科普篇 -钛的历史及商业应用的开端
发布时间：2021-12-01 文章来源：中科锐金 浏览次数：1334
科普篇
-钛的历史及商业应用的开端
高强度，低密度和优异的抗腐蚀性能是钛的主要特性，这些特性使钛在许多领域的应用极具吸引力。例如，飞机（高强度与低密度的结合），航空发动机（高强度，低密度和高达约550°C时的良好抗蠕变性能），生物医学器件（抗蚀性和高强度）以及化学处理设备的组件（耐蚀性）等。
钛相对较高的成本限制了其广泛的应用，例如，在汽车工业中的应用。为了使钛固有的成本问题最小化，具备竞争力，获得成功应用，就必须分析钛的特殊性能，找出其有别于其他工程材料的优势。同时，还需要更深入地研究和比较钛合金和其他廉价材料，包括成本、教工方法和性能之间的相互影响。
钛的历史
钛在 底壳中约占0.6%，是继铝、铁、镁之后丰度第4的结构金属。钛的最重要矿物是钛铁矿(FeTiO3) 和金红石(TiO2)。
1791年矿物学业余爱好者Gregor牧师首先提出猜测：一种新的未知元素存在于康沃尔郡（Cornwall）（英国）的黑色磁铁砂（钛铁矿）中。1795年，德国化学家Klaproth分析了来自匈牙利的金红石并且鉴别出一种与Gregor报道一致的未知元素的氧化物。Klaproth根据希腊神话中曾统治世界的古老神族的名字泰坦（Titans），将此元素命名为钛（titanium）。
为了从钛矿中分离出金属钛，人们用四氯化钛(TiCl4)作为一个中间步骤做了许多尝试。由于钛与氧和氮反应的趋势强烈，实践证明，很难生产出这种具有延展性的高纯钛。早期的实践表明，用Na或Mg还原四氯化钛(TiCl4)可产出小批量的脆性金属钛。直到进入20世纪（1937~1940），才由克劳尔（Kroll）在卢森堡开发出了一种具有商业吸引力的钛生产工艺。该工艺是用镁在惰性气氛中还原四氯化钛，所得到的钛因多孔且具有海绵外观而被称为“海绵钛”。著名的克罗尔法至今仍保持不变，是占主导地位的钛生产工艺。
值得注意的是，在关注金属钛的开发之前，四氯化钛的工业生产已经存在了，这是因为四氯化钛是生产涂料用高纯二氧化钛的原料。时至今日，仍然只有5%的四氯化钛用于生产金属钛。
更多的关于钛历史3的详细资料可参见由Bomberger、Froes和Morton的综述性文章“钛的历史展望”。
商业应用的开端
在第二次世界大战之后的20世纪40年代后期和50年代初期，钛的特性开始引起了人们的关注，特别是在美国，主要由政府资助的一些项目推动了大规模海绵钛生产厂的建设，例如，TIMET公司（1951年）和RMI公司（1958年）。在欧洲，大规模海绵钛的生产始于1951年的英国化学工业公司金属部（就是后来的汽车工业学会和Deeside钛厂），该厂后来成为欧洲主要的钛生产商。在法国，海绵钛生产几年后，于1963年停产。在日本，海绵钛的生产始于1952年。到1954年，两家公司-大阪钛公司和Toho钛公司已有相当的生产能力。苏联于1954年开始生产海绵钛，其海绵钛产能的增加令人关注，到1979年，苏联已变成世界上最大的海绵钛生产国，这可从表1.1世界主要海绵钛生产国产量比较中看出。
表1.1 世界主要海绵钛生产国产量
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年份
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美国
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日本
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英国
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苏联
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中国
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总数
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1979
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20800
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16200
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2200
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39000
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1800
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80000
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1980
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25400
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23200
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1800
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42600
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1800
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94800
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1982
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27600
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27300
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1400
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44400
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2300
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103000
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1984
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30400
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34000
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5000
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47200
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2700
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119300
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1987
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25400
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23100
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5000
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49900
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2700
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106100
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1990
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30400
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28800
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5000
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52200
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2700
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119100
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在美国，大约在1950年，由于认识到添加铝能增加材料的强度，极大地促进了合金材料的发展。诞生了添加锡在高温条件下应用的早期α合金Ti-5Al-2.5Sn，（除非特殊说明，合金组成都以质量分数表示），添加钼作为β稳定元素在高强度下应用的α+β 合金Ti-7Al-4Mo。一个重要的突破是Ti-6Al-4V合金于1954年在美国的诞生，很快，这种集优异性能和良好生产性能于一身的合金成为了最重要的α+β 合金，今天，Ti-6Al-4V仍然是应用最广泛的合金。
在英国，合金的开发思路略有不同，其着重于航空发动机在高温下的应用，1956年，诞生了Ti-4Al-4Mo-2Sn-0.5Si合金（即后来的IMI550)。这标志着硅作为一种合金元素可改善材料的抗蠕变能力。
第一种β钛合金B120VCA(Ti-13V-11Cr-3Al) 是20世纪50年代中期在美国作为板材合金而开发利用的。从20世纪6年代开始，这种高强度、可时效硬化的板材合金被用作奇妙的间谍侦察机SR-71的机壳。
除了以上持续的合金开发和钛合金在宇宙航天领域的使用不断增加外，在民用上，纯钛（CP钛）的使用量也在稳定增长，主要作为非宇宙航空领域的耐蚀材料。除美国之外，日本的纯钛生产也引人注目，由于日本国内缺乏宇宙航天工业，故其主要用于制造和出口纯钛产品。
内容来源于《钛》（第2版）-【德】Gerd Lütjering 【美】James C. Williams 著
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