钛及钛合金材料的性质和应用-科学指南针

最新推荐文章于 2024-03-19 17:14:43 发布

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本文探讨了钛的性质，特别是其力学性能与纯度的关系，以及在航空工业、氯碱生产、航海业、能源和汽车行业中的广泛应用。重点介绍了钛及其合金在航空结构材料、电极材料、船舶制造和能源设备中的重要作用，以及钛白在涂料和相关领域的广泛使用。

(一)钛的性质

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。

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，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。

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