钛的基础知识及钛合金的分类

◎ 一种金属元素，灰色，能在氮气中燃烧，熔点高。钝钛和以钛为主的合金是新型的结构材料，主要用于航天工业和航海工业。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20世纪40年代以后的事情了。地理表面十公里厚的地层中，含钛达千分之六，比铜多61倍。随便从地下抓起一把泥土，其中都含有千分之几的钛，世界上储量超过一千万吨的钛矿并不稀罕。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。钛没有磁性，用钛建造的**不必担心磁性**的攻击。1947年，人们才开始在工厂里冶炼钛。当年，产量只有2吨。1955年产量激增到2万吨。1972年，年产量达到了 20万吨。钛的硬度与钢铁差不多，而它的重量几乎只有同体积的钢铁的一半，钛虽然稍稍比铝重一点，它的硬度却比铝大2倍。现在，在宇宙火箭和**中，就大量用钛代替钢铁。据统计， 目前世界上每年用于宇宙航行的钛，已达一千吨以上。极细的钛粉，还是火箭的好燃料，所以钛被誉为宇宙金属，空间金属。钛的耐热性很好，熔点高达1725℃。在常温下，钛可以安然无恙地躺在各种强酸强碱的溶液中。就连最凶猛的酸——王水，也不能腐蚀它。钛不怕海水，有人曾把一块钛沉到海底，五年以后取上来一看，上面粘了许多小动物与海底植物，却一点也没有生锈，依旧亮闪闪的。现在，人们开始用钛来制造潜艇一——钛潜艇。由于钛非常结实，能承受很高的压力，这种潜艇可以在深达4500米的深海中航行。发展历程 钛元素发现于1789年，1908年挪威和美国开始用硫酸法生产钛白，1910年在试验室中第一次用钠法制得海绵钛，1948年美国杜邦公司才用镁法成吨生产海绵钛---这标志着海绵钛即钛工业化生产的开始。 **钛工业起步于20世纪50年代。1954，北京有色金属研究总院开始进行海绵钛制备工艺研究，1956年**把钛当作战略金属列入了12年发展规划，1958年在抚顺铝厂实现了海绵钛工业试验，成立了**第一个海绵钛生产车间，同时在沈阳有色金属加工厂成立了**第一个钛加工材生产试验车间。 20世纪60-70年代，在**的统一规划下，先后建设了以遵义钛厂为代表的10余家海绵钛生产单位，建设了以宝鸡有色金属加工厂为代表的数家钛材加工单位，同时也形成了以北京有色金属研究总院为代表的科研力量，成为继美国、**和日本之后的第四个具有完整钛工业体系的**。 1980年前后，我国海绵钛产量达到2800吨，然而由于当时大多数人对钛金属认识不足，钛材的高价格也限制了钛的应用，钛加工材的产量仅200吨左右，我国钛工业陷入困境。在这种情况下，由当时**副****同志倡导，**和袁宝华同志支持，于1982年7月成立了跨部委的全国钛应用推广领导小组，专门协调钛工业的发展事宜，促成了20世纪80年代至90年代初期我国海绵钛和钛加工材产销两旺、钛工业快速平稳发展的良好局面。 综上所述，我国钛工业大致经历了三个发展期：即20世纪50年代的开创期，60-70年代的建设期和80-90年代的初步发展期。在新世纪，得益于国民经济的持续、快速发展，我国钛工业也进入了一个快速成长期。钛耐腐蚀，所以在化学工业上常常要用到它。过去，化学反应器中装热**的部件都用不锈钢。不锈钢也怕那强烈的腐蚀剂——热**，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，计算起来反而合算得多。在电化学中，钛是单向阀型金属，电位很负，通常无法用钛作为阳极进行分解。钛的最大缺点是难于提炼。主要是因为钛在高温下化合能力极强，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。现在，人们利用镁与**在惰性气体——氦气或氩气中相作用，来提炼钛。人们利用钛在高温下化合能力极强的特点，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。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而钛恰好能够满足这些要求。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。利用钛和锆对空气的强大吸收力，可以除去空气，造成真空。比方，利用钛制成的真空泵，可以把空气抽到只剩下十万万万分之一。钛的氧化物——二氧化钛，是雪白的粉末，是最好的白色颜料，俗称钛白。以前，人们开采钛矿，主要目的便是为了获得二氧化钛。钛白的粘附力强，不易起化学变化，永远是雪白的。特别可贵的是钛白无毒。它的熔点很高，被用来制造耐火玻璃，釉料，珐琅、陶土、耐高温的实验器皿等。二氧化钛是世界上最白的东西， 1克二氧化钛可以把 450多平方厘米的面积涂得雪白。它比常用的白颜料一—锌钡白还要白5倍，因此是调制白油漆的最好颜料。世界上用作颜料的二氧化钛，一年多到几十万吨。二氧化钛可以加在纸里，使纸变白并且不透明，效果比其他物质大10倍，因此，钞票纸和美术品用纸就要加二氧化钛。此外，为了使塑料的颜色变浅，使人造丝光泽柔和，有时也要添加二氧化钛。在橡胶工业上，二氧化钛还被用作为白色橡胶的填料。**是种有趣的液体，它有股刺鼻的气味，在湿空气中便会大冒白烟——它水解了，变成白色的二氧化钛的水凝胶。在军事上，人们便利用**的这股怪脾气，作为人造烟雾剂。特别是在海洋上，水气多，一放**，浓烟就象一道白色的长城，挡住了敌人的视线。在农业上，人们利用四氟化钛来防霜。钛酸钡晶体有这样的特性：当它受压力而改变形状的时候，会产生电流，一通电又会改变形状。于是，人们把钛酸钡放在超声波中，它受压便产生电流，由它所产生的电流的大小可以测知超声波的强弱。相反，用高频电流通过它，则可以产生超声波。现在，几乎所有的超声波仪器中，都要用到钛酸钡。除此之外，钛酸钡还有许多用途。例如：铁路工人把它放在铁轨下面，来测量火车通过时候的压力；医生用它制成脉搏记录器。用钛酸钡做的水底探测器，是锐利的水下眼睛，它不只能够看到鱼群，而且还可以看到水底下的暗礁、冰山和敌人的潜水艇等。冶炼钛时，要经过复杂的步骤。把钛铁矿变成**，再放到密封的不锈钢罐中，充以氩气，使它们与金属镁反应，就得到“海绵钛”。这种多孔的“海绵钛”是不能直接使用的，还必须把它们在电炉中熔化成液体，才能铸成钛锭。但制造这种电炉又谈何容易！除了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。后来，人们终于发明了一种“水冷铜坩埚”的电炉。这种电炉只有中央一部分区域很热，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。用这种方法已经能够生产几吨重的钛块，但它的成本就可想而知了。元素名称：钛元素原子量：47.87元素在海水中的含量:(ppm)0.00048元素在太阳中的含量:(ppm) 4元素类型：金属核内质子数：22 核外电子数：22 核电核数：22 质子质量：3.6806e-26 质子相对质量：22.154 原子体积:(立方厘米/摩尔)10.64地壳中含量：（ppm）5600以下为增加内容：氧化态：main ti+4 other ti-1, ti0, ti+2, ti+3 所属周期：4 所属族数：ivb 摩尔质量：48 氢化物：tih4 氧化物：tio 最高价氧化物化学式：tio2 密度：4.54g/cm3熔点：1660.℃ 沸点：3287.0 ℃电离能 (kj /mol) m - m+ 658 m+ - m2+ 1310 m2+ - m3+ 2652 m3+ - m4+ 4175 m4+ - m5+ 9573 m5+ - m6+ 11516 m6+ - m7+ 13590 m7+ - m8+ 16260 m8+ - m9+ 18640 m9+ - m10+ 20830 外围电子排布：2 8 8 4核外电子排布：2,8,10,2 晶体结构：晶胞为六方晶胞。晶胞参数：a = 295.08 pm b = 295.08 pm c = 468.55 pm α = 90° β = 90° γ = 120° 莫氏硬度：6 声音在其中的传播速率：（m/s）5090颜色和状态：银灰色金属 原子半径：2 常见化合价：+2,+3,+4 发现人：格列高尔 发现年代：1791年发现过程：钛是英国化学家格雷戈尔(gregor r w ，1762—1817。)在1791年研究钛铁矿和金红石时发现的。四年后，1795年，德国化学家克拉普罗特(klaproth m h ，1743—1817。)在分析匈牙利产的红色金红石时也发现了这种元素。他主张采取为**(1789年由克拉普罗特发现的)命名的方法，引用希腊神话中太旦神族“titans”的名字给这种新元素起名叫“titanium”。中文按其译音定名为钛。格雷戈尔和克拉普罗特当时所发现的钛是**二氧化钛，而不是金属钛。因为钛的氧化物极其稳定，而且金属钛能与氧、氮、氢、碳等直接激烈地化合，所以单质钛很难制取。直到1910年才被美国化学家亨特(hunter m a )第一次制得纯度达99.9%的金属钛。元素描述：具有金属光泽，有延展性。密度4.5克/厘米3。熔点1660±10℃。沸点3287℃。化合价+2、+3和+4。电离能为6.82电子伏特。钛的主要特点是密度小，机械强度大，容易加工。钛的塑性主要依赖于纯度。钛越纯，塑性越大。有良好的抗腐蚀性能，不受大气和海水的影响。在常温下，不会被稀**、稀硫酸、**或稀碱溶液所腐蚀；只有**、热的浓**、**等才可对它作用。元素来源：钛属于稀有金属，在地壳中的丰度占第七位，有0.42%。用于冶炼钛的矿物主要有钛铁矿（fetio3）、金红石（tio2）和钙钛矿等。矿石经处理得到易挥发的**，再用镁还原而制得纯钛。元素用途：钛和钛的合金大量用于航空工业，有"空间金属"之称；另外，在造船工业、化学工业、制造机械部件、电讯器材、硬质合金等方面有着日益广泛的应用。元素辅助资料：钛的主要矿石是金红石tio2和钛铁矿fetio3，它的发现也正是从这两种矿石的分析而来。早在1791年英国英格兰西南端康沃尔（cornwall）郡门拉陈（menacan）教区的牧师格累高尔，也是一位科学家，分析出产在他教区内的一种黑色矿砂，也就是今天成为钛铁矿的矿石时发现了一种新的金属物质并命名为menacenite。三年后，1795年，克拉普罗特分析了匈牙利布伊尼克（boinik）地区出产的金红石，认识到它是一种新金属的氧化物，具有抵抗酸、碱溶液的特性，借用希腊神话中大地的第一代儿子们泰坦神族titans，命名这个金属为titanium，元素符号定为ti。两年后，克拉普罗特证实格累高尔发现的menacenite就是钛。钛对于酸、碱具有较强的耐腐蚀性，已成为化工生产中重要的材料。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。钛的冶炼 钛在1791年被发现，而第一次制得纯净的钛却是在1910年，中间经历了一百余年。原因在于：钛在高温下性质十分活泼，很易和氧、氮、碳等元素化合，要提炼出纯钛需要十分苛刻的条件。 工业上常用硫酸分解钛铁矿的方法制取二氧化钛，再由二氧化钛制取金属钛。**处理磨碎的钛铁矿（精矿），发生下面的化学反应： fetio3+3h2so4 == ti(so4)2+feso4+3h2o fetio3+2h2so4 == tioso4+feso4+2h2o feo+h2so4 == feso4+h2o fe2o3+3h2so4 == fe2(so4)3+3h2o 为了除去杂质fe2(so4)3，加入铁屑，fe3+ 还原为fe2+，然后将溶液冷却至273k以下，使得feso4·7h2o（绿矾）作为副产品结晶析出。 ti(so4)2和tioso4水解析出白色的偏钛酸沉淀，反应是： ti(so4)2+h2o == tioso4+h2so4 tioso4+2h2o == h2tio3+h2so4 锻烧偏钛酸即制得二氧化钛： h2tio3 == tio2+h2o 工业上制金属钛采用金属热还原法还原**。将tio2（或天然的金红石）和炭粉混合加热至1000～1100k，进行氯化处理，并使生成的ticl4，蒸气冷凝。 tio2＋2c＋2cl2＝ticl4＋2co- 在1070k 用熔融的镁在氩气中还原ticl4可得多孔的海绵钛： ticl4＋2mg＝2mgc12＋ti 这种海绵钛经过粉碎、放入真空电弧炉里熔炼，最后制成各种钛材。 钛及钛合金的特性、用途 纯钛是银白色的金属，它具有许多优良性能。钛的密度为4.54g／cm3，比钢轻43% ，比久负盛名的轻金属镁稍重一些。机械强度却与钢相差不多，比铝大两倍，比镁大五倍。钛耐高温，熔点1942k，比黄金高近1000k ，比钢高近500k。 钛属于化学性质比较活泼的金属。加热时能与o2、n2、h2、s和卤素等非金属作用。但在常温下，钛表面易生成一层极薄的致密的氧化物保护膜，可以抵抗强酸甚至王水的作用，表现出强的抗腐蚀性。因此，一般金属在酸、碱、盐的溶液中变得千疮百孔而钛却安然无恙。 液态钛几乎能溶解所有的金属，因此可以和多种金属形成合金。钛加入钢中制得的钛钢坚韧而富有弹性。钛与金属al、**、be、cr、fe等生成填隙式化合物或金属间化合物。 钛合金制成飞机比其它金属制成同样重的飞机多载旅客100多人。制成的潜艇，既能抗海水腐蚀，又能抗深层压力，其下潜深度比不锈钢潜艇增加80% 。同时，钛无磁性，不会被**发现，具有很好的反监护作用。 钛具有“亲生物“’性。在人体内，能抵抗分泌物的腐蚀且无毒，对任何杀菌方法都适应。因此被广泛用于制医疗器械，制人造髋关节、膝关节、肩关节、胁关节、头盖骨，主动心瓣、骨骼固定夹。当新的肌肉纤维环包在这些“钛骨”上时，这些钛骨就开始维系着人体的正常活动。 钛在人体中分布广泛，正常人体中的含量为每70kg体重不超过15mg，其作用尚不清楚。但钛能刺激吞噬细胞，使免疫力增强这一作用已被证实。 钛的化合物及用途 重要的钛化合物有：二氧化钛(tio2)、**(ticl4)、偏钛酸钡(batio3)。 纯净的二氧化钛是白色粉末，是优良的白色颜料，商品名称“钛白”。它兼有铅白(pbco3)的遮盖性能和锌白（zno）的持久性能。因此，人们常把钛白加在油漆中，制成高级白色油漆；在造纸工业中作为填充剂加在纸桨中；纺织工业 中作为人造纤维的消光剂；在玻璃、陶瓷、搪瓷工业上作为添加剂，改善其性能；在许多化学反应中用作催化剂。在化学工业日益发展的今天，二氧化钛及钛系化合物作为精细化工产品，有着很高的附加价值，前景十分诱人。 **是一种无色液体；熔点250k、沸点409k，有制激性气味。它在水中或潮湿的空气中都极易水解，冒出大量的白烟。 ticl4+3h2o == h2tio3+4hcl 因此ticl4在军事上作为人造烟雾剂，犹其是用在海洋战争中。在农业上，人们用ticl4形成的浓雾地面，减少夜间地面热量的散失，保护蔬菜和农作物不受严寒、霜冻的危害。 将tio2和baco3一起熔融制得偏钛酸钡： tio2+baco3 == batio3十co2- 人工制得的batio3具有高的介电常数，由它制成的电容器有较大的容量，更重要的是batio3具有显著的“压电性能”，其晶体受压会产生电流，一通电，又会改变形状。人们把它置于超声波中，它受压便产生电流，通过测量电流强弱可测出超声波强弱。几乎所有的超声波仪器中都要用到它。随着钛酸盐的开发利用，它愈来愈广泛地用来制造非线性元件、介质放大器、电子计算机记忆元件、微型电容器、电镀材料、航空材料、强磁、半导体材料、光学仪器、试剂等。 钛、钛合金及钛化合物的优良性能促使人类迫切需要它们。然而，生产成本之高，使应用受到限制。我们相信在不久的将来，随着钛的冶炼技术不断改进和提高，钛、钛合金及钛的化合物的应用将会得到更大的发展。 钛产品：钛及钛合金是极其重要的轻质结构材料,在航空、航天、车辆工程、生物医学工程等领域具有非常重要的应用价值和广阔的应用前景。 类型：典化钛，工业纯钛， α 型钛， β 型钛， α +β型钛主 要 特 性： 工业纯钛：工业纯钛的杂质含量较化学纯钛要多，因此其强度、硬度也稍高，其力学性能及化学性能与不锈钢相近，比起钛合金纯钛强度较好，在抗氧化性方面优于奥氏体不锈钢，但耐热性较差，ta1、ta2、ta3依次杂质含量增高，机械强度、硬度依次增强，但塑性韧性依次下降。β 型钛：β型钛合金属可热处理强化，合金强度高、焊接性、压力加工性良好，但性能不稳定，且熔炼工艺复杂。 a、β钛板：0.5-4.0mmb、眼镜板（纯钛）：0.8-8.0mmc、标板（纯钛）：1 x 2m 厚度：0.5-20mmd、电镀及其它行业用板（纯钛）：0.1-50mm用途：电子、化工、钟表、眼镜、首饰、体育用品、机械设备、电镀设备、环保设备、高尔夫球及精密加工等行业。钛管规格：φ6-φ120mm 壁厚：0.3-3.0mm 钛管用途：环保设备、冷却管、钛发热管、电镀设备、戒指及各种精密电器用管等行业。a、β钛丝规格：φ0.8-φ6.0mmb、眼镜钛丝规格：φ1.0-φ6.0mm专用钛丝c、钛丝规格：φ0.2-φ8.0mm挂具专用钛丝用途：军工、医用、体育用品、眼镜、耳环、头饰、电镀挂具、焊丝等行业。a、方棒规格：方条：8-12mmb、磨光圆棒：φ4-φ60mmc、毛棒、黑皮棒：φ6-φ120mm钛棒用途：主要用于机械设备、电镀设备、医用、各种精密机件等行业。 20210311