二十一世纪的金属:钛

一、钛元素的发现

钛元素是1791年1月6日，由英国牧师兼化学家威廉·格雷戈尔发现的。格雷戈尔喜欢研究英国各处出产的矿石，并有极精湛的技术，被人们称为矿学名家。一次他分析从在英格兰西部密那汉郊区康沃尔采来的黑色磁性砂，这种沙可以被磁铁吸引，因此起初他以为这是磁铁矿的粉末。但当他仔细分析了这种沙以后发现，其中除了相当多的氧化铁以外还得到一种占矿石成分45％的棕红色矿粉。他将矿粉溶于硫酸，可得黄色溶液；若用锌、锡或铁来还原，则有紫色的物质生成；若用木炭粉还原，可得紫色熔渣。他无法确定这是何种物质，因为这种粉末和当时已发现的任何物质都无法匹配！他猜想这其中可能有一种跟铁类似的新金属元素，并用发现矿石的地点“密那汉”命名这种新元素。

过了四年，也就是1795年，德国化学家克拉普洛特从匈牙利布伊尼克的一种红色金红石(较纯净的二氧化钛)中，也发现了这种新元素。克拉普洛特认为这个新元素是从土里提炼出来的，用希腊神话中“泰坦”命名了新元素。这是因为古希腊神话里的“泰坦巨人”就是“土地的儿子”的意思。中文按它原文名称的译音，定名为钛。当听闻格雷戈尔之前的发现后，克拉普洛特确认了格里戈尔所发现的新元素“密那汉”就是钛。大家风范的克拉普罗特并未与格雷戈尔争夺“钛的发现者”的名头，而他给钛元素的命名也被广为接受。

钛一般被认为是稀有金属，其实它在地壳中的含量相当大，比一般的常用的金属锌、铜、锡等都大，甚至比氯、磷都大。钛的矿物在自然界中分布很广，地理表面十公里厚的地层中，含钛达千分之六，比铜多61倍。世界上储量超过一千万吨的钛矿并不罕见。但是另一昂面，自然界中的钛大部分处于分散状态，因此难以提纯利用。海滩上有成亿吨的砂石，钛和锆这两种比砂石重的矿物，就混杂在砂石中，经过海水千百万年昼夜不停地淘洗，把比较重的钛铁矿和锆英砂矿冲在一起，在漫长的海岸边，形成了一片一片的钛矿层和锆矿层。这种矿层是一种黑色的砂子，通常有几厘米到几十厘米厚。

克拉普洛特在发现钛元素的时候还指出，但在当时找到的，实际上都是粉未状的二氧化钛而不是金属钛。钛元素被确认以后，科学家花费了很长时间也没有能制备金属钛。提取出来的二氧化钛无比稳定，很难分解。而且金属钛能和氧氮氢碳等直接剧烈化合，即使在高温下用电将钛分解出来，它也会马上和周围的物质化合。从钛元素的发现到第一次制得较纯的金属钛经历了120年的历程。又由实验室第一次获得纯钛到首次进行工业生产，又花费了近40年的时间。

二、钛的冶炼

1910年，美国化学家亨特在700-800℃高温下用钠还原四氯化钛，首次得到了99.9%的金属钛，但总共不到1克。这种方法被称为“亨特法”。不过，亨特法使用的还原剂是昂贵的钠，只能用于钛的少量制备。不能满足大规模生产。1932年，来自卢森堡的美国科学家克罗尔用相对便宜的钙在800多度高温下还原四氯化钛的方法获得成功，这才开始商业化。几年后，他又用更加易于保存的镁代替钙，这种方法一直沿用至今，被称为“克罗尔法”。

1948年美国杜邦公司发现了用镁法成吨生产钛的新工艺，这标志着钛工业化生产的开始。这个工艺分成三步：第一步二氧化碳生成四氯化钛 TiO₂＋Cl₂+2C=2CO+TiCl₄，第二步用金属镁还原四氯化钛TiCl₄＋2Mg → Ti+2MgCl₂，用真空蒸馏除去海绵钛中的氯化镁和过剩的镁，从而获得纯钛。第三步，从反应釜里出来的是一种多孔的、看起来像海绵的灰色物质，称为海绵钛。在电炉中熔化海绵钛成液体，然后才能铸成钛锭。由于反应需要在高温下进行，可见钛材生产过程中需要大量的能量，这就是钛材昂贵的原因。

钛在高温下可以与氧、碳、氮以及其他许多元素化合。因此，不论在冶炼或者铸造的时候，人们都小心地防止这些元素“侵袭”钛。在冶炼钛的时候，空气与水当然是严格禁止接近的，甚至连冶金上常用的氧化铝坩埚也禁止使用，因为钛会从氧化铝里夺取氧。镁与四氯化钛的反应需要在稀有气体——氦气或氩气中相作用。熔炼钛锭时，电炉的空气必须抽干净外，更伤脑筋的是，简直找不到盛装液态钛的坩埚，因为一般耐火材料部含有氧化物，而其中的氧就会被液态钛夺走。钛的熔点高达1660度，比镁、铝、铁、铜都要高；后来，人们终于发明了一种“水冷铜坩埚”的电炉。，其余部分都是冷的，钛在电炉中熔化后，流到用水冷却的铜坩埚壁上，马上凝成钛锭。

从发现钛元素到制得纯品，历时一百多年。而钛真正得到利用，认识其本来的真面目，则是上世纪40年代以后的事情了。钛在20世纪50年代发展起来以后，钛合金的研究也开展起来。第一个实用的钛合金是1954年美国研制成功的Ti-6Al-4V合金，由于它的耐热性、强度、塑性、韧性、成形性、可焊性、耐蚀性和生物相容性均较好，而成为钛合金工业中的王牌合金。该合金使用量已占全部钛合金的75%～85%。其他许多钛合金都可以看作是Ti-6Al-4V合金的改型。

三、钛与潜艇

为什么要用这么昂贵的钛材料生产潜艇？这些主要和钛的性质密切相关。钛与其合金具有强度好，重量轻，耐腐蚀的性能，是潜艇的最好的选择材料。钛合金强度好，同样的尺寸比钢材有更好的耐压强度，所以下潜深度大。钛潜艇可以下潜到4500米以下，这是钢制潜艇无法逾越的界限。一般钢铁潜艇下潜超过300米就容易被水压压坏。由于其重量轻，潜艇航行速度较快。由于其耐腐蚀性，用钛制造的潜艇比钢制潜艇经久耐用。

钛耐腐蚀性能特别强，不管是稀的硫酸、盐酸、硝酸、烧碱还是稀王水，都不能耐它分毫，只有浓硫酸、浓盐酸和才能突破的了它坚固的防线；钛合金在潮湿的大气和海水介质中工作，其抗蚀性远优于不锈钢；有好事者做过实验，将一块纯钛沉入海底，过了五年拿起来看看，发现上面粘了很多海藻和浮游生物，擦干净以后，钛仍然是银光闪闪，一点都没有腐蚀。钢铁在海水中则会腐蚀变质。钛所具备的优良的耐腐蚀性能让潜艇在海水里长期浸泡十余年而光洁如新，极大增加了潜艇的寿命寿命。潜艇上的钛除了使用在壳体上外，就是使用在潜艇的管道和冷凝器上，现在几乎所有的潜艇和水面舰艇上的冷凝器都是用的钛材做的，可以说在潜艇和舰艇的寿命内，一般情况下不用更换钛冷凝器，一来可以节省维护费用，二则不会因为冷凝器故障的问题降低出勤率。

20世纪50年代，前苏联尝试用钛来建造潜艇，在阿尔法级和麦克级潜艇里都能看到钛的身影。 前苏联早在1960年代就生产出世界上第一艘全钛潜艇。而钛材在潜艇上的颠峰之作，属于台风号核潜艇，每艘潜艇总用钛量超过9000吨！

钛没有磁性，这点在军事上特别重要。由于钛不是铁磁体物质，不会被磁水雷发现，用钛建造的核潜艇不必担心磁性水雷的攻击。而且用钛建造的潜艇更容易隐形。想要发现潜艇有两种主要方法，一种是声呐法，另一种方式是利用磁异探测仪，因为地球的地磁场的方向和强度是不变的，如果有大型的金属物体潜伏于海面下并且有位移，那么这种探测仪可以感应到所处区域磁场的变化，从而发现目标。钛合金和常用的钢材料不同，Ti是没有磁性的，用钛合金制造的潜艇磁性特征很小，很难被磁异探测仪发现。

四、钛与航空

钛(Ti)是一种轻金属，可是它却非常坚固，密度小而强度大。和钢相比，它的密度只相当于钢的57%，而强度和硬度与钢相近，一些高强度钛合金超过了许多合金结构钢的强度。另外,钛及其合金的耐热性很强，在500℃的大气中仍能保持良好的强度和稳定性,短时间工作温度甚至还可更高些。而铝在150℃、不锈钢在310℃就失去原有的机械性能。当超音速飞机飞行时，它的机翼的温度可以达到500℃。如用比较耐热的铝合金制造机翼，一到二三百度也会吃不消，必须有一种又轻、又韧、又耐高温的材料来代替铝合金乙钛恰好能够满足这些要求。所以，如果没有钛合金就很难发展目前的超音速飞机。

美国在二战后立刻使用钛来建造飞机，1950年美国首次在F-84战斗轰炸机上用作后机身隔热板、导风罩、机尾罩等非承力构件。60年代开始钛合金的使用部位从后机身移向中机身、部分地代替结构钢制造隔框、梁、襟翼滑轨等重要承力构件。此后钛合金在军用飞机中的用量迅速增加，达到飞机结构重量的20％～25％。又如，60年代中期美国研制成功的YF-12A/SR-71侦察机，用钛达95%，可以称为“全钛飞机”。

紧随军用，民用飞机也迅速跟上，用上了21世纪的金属元素。“钛飞机”可以减轻机体重量5吨，多载乘客100多名。上世纪70年代起，民用机开始大量使用钛合金，如波音747客机用钛量达3640公斤以上。据统计，每年三分之二的钛都被用于民用飞机，仅仅波音777这一种机型每年就要用掉59吨钛，空客380每年更要用掉77吨钛。1958年研制的波音707用钛81.6kg，占结构重置的0.3%而1969年研制的波音747使用的钛结构件重达3700kg，占结构重量的9%。而波音777使用的钛结构件重达5896.7kg，占结构重量的11%。

五、钛与航天

在以克为减重单位的航天领域，钛合金的高比强度具有重要的应用价值>，成为当时航空领域的重要材料。实际上没有一种航天火箭是不使用钛及钛合金的。钛合金在航天火箭中所占质量为5％～30％。

钛合金有良好的耐热性以及低温韧性。钛合金在低温和超低温下，仍能保持其力学性能。钛还能经得住零下一百多度的考验，在这种低温下，钛仍旧有很好的韧性而不发脆。间隙元素极低的钛合金，如TA7，在-253℃下还能保持一定的塑性。 在太空中神七飞船向阳面温度为100摄氏度以上，背阳面低于零下100摄氏度。因此在恶劣环境下，钛合金可以作为航天器的外衣。

1963年，美国海军军械研究所的比勒在研究工作中发现，在高于室温较多的某温度范围内，把一种镍-钛合金丝烧成弹簧，然后在冷水中把它拉直或铸成正方形、三角形等形状，再放在40 ℃以上的热水中，该合金丝就恢复成原来的弹簧形状。也就是说，这种合金具有一种所谓“形状记忆”的能力。美国登月宇宙飞船上的自展天线，就是用镍钛型合金作成的。科学家先把这种合金做成所需的大半球形展开天线，然后冷却到一定温度下，使它变软，再施加压力，把它弯曲成一个小球，使之在飞船上只占很小的空间。登上月球后，利用阳光照射的温度，使天线重新展开，恢复到大半球的形状。钛-镍合金在一定环境温度下具有单向、双向和全方位的记忆效应，被称为最佳记忆合金。

钛更被我们带入太空，在探索木星的Juno探测器上，就用上了钛。相信在未来的太空时代，钛这种太空元素将会发挥更大的作用。

六、钛的其它用途

钛及其合金作为一种优秀的耐蚀结构材料，自上世纪60年代中期已在一般工业中应用。过去，化学反应器中装热硝酸的部件都用不锈钢。不锈钢也怕那强烈的腐蚀剂——热硝酸，每隔半年，这种部件就要统统换掉。现在，用钛来制造这些部件，虽然成本比不锈钢部件贵一些，但是它可以连续不断地使用五年，计算起来成本反而合算得多。

钛在外科医疗手术上的应用，也非常引人入胜。目前，外科接骨是用不锈钢，使用不锈钢有一个缺点，就是接骨愈合之后，要把不锈钢片再取出来，否则不锈钢会因生锈而对人体产生危害。如果改用钛制的“人造骨胳”将使骨科技术完全改观。在头损坏的地方，用钛片与钛螺丝钉，过了几个月骨头就会重新生长在钛片的小孔与螺丝里，新的肌肉纤维就包在钛的薄片上，钛骨骼宛如真正的骨骼一样和血肉相联，起到支撑和加固作用。所以,钛被人们赞誉为“亲生物金属”。

钛在高温下化合能力极强的特点，也决定了钛的用途。在炼钢的时候，氮很容易溶解在钢水里， 当钢锭冷却的时候，钢锭中就形成气泡，影响钢的质量。所以炼钢工人往钢水里加进金属钛，使它与氮化合，变成炉渣一—氮化钛，浮在钢水表面，这样钢锭就比较纯净了。

钛-铁合金具有吸氢特性，能把大量的氢安全的贮存，在一定环境中又把氢释放出来。这在氢气分离、氢气净化、氢气贮存及运输、制造以氢为能源的热泵和蓄电池等方面应用有前途。

钛的用途越来越广，日益受到人们的重视，人们称它为未来的钢铁、21世纪的金属。