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鈦及鈦合金的性質和應用范圍

來源:鈦合金 發布時間:2012-5-10 16:08:34

(一)鈦的性質

    鈦的外觀與鋼極為相似,密度為4.51克/厘米3,不足鋼的60%,是難熔金屬中密度最低的金屬元素。

    鈦在常溫下的空氣中十分穩定。當加熱到400~550℃時,則在表面生成一層牢固的氧化膜,起防止進一步氧化的保護作用。鈦吸收氧、氮、氫的能力很強,這類氣體是對金屬鈦十分有害的雜質,即使含量甚微(0.01%~0.005%)也能嚴重影響它的力學性能。

    鈦的力學性質即通稱的機械性能與純度十分相關。高純鈦具有優良的機加工性能,延伸率、斷面收縮率均佳,但強度低,不適合作結構材料。工業純鈦含有適量的雜質,具有較高的強度和可塑性,適宜制作結構材料。

    在鈦的化合物中以二氧化鈦(TiO2)最有實用價值。Ti02對人體呈惰性,無毒害,它具有一系列優良的光學性質。Ti02不透明,光澤度與白度高,折射率與散射力大,遮蓋力強、分散性好,制成的顏料為白色粉末,俗稱鈦白,應用甚廣。

(二)鈦的應用 

    1.鈦及其鈦合金的應用

    致密金屬鈦由于質量輕,比鋁合金強度高,能在高溫下保持比鋁為高的強度而受到航空工業的高度重視。鑒于鈦的密度為鋼的57%,其比強度(強度/重量比或強度/密度比皆稱比強度)高,抗腐蝕、抗氧化、抗疲勞能力均強,鈦合金的3/4用作以航空結構合金為代表的結構材料,1/4主要用作耐蝕合金。

    鈦合金有低強高塑性、中強和高強之分,為200(低強)~1300(高強)兆帕,但大體上可以把鈦合金看作是高強合金。它們比被認為是中強的鋁合金的強度為高,在強度上已完全可以取代某些型號的鋼材。與鋁合金在150℃以上的溫度下強度迅速下降相比,某些鈦合金在600℃仍能保持良好的強度。

    除強度外,按用途還可分為耐熱、耐蝕、低溫及特殊功能(如TiNi形狀記憶合金、TiFe貯氫合金)等鈦合金,按相組成可分為α、α+β和β 及近α、亞穩定等數種類型。至今投入生產的合金牌號已超過100種,工業上廣泛應用的只有10余種。其中作結構合金用的Ti-6Al-4V在鈦合金的整個銷售市場中占60%,居主導地位,其次是Ti-5Al-2.5Sn,它的長期工作溫度可達500℃(強度為780~980兆帕)。

    但是,鈦有兩個主要因素使這個資源豐富的元素不能成為常用金屬。首先是成本。按美國的市場價格,每磅(1磅=0.45千克)鈦錠坯8~12美元,鋁錠為1.00~1.30美元/磅,碳素鋼為0.20~0.40美元/磅。但主要因素是鈦本身的活性極強,很難處理。爐內氣氛必須嚴格控制,焊接須在惰性氣氛內進行。金屬鈦的活性高、熱導率低、變形抗力大、常溫可塑性差,變形過程中不但易與模具粘結,特別在機加工時有刀具和磨料粘結到熱的加工表面的傾向,使標準結構件的制造產生大量廢鈦屑,即所謂的殘鈦。一般鍛造鈦錠加工可產生70%的殘鈦,有時這一數字可高達90%。

    為減少過高成本造成的負擔,一方面發展了殘鈦處理工藝,另一方面開發了近凈成形、超塑成形、精密鑄造和粉末冶金以及熱等靜壓與擴散連接等高新技術。比如通過制粉、成型、燒結或熱等靜壓固結方法加工而成的粉末冶金制品為近凈成形件,材料利用率高達80%,既降低了材料消耗,又明顯減少了切削加工量。又如大型薄壁精密鑄造技術在鈦合金中的應用,使鈦鑄件性能接近鈦鍛件,而成本降低50%左右。  

    鈦及鈦合金的主要消費領域首先是航空工業。20世紀80年代,美國航空工業用鈦占鈦材總用量的74.8%,俄羅斯、英國等也主要用于航空工業,日本90%的鈦材用于民用工業。近年來,鈦材在非航空航天工業中的應用不斷增加,航空航天仍居“主打”地位。從1952年鈦在道格拉斯DC-7班機上用作發動機短艙和隔火壁開始,至今許多飛機的結構件均已使用鈦合金制造。在波音757、超音速SR-71黑鳥、F-22噴氣戰斗機、空間衛星和導彈上,鈦零件都起到極為關鍵的作用。如飛機內的風扇圓盤、發動機葉片等均為鈦鑄件和鍛件制造。

    鈦的第二項應用領域則與利用其抗蝕能力相關。其中用量最大是作氯堿生產的電極材料。鈦陽極使用壽命為石墨陽極的10倍,使產能提高近1倍,節電15%。年產1萬噸苛性鈉,約需5噸鈦。

    在航海業的船舶制造中,鈦曾有過昔日輝煌。前蘇聯制造的6~7艘3000噸級核潛艇中每艘用鈦量高達560噸(其阿爾法級潛艇的鈦用量在908噸以上)。近年來在海洋油氣勘探與開發方面鈦則顯示了巨大的威力,僅1997~1999年期間歐洲在北海油氣開發方面就投入了150億美元,用于建造21個懸浮式生產作業船和64個平臺。一個新平臺的生命安全系統需50~500噸鈦,楔形應力接頭需50~100噸鈦,可伸縮升降器需400~1200噸鈦,固定升降器需1400~4200噸鈦。

    在能源工業中已知用鈦作發電裝置的冷凝器和熱交換器,如我國臺州電廠、上海金山熱電廠和鎮海發電廠的發電機組都選用了鈦管冷凝器,用鈦量約700噸。秦山和大亞灣核電站都選用了全鈦冷凝器。近年來在地熱井地熱開發方面,鈦也大展風采,充分顯示了自身的抗蝕能力。在地熱鹵水的高溫腐蝕性環境中用作動力蒸汽渦輪,其他材料皆因壽命短而不得不被鈦取而代之。用鈦的優點在于能提高采熱的生產率和地熱井的壽命。20世紀90年代開始美國在南加州Salton Sea地區打了一口溫度高達300℃的地熱井,至令已使用Ti-6Al-4V-0.1Ru合金熱軋無縫管227噸。估計今后十年內世界各地地熱開發的用鈦量可能達到2400噸。我國西藏地區的羊八井電站如采用鈦材,其面貌將大為改觀。

    海洋油氣鉆探與地熱開發主要使用Ti-6Al-4VELI、Ti-3Al-2.5V、Ti-6Al-4V-0.1Ru、Ti-3Al-2.5V-0.1Ru及含鉬Ti-38644(Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo)等合金。船用緊固件使用Ti-5111(Ti-5Al-1Sn-1Zr-1V-0.8Mo)合金。我國為適應海洋工程的需要,也開發了Ti75、Ti31和Ti631等合金。

    據統計一臺20萬千瓦火力發電機組用鈦量為90噸,一座核電站用鈦量為80~100噸。可見能源與腐蝕等方面的用鈦量不容漠視。

    高爾夫球、生物材料和汽車制造是鈦材三個極有希望的新的應用領域。

在運動與休閑領域,高爾夫球具用量的增長頗富戲劇性,1993年鈦尚未進入這一領域,1997年用鈦量一下增長到4000噸。原因是用鈦作球棒強度高、質地輕、擊球距離平均提高20~30碼(1碼=0.9144米)或15%。鈦球棒的出現使美國1998年內增加了448個新球場。球員的數目達到2500萬人(接近于全世界的一半)。1994年只賣出500個球棒,1995年一下增到19萬個,而到1997竟猛增到172萬個。鈦在休閑運動領域大有用武之地,諸如在滑雪板、雪橇、冰斧、冰爪等爬山設施等方面。

    鈦有極佳的生物相容性、低的膨脹系數、高度耐用性及無磁性,是極佳的骨骼支撐材料。作為植入的髖關節其重量約為不銹鋼的一半,并且骨組織在生長時還可直接粘牢在鈦植人體上。膝關節、義齒再造等也使用鈦合金。據統計,全世界每年醫學植人的用鈦量在600-1000噸之間。所用鈦材除Ti-6Al--4VELI(超低間隙氧)外,還開發了無鋁(免除對腎和肺的毒害)Timetal 21SRx(Ti-2.75Nb-15.2Mo-0.34Fe-0.18Si-0.250)與Timetal 21S(Ti-2.9Nb-14-9Mo-0.09Fe-2.9Al-0.22Si-0.140)、Ti-6Al-7Nb等鈦合金。

    低成本鈦的生產及鈦粉末加工技術的發展,已有可能將鈦的應用延伸到汽車行業。用鈦制造的彈簧已開始在一級方程式賽車上、競賽用摩托車以及最高級的法拉利汽車上應用。估計不久在輕型汽車的發動機閥門、連桿、懸簧、排放系統及緊固件上將獲得應用。估計鈦大舉進入汽車市場將從日本和美國開始。美國每年能夠生產1600萬輛轎車和輕型卡車,日本本田公司1998年下半年已先期將鈦閥門用于Altezza家庭轎車。   

2.鈦白的應用   

鈦白主要用于涂料、塑料、造紙、合成纖維、印刷油墨、橡膠、搪瓷等方面,為其他白色涂料所不及。超微細鈦白和水及有機溶劑組成的鈦溶膠已成為獨立的新品種,應用于化妝品、透鏡表面涂飾劑、油墨與涂料添加劑,其應用領域仍在擴大。美國是全球鈦白的最大生產國和消費國,1998年的產量為136萬噸,表觀消費量為113萬噸,產值高達30億美元。我國的產量和用量則小得多。美國鈦白的消費,50%為顏料、油漆、清漆,23%為造紙,23%為塑料,9%為其他用途。

3.其他應用

    用鈦鐵礦精礦制成的鈦鐵(TiFe)是制造不銹鋼時使用的脫氧劑和穩定劑,鈦鐵貯氫陽極在貯氫電池制造中與稀土貯氫材料在性能上各有千秋,而成本則相對要低,在貯氫、運輸、催化、燃料電池等方面與稀土將有一搏。Ti—Ni形狀記憶合金更是醫用和軍工不可或缺的高新技術材料。至于電子陶瓷功能材料鈦酸鋇、鈦酸鍶、鈦化合物催化劑以及有機鈦耐熱漆和鈦環氧涂料等的用途更是不勝枚舉。
 

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