这个系列，是答小朋友问…
作为一名铁人三项特别是自行车项目爱好者，蒙爷对装备慢慢有了点研究。前几天他问我，「钛是地壳中含量第九丰富的元素。其总质量是碳的 30 倍，铜的 100 倍。为什么钛做的各种东西都那么贵呢？」
好问题。之前我只是模模糊糊地知道钛含量不低，但工艺复杂，所以成本降不下来。如果含量这么高，需求也不小，为什么「市场经济看不见的手」没有把工艺搞上去，价格降下来呢？
这篇就根据查到的一些材料聊聊。
目录
钛的发现和发展
钛由英国人 William Gregor 于 1790 年首次发现，并起名为「menachanite」。 1795 年，普鲁士化学家 Martin Klaproth 从匈牙利的金红石中提取了钛，并且因为它与氧形成牢固的键，以希腊泰坦巨人的名字为这种金属命名为「titanium」。
可能是因为 Klaproth 的影响力更大Klaproth 做过柏林科学院的院长，也是铀、锆、铈的发现者，还确立了铬作为单一元素。相比之下，Gregor 发现钛虽然早了五年，但却好像没有人在意。 ，最终被接受的是他起的名字。在中文里面，这种元素最终被命名为「钛」。
由于钛很容易与其他元素反应，在被发现后的一百多年里，一直没有人单独提纯和使用它。一直到了 1930 年左右，卢森堡一名专长本来是不锈钢的科学家 Guillaume Justin Kroll，开始研究钛及其合金，并最终发明了通过镁和氯化钛反应的「Kroll process（克罗尔工艺）」。1938 年，他向美国国家专利局提交了专利申请很快，纳粹的威胁使得 Kroll 于 1940 年选择了移民美国。同年他获得了专利授权，结果在美国和轴心国宣战之后，专利被「充公」。为此他打了七年官司才最终胜诉。 ，并且在卢森堡使用这套流程加工了一些钛制品，去美国推销，但并不成功：
图1. Kroll 在卢森堡研究和加工钛制品
几乎同时，美国国家矿务局和飞利浦公司等也都开始对钛进行研究，最终矿务局认为克罗尔工艺最靠谱。它在战后迅速基于这套工艺扩张产能，并于 1947 年实现了两吨左右的年产量年产量过吨是个标志性事件。人类大部分常用的金属都已经使用好几千年了，最近的 150 年只有三种「新」金属产量以「吨」为单位：铝、镁和钛。估计以后也很难再有第四种了。 ，还能以棒材、板材、线材等多种方式交付。
产能起来后，矿务局给美国政府打了份报告，说钛和钛合金有很大的潜力：强度和不锈钢几乎一样，重量却轻 40% 左右。并且，耐高温耐腐蚀。军方于是开始使用这种金属进行研究，很快带来了钛的「腾飞」。
钛的火爆和问题
在美国的陆军、海军和空军实验室对样品进行研究后，钛开始被称为「神奇金属」：
The metal gained numerous advocates within the military and industry. Early promoters visualized the use of titanium in naval vessels, armor plate, tanks, trucks, landing craft, aircraft structures, and airborne equipment. It was thought that it could possibly replace both aluminum and steel in the design of many defense applications. ——《The history of metals in America》
1948年，杜邦为首的商业化公司开始生产钛。第一批钛合金被用于 F-84 和 F-86 的制造。为了促进制造商使用这种新材料，美国军方做了很多支持，包括陆军订购了 100 万美金的钛金属材料。
一时间，各种使用钛进行飞机、潜艇、铁轨、车辆和桥梁的制造计划开始在媒体上出现。仅仅1950到1952两年间，就有数十家公司宣布了要量产钛。
但真实的产量低得吓人。 1951年，在需求量为3万吨的情况下，钛的实际出货量仅为75吨，勉强够研究应用。生产商大部分假设用于熔化、轧制和成型不锈钢的设备也可用于钛，但事实证明这非常困难：钛「not to forge like any other material」，并且在冲压、研磨和切割中都很容易损坏模具。工厂经常发现自己产生的废料比制成的可用品还要多。
行业是怎么解决问题迎来腾飞的呢？
钛的腾飞
最终，问题的解决是几方面力量相互作用的结果，里面最核心的是「政府的刻意介入」和「场景的偶然拓展」。
政府主导投资
为了支持钛的发展，美国政府深度介入了各个层面：
- 钛合金的研究在政府和军方大量开展，并由陆军发现了至今仍然是最受欢迎的合金：钛-6铝-4钒，也就是我们经常说的「6-4-钛」；
- 美国政府投资建设了大量钛厂，并且承诺采购成品作为国家库存；
- 美国国防部牵头进行了钛板材研究计划，促成了钛压制为板材的技术成熟；
同时，美国政府通过各种航空航天项目，积极探索和使用钛产品，比如著名的 Lockheed A-12 项目：为了满足3 马赫的巡航速度和 90,000 英尺巡航高度的指标要求，这架飞机选择了九成以上的部件都使用钛，也因此在生产过程中大大推进了包括酸洗、钻头等各种工艺的改进和成熟。
图2. CIA 下单建造的 A12 飞机
因为这些政府牵头的投入，到了20世纪60年代中期，钛已经成为一种成熟的工程材料。虽然关于钛还有很多东西需要了解，但使用它并使用它解决工程问题的实际方面已经得到了很好的理解，并且它越来越多地在航空航天和其他工业应用中得到使用。例如，继 A-12 之后，军用飞机开始在其结构框架中广泛使用钛，接下来商用飞机也开始使用钛。到 1971 年，46% 的钛用于商用飞机，而只有 37% 用于政府航空航天项目。
场景意外拓展
1952 年，瑞典医学研究员 Per-Ingvar Brånemark 将一台微型相机植入兔子的腿中，以观察伤口从内部愈合的情况。当拆除相机时，他发现钛制相机外壳与骨头粘在一起。
图3. Brånemark 发现兔腿和钛融合的X 光照片
当时，人们认为身体会排斥任何植入其中的异物。 所以当 Brånemark 发现骨骼可以直接与钛融合后，他迅速将研究重心转移到了这方面，并将词领域命名为「骨整合」。他最终开创了 Brånemark 种植牙系统，其种植方法和材料都受到了广泛的使用和认可。他本人也被称为「牙科种植学之父」。
有趣的是，在「骨整合」研究过程中，人们还注意到聋哑患者能够「听到」用于检测钛是否正确植入的超声波。 Brånemark 的一名学生跟进了这一发现，并开发出了第一个骨传导植入物来恢复聋哑人的听力。
这些人体植入的医疗需求，大大扩宽了钛和钛合金的使用场景，也为它的工艺发展和成本进一步下降提供了动力。
但，为啥钛还是这么贵呢？
钛为什么还这么贵
作为材料，价格往往和产量是一个飞轮。一个材料的价格越便宜，大家用得越多，需求量就越大，产量也就更高。而产量又会推动整个产业链的成熟，使得价格进一步降低。这是正向飞轮。
反过来，负向也是个飞轮：如果一个材料产量低，价格高，除非场景特别合适，大家就不太愿意用。这往往会进一步影响材料的产量，提高价格。
通常要进入正向飞轮，要不就是需求拉动使得产量先超过临界值，要不就是工艺或者原材料成本跌破临界值。
如果看需求拉动，虽然经过政府加持，工业和医疗系统的需求比使得钛的需求量增加了差不多10倍，但是离临界值还很远。一个可以对比的行业是光伏，和同期相比，它的需求量已经增加了几十万倍，所以光伏材料的价格也就大大降低了。
如果看成本或者工艺，钛作为一种活动性极强而硬度又很大的金属，从提纯到加工，工艺的进展非常小。
需求难以暴涨，成本降不下来，看起来，钛虽然不会进入负向飞轮，但是进入正向飞轮也不容易。所以应该会有很长一段时间保持在含量大，产量低，价格昂贵的状况，很难改变。