钛及钛合金的性质和应用
(一)钛的性质
钛的外观跟钢很相似。它的密度是 4.51 克／厘米³。这个密度不足钢的 60％。它是难熔金属中密度最低的金属元素。
钛在常温下的空气中稳定性很强。加热到 400 到 550℃时，会在其表面生成一层牢固的氧化膜。这层氧化膜能起到防止钛进一步氧化的保护作用。钛吸收氧、氮、氢的能力较为强大。这类气体对金属钛有害，即便含量很低（0.01％至 0.005％），也能对钛的力学性能产生严重影响。
钛的力学性质也就是通常所说的机械性能和纯度关系密切。高纯钛的机加工性能优良，它的延伸率和断面收缩率都很好，然而强度较低，不适合用作结构材料。工业纯钛含有适量的杂质，其强度较高且可塑性较好，适合制作结构材料。
钛的化合物中，二氧化钛（TiO₂）最具实用价值。TiO₂对人体是惰性的，没有毒害。它具备一系列优良的光学性质，比如不透明，光泽度和白度都很高，折射率和散射力较大航海世纪合金钢材，遮盖力强且分散性好。将其制成的颜料是白色粉末，俗称钛白，应用范围非常广泛。
(二)钛的应用
1．钛及其钛合金的应用
致密金属钛质量轻，比铝合金强度高，能在高温下保持比铝高的强度，所以受到航空工业高度重视。钛的密度是钢的 57％，比强度高，抗腐蚀、抗氧化、抗疲劳能力都很强。钛合金的 3／4 被用作以航空结构合金为代表的结构材料，1／4 主要用作耐蚀合金。
钛合金分为低强高塑性、中强和高强三种。其强度范围为 200（低强）～1300（高强）兆帕。大体而言，可将钛合金视为高强合金。钛合金的强度比被认为是中强的铝合金高。在强度方面，钛合金已完全能够取代某些型号的钢材。与铝合金在 150℃以上温度下强度迅速下降不同，某些钛合金在 600℃仍能保持良好的强度。
按用途来分，除强度方面外，还可分为耐热钛合金、耐蚀钛合金、低温钛合金以及具有特殊功能（如 TiNi 形状记忆合金、TiFe 贮氢合金等）的钛合金；按相组成来分，可分为α钛合金、α＋β钛合金、β钛合金以及近α钛合金、亚稳定钛合金等数种类型。到目前为止，投入生产的合金牌号已经超过 100 种，而在工业上广泛应用的只有 10 余种。Ti-6Al-4V 被用作结构合金，在钛合金的整个销售市场中占据 60％的份额，处于主导地位。其次是 Ti-5Al-2.5Sn，它的长期工作温度能够达到 500℃，其强度为 780 ～ 980 兆帕。
但是，这个资源丰富的元素钛有两个主要因素使其不能成为常用金属。其一为成本方面，按美国的市场价格来看，每磅钛锭坯的价格在 8 至 12 美元，而铝锭为 1.00 至 1.30 美元/磅，碳素钢为 0.20 至 0.40 美元/磅。其二主要因素是钛本身的活性极强，对其进行处理极为困难，炉内气氛必须严格加以控制，焊接也必须在惰性气氛内进行。金属钛活性较高，热导率较低，变形抗力较大，常温下可塑性较差。在变形过程中，它不但容易与模具粘结，尤其在机加工时，有刀具和磨料粘结到热的加工表面的倾向。这会使标准结构件的制造产生大量废钛屑，也就是所谓的残钛。一般来说，锻造钛锭加工可产生 70％的残钛，有时这一数字甚至可高达 90％。
为减轻过高成本带来的负担，一方面推进了残钛处理工艺的发展，另一方面开发了一系列高新技术，包括近净成形、超塑成形、精密铸造和粉末冶金以及热等静压与扩散连接等。例如，通过制粉、成型、烧结或热等静压固结等方式加工出来的粉末冶金制品属于近净成形件，其材料利用率能达到 80％，这样既降低了材料的消耗，又显著减少了切削加工的量。同时，成本还降低了约 50％。
钛及钛合金的主要消费领域之一是航空工业。20 世纪 80 年代，美国航空工业使用的钛占钛材总用量的 74.8%。俄罗斯、英国等国家也主要将其用于航空工业。日本 90%的钛材用于民用工业。近年来，钛材在非航空航天工业中的应用持续增加，然而航空航天仍占据着重要地位。1952 年开始，钛在道格拉斯 DC - 7 班机上被用作发动机短舱和隔火壁。到如今，许多飞机的结构件都已采用钛合金来制造。在波音 757 飞机上，钛零件起到关键作用。在超音速 SR - 71 黑鸟飞机上，钛零件起到关键作用。在 F - 22 喷气战斗机上，钛零件起到关键作用。在空间卫星上，钛零件起到关键作用。在导弹上，钛零件起到关键作用。例如，飞机内的风扇圆盘是由钛铸件制造的，发动机叶片是由钛锻件制造的。
钛的第二项应用领域与利用它的抗蚀能力有关。在这方面，用量最大的是用作氯碱生产的电极材料。钛阳极的使用寿命是石墨阳极的 10 倍，这使得产能提高了近 1 倍，并且节电 15％。年产 1 万吨苛性钠，大约需要 5 吨钛。
在船舶制造的航海业中，钛曾经有过辉煌的过往。前苏联制造的 6 至 7 艘 3000 吨级核潜艇，每艘的钛用量达到了很高的程度，高达 560 吨。其中，其阿尔法级潜艇的钛用量在 908 吨以上。近年来，钛在海洋油气勘探与开发领域展现出了巨大的威力。1997 年到 1999 年这段期间，欧洲在北海油气开发方面投入了 150 亿美元，这笔资金被用于建造 21 个悬浮式生产作业船以及 64 个平台。一个新平台的生命安全系统需要的钛在 50 吨到 500 吨之间；楔形应力接头需要的钛在 50 吨到 100 吨之间；可伸缩升降器需要的钛在 400 吨到 1200 吨之间；固定升降器需要的钛在 1400 吨到 4200 吨之间。
在能源工业领域，已知钛被用于发电装置的冷凝器和热交换器。近年来，在对地热井进行地热开发时，钛展现出了出色的表现，充分彰显了其自身的抗蚀能力。在地热卤水这种高温腐蚀性的环境中，钛被用作动力蒸汽涡轮，因为其他材料的寿命较短，所以不得不被钛所替代。钛的优点在于能够提高采热的生产率以及地热井的寿命。20 世纪 90 年代，美国在南加州 Sea 地区打了一口地热井，这口井的温度高达 300℃。到目前为止，已经使用了 227 吨 Ti-6Al-4V-0.1Ru 合金热轧无缝管。估计在今后的十年内，世界各地地热开发所使用的钛量可能会达到 2400 吨。如果我国西藏地区的羊八井电站采用钛材，那么它的面貌将会发生很大的改变。
地热开发也使用含钼 Ti-38644(Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo)合金。船用紧固件会使用 Ti-5111（Ti-5Al-1Sn-1Zr-1V-0.8Mo）合金。我国为了适应海洋工程的需求，开发出了 Ti75 这种合金，同时也开发了 Ti31 合金以及 Ti631 合金。
统计显示，一台 20 万千瓦的火力发电机组用钛量为 90 吨。一座核电站用钛量在 80 到 100 吨之间。由此可见，在能源以及腐蚀等方面的用钛量是不能被忽视的。
汽车制造是钛材极有希望的新应用领域之一。
在运动与休闲领域，高尔夫球具用量呈现出显著的增长态势。1993 年的时候，钛还未进入该领域。到了 1997 年，使用钛的量一下子增长到了 4000 吨。其原因在于，用钛制作球棒具有强度高、质地轻的特点航海世纪合金钢材，并且击球距离能够平均提高 20 至 30 码（1 码等于 0.9144 米），或者提高 15％。钛球棒的出现使得美国在 1998 年新增了 448 个新球场。球员的数目达到了 2500 万人，这个数目接近于全世界人口的一半。1994 年只卖出了 500 个球棒，1995 年一下子增加到了 19 万个，到 1997 年更是猛增到了 172 万个。钛在休闲运动领域有很大的用处，比如在滑雪板方面，在雪橇方面，在冰斧方面，在冰爪等爬山设施方面。
钛具有极佳的生物相容性，它的膨胀系数低，耐用性高度，且无磁性，所以是极佳的骨骼支撑材料。植入的髋关节重量约为不锈钢的一半，同时骨组织在生长时能直接粘牢在钛植人体上。膝关节、义齿再造等也会使用钛合金。据统计，全世界每年医学植入所用的钛量在 600 到 1000 吨之间。所用钛材中，除了 Ti-6Al--4VELI（超低间隙氧）这种钛材之外，还开发了 21SRx 这种钛材，并且 21SRx 无铝，从而免除了对肾和肺的毒害。
Ti-2.75Nb-15.2Mo-0.34Fe-0.18Si-0.250 这一物质与 21S 这一物质相比，在某些方面可能存在差异。它的成分构成较为特殊，包含多种元素。这些元素的组合赋予了它特定的性质和特点。与 21S 相比，它可能在力学性能、耐腐蚀性能等方面表现出不同的特性。
有 Ti-2.9Nb-14-9Mo-0.09Fe-2.9Al-0.22Si-0.140 这种钛合金，还有 Ti-6Al-7Nb 这种钛合金。
低成本钛的生产以及钛粉末加工技术得到了发展，这使得钛的应用有了延伸到汽车行业的可能。钛制造的弹簧已经开始在一级方程式赛车上应用，也在竞赛用摩托车以及最高级的法拉利汽车上得到应用。预计不久之后，钛将会在轻型汽车的发动机阀门、连杆、悬簧、排放系统及紧固件上获得应用。预计钛大规模进入汽车市场将会从日本和美国开始。美国每年有能力生产 1600 万辆轿车和轻型卡车。1998 年下半年，已经提前把钛阀门运用到了家庭轿车上。
2．钛白的应用
钛白主要用于多个方面，如涂料、塑料、造纸、合成纤维、印刷油墨、橡胶、搪瓷等。它在这些方面的表现是其他白色涂料所无法企及的。超微细钛白与水以及有机溶剂组成的钛溶胶已经成为一个独立的新品种。这个新品种被应用于化妆品、透镜表面涂饰剂、油墨与涂料添加剂等领域，并且其应用领域还在不断地扩大。美国在全球钛白领域处于领先地位，是最大的生产国和消费国。1998 年，其产量达到 136 万吨，表观消费量为 113 万吨，产值高达 30 亿美元。而我国的产量和用量与美国相比要小很多。在美国，钛白的消费分布情况为：50%用于颜料、油漆、清漆，23%用于造纸，23%用于塑料，9%用于其他用途。
3．其他应用
钛铁（TiFe）由钛铁矿精矿制成，它是制造不锈钢时的脱氧剂和稳定剂。钛铁贮氢阳极在贮氢电池制造中，其性能与稀土贮氢材料各有优势，且成本相对较低。在贮氢、运输、催化、燃料电池等领域，钛铁与稀土将展开竞争。Ti—Ni 形状记忆合金是医用和军工领域不可或缺的高新技术材料。钛环氧涂料的用途不胜枚举。
