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钛及钛合金的性质和应用范围

来源:钛合金 发布时间:2012-5-10 16:08:34

(一)钛的性质

    钛的外观与钢极为相似,密度为4.51克/厘米3,不足钢的60%,是难熔金属中密度最低的金属元素。

    钛在常温下的空气中十分稳定。当加热到400~550℃时,则在表面生成一层牢固的氧化膜,起防止进一步氧化的保护作用。钛吸收氧、氮、氢的能力很强,这类气体是对金属钛十分有害的杂质,即使含量甚微(0.01%~0.005%)也能严重影响它的力学性能。

    钛的力学性质即通称的机械性能与纯度十分相关。高纯钛具有优良的机加工性能,延伸率、断面收缩率均佳,但强度低,不适合作结构材料。工业纯钛含有适量的杂质,具有较高的强度和可塑性,适宜制作结构材料。

    在钛的化合物中以二氧化钛(TiO2)最有实用价值。Ti02对人体呈惰性,无毒害,它具有一系列优良的光学性质。Ti02不透明,光泽度与白度高,折射率与散射力大,遮盖力强、分散性好,制成的颜料为白色粉末,俗称钛白,应用甚广。

(二)钛的应用 

    1.钛及其钛合金的应用

    致密金属钛由于质量轻,比铝合金强度高,能在高温下保持比铝为高的强度而受到航空工业的高度重视。鉴于钛的密度为钢的57%,其比强度(强度/重量比或强度/密度比皆称比强度)高,抗腐蚀、抗氧化、抗疲劳能力均强,钛合金的3/4用作以航空结构合金为代表的结构材料,1/4主要用作耐蚀合金。

    钛合金有低强高塑性、中强和高强之分,为200(低强)~1300(高强)兆帕,但大体上可以把钛合金看作是高强合金。它们比被认为是中强的铝合金的强度为高,在强度上已完全可以取代某些型号的钢材。与铝合金在150℃以上的温度下强度迅速下降相比,某些钛合金在600℃仍能保持良好的强度。

    除强度外,按用途还可分为耐热、耐蚀、低温及特殊功能(如TiNi形状记忆合金、TiFe贮氢合金)等钛合金,按相组成可分为α、α+β和β 及近α、亚稳定等数种类型。至今投入生产的合金牌号已超过100种,工业上广泛应用的只有10余种。其中作结构合金用的Ti-6Al-4V在钛合金的整个销售市场中占60%,居主导地位,其次是Ti-5Al-2.5Sn,它的长期工作温度可达500℃(强度为780~980兆帕)。

    但是,钛有两个主要因素使这个资源丰富的元素不能成为常用金属。首先是成本。按美国的市场价格,每磅(1磅=0.45千克)钛锭坯8~12美元,铝锭为1.00~1.30美元/磅,碳素钢为0.20~0.40美元/磅。但主要因素是钛本身的活性极强,很难处理。炉内气氛必须严格控制,焊接须在惰性气氛内进行。金属钛的活性高、热导率低、变形抗力大、常温可塑性差,变形过程中不但易与模具粘结,特别在机加工时有刀具和磨料粘结到热的加工表面的倾向,使标准结构件的制造产生大量废钛屑,即所谓的残钛。一般锻造钛锭加工可产生70%的残钛,有时这一数字可高达90%。

    为减少过高成本造成的负担,一方面发展了残钛处理工艺,另一方面开发了近净成形、超塑成形、精密铸造和粉末冶金以及热等静压与扩散连接等高新技术。比如通过制粉、成型、烧结或热等静压固结方法加工而成的粉末冶金制品为近净成形件,材料利用率高达80%,既降低了材料消耗,又明显减少了切削加工量。又如大型薄壁精密铸造技术在钛合金中的应用,使钛铸件性能接近钛锻件,而成本降低50%左右。  

    钛及钛合金的主要消费领域首先是航空工业。20世纪80年代,美国航空工业用钛占钛材总用量的74。8%,俄罗斯、英国等也主要用于航空工业,日本90%的钛材用于民用工业。近年来,钛材在非航空航天工业中的应用不断增加,航空航天仍居“主打”地位。从1952年钛在道格拉斯DC-7班机上用作发动机短舱和隔火壁开始,至今许多飞机的结构件均已使用钛合金制造。在波音757、超音速SR-71黑鸟、F-22喷气战斗机、空间卫星和导弹上,钛零件都起到极为关键的作用。如飞机内的风扇圆盘、发动机叶片等均为钛铸件和锻件制造。

    钛的第二项应用领域则与利用其抗蚀能力相关。其中用量最大是作氯碱生产的电极材料。钛阳极使用寿命为石墨阳极的10倍,使产能提高近1倍,节电15%。年产1万吨苛性钠,约需5吨钛。

    在航海业的船舶制造中,钛曾有过昔日辉煌。前苏联制造的6~7艘3000吨级核潜艇中每艘用钛量高达560吨(其阿尔法级潜艇的钛用量在908吨以上)。近年来在海洋油气勘探与开发方面钛则显示了巨大的威力,仅1997~1999年期间欧洲在北海油气开发方面就投入了150亿美元,用于建造21个悬浮式生产作业船和64个平台。一个新平台的生命安全系统需50~500吨钛,楔形应力接头需50~100吨钛,可伸缩升降器需400~1200吨钛,固定升降器需1400~4200吨钛。

    在能源工业中已知用钛作发电装置的冷凝器和热交换器,如我国台州电厂、上海金山热电厂和镇海发电厂的发电机组都选用了钛管冷凝器,用钛量约700吨。秦山和大亚湾核电站都选用了全钛冷凝器。近年来在地热井地热开发方面,钛也大展风采,充分显示了自身的抗蚀能力。在地热卤水的高温腐蚀性环境中用作动力蒸汽涡轮,其他材料皆因寿命短而不得不被钛取而代之。用钛的优点在于能提高采热的生产率和地热井的寿命。20世纪90年代开始美国在南加州Salton Sea地区打了一口温度高达300℃的地热井,至令已使用Ti-6Al-4V-0.1Ru合金热轧无缝管227吨。估计今后十年内世界各地地热开发的用钛量可能达到2400吨。我国西藏地区的羊八井电站如采用钛材,其面貌将大为改观。

    海洋油气钻探与地热开发主要使用Ti-6Al-4VELI、Ti-3Al-2.5V、Ti-6Al-4V-0.1Ru、Ti-3Al-2.5V-0.1Ru及含钼Ti-38644(Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo)等合金。船用紧固件使用Ti-5111(Ti-5Al-1Sn-1Zr-1V-0.8Mo)合金。我国为适应海洋工程的需要,也开发了Ti75、Ti31和Ti631等合金。

    据统计一台20万千瓦火力发电机组用钛量为90吨,一座核电站用钛量为80~100吨。可见能源与腐蚀等方面的用钛量不容漠视。

    高尔夫球、生物材料和汽车制造是钛材三个极有希望的新的应用领域。

在运动与休闲领域,高尔夫球具用量的增长颇富戏剧性,1993年钛尚未进入这一领域,1997年用钛量一下增长到4000吨。原因是用钛作球棒强度高、质地轻、击球距离平均提高20~30码(1码=0.9144米)或15%。钛球棒的出现使美国1998年内增加了448个新球场。球员的数目达到2500万人(接近于全世界的一半)。1994年只卖出500个球棒,1995年一下增到19万个,而到1997竟猛增到172万个。钛在休闲运动领域大有用武之地,诸如在滑雪板、雪橇、冰斧、冰爪等爬山设施等方面。

    钛有极佳的生物相容性、低的膨胀系数、高度耐用性及无磁性,是极佳的骨骼支撑材料。作为植入的髋关节其重量约为不锈钢的一半,并且骨组织在生长时还可直接粘牢在钛植人体上。膝关节、义齿再造等也使用钛合金。据统计,全世界每年医学植人的用钛量在600-1000吨之间。所用钛材除Ti-6Al--4VELI(超低间隙氧)外,还开发了无铝(免除对肾和肺的毒害)Timetal 21SRx(Ti-2.75Nb-15.2Mo-0.34Fe-0.18Si-0.250)与Timetal 21S(Ti-2.9Nb-14-9Mo-0.09Fe-2.9Al-0.22Si-0.140)、Ti-6Al-7Nb等钛合金。

    低成本钛的生产及钛粉末加工技术的发展,已有可能将钛的应用延伸到汽车行业。用钛制造的弹簧已开始在一级方程式赛车上、竞赛用摩托车以及最高级的法拉利汽车上应用。估计不久在轻型汽车的发动机阀门、连杆、悬簧、排放系统及紧固件上将获得应用。估计钛大举进入汽车市场将从日本和美国开始。美国每年能够生产1600万辆轿车和轻型卡车,日本本田公司1998年下半年已先期将钛阀门用于Altezza家庭轿车。   

2.钛白的应用   

钛白主要用于涂料、塑料、造纸、合成纤维、印刷油墨、橡胶、搪瓷等方面,为其他白色涂料所不及。超微细钛白和水及有机溶剂组成的钛溶胶已成为独立的新品种,应用于化妆品、透镜表面涂饰剂、油墨与涂料添加剂,其应用领域仍在扩大。美国是全球钛白的最大生产国和消费国,1998年的产量为136万吨,表观消费量为113万吨,产值高达30亿美元。我国的产量和用量则小得多。美国钛白的消费,50%为颜料、油漆、清漆,23%为造纸,23%为塑料,9%为其他用途。

3.其他应用

    用钛铁矿精矿制成的钛铁(TiFe)是制造不锈钢时使用的脱氧剂和稳定剂,钛铁贮氢阳极在贮氢电池制造中与稀土贮氢材料在性能上各有千秋,而成本则相对要低,在贮氢、运输、催化、燃料电池等方面与稀土将有一搏。Ti—Ni形状记忆合金更是医用和军工不可或缺的高新技术材料。至于电子陶瓷功能材料钛酸钡、钛酸锶、钛化合物催化剂以及有机钛耐热漆和钛环氧涂料等的用途更是不胜枚举。
 

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