互动科普

现代炼钛金术

踏破铁鞋无觅处，得来全不费工夫，发现之神将高科技材料的低成本生产工艺传授给我们。

Steven Ashley

在喷气机、高级赛车、钻井设备或植入性假肢上，钛金属通常成为工程师的首选材料。化学家从氧化物矿石中提炼金属有两种方法。一是电解法，通过电流将矿石分解为它的基本成分；另一种是化学还原法。

在标准的电解过程中，将待分解的化合物溶解在电解液中，电解液能够传导电流，带电离子从一个电极流向另一个电极。在电解二氧化钛时，冶金家通常用二氯化钙做电解液，以前失败的实验都遵循这个思路，将四氯化物(或二氧化物)溶于熔融态的盐中。

而剑桥小组的计算表明，有可能不经过溶解就将二氧化钛电解，他们使用了二氧化钛制成的阴极。Fray说，其他材料学家之所以忽略了这种设计的电池，是因为他们认为固体二氧化钛是绝缘体，不可能被电解。但剑桥小组的观察表明这种电解实际上是可以发生的，因为一旦有氧从化合物中分离出来，二氧化钛就可以导电。经过实验，果然成功了。Fray回想说：“那是一件很惊奇的事，阿司匹林药片一样的白色二氧化钛小球变成了一小片纯钛。我们围坐在一起，不停的问：‘为什么以前就没这么做呢?’”

电解能将氧化物直接转化成金属，这甚至都能让中世纪的炼金士感到满意。如果它的规模可以提高到工业量产，炼金士们夜以继日追求的财富大概就可以实现了。这种工艺除了可以生产廉价的钛，还可用于制造其他昂贵的金属，比如铬和锆。更进步来说，如果用混合金属氧化物制造阴极，有可能一步制成钛合金；而不是用传统工艺，先将合金的各种成分熔融在一起。

这种工艺很快引起了英国国防部的注意，现在称为FFC剑桥法(用发明者名字与机构首字母构成)。英国军方研究机构授权该技术，并支持了这个小组的研究。l998年英国钛金公司(British Titanium)成立，获得技术授权实现商品化。由此，个产量达千克的钛试验车间应运而生。

尽管这项技术引起了工业界的广泛关注，但完全商业化需要巨大的投资，这在数年里阻碍了它的进一步发展。国防高级研究项目局有意提供基金支持低成本钛生产工艺的开发，TIMET公司得知后，取得了FFC剑桥法的授权，并提议主持美国政府基金支持的研发项目。3月份，项目局最终选择了投资FFC剑桥法。

TIMET的合作研究人员包括来自通用飞机发动机集团、联合防卫公司、惠普公司等国防部合作公司的科学家，还有剑桥大学和加州大学伯克利分校的专家。TIMET美国研发主管Stephen Fox说：“2004年第三季度之前，我们将展示具有日产22.7千克的钛生产流程。”如果成功，将得到项目局的更多资助，把日产量成倍提高到226.8千克，并最终达到日产数吨的商业化水平。

Fox指出，FFC剑桥法用于钛及钛合金制造业可能会带来巨大回报。他说：“这种工艺能控制成品的形状，可以将金属粉末或片状海绵金属制成任意需要的大小，可以直接用于现有的部件制造流程。或者有可能，省掉传统的熔炼、成型步骤，直接将金属铸成接近成品的形状。”

面前的困难仍然很多。Fox列举出一些关键难题，如大规模生产所需电池的细节设计、过程控制的改进、在电池中注入反应物、取出最终材料的方式等等。他说：“为了削减成本，还有很多事情要做。”

并不是每个人都对此持乐观态度。Charles River协会的金属市场分析家和冶金学家Firoze E. Katrak评价说：“我对这些努力持怀疑态度，因为新工艺技术的研发是高风险和高成本的。”他认为，研究降低海绵钛的价格，可能比使Kroll法从间歇流程转化成半连续流程在短期内更容易实现。关于制造低成本钛的最佳途径的问题一直争论不休，但如同要制造新型客机和更轻型SUV汽车一样，高额的回报会促使人们不断努力实现这一目标。

[崔琳琳／译；杨光／校]