北京市 建成世界最長 “鈦合金飛碟 ” 玻璃觀景台 “五月一號 ”迎客
圖：石林峽景區玻璃觀景台效果圖\網絡圖片
位於北京市平谷區的石林峽景區此前建成世界最長 鈦合金飛碟玻璃觀景台，
25日，景區宣布今年5月1日，這座幾乎全透明、
漂浮於空中的觀景台將迎來首批遊客。
據悉，這座懸空跨度32.8米的觀景台，
比美國科羅拉多大峽谷的廊橋還長11.4米；415平米的載員面積，
是迄今為止世界上面積最大的觀景平台。
據了解，該觀景台主結構由 鈦合金 搭建。
鈦合金材料因強度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點被廣泛應用於航空、
航天領域，大規模民間應用尚屬首次。“使用鈦合金搭建這項工程，
目的是最大限度地保障遊客的安全。”景區項目開發負責人介紹。
石林峽中的石、峽、水、峰、林五大特點構成了獨特的景觀，
而觀景台位於景區最高峰龍王頂，距崖底400米。【 轉自 （中新網）】
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徐嘉君 2016/4/29
【鈦合金 】
除了 用在飛機 還用在 心臟瓣膜 與牙齒 ~頭骨蓋
可應用於心導管支 架、心臟瓣膜及 軍用 潛艇
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增加車速的目的，例如高級的F1賽車和摩托 車的彈簧皆是用鈦合金製造的。
圖3 各種金屬彈性模數與降伏強度範圍 4.耐熱性好 鈦的熔點1,668℃，
比鐵高了100℃左右 ，比鋁和鎂高了約1,000℃左右，
因此鈦合金 的耐熱強度較鋁合金與鎂合金高上許多，
一 般鎂合金與鋁合金的使用溫度大約在200℃ 左右，
但鈦合金最高使用溫度可達600℃ (圖4)。
當飛機達到音速2.7倍時，飛機表面溫 度將達450~500℃，鋁合金與鎂合金皆無法 使用，
而在此溫度區間內，鈦合金的比強度 又遠大於不銹鋼和耐熱鋼，
因此鈦合金為飛 機蒙皮及結構件首選材料之一，據統計飛機 引擎利用鈦合金取代耐熱鋼，
約可減重 200~600kg，因此目前許多現代超音速飛機 引擎、蒙皮、方向舵及機翼皆以鈦合金製造 ，
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鈦
化學元素
鈦是一種化學元素，化學符號Ti，原子序數22，是一種銀白色的過渡金屬，其特徵為重量輕
、強度高、具金屬光澤，亦有良好的抗腐蝕能力。由於其穩定的化學性質，良好的耐高溫、
耐低溫、抗強酸、抗強鹼，以及高強度、低密度，被美譽為「太空金屬」。 維基百科
符號： Ti
熔點： 1,668 °C
電子組態： [Ar] 3d24s2
發現時間： 1791 年
原子質量： 47.867 u ± 0.001 u
原子序： 22
發現者： 威廉·格雷戈爾
徐嘉君 2016/4/29
關於 鈦合金
洪 胤 庭 博士 中鋼公司新材料研究發展處 專論：
關於 鈦合金
洪 胤 庭 博士 中鋼公司新材料研究發展處 專論：
純鈦及鈦合金特性及製程介紹 中華民國102年9月 13 經過了約20年努力，
美國鈦金屬公司 TMCA終於在1950年將鎂還原法商業化，
開 始大量生產海綿鈦，隔年英國帝國金屬工業 公司IMI亦投入量產，
日本是由大阪鈦於 1952年開始生產，俄羅斯則是從1954年開始 生產海綿鈦。
目前全球四大海綿鈦生產國分 別為俄羅斯、日本、中國及美國，
俄羅斯是 海綿鈦產量最大國，中國海綿鈦產量於2007 年超越日本，
成為全球海綿鈦第二生產國。 第二次世界大戰後，許多國家發現鈦合 金對國防工業發展的重要性，
因此積極投入 鈦合金研發，很快的鈦合金成為航空、軍事 、石化等工業不可或缺的關鍵材料，
並廣為 延伸應用到民生、生醫、能源、船舶等領域 。 1954 年，
美國研發出第一種鈦合金 Ti-6Al-4V，由於此合金具有優異的綜合特性 ，
因此成為後來鈦合金工業中的重要合金， 目前全世界已研發出數百種的鈦合金，
其中 Ti-6Al-4V使用量佔了全部鈦合金50%以上 。
統計歷年鈦金屬工業發展，鈦金屬的發展 相當快速，每年大約都以8%的速度增加，
2009年在金融危機衝擊下，使得鈦材消費量 大幅下降，到2011年才回復金融危機前的程 度，推估至2016年，
全球鈦金屬每年使用量 上看20萬噸。 二、純鈦及鈦合金特性 鈦金屬因具有九點特性，
廣為應用於民 生、生醫、能源、航太、軍事、石化等產業： 1.比強度(抗拉強度/密度)高 比強度是指材料抗拉強度與密度的比值 ，
比強度高的材料可滿足現代飛機減輕結構 重量和提高飛行速度的目標。鈦合金抗拉強 度與一般高強度結構鋼相當，
但鈦的密度 4.5g/cm3 ，約只有鋼的60%，因此比強度較高 強度結構鋼高。鋁合金和鎂合金的密度較低 ，
分別只有鈦合金的60%及40%左右，但二 者的抗拉強度不到鈦合金的1/3，因此比強度 也較鈦合金低(表1)。
鈦合金是所有金屬中比 強度最高者，在飛機上的用量逐年提高，
例 如Ti-5553(Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr)已應用於波 音787起落架和骨架結構件，
波音787約有 15%為鈦金屬，其中Ti-5553佔了約85%。
表1 各種金屬的比強度 材料 牌號 TS(MPa) 密度 (g/cm3 )
比強度 6061 310 2.7 115 鋁合金 7075 572 2.8 204 AZ31 262 1.78 147
鎂合金 AZ80 307 1.80 170 TB6 1,197 4.62 259 鈦合金 TB8 1,271 4.93 258
高強度 30CrMnSiA 1,100 7.80 141 結構鋼 40CrNiMoA 1,090 7.8 139 超高 Aermet100 1,965 7.8 252
強度鋼 Aermet310 2,172 7.8 278 2.耐蝕性佳 鈦在常溫下於表面會形成一層數百個Å 、
穩定性高、附著力強的氧化膜(TiO2、Ti2O3 、TiO)，且損傷後能立即再生，
因此鈦具有 優異的抗蝕性質。鈦在潮濕環境、海水、含 氯溶液、次氯酸塩、
硝酸、鉻酸及一般氧化 性酸環境下都具優異的抗腐蝕特性。鈦和不 銹鋼在氧化性環境下皆能抵抗腐蝕，
但鈦較 不銹鋼更能抵抗氯化物的腐蝕環境(圖2)，常 用於化工桶槽、板式及管式熱交換器。
但鈦在一些會反應產生氫氣的環境下 (例如鹽酸、硫酸)是不耐腐蝕的，
如果在還 原性酸中加入少量的氧化劑(例如鹽酸+少量 硝酸，硫酸+少量硝酸)，
則可使鈦表面形成 氧化膜，提高抗蝕特性。由於鈦的氧化膜通 14 中工高雄會刊 第21卷 第1期 常是和水作用形成的，
若鈦暴露於完全沒有 水的強氧化性環境下，會因快速氧化而出現 自燃的現象。
圖2 各種金屬適用環境 3.彈性模數低 鈦彈性模數低(約100GPa)，只有鋼的1/2 ，
且降伏強度高(圖3)，可用於彈簧、高爾夫 球頭等。高爾夫球頭體一般使用Ti-6Al-4V，
以精密鑄造鑄成；打擊面則以SP700(Ti- 4.5Al-3V-2Mo-2Fe) 及 15-5-3(Ti-15Mo-5Zr- 3Al)鈦合金。
報導指出球頭改用鈦合金，選 手擊球距離平均可提高20%。彈簧若選用彈 性模數低的鈦合金製作，
在相同彈性考量下 ，鈦彈簧圈數比鋼製彈簧要少，鈦彈簧重量 僅為鋼製彈簧的28%，可以達到節省能耗、
增加車速的目的，例如高級的F1賽車和摩托 車的彈簧皆是用鈦合金製造的。
圖3 各種金屬彈性模數與降伏強度範圍 4.耐熱性好 鈦的熔點1,668℃，
比鐵高了100℃左右 ，比鋁和鎂高了約1,000℃左右，因此鈦合金 的耐熱強度較鋁合金與鎂合金高上許多，
一 般鎂合金與鋁合金的使用溫度大約在200℃ 左右，但鈦合金最高使用溫度可達600℃ (圖4)。
當飛機達到音速2.7倍時，飛機表面溫 度將達450~500℃，鋁合金與鎂合金皆無法 使用，
而在此溫度區間內，鈦合金的比強度 又遠大於不銹鋼和耐熱鋼，
因此鈦合金為飛 機蒙皮及結構件首選材料之一，據統計飛機 引擎利用鈦合金取代耐熱鋼，
約可減重 200~600kg，因此目前許多現代超音速飛機 引擎、蒙皮、方向舵及機翼皆以鈦合金製造 ，
圖5為各種鈦合金不同溫度之比強度。
圖4 各種金屬不同溫度比強度之變化 5.低溫性能佳 特定的鈦合金在低溫(-255℃)下
仍可保 持足夠的韌性及延展性(圖6)，且低溫下熱傳 導率低、膨脹係數小、
無磁性，因此成為航 太、超導等低溫使用的首選材料。眾多鈦合 金中，α及近α合金的延性轉脆溫度低，
因 專論：純鈦及鈦合金特性及製程介紹 中華民國102年9月 15 此目前商業用低溫鈦合金皆以此兩種為主。
由於鈦合金中的間隙微量元素O、N、H皆會 顯著降低鈦合金低溫破裂韌性及延性，因此 低溫用鈦合金一般為低間隙型鈦合金，
典型 低溫合金有 Ti-5Al-2.5Sn-ELI 及 Ti-6Al-4V-ELI，可應用於工作環境-255℃液 態燃料儲存容器、
結構管道及高壓氣瓶。 Temperature (℃) 圖5 各種鈦合金於不同溫度下比強度之變化 Temperature
(℃) 圖6 各種鈦合金於低溫下延性變化 6.生物相容性高 鈦金屬具有良好的生物相容性，
植入人 體後不會析出離子、無毒性且能抵抗體內分 泌物的腐蝕，且彈性係數接近人體骨骼，
可 避免人體產生應力屏蔽效應導致骨質疏鬆， 與人體骨骼匹配性良好，
可作為人工髖關節 、膝關節、頭蓋骨、骨骼固定器、齒根材料 、牙齒矯正線(圖7)。
常見醫療用鈦金屬：(1) 工業純鈦、(2)Ti-6Al-4V及Ti-6Al-4V-ELI、 (3)Ti-6Al-7Nb、
(4)Ti-Ni合金、及(5)新型β鈦 合金，如Ti-15Mo、Ti-13Nb-13Zr等。 圖7 鈦合金於生醫材料之應用 7.熱傳係數低 純鈦及鈦合金的熱傳導率皆低，
僅約鋼 的1/5(表2)。鈦的導熱與其純度有關，雜質 及其他元素會降低鈦的導熱係數，
鈦合金導 熱係數比純鈦低50%以上(圖8)。Gr.1純鈦熱 傳係數低，且成型性良好，
可用於建築物屋 頂及帷幕，能隔絕外界熱源，減少空調耗電 量，
是一種新興的建築用材料。 表2 各種金屬的熱傳係數 金屬 純 鈦 鈦合 金 普通 鋼 不銹 鋼 鋁合 金 鎂合 金 銅 熱傳係數
(W/m.K) 17 7.5 63 16 121 159 385 16 中工高雄會刊
第21卷 第1期 圖8 純度對純鈦熱傳係數之影響關係圖 8.多彩的氧化膜 鈦經過陽極氧化後，
根據電解電壓的高 低將於鈦表面生成不同厚度的氧化膜，不同 厚度氧化膜經光線折射，
就會產生不同顏色 變化(圖9)。鈦發色處理是將鈦工件置於電解 液(H2SO4、H3PO4或有機酸溶液)中，
施以一 定的電流、電壓，產生厚度0.01~0.15um的氧 化膜。鈦的氧化膜強度高、化學穩定性佳、
色彩鮮豔，可應用於建築裝飾材料及各種工 藝品。 圖9 鈦陽極處理後氧化膜厚度與其顏色變化 9.無磁性 鈦原子序 22 ，
電子組態為 [Ar]()4s()3dz2()3dx2-y2，外層電子處於自旋 平行狀態，因此鈦為順磁性，
弱磁性的鈦無 法有效被磁場感應吸引，
可應用於心導管支 架、心臟瓣膜及軍用潛艇(圖10)。
阿爾法核 動力潛艇，是俄羅斯第二代攻擊核潛艇，全 艇鈦合金製造，利用鈦合金製作潛艇之優點 ：
(1)強度大，潛艇下潛深度可增加。(2)密度 小，減少潛艇的排水量。(3)無磁性，不易被 反潛飛機用磁探測儀發現。
圖10 鈦合金製作之心導管支架及心臟瓣膜 三、純鈦與鈦合金種類與用途 純鈦及鈦合金具有比強度高、耐蝕性佳 、
彈性模數低、耐熱性好、低溫性能佳、高 生物相容性、熱傳係數低、多彩的氧化膜及 無磁性等九大特點，
廣為應用於民生、石化 、航太、軍事、醫療等產業。近年來各國開 發之鈦合金種類超過100種，
實際商業化的鈦 合金約40~50種，而這些鈦合金按照所含元 素可大致分為α型鈦、α-β型鈦及β型鈦三 大類：
(1)α型鈦 α型鈦按照所含元素的種類及含量，可 以分為商業用純鈦、α鈦及近α鈦。商 專論：
純鈦及鈦合金特性及製程介紹 中華民國102年9月 17 業用純鈦(Commercial Pure Titanium)
不 含其他合金元素，僅含微量氧、碳、氮 、氫、鐵等元素，在純鈦中，氧為間隙 型元素，
氧含量的多寡影響純鈦強度甚 大，一般而言，0.1wt%氧約會使鈦強度 提高100~120MPa。
按照氧含量的多寡， 商業用純鈦可分為 4 級 (Gr.1~Gr.4) 。 Grade 1純鈦氧含量低於0.18wt%，
具有 強度低、延性佳及成型性好等優點，主 要用於建築物屋頂及板式熱交換器等。 Grade 2 純鈦的抗拉強度介於 350~ 450MPa，
是四種純鈦中最常使用的一種 ，常用於有縫、無縫管及化工桶槽的製 作。Grade 3純鈦強度約介於500~600MPa 之間，
主要用於化工用壓力桶槽。Grade 4 是四種純鈦中強度最高者，強度約接近 700MPa，主要用於一些緊固件，
一些複 雜的零件需要在300℃左右進行成型。常 見商業用純鈦鈦牌號及用途如表3。
表3 常見商業用純鈦鈦牌號及用途 α鈦含有α穩定元素(Al，O)及中性元素 (Sn，Zr)，
退火後組織為單相α，具有良 好的組織穩定性、耐熱性及銲接性，強 度較工業純鈦高。
為了滿足強度的需求 ，α鈦合金會添加中性元素來強化，最 典型的例子是Gr.6(Ti-5Al-2.5Sn)，
其在 室溫及高溫下具有良好的破裂韌性、耐 熱強度好，長期工作溫度約500℃。另，
低間隙型的Ti-5Al-2.5Sn則可應用於低 溫環境，可用來製作儲氫罐和壓力容器 ，
常見α鈦合金牌號及用途如表4。 表4 常見α鈦及近α鈦合金牌號及用途 近α鈦合金除含有Al及少量Sn、
Zr中性 元素外，還含少量(<3%)β穩定元素(Mo ，V)，近α鈦合金在室溫下含有少量 (8~12%) β相或介金屬相，
如 Gr.7(Ti-0.2Pd)、Ti-3Al-2.5V、TA11(Ti- 8Al-1V-1Mo)。近α鈦合金為典型高溫鈦 合金，可用於500~600℃之間，
具優異的 抗潛變性及強度，但高Al含量容易導致 應力腐蝕及Ti3Al(脆性α2相)析出問題 (圖11)，因此部份合金降低Al含量，
以 Sn、Zr中性元素代替，如TA19(Ti-6Al-2Sn -4Zr-2Mo)，常見近α鈦合金牌號及用途 如表4。
圖11 Ti-5Al-2.5Sn中之α2相(Ti3Al) 18 中工高雄會刊
第21卷 第1期 (2)α-β型鈦 α-β型鈦合金一般含約5%以上的鋁及
不同含量的β及中性元素。α-β合金在 室溫下由α及β相組成，
透過不同熱處 理可獲得不同比例(10~50%)及形態的β 相(圖12)，
產生不同的機械性質。α-β 鈦合金具有優異的綜合性能，
室溫強度 高於α合金，熱加工性良好，可進行熱 處理強化，
但其耐熱性及銲接性較α鈦 來得差，一般使用溫度約500℃。
圖12 四種α-β型鈦合金常見組織 中等強度的α-β鈦合金典型代表為 1954 年美國 Illinos 研究所開發的 Gr.5(Ti-6Al-4V)合金，
是目前使用最廣 泛的合金，用量佔了所有鈦合金的 50~60%，
具有優異的綜合性能和加工性 能，能進行固溶時效處理來提昇強度，
因此廣泛用於航太、軍事等用途。高等 強度的α-β鈦合金典型代表為BT22 (Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr)、
Ti-6246(Ti- 6Al-2Sn-4Zr-6Mo) 及 Gr.24(Ti-6Al-2Zr- 2Sn-3Mo-1Cr-2Nb-0.1Si)等，
此類合金含 有較多的β穩定元素，具有較高的強度 和淬透性，常見α-β型鈦合金牌號及用 途如表5。
表5 常見α-β型鈦合金牌號及用途 (3)β型鈦 β型鈦依照β元素的多寡可分為介穩型 β鈦合金及穩定型β鈦合金兩大類。
介穩型β鈦合金含有臨界濃度以上的β 穩定元素及少量的鋁(~3%)，空冷或水冷 後，組織呈介穩β單相，具有良好塑性 ，
冷加工成型性優異，經時效處理後可 獲得高強度(1,200MPa)，但350℃以上熱 穩定較差。
介穩型β鈦合金常使用於緊 固件及板金件合金，例如 Ti15333 (Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn)、
β21S(Ti- 15Mo- 3Al-2.7Nb-0.2Si) 及 Ti1023(Ti-10V-2Fe -3Al)等，
Ti15333具有優良的冷軋和冷成 形性，可在室溫下成形中等複雜的板金 零件，
並可冷鍛成鉚釘及螺栓。β21S 則是具有優異的高溫性能，可在550℃下 長時間工作、
抗氧化性佳。Ti1023的β 穩定元素含量較少，具有比強度高、斷 裂韌性和淬透性好、
鍛造溫度低及抗應 力腐蝕能力強等優點，主要應用於波音 飛機的起落架、結構件等。
穩定型β鈦合金含有大量β穩定元素及 少量其他元素，退火後為穩定β相。此 類合金密度大、
熔煉困難，鑄錠不易鍛 打，商業化之穩定型β鈦合金數量很少 ，只有Ti-32Mo、Alloy C(Ti-35V-15Cr)
專論：純鈦及鈦合金特性及製程介紹 中華民國102年9月 19 和Ti40(Ti-25V-15Cr-0.2Si)。
Ti-32Mo具 有優異的抗蝕特性，可作為化工設備零 件。Alloy C和Ti40具有良好的抗燃燒性 能和高溫性能，
長時間工作溫度約在 500℃左右。穩定型β鈦合金固溶處理後 ，室溫強度低，
冷加工成型性好，銲接 性質佳，還原性腐蝕環境耐蝕性較好。 常見β型鈦合金牌號及用途如表6。
表6 常見β型鈦合金牌號及用途 四、純鈦及鈦合金生產流程 鈦的生產流程依照屬性不同可分為1.海 綿鈦提煉、
2.鈦錠熔煉、3.鈦錠的加工，目 前世界僅有美國、俄羅斯、日本和中國等國 家掌握全流程鈦生產技術。
1.海綿鈦提煉 海綿鈦的提煉按照還原劑的不同可分鎂 還原及鈉還原，由於鎂還原法較鈉還原法安 全，
且海綿鈦經破碎後之粒度更適合熔煉， 故鎂還原法已成為生產海綿鈦的主流工業製 程。
鎂還原法主要是先將鈦鐵礦或金紅石與 焦碳一起加熱，經沸騰氯化還原處理，
使二 氧化鈦轉化為揮發性的四氯化鈦，再把蒸氣 狀態的四氯化鈦冷凝提純，
接著利用熔融的 鎂在氬氣氣氛下還原四氯化鈦，當鎂消耗到 約60%時，
將熔融的氯化鎂從反應器放出， 使四氯化鈦蒸氣與殘存的鎂繼續反應，
最後 產出呈海綿狀且混有少量氯化鎂的塊狀疏鬆 純鈦，接著海綿鈦再進破碎，得到粒狀的海 綿鈦，
海綿鈦生產流程如圖13。 圖13 以鎂還原法生產海綿鈦流程圖 2.
鈦錠熔煉 鈦錠的熔煉按照是否需製作海綿鈦電極 可分為
(1)需要將海綿鈦製作成電極的真空 電弧重熔(VAR, Vacuum Arc Remelting)、
(2) 不需要將海綿鈦製作成電極的電子束熔煉 (EBM, Electron Beam Melting)、
及(3)等離子 弧光熔煉(PAM, Plasma Arc Melting)。真空電 弧重熔的熔煉速度快、
能生產大型鑄錠，全 世界85%的鈦金屬是以真空電弧重熔生產，
是生產純鈦及鈦合金鑄錠的主流方法。 (1)真空電弧重熔爐 真空電弧重熔爐如圖14，
主要包含電源 供應器、水冷銅坩鍋、真空腔體及海綿 鈦電極鑄錠四大構件。
真空電弧重熔爐 中的電極鑄錠製作方式有兩種，
一種是 利用真空感應熔煉爐(Vacuum Induction Melting)直接澆鑄出電極；
另一種則是利 用油壓機將粒狀金屬原料加壓成電極形 狀，適用於一些熔點高且活性大、
易與 20 中工高雄會刊 第21卷 第1期 氧化物坩鍋反應之金屬，例如鈦、鎢、 鋯等金屬。
真空電弧重熔爐熔煉時主要 是利用電極鑄錠與水冷銅坩堝之間產生 之電弧，將電極鑄錠熔化，
金屬液滴逐 滴滴落水冷銅坩堝形成熔池，由於熔湯 熱量很快被水冷銅坩鍋帶走，
因此鑄錠 組織較一般鑄造鑄錠細緻均勻。 圖14 真空電弧熔煉設備
示意圖 (2)電子束熔煉 電子束熔煉主要是在真空下以電子束當 作熱源來進行熔煉，
適合生產高熔點、 高活性的金屬(圖15)。此法所用的原材 料可以是海綿鈦、
回收料等，目前回收 料最高可海綿鈦不需壓實成塊即可進行 熔煉，
常用於回收純鈦的熔煉。熔煉後 鈦錠為方形，不需鍛打，
可直接進行軋 延。因在高真空下進行熔煉，
雜質元素 揮發除去同時，被熔金屬元素也會揮發 ，鈦合金熔煉不易。
來源 網址 http://www.cie.org.tw/khc/magaz2101/1-%E7%B4%94%E9%88%A6%E5%8F%8A%E9%88%A6%E5%90%88%E9%87%91%E7%89%B9%E6%80%A7%E5%8F%8A%E8%A3%BD%E7%A8%8B%E4%BB%8B%E7%B4%B9.pdf
