

未来

钛制造的未来进步可能会出现在提高铸锭生产、开发新合金、降低生产成本以及应用于新行业等领域。目前，需要比现有熔炉所能生产的更大的锭。正在研究开发能够满足这些需求的更大的熔炉。还正在努力寻找各种钛合金的最佳成分。最终，研究人员希望能够轻松生产出具有受控微观结构的特殊材料。最后，研究人员一直在研究不同的钛提纯方法。最近，剑桥大学的科学家宣布了一种直接从二氧化钛生产纯钛的方法。这可以大大降低生产成本并提高可用性。

哪里可以了解更多

书籍

Othmer, K. 化学技术百科全书。 纽约：Marcel Dekker，1998 年。

美国内政部美国地质调查局。矿产年鉴第 1 卷。 华盛顿特区：美国政府印刷办公室，1998 年。

期刊

Freemantle, M. “直接从二氧化钛中提取的钛”。 化学与工程新闻 （2000 年 9 月 25 日）。

Eylon D.“用于能源和工业应用的钛”。 冶金学会 AIME (1987)。

其他

WebElements 网页。 2001 年 12 月。。

佩里 罗曼诺夫斯基