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专题 | 探秘生活中的钛合金
2018-08-13 16:03:43 来源:《腐蚀防护之友》

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   人体的骨骼可以被打印出来了!最近首例 3D 打印多孔型钛金属骨植入假体治疗在西安市红会医院顺利完成。而武汉一位医生近日成功利用 3D 技术打印了一块新的钛金属左肩胛骨,帮助一位肿瘤患者的左肩获得“重生”。这是全球第二例 3D 打印肩胛骨重建手术。根据观察及康复情况,植入的假体与保留的肩胛骨完全吻合,关节功能基本恢复。


    此次手术中的肩胛骨材质钛,实际上是被广泛应用于航空航天领域的材料。钛眼镜,钛首饰,钛手表……这种用到了生活中的太空金属,究竟是个什么鬼?


  关于钛的这些:纯钛 VS 钛合金 VS 钛金

 

    钛,元素周期表中的成员之一,化学符号为 Ti,是过渡金属的一种,呈银白色。钛于 18 世纪晚期被德国柏林科学家MartinHeinrichKlaproth 发现,源自于对名为 Sch?rl 的红色矿石研究中的意外所获。


    而从钛元素的发现,到制成纯净的钛金属,却用了一百多年(美国通用电气员工 M.A.Hunter 通过加热四氯化钛和钠金属实现)。


    30 年后,钛开始投入冶炼,针对不同用途的需要,成品材料中有纯金属也有化合物。常见的主要是以下三种:


    纯钛——钛含量在 99% 以上的钛,但不掺杂任何别的金属(注意,不是指 100% 的钛含量,事实上,世界上仅有少数几个国家可以提炼出纯度接近 100% 的钛),主要特性为耐高低温、耐腐蚀、密度小、高强度;钛合金——以钛为基础加入其它元素组成的合金,具有密度低、强度高、抗腐蚀性能好、性能好等特性;钛金——有两种理解方式,专业定义为钛和金的化合物,是钛合金的一种,但在现实生活中,钛金就是钛合金的俗称(下文统称为钛金),质地硬,重量轻,可以抵制侵蚀。


  钛金的标准:国内版本与国际的美标、俄标、日标

 

    为区分钛金所含的不同成分,不得不提一下钛金的标准。


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    上表为国内外相近牌号对照表,显然,以美国、俄罗斯、日本为代表的类别划分与中国差异很大,命名规则完全不同。例如,国标的命名以编号为主,美标则直接用划分的等级(GR即 Grade)。近期引发争议的 8848 手机 5 系钛合金,从对照表上来看,不过是美标 GR5 的中式称法(也有一些机构翻译为 5级钛合金),对应的即为国标 TC4 钛合金 , 化学成分表示方法为Ti-6Al-4V,表示其主要成分为Al含量:5.5%-6.75%,V 含量:3.5%-4.5%,余量为 Ti。所以,国标 TC4 与美标GR5其实是一回事,在某些媒体的表述中会看到将TC4前的“国标”换成了“国产”,非得把国产看低一等,个人表示很惋惜。


    钛金的特点:亲生物 + 英雄气概 +“钛”难得

 

    1、化学性质稳定,生物相容性极佳

 

    因为极稳定和耐腐蚀(抵抗分泌物)的性质,甚至可用于人体内部(例如用在植入人体的芯片上)。更重要的是,物质与其接触时,不会产生任何化学反应。钛金是唯一对人类植物神经和味觉没有任何影响,并且绝对不会造成过敏的金属!鉴于此,钛金常见于首饰及可穿戴设备中,在医学上也有着其独特的用途:损伤骨头的接合和固定,之后可长期存在于人体内且不产生排斥,因此,人们将钛金称为“亲生物金属”。


    2、物如其名,具有英雄气概的金属钛

 

    金属的特点是银亮、轻盈、坚牢。在化学界能够吞噬白银、黄金,甚至不锈钢的强腐蚀之王“王水”遇上钛也束手无策。被“王水”浸泡了多年的钛金,依旧锃亮,光彩照人。


    在高达 253℃ ~500℃的温度范围内都能够保持其高强度和稳定性。所以,钛金材质的金属制品不会变形,不会褪色,易于保养,只需棉布轻轻一擦,就会回复光泽,且使用时间越长色泽越好。


  3、增强免疫力,促进血液循环

 

    钛金能够刺激吞噬细胞,从而增强免疫力增强,这一点使得钛金在医药和体育运动领域中被广泛使用。钛不会发生经时性的变化或变质,有益人体身心健康。因此,使用钛制品可以刺激血液流动,有效地控制身体内的电流紊乱,从而对粘液囊炎、坐骨神经痛、头痛和经前综合症的短暂疼痛产生一定缓解作用。


    4、加工技术要求高,“钛”难得

 

    钛金因为其高强度和高稳定性,反而对其加工技术提出了极高的要求,一般的设备几乎很难浇铸成型,又很难进行焊接,无法改变其形状,若进行复杂加工,则极易断裂,难以形成生产规模。因此,在国内外首饰市场很难见到真正纯钛首饰的踪影。


    钛金特有的银灰色调不论是高抛光、丝光、亚光都有着很好的表现,是和贵金属铂、金并列最合适体现首饰精髓的金属,在国外现代首饰设计中已经开始使用,是国际上很独特新颖的首饰用材。因为其独特的金属特性,健康的金属性能,非常好的首饰寓意,备受年轻白领、时尚达人的推崇。


    钛金首饰在西方国家很流行,对中国人来说却完全是新生事物。中国的钛金的生产技术太过薄弱,国外钛金首饰的价格又很高,让人望而却步。国内能做真正钛金首饰的生产加工的厂商屈指可数。


  钛金值多少?贵不在价在工艺

 

    业界认为,钛属于稀有金属的一种,虽然其分布广泛,但相对分散,提取起来较为困难,现今采用的方法为克罗尔法和亨特法(本文就不再详细展开,该提取方法成本较高,且生产周期长)。


    钛金被称为太空金属,是航空航天工业中使用的一种新的重要结构材料,比重、强度和使用温度介于铝和钢之间,但比铝、钢强度高并具有优异的抗海水腐蚀性能和超低温性能。例如,钛金用于制作飞机发动机压气机部件,火箭、导弹和高速飞机的结构件等。


    从工业角度,价值的衡量并不体现在价格上(例如钻石用于玻璃切割),而是看材料性能对于结构件效率的贡献,以及在行业发展和创新的推进中所起到的作用。钛金的强度密度比远大于其他金属结构材料,可制出单位强度高、刚性好、质轻的零部件。飞机的发动机构件、骨架、蒙皮、紧固件及起落架等使用的都是钛金。航天器主要利用钛金的高比强度,耐腐蚀和耐低温性能来制造各种压力容器、燃料贮箱、紧固件、仪器绑带、构架和火箭壳体。人造地球卫星、登月舱、载人飞船和航天飞机也都使用钛金板材焊接件。


    从生活角度,根据上文所述,国外对钛金的应用较为成熟,但就首饰而言,鉴于钛金极高的加工技术和复杂的加工工艺,能生产钛金首饰的国家已是少数,要买到钛金首饰,就更是稀有。钛金首饰的市场价格,鉴于其高难度的加工工艺,在铂金之上。市面上也有很多打着“钛金”旗号的首饰,实际上,绝大部分是钛的,或者是钛钢的(其实就是钢的),与真正的钛金首饰无法比较。


    除了功能以外,钛也有着文化和精神的寓意:希腊神话里,钛 (Titanium) 是天神泰坦的名字,它诞生于巨人 (giant) 家族,一个源自天穹之神乌拉诺斯和大地女神该亚的后裔,他的统治被称为“黄金时代”。因此,除了首饰之外,钛金还受到很多奢侈腕表商的钟爱。部分奢侈腕表已延展出某些特殊环境下的强大功能,比如深海潜水、甚至登月时的性能保证,这就少不了“太空金属”一臂之力了,钛金材料配件无疑是实现以上功能的最合适的选择。在今年1月份的日内瓦精细钟表展上,来自意大利的沛纳海就推出了一款超级复杂的 3D 钛金属腕表Luminor1950,这也是全球首款使用钛金属 3D 打印的腕表。


    随着 3D 打印技术的成熟和钛金属材料的深入研究,未来我们将会看到越来越多身边的产品用上钛这种太空金属,让我们的生活更好。

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