钛是一种用途广泛的金属，因其独特的性能组合而被广泛应用于许多行业。钛具有优异的强度重量比、优异的耐腐蚀性和生物相容性，使其成为医疗器械、飞机、汽车和船舶的理想选择。
为了拓展钛的用途，制造商通常将纯钛与其他元素混合。这赋予了钛合金优异的柔韧性和延展性等特性。钛合金种类繁多，每种都有其独特的特性和用途。本文将探讨常见的钛合金类型、特性和应用。
什么是钛合金？
钛合金是纯钛与其他元素（例如钒、铜、铝、钼、铁、钴、镍和锰）的组合。在钛中添加其他元素会改变其机械和物理特性，从而形成具有特定特性、适用于特定用途的合金。
例如，钒钛合金具有较高的强度和耐热性；而镍钛合金则以形状记忆效应和超弹性而闻名。
钛合金由什么制成？
纯钛通常与其他金属或化学元素结合形成钛合金。钛工业中最常见的合金元素包括：
铝： 提高强度和耐腐蚀性，降低塑性。
钒： 提高钛合金的屈服强度和抗拉强度，同时提高热稳定性。
钼： 增强强度、耐磨性和耐腐蚀性。同时降低弹性模量，适用于生物医学应用。
硅： 提高高温强度、抗蠕变性和抗氧化性。
铬： 增强耐腐蚀性和拉伸性能。
锆： 提高机械强度、耐腐蚀性和生物相容性。
铌： 增加硬度、断裂韧性和生物相容性。
钛合金材料特性
在钛中添加其他元素会改变其特性。以下是钛合金的一些材料特性：
低密度、高强度：
尽管钛合金坚硬且强度高，但其密度相对较低，约为 4.5g/cm3。其高比强度（强度/密度比）可用于制造具有高单位强度的轻质部件。
高温性能：
钛合金可在高达 500℃ 的温度下工作，且保持其强度。相比之下，铝合金的使用寿命则受限于 200℃ 以下。
优异的耐腐蚀性：
钛合金会自然形成一层钝化层，防止腐蚀和氧化。因此，它们能够耐受腐蚀性化学物质、酸和海洋环境，且不会发生降解。
抗拉强度：
钛合金的抗拉强度范围约为600MPa至1200MPa，为超高强度合金。
良好的生物相容性：
钛合金具有生物相容性，这意味着它们无毒且易于被人体接受。这使得它们在医疗植入物和医疗器械中得到广泛应用。
高抗疲劳和抗裂性：
钛合金可以承受应力循环和反复振动而不会疲劳或开裂。
常见的钛合金类型
钛合金根据其结构可分为三类：α合金、β合金和α-β合金。每种轻质合金都具有独特的特性，以满足特定的性能要求。
钛材料在约890℃时经历相变，从六方密排α相转变为体心立方β相。这些相可通过添加不同的合金元素来稳定。
Alpha 合金
阿尔法钛合金完全由阿尔法（α）相结构组成。铝通常是稳定α相的主要合金剂。
这些合金不可热处理，通常易于焊接。它们具有良好的断裂韧性、卓越的耐腐蚀性和延展性。Alpha 合金在低温和高温下也表现出优异的机械性能。
近α钛合金主要由α相和少量β相组成。除了α相稳定剂（铝）外，这类合金还含有少量β相稳定剂（例如钼或硅）。
近α合金由于含有β相，因此可以进行热处理。它们在高温下具有良好的抗蠕变性和中等强度，非常适合要求严苛的应用。
β合金
β钛合金是一类用途广泛的材料。这类材料使用β稳定剂，例如钼、钒、铬或硅，来稳定β相并实现所需的性能。
近β合金主要由β相和少量α相组成。β和近β钛合金统称为亚稳态合金。它们易于热处理，并可通过固溶处理和时效处理来获得更高的强度。这些钛合金在热处理前也具有良好的成形性。
亚稳态合金因其良好的生物相容性和增强的耐腐蚀性（这得益于β稳定剂形成的稳定氧化钛层）而被广泛应用于医疗领域。此类材料的其他应用包括航空航天部件和高性能赛车系统。
Alpha-Beta 合金
α-β钛合金兼具α相和β相的最佳特性，从而实现了性能的平衡。这类合金同时含有α和β稳定剂，因此可通过固溶处理和时效处理进行热处理。
这些合金还具有良好的机械强度、高耐腐蚀性、成形性和出色的抗疲劳性，适用于广泛的应用。与 α 合金相比，α-β 合金通常具有较低的抗蠕变性。
α-β钛合金的一个常见例子是Ti 6Al-4V（5级）。
钛合金牌号
商用纯钛和钛合金可根据其化学成分和机械性能分为不同的等级。以下概述了最常见的钛合金等级。
商用纯钛（1-4级）
对于非合金钛，商业纯钛的等级主要取决于氧和氮的含量。这会影响强度、成形性和耐腐蚀性等机械性能。
与低等级相比，高等级钛合金的强度显著提升。因此，4级（Ti 65A）钛合金强度极高，可用于制造机身部件、热交换器和化学加工设备。
另一方面，1 级（Ti 35A）钛具有最高的耐腐蚀性和成形性，但机械强度也最低。
5 级钛合金 (Ti-6Al-4V)
这是最常见的钛合金，占全球钛使用量的一半以上（熔化的合金等级中约 70% 是 Ti-6Al-4V 的子等级）。因此，它通常被称为“主力”合金。
Ti-6Al-4V 的合金元素为 6% 的铝和 4% 的钒。该钛合金可通过热处理来增强强度，并且在氧化和还原环境中均具有良好的耐腐蚀性。
5级钛合金拥有优异的性能，是注重轻量化和耐腐蚀应用的热门选择。它常用于航空航天、船舶和发电行业。
7级钛（Ti-0.15Pd）
7级钛合金是在商用纯钛中添加少量钯（0.12%至0.25%）而成。这使得其耐腐蚀性显著提高，特别适用于盐水、酸性环境以及富含氯化物的环境。
Ti-0.15Pd 也易于焊接，并具有中等强度和延展性。这种合金易于热处理，常用于海水淡化设备、碳氢化合物加工和化学工业。
9 级钛合金 (Ti-3Al-2.5V)
9级钛合金含有约3%的铝和2.5%的钒。这种合金具有更高的强度和耐腐蚀性。它还可以冷成型，易于焊接，因此在许多应用中都具有优势。
与其他钛合金一样，Ti-3Al-2.5V 密度较低，这对于制造轻量化部件至关重要。9 级钛合金用于飞机框架、高性能自行车、高尔夫球杆以及喷气发动机部件等应用。
23 级钛 (Ti-6Al-4V ELI)
23 级钛本质上是 5 级钛的更纯净版本。它具有较低水平的间隙原子，例如氧、氮、铁和碳，因此被称为“ELI”。
23级合金具有高纯度和低致敏性，并具有优异的生物相容性，使其成为骨螺钉、医疗植入物和正畸器械的理想选择。较低的间隙元素含量也有助于提高断裂韧性和延展性。
Ti-6Al-4V ELI 材质重量轻，且具有优异的耐腐蚀性能。其较低的弹性模量使医疗植入物能够与周围骨组织有效结合。
Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo
Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo，又名 Ti-6-2-4-2，是一种 α-β 合金，以其高机械强度、可焊性、成形性和高温蠕变强度而闻名。Ti-6-2-4-2 的元素组成如下：6% 铝、2% 锡、4% 锆和 2% 钼。
这种钛合金常用于燃气涡轮压缩机部件和高温喷气发动机。
钛合金的应用
航空航天工业
钛合金因其出色的强度重量比、耐热性和耐腐蚀性，在航空航天应用中备受青睐。这些特性使飞机设计师能够避免不必要的重量增加，同时保持结构的完整性和耐用性。
钛合金常用于制造飞机机身、机翼、发动机、压缩机叶片、起落架和紧固件。例如，波音777、787和空客350在关键结构部件中使用钛合金。
医疗行业
钛合金在生物相容性方面表现出色。它不发生反应，人体可以承受，不会产生任何影响。此外，它的密度与人体骨骼相当，有利于融合和粘合。由于这些特性，钛合金非常适合用于外科植入物，例如髋关节置换术、膝关节置换术、牙科植入物和心脏支架。
钛因其耐腐蚀性和较高的强度重量比，成为手术器械和其他医疗器械的首选材料。钛还用于制造轮椅、手术器械和兼容核磁共振成像（MRI）的医疗器械。
海洋产业
钛合金以其耐腐蚀性而闻名，这使其非常适合海洋环境。它们可以承受长时间暴露在海水和其他腐蚀剂中而不会发生降解。
因此，钛合金是船体、螺旋桨轴、冷却系统和潜艇部件的首选材料。钛合金在海水淡化厂和海上石油钻井平台中也很常见，因为它们能够提供长期可靠性和极低的维护成本。
消费品
消费品生产对钛的需求日益增长。钛金属的耐用性和生物惰性使其成为珠宝首饰的热门选择。与铜和镍基饰品不同，钛不会与皮肤发生反应。
除了珠宝，钛合金还用于太阳镜、高端手表、炊具、露营装备和电脑机箱。例如，苹果的PowerBook系列笔记本电脑就利用这种金属来实现轻量化的框架。
体育(器材)
钛合金在体育用品领域的应用日益广泛。其较高的强度重量比使其能够提供更高的性能和耐用性，同时保持装备的轻量化。这种材料的刚度有利于高尔夫和网球等运动中的能量传递。此外，钛合金良好的耐腐蚀性确保了装备在各种条件下的耐用性。
一些使用钛合金的体育用品包括高尔夫球杆、自行车车架、登山装备、滑雪杖、冰鞋和网球拍。
工业应用和化学加工
钛合金广泛应用于工业制造和化学加工领域，这些领域通常需要承受高温、腐蚀性化学物质和压力。钛合金的惰性陶瓷层和优异的高温稳定性使其非常适合此类环境。
在化工厂和炼油厂中，钛热交换器、泵和阀门能够承受极端温度和恶劣的化学环境，确保其耐用性。钛合金也常用于工业管道和地热能生产线。
艺术与建筑
钛合金在艺术和建筑结构中的应用日益广泛。钛合金的热膨胀率与玻璃和混凝土相似，因此可以成功地与这些材料配合使用。
金属表面自然形成的保护性氧化膜会根据其厚度呈现各种颜色。此外，耐腐蚀特性还能降低结构的全寿命成本。
钛在建筑中使用的原因还包括其灵活性，可以实现复杂的设计，以及高科技的形象，有助于营造现代和未来主义的美感。
采用钛及其合金的重要建筑工程包括：
古根海姆博物馆（西班牙毕尔巴鄂）
丹佛艺术博物馆（美国丹佛）
国家大剧院（中国北京）