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。这一点也不奇怪，钛合金重量轻强度大，还有很好的耐高温和耐腐蚀性。但比起不锈钢和铝，这种银灰色的金属由于价格昂贵，制约了它的广泛应用。钛贵重的原因不在于它的稀少（钛是地球上第九位含量最高的金属），而在于从矿石中提炼、制成产品的成本高昂。
北京歌剧院外幕墙使用了钛板。如果钛能更便宜一点，建筑师和工程师就会更频繁地使用它。
在刚过去的3月份，美国国防高级研究项目局（DARPA）启动了3个材料研究小组，着手解决这个长期的难题。项目局经理分别与TIMET等三家公司签订了总价值500万美元的
合同
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，同时开发钛及钛合金可能实现的低成本生产工艺。
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，制造铝就采用这种方法；另一种是化学还原法，用比要提炼的金属更容易与氧结合的金属与矿物反应，这种方法用于炼铁。
在当前工业生产中，钛矿石采用化学还原法处理。但与铁不同，铁可以通过铁矿石与焦炭反应，廉价得到；而钛的提炼需要费力的两个阶段。工厂中，技术人员在碳和氯中加热钛矿石，从而得到四氯化钛，再用它与镁反应，得到金属钛。这时得到的是海绵钛，它是多孔状的，空隙中有盐化合物。这种方法1930年代末由William J．Kroll发明，从二战后工业化生产以来，一直是生产钛的主要方法。然而，Kroll法还存在着不足，提炼钛的还原剂比焦炭贵得多。Kroll法是间歇生产
流程
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，反应管道需要反复清空、填充和密封，不能连续操作。而且，四氯化碳是具有腐蚀性和挥发性的液体，需要特别处理。实际上，在1950年代Kroll法投入生产不久，发明者就预言，15年内它将被电解法取代。尽管有无数次尝试和成百上千万的投资，这种转变始终没有发生。
一次意外的发现产生了一种最杰出的电解提纯技术，我们终于有可能制造低成本钛了。1993年，剑桥大学的冶金学家Derek J．Fray、Tom W．Farthing和George Zheng Chen进行电解实验，试图去除钛暴露在空气中生成的氧化膜。他们三个希望通过钛的电流可以将氧离子带到表面上，这样就能够清除掉。但他们发现了意外的副作用：这个过程将钛氧化物直接转化成了纯钛金属。真是个惊人的发现!
在
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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。更进一步来说，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。1998年英国钛金公司（British Titanium）成立，获得技术授权实现商品化。由此，一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。
FFC剑桥法具有令人震惊的结果，它能将钛氧化物直接转化成纯钛金属。
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]
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