金属钛有哪些优点？钛合金的应用范围可以有多广？

钛是一种化学元素，符号为Ti，原子序数为22。在自然界中仅以氧化物的形式存在，金属钛的外观是银色的，它具有密度低、强度高、耐腐蚀性强的优点。所以金属钛以及钛合金的应用范围非常广泛。

钛的优点

高强度重量比：钛的强度是铝的两倍，比强度相当的钢轻45%。
耐腐蚀：钛的天然耐腐蚀性允许在恶劣的环境中应用，包括在海水下。
丰富度：钛是地壳中第9丰富的元素，几乎存在于所有岩石和沉积物中。
生物相容性：钛在人体内的惰性使其具有生物相容性，适用于人体的医疗和牙科植入物。
耐温性：钛的熔点为1,670°C，可以承受高于和低于不锈钢和铝的温度。

属性	金属钛数据	金属铁数据
密度	4.506 克/立方厘米	7.874克/立方厘米
熔点	1668°C	1538°C
沸点	3287°C	2862°C
莫氏硬度	6.0	4.0
维氏硬度	830–3420兆帕	608兆帕
布氏硬度	716–2770兆帕	200–1180兆帕
导热系数	21.9W/(m·K)	80.4W/(m·K)
电阻率	420nΩ⋅m（20°C时）	96.1nΩ⋅m（20°C时）
热膨胀	8.6µm/(m⋅K)（25°C时）	11.8µm/(m⋅K)（25°C时）

金属钛和金属铁的属性对比表格

钛的物理特性

作为一种金属，钛以其高强度重量比而著称。它是一种低密度的强金属，具有很强的延展性（尤其是在无氧环境中），钛具有银白色金属光泽。钛拥有相对较高的熔点（1668°C），使其可用作难熔金属。它是顺磁性的，与其他金属相比具有相当低的导电性和导热性。当金属钛冷却到0.49K的时候，会变成超导体。

商业性纯钛（99.2%纯度）的极限抗拉强度约为434兆帕，与普通的低等级钢合金相同，但密度较低。钛的密度比铝高60%，但强度是最常用的6061-T6铝合金的两倍多。某些钛合金的抗拉强度超过1400MPa。然而，当加热到430°C以上时，钛会失去强度。

钛的硬度不如某些等级的热处理钢；它是非磁性的，是热和电的不良导体。加工需要采取预防措施，因为除非使用锋利的工具和适当的冷却方法，否则材料会磨损。与钢结构一样，由钛制成的结构也具有疲劳极限，可以保证在某些应用中的使用寿命。

金属钛是六方α形式的二晶同素异形体，在882°C时变为体心立方（晶格）β形式。α形式的比热在加热到该转变温度时会急剧增加，但随后会下降，并且无论温度如何，β形式的比热都保持相当恒定。

钛的化学特性

与铝和镁一样，钛金属及钛合金的表面在暴露于空气后会立即氧化，形成一层薄的无孔钝化层，保护块状金属免受进一步氧化或腐蚀。当它第一次形成氧化膜的时候，这个保护层只有1-2纳米厚，但它会继续缓慢增长，在四年内达到25纳米的厚度，这个氧化层使金属钛具有非常出色的耐腐蚀性，几乎等同于金属铂。

钛能够承受稀硫酸和盐酸、氯化物溶液和大多数有机酸的腐蚀，甚至连王水也无法腐蚀金属钛。然而，钛会被浓酸腐蚀。正如其负氧化还原电位所表明的那样，钛是一种非常活泼的金属，在低于熔点的温度下在正常空气中燃烧。熔化只能在惰性气氛或真空中进行。在550°C时，它与氯结合。它还与其他卤素反应并吸收氢。

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。钛是少数在纯氮气中燃烧的元素之一，在800°C下反应形成氮化钛，从而导致脆化。由于它与氧气、氮气和许多其他气体的高反应性，从细丝中蒸发的钛是钛升华泵的基础，其中钛通过化学结合来充当这些气体的清除剂。这种泵可以廉价地在超高真空系统中产生极低的压力。

钛元素的分布

钛元素是地壳中含量第九高的元素（按质量计为0.63%），也是第七丰富的金属。它以氧化物的形式存在于大多数火成岩、源自火成岩的沉积物、生物和天然水体中。在美国地质调查局分析的801种火成岩中，784种含有钛。它在土壤中的比例约为0.5%至1.5%。

常见的含钛矿物有锐钛矿、板钛矿、钛铁矿、钙钛矿、金红石和榍石。正方针铁矿是一种极其稀有的矿物，由二氧化钛组成。在这些矿物中，只有金红石和钛铁矿具有经济重要性，但即使它们也很难以高浓度找到。2020年海绵钛金属产量约21万吨，主要分布在中国（11万吨）、日本（5万吨）、俄罗斯（3.3万吨）和哈萨克斯坦（1.5万吨）。锐钛矿、钛铁矿和金红石的总储量估计超过20亿吨。

海洋中钛元素的浓度约为4皮摩尔。在100°C时，在pH7时，水中钛的浓度估计小于10-7M。由于其溶解度低且缺乏灵敏的光谱方法，水溶液中钛物种的身份仍然未知，尽管只有4+氧化态在空气中稳定。尽管已知稀有生物会积累高浓度的钛，但尚无生物学作用的证据。

钛包含在陨石中，已在太阳和表面温度为3200°C的M型恒星（红矮星）中检测到。阿波罗17号任务期间从月球带回的岩石由12.1%的TiO2组成。原生钛（纯金属）非常罕见。

金属钛和钛合金的应用范围

因为金属钛的优异性能，所以钛和钛合金的应用范围非常广泛，钛可以与铁、铝、钒和钼等元素形成合金，用于生产航空航天（喷气发动机、导弹和航天器）、军事、工业过程（化学和石化、海水淡化厂、纸浆、和纸张）、汽车、农业（农业）、医疗假肢、骨科植入物、牙科和牙髓器械和文件、牙科植入物、体育用品、珠宝和手机等。

颜料、添加剂和涂料

大约95%的钛矿石用于提炼成二氧化钛(TiO2)，一种用于油漆、纸张、牙膏和塑料的强烈白色永久性颜料。它还用于水泥、宝石、纸张中的光学遮光剂、以及石墨复合钓鱼竿和高尔夫球杆中的增强剂。

航空航天和海洋

由于钛合金具有高抗拉强度密度比、高耐腐蚀性、抗疲劳性、高抗裂性以及能够承受中等高温而不蠕变的能力，因此它们被用于飞机、装甲板、海军舰艇、宇宙飞船和导弹。

因为钛耐海水腐蚀，所以在海水淡化厂用于制造螺旋桨轴、索具和热交换器；用于盐水水族馆的加热-冷却器、钓鱼线和鱼线以及潜水刀。钛用于科学和军事的海洋部署监视和监测设备的外壳和组件。前苏联开发了用钛合金船体制造潜艇的技术，在巨大的真空管中锻造钛。

工业

焊接钛管和工艺设备（热交换器、罐、工艺容器、阀门）用于化学和石化行业，主要用于耐腐蚀。特定合金用于石油和天然气井下应用和镍湿法冶金，因为它们具有高强度（例如：钛βC合金）、耐腐蚀性或两者兼而有之。纸浆和造纸工业在暴露于腐蚀性介质的工艺设备中使用钛，例如次氯酸钠或湿氯气（在漂白剂中）。其他应用包括超声波焊接、波峰焊接、和溅射靶材。

四氯化钛(TiCl4)是一种无色液体，在制备TiO2的过程中作为中间体很重要，也用于生产齐格勒-纳塔催化剂。四氯化钛还用于使玻璃虹彩化，由于它在潮湿空气中会产生强烈的烟雾，因此可用于制作烟幕。