它排在铝、铁和镁之后，是第四丰富的结构金属，也是地球上第9丰富的元素。钛存在于大多数矿物中，例如钛铁矿(FeTiO3)，金红石（TiO2），亚硝石（Fe2Ti3O9），钙钛矿(CaTiO3)等。由于结合了高强度、刚度、韧性、低密度和良好的耐腐蚀性，钛具有独特的性能。钛合金的优势：高耐腐蚀性，低密度高强度，无磁性，生物相容性，耐高温性等。铝合金，钛合金，钢材的强度密度对比，钛合金具有最高的强度密度比。图片来自Materials,Engineering,Science,Processing and Design,Michael Ashby,Hugh Shercliff and David Cebon，University of Cambridge,UK。与强度为200MPa、密度为7.9g/cm3的铁相比，钛具有430MPa的高强度和4.5g/cm3的低密度。此外，钛具有相对较高的熔点，超过1650°C，在高温下依然可以保持出色的强度。钛合金及其它合金的强度随温度的变化情况，钛合金有明显的优势。钛在1200°C的空气中和610°C的纯氧中很容易与氧气反应，形成二氧化钛。即使在常温下，钛与水和空气也会缓慢反应，形成氧化物（稳定且基本上惰性的薄膜），保护大块金属免于进一步氧化，因此，它对稀硫酸和盐酸、氯化物溶液和大多数有机酸具有出色的抵抗力。在纯钛中添加钯(Pd)、钌(Ru)、镍(Ni)和(Mo)元素，可以显著提高钛合金的耐腐蚀性，特别是在钛的轻微还原环境中，金属表面形成必要的保护性氧化膜的条件不足时。总之，钛合金因为具有高机械强度，高耐热性能，抗腐蚀性，无毒等特性，广泛应用于航空航天，汽车，及生物医药等领域（文章中和最后一部分列举具体应用）。01
钛合金的种类和特性
纯钛有两种同素异形体，在低于882.5°C的温度呈密排六方晶格（HCP）排列，称为α钛，而在高于882.5°C的温度，呈体心立方晶格（BCC）排列，称为β钛。钛元素的密排六方和体心立方结构及六方钛的位错滑移系统。钛的基本晶体结构和特性：α钛向β钛的同素异形转变温度为882.5℃，也称相变点。钛易与氧氮钛氢元素反应，同时难以提炼所以较贵。Titanium and its alloys，Suranaree University of Technology。钛合金按金属组织分为α相、β相、α+β相，分别用TA、TB、TC表示其牌号和类型。钛合金中的合金元素，具有稳定合金的α相或β相的作用。不同的元素稳定钛合金α和β相。α和β相稳定元素及合金例子。例如，铝(Al)、镓(Ga)、氮(N)、氧(O)稳定α相。钼(Mo)、钒(V)、钨(W)、钽(Ta)、硅(Si)稳定β相。钛合金按其相成分大体分为四类：商业纯钛，α钛，β钛，α+β钛。不同类型的钛及钛合金机械性能。商业纯钛是具有99%-99.5%的钛，以铁为主要元素，以碳氧氮氢为间隙元素的非合金钛。纯钛强度较低，取决于O、N的含量，氧的含量决定纯钛的等级和强度。与其他类别的材料相比，钛的耐腐蚀性是关键优势，如耐硝酸、湿氯腐蚀。在纯钛中添加0.2%的钯可进一步提高HCl、H2SO4和H3PO4中耐腐蚀性。商业纯钛价格较低，主要应用于机身、热交换器、化学品、船舶、外科植入物等。纯钛应用于补牙。图片来自Titanium and titanium alloys，Josef Stráský。2. α钛合金（不可热处理，易于焊接，中等强度，良好的缺口韧性和抗高温蠕变性）例如：Ti-8Al-1Mo-1V和Ti-5Al-2Sn-ELI。α钛合金是通过将商业纯钛与α稳定剂元素以特定比例混合制成的。主要合金元素为α钛、稳定元素为铝氧氮等、中性元素为锡和锆。铝被广泛用作大多数商业钛合金的α稳定剂，因为它能够在环境温度和高达约550°C的高温下强化合金。这种能力加上其低密度使铝比其他合金元素（如铜和钼）具有额外的优势。但是，也不能无限添加，因为当添加8％或更多重量的铝时，会形成脆性钛铝化合物。α钛合金具有良好的断裂韧性和抗蠕变性以及适中的机械强度。具有比纯钛更高的耐磨性和强的抗氧化能力，在500℃～600℃保持其强度和抗蠕变性。无论是在常温还是较高的实际应用温度下，其相始终为α，组织保持稳定。α合金是单相合金，因此不能进行热处理以提高强度，但它们通常易于焊接（热处理应用于β和α+β合金，因为可存在α−β转变）。α钛在热状态下的可加工性也很差。钨极惰性气体焊接钛板示意图。α钛合金Ti-8Al-1Mo-1V含有7-8%的铝和1%的钼。它主要用于风扇和压缩机叶片、密封件、圆盘等。航空发动机用钛风扇叶片。3. β钛合金（高强度，低延展性，可热处理不可焊接）例如：Ti-8Mo-8V-2Fe-3Al和Ti-13Zr-13Nb。这种合金的主要特点是添加了大量的β稳定元素（>17%），当金属从相变温度快速冷却时，钛会保留β相。虽然许多元素可用作β稳定剂，但只有钒、铌、铬、铁和钼的用量很大，通常重量占比为10至20%。β稳定剂赋予了钛合金热处理能，防止在淬火的高冷却速度下发生β-α转变。除了强化β相外，这些β稳定剂还降低了变形抗力，这有助于提高合金的可加工性。退火合金的强度随着合金含量的增加而逐渐线性增加。β相淬火可产生高强度的马氏体相变。对于低钛合金，β相的快速淬火在Mf时产生最大强度。对于高钛合金，β相的快速淬火将产生最低强度，但时效后可获得最高强度。通常，β合金的强度和抗疲劳性高于α钛合金。大多数β和接近β钛合金的屈服强度介于1150和1300MPa之间。相比之下，α合金的强度介于750和1000MPa之间。这种更高的强度来自更大的固溶体硬化和沉淀硬化。β钛合金的强度与弹性模量比几乎是18-8奥氏体不锈钢的两倍。β钛合金经过淬火和时效处理后，将得到进一步强化，其室温强度可达1372～1666MPa，但热稳定性较差，高温下的抗蠕变性低，不宜在高温下使用。β钛合金完全生物相容，赋予了其特殊的生化特性，例如异常高的强度重量比、更大的弹性变形和低毒性等优异性能。与传统钛合金相比，β和接近β合金在机械性能、加工和廉价制造方面具有若干优势。Ti-13V-11Cr-3Al是第一个商业化使用的β钛合金。它用于SR-71 Blackbird军用飞机的机身，该飞机的设计速度为2.5马赫。Ti-10V-2Fe-3Al是一种近β钛合金，具有强度、断裂韧性和延展性的完美结合，用于制造机身和起落架部件。波音飞机使用β钛合金制造起落架。4. α+β钛合金（可热处理可焊接，很好的成型性和抗蠕变性）例如：Ti-6Al-7Nb、Ti-6Al-4V-ELI和Ti-6Al-4V。α+β钛合金由α相和β相组成，以α为主，β相小于30%，同时含有4%-6%的β相稳定剂，例如钼、钒、钨、钽等。α+β合金可热处理并可焊接，可通过沉淀硬化得到显著强化。其热处理后的强度比退火状态下的强度高约50%~100%，具有良好的高温强度，可实现400℃～500℃的长期工作。钛合金的与其它合金的高温工作性能对比。该合金具有高抗拉强度、高疲劳强度、高耐蚀性和高抗蠕变性（焊接性和抗蠕变性低于α和近α合金，主要是由于β相的存在），良好的组织稳定性、良好的韧性和延展性，可以很好地进行热压加工（热成型加工），并可以通过淬火和时效强化。这种合金的热稳定性仅次于α钛合金。因此，α+β合金用于制造蒸汽涡轮叶片、气体和化学泵、机身和喷气发动机零件、火箭发动机外壳、低温零件和船舶部件等。使用最广泛的α+β钛合金是Ti-6Al-4V（国产牌号为TC4），此钛合金约占所有钛合金生产的一半。分别含有重量为6%和4%的铝和钒。铝作为α相稳定剂和硬化剂，而钒稳定延展性β相，提供合金的热加工性。由于其优异的耐腐蚀性和高强度重量比，广泛应用在航空航天工业和生物力学（假肢和植入物）领域。Ti-6Al-4V（TC4）性能参数。另一种名为Ti-6Al-7Nb的合金用于人造心脏、人造膝关节、骨折固定螺钉等。5. 近α钛合金（通常不可热处理，可焊接，中等强度，良好的抗蠕变性和耐腐蚀性）所谓近α钛合金，是指(α+β)钛合金中加入1%-2%的β相稳定剂（钼、钒、硅）作为其稳定元素，使α相和少量β相成为其退火组织。例如：Ti1100和Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo。近α合金的机械性能与α合金相似，但由于存在β相，这些合金可以进行热处理并在热状态下锻造，而且这类合金具有最好的耐热性。大多数这些合金用于飞机发动机的各种高温应用。例如，1958年的IMI679合金用于制造RRSpey发动机叶片。1964年，Hawk飞机RRAdour发动机使用的IMI685合金，具有良好的抗蠕变性、焊接性和高断裂韧性。在过去的几十年中，人们开发了增强型近α钛合金，例如Ti1100和TA15，可以在600°C以上的温度下正常工作。α钛合金：不可热处理，易于焊接，中等强度，良好的缺口韧性和抗高温蠕变性。α+β钛合金：可热处理可焊接，很好的成型性和抗蠕变性。近α钛合金：通常不可热处理，可焊接，中等强度，良好的抗蠕变性和耐腐蚀性。总之，α合金的强度最低，但可成型和可焊接。近α合金具有中等强度但具有良好的抗蠕变性。α+β合金具有高强度。β相合金具有所有钛合金的最高强度，但它们缺乏延展性。除退火组织外，钛合金按其性能特点可分为：高塑性低强度钛合金、中强度钛合金、高强度钛合金和耐热钛合金。按生产方法还可以分为变形钛、铸造钛和粉末冶金钛合金，最常用的是变形钛合金。钛合金按其成分命名：例如Ti-5Al-2.5Sn表示钛合金含铝5%，锡2.5%。Ti-3AL-2.5V钛合金表示含铝6%，钒2.5%。02
钛合金的一般性能
开篇提到了钛合金具有优异的耐腐蚀性，高强度，低密度，生物相容性，无磁等特点。由于钛金属具有高反应性并且对氧具有极高的亲和力，因此当新鲜金属表面暴露于空气和/或湿气中时，会形成有益的表面氧化膜。
事实上，如果环境中至少存在微量的氧气或水，受损的氧化膜通常可以立即自我修复。但是，在没有氧源的无水条件下，可能会导致钛腐蚀，因为如果保护膜受损，则可能无法再生。钛合金上形成的保护性表面氧化物的性质、成分和厚度取决于环境条件。在大多数水环境中，氧化物通常是TiO2，但也可能由其他钛氧化物的混合物组成，包括TiO2、Ti2O3和TiO。正如开篇所讲，它的重量强度比是钛最吸引人的特性之一。这种金属与钢一样坚固，但轻45%，强度是铝的两倍，仅比铝重60%。这一比例使它成为航空航天和其他轻质高强度应用的理想选择。钛及其合金的抗拉强度范围从130Mpa到超过1300Mpa，但大多数商业级钛合金的平均强度约为400Mpa。
实际强度可以由表面光洁度决定，所以必须小心避免应力集中。钛的热膨胀性能低于钢、铜和铝。在极端温度变化下，尺寸变化很小。
钛不是良好的电导体。相比而言，如果铜具有100%的导电率，钛的导电率约为3%。
无毒：这种金属对人体无毒，与人体组织和骨骼具有生物相容性。无磁：商业纯钛及其所有相关合金都是非磁性的，可用于对磁性敏感的开发。03
钛合金的牌号
根据美国材料与试验协会(ASTM)国际标准，有四个等级的商业纯钛（1、2、3、4级）。钛合金等级及特点和应用一览表，图片来自Titanium Alloy Guide from www.RMITitanium.com。钛合金的强度和元素组成。钛合金的强度一览表。钛合金有30多个牌号，每个都有不同的属性和应用。最受欢迎的是5级钛合金。5级钛合金：是最常用的合金，它包含基本元素钛、6%的铝、4%的钒、0.25%的铁和0.2%的氧。可承受高达430°C的温度和各种环境因素，包括海水。它也经常被称为Ti-6Al-4V或Ti6-4。Ti-6Al-4V被列入ISO5832-3标准，中国牌号为TC4，是一种具有良好拉伸和屈服性能的两相（α+β）钛合金。因为有良好的机械性能和耐腐蚀性能，是生物医学部件最流行的材料，比如常见的牙科植入物、假体股骨部件、手术器械等。TC4特性，图片来自www.castingquality.com。Ti-6Al-4V钛合金不同固溶热处理条件下的强度。丰田，日产，三菱，通用汽车将64钛合金用于汽车阀齿轮。6级钛合金：与纯钛相比，该合金具有中等强度、优异的焊接加工性、显微组织稳定性、抗氧化性和更高的高温强度（480°C）。广泛用于化工设备、燃气轮机机壳和环件。12级钛合金：含有0.8%的镍、0.3%的钼、微量的碳和氧。它提供了与纯钛牌号相同的优异性能以及更高的耐腐蚀性。该合金主要用于化学加工、热交换器、泵和阀门。23级钛合金：与5级相似，但具有更好的延展性和断裂韧性。它由6%的铝、4%的钒、0.25%的铁、0.13%的氧和少量的碳、氮和氢组成。它也被称为Ti-6Al-4V-ELI合金，其中ELI代表超低间隙。该合金主要用于医疗植入物。38级钛合金：该合金由4%的铝、3%的钒、1.5%的铁、0.2%的氧和少量碳、氮和氢制成，于1990年代开发，也称为Ti-4Al-2.5V。其机械性能与5级钛非常相似，可用于高达320°C的高温应用。04
钛合金的生产方法
海绵钛的生产工艺：钛金属主要是通过“克罗尔工艺”生产的，这是一种用镁进行的热还原。克罗尔法是将氧化钛为主的矿石与氯气反应生成四氯化钛，再用镁还原得到金属钛。图片来自https://www.toho-titanium.co.jp/。
Kroll博士（克罗尔）在1936年开发了这个过程，经提纯的四氯化钛与熔融镁反应生成多孔海绵钛块，再通过真空分离法除去海绵钛中的金属镁和氯化镁，生产出高品质的海绵钛。克罗尔法工艺的具体过程为：将矿石与氯气和碳一起放入反应器中并加热到900°C，随后的化学反应产生不纯的四氯化钛(TiCl4)和一氧化碳。将生成的四氯化钛送入立式蒸馏罐，在其中加热以通过分馏和沉淀等工艺分离除去杂质。这些工艺去除金属氯化物，包括铁、硅、锆、钒和镁。此后，将纯化的液体四氯化钛转移到反应容器中，在其中加入镁并将容器加热至略高于1000℃。在这个阶段，将氩气泵入容器中以去除空气并防止钛被氧气或氮气污染。在这个过程中，镁与氯反应生成液态氯化镁，从而留下固体海绵钛。海绵钛是钛锭的主要原料。海绵钛和再生料采用电子束熔炼炉（EB炉）或真空自耗电弧重熔炉（VAR炉）在真空中熔炼精炼，用水冷铜模浇铸成锭以生产钛合金。海绵钛通过真空电弧重熔(VAR)工艺或电子束熔炼炉工艺熔化生产出铸锭，然后通过金属加工的标准设备将铸锭加工成各种形式的轧制产品。真空电弧重熔生产钛锭示意图。海绵钛，钛锭，高纯钛示意图，来自https://www.toho-titanium.co.jp/。阿姆斯壮（Armstrong）钛粉的生产过程：该工艺通过还原四氯化钛（TiCl4)和其他钠(Na)金属卤化物，生产出具有独特性能和低堆积密度的粉末颗粒。然后使用干式和湿式球磨，进一步提高粉末的振实密度。图片来自：Powder metallurgy of titanium – past, present, and future，Zhigang Zak Fang , James D. Paramore , Pei Sun , K. S. Ravi Chandran, Ying Zhang, Yang Xia, Fei Cao, Mark Koopman & Michael Free。由Armstrong工艺生产的所得粉末的形态提供了出色的可压缩性和压实性能，与由不规则粉末生产的粉末相比，产生的致密压坯具有更高的生坯强度。因此，粉末甚至可以通过单轴压制和冷等静压等传统粉末冶金技术进行固结。有了钛粉，就可以进行粉末冶金或者自蔓延高温合成钛合金了。粉末冶金和自蔓延高温合成钛合金示意图。在这种方法中，使用合适的粉末混合器将原料钛粉与前面提到的合金元素充分混合，然后在高压下压实混合物，最后进行烧结。烧结操作是在高温高压处理过程中进行的，使粉末颗粒相互结合，颗粒形状发生微小变化，当温度调节良好时，也可以在产品中形成孔隙。这种方法可以生产高性能和低成本的钛合金零件。粉末冶金生产的钛合金零件具有机械性能相当、成本低的特点。基于粉末增材制造方法生产钛及钛合金。使用粉末钛生产商业纯钛带的工艺示意图。05
钛合金的应用
在前面钛合金类型中讲了一部分钛合金的应用，这里再按照不同行业的应用补充一些。钛因其高强度重量比及高温特性和抗蠕变性，在航空航天业备受青睐。通过电子束冷炉床多次熔化，可以获得最高质量的钛合金，这些合金非常适用于航空航天应用。比如钛可用于生产燃气涡轮发动机，同时可用于压缩机叶片、外壳、发动机罩等。64钛合金用于飞机发动机轴和连接部件。64钛合金用于波音747起落架及战斗机F-22机翼和机身。钛合金用于喷气式发动机。比如钛合金用于制造螺旋桨轴和索具，并用于海水淡化厂的热交换器。也用于制造科学和军事用途的海洋部署监视和监测设备的外壳和其他组件。由于钛具有生物相容性，它无毒且不会被身体排斥，因此钛具有许多医疗用途，包括手术器械和植入物，例如髋关节球和关节窝，可以保持原位长达20年。
更重要的是，钛对人体体液完全惰性，使其成为医疗替代结构的理想选择。钛具有与生俱来的骨整合能力（准备植入体内的钛需要使其经受高温等离子弧，以去除表面原子，暴露出立即被氧化的新鲜钛），使其可用于能使用30多年的牙科植入物。由于钛是非铁磁性的，钛植入物患者做核磁共振检查也是安全的。在使用盐水、微咸水或污染水作为冷却介质的发电厂中，使用钛薄壁冷凝管制作的冷凝器，将在设备整个生命周期内持续使用。
许多化学加工操作，指定使用钛合金以增加设备的使用寿命。虽然在初始成本方面高于镍合金、钽和锆等材料，但在生命周期成本方面，它优于铜、镍和不锈钢等。在石油勘探和生产中，钛管的重量轻、柔韧性好，是深海管道的优良材料。此外，钛对海水侵蚀的免疫力使其成为水管理系统的首选材料。钛在汽车，摩托车售后市场和赛车市场中的用途正在发力。
发动机零件，例如连杆、阀门、阀门保持器和弹簧、凸轮轴等都适合用钛制造，因为它耐用、坚固、重量轻、耐热和耐腐蚀。全钛排气系统也正在开发中，以减轻重量并延长使用寿命。虽然钛最初对于这些应用可能更昂贵，但利用其独特特性可以生产出性能更好、寿命更长的零件，长远看价格更低。高强度重量比和卓越的弹道特性，使钛合金非常适合装甲应用，作为运兵车和坦克的防护装甲，它使车辆更轻，增加了部队的机动性。
由钛制成的用于警察的个人装甲背心和头盔，比由不锈钢等材料制成的更轻、更舒适。钛现在还存在于各种消费品中，例如珠宝、表壳、眼镜、自行车和钟表。
高尔夫行业发现，重量轻的钛合金杆头可以制成比钢的杆头更大，扩大了球杆的“甜蜜点”，从而提高了击打距离和准确性。如果本文对你有帮助，记得给我点个“在看”。
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