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鈦及鈦合金的應(yīng)用與前景

2022-10-18 15:23:53 作者：材易通來源：材易通分享至：

鈦金屬的來源

鈦金屬最早在1791年被英國一位名叫格雷戈?duì)柕臉I(yè)余礦物學(xué)家發(fā)現(xiàn)的，到1795年，德國化學(xué)家克拉普魯斯以希臘神Titans命名了這種未知的金屬物質(zhì)，中文英譯為“鈦”。鈦在地球上儲(chǔ)量豐富，已知的鈦礦物有140多種，但工業(yè)應(yīng)用主要是鈦鐵礦和金紅石，其中中國鈦鐵礦儲(chǔ)量占到全球儲(chǔ)量的28%，排名全球第一。

鈦是世界上公認(rèn)的無毒元素，開采和生產(chǎn)成本高，價(jià)格昂貴。由于耐高低溫、抗強(qiáng)酸堿、高強(qiáng)度、低密度等一系列資質(zhì)，成為NASA同款火箭衛(wèi)星專用材料，也被應(yīng)用于我國的玉兔號(hào)、殲20、山東艦航母等超級(jí)項(xiàng)目。在上世紀(jì)80年代走入民用領(lǐng)域后，以其天然具有的抑菌性與親生物性，一躍成為是食器界的“榮譽(yù)金屬王”。

我國的鈦工業(yè)起步于20世紀(jì)50年代，到60年代中期，我國分別在遵義和寶雞建成海綿鈦和鈦加工生產(chǎn)廠，這意味著中國已經(jīng)成為全球鈦工業(yè)強(qiáng)國之一。21世紀(jì)我國鈦工業(yè)進(jìn)入了加速發(fā)展的新時(shí)期，鈦產(chǎn)能位居全球前列。

純鈦和鈦合金的區(qū)別

純鈦：

或叫工業(yè)純鈦或商業(yè)純鈦，是是按照雜質(zhì)元素的含量劃分等級(jí)的。它具有優(yōu)良的沖壓工藝性能和焊接性能，對(duì)熱處理及組織類型不敏感，在令人滿意的塑性條件下具有一定的強(qiáng)度。它的強(qiáng)度主要取決于間隙元素氧、氮的含量。99.5%工業(yè)純鈦的性能為：密度P=4.5g/cm3，熔點(diǎn)為1800°C，導(dǎo)熱系數(shù)λ=15.24W/(M.K),抗拉強(qiáng)度σ b=539MPa，伸長率:δ =25%，斷面收縮率ψ=25%，彈性摸量E=1.078×105MPa，硬度HB195。

鈦合金：

鈦合金是以鈦為基礎(chǔ)加入其他元素組成的合金，屬于比較年輕的金屬，從發(fā)現(xiàn)到現(xiàn)在也就六七十年的歷史。鈦合金材料具有質(zhì)量輕，強(qiáng)度大，彈性小，耐高溫和耐腐蝕等特點(diǎn)，主要用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)，火箭，導(dǎo)彈等部件。鈦有兩種同質(zhì)異晶體；鈦是同索異構(gòu)體，熔點(diǎn)為1720°C在低于882°C時(shí)呈密排六方晶體格結(jié)構(gòu)，稱為a鈦；在882°C以上呈體心立方品格結(jié)構(gòu)，稱為B鈦，利用鈦的上述兩種結(jié)構(gòu)的不同特點(diǎn)，添加適當(dāng)?shù)暮辖鹪兀蛊湎嘧儨囟燃跋喾趾恐饾u改變而得到不同組織的鈦合金（itaniumalloys）。

鈦合金元素根據(jù)它們對(duì)相變溫度的影響可分為三類：①穩(wěn)定a相，提高相轉(zhuǎn)變溫度的元素為a穩(wěn)定元素，有鋁、鎂、氧和氮等。其中鋁是鈦合金主要合金元素，它對(duì)提高合金的常溫和高溫強(qiáng)度，降低比重、增加彈性摸量有明顯效果。②穩(wěn)定B相、降低相變溫度的元素為B穩(wěn)定元素。又可分同晶型和共析型二種，前者有鉬、鈮、釩等：后者有鉻、錳、銅、硅等。③對(duì)相變溫度影響不大的元素為中性元素，有鋯、錫等。

鈦及鈦合金牌號(hào)和化學(xué)成分表

下文選出常見的牌號(hào)進(jìn)行詳解：

TA1（美標(biāo)Gr1）

TA1(Gr1)鈦是四種工業(yè)純鈦等級(jí)中的第一種。它是這些等級(jí)中最柔軟，最具延展性的。它具有最大的成形性，優(yōu)異的耐腐蝕性和高沖擊韌性。TA1級(jí)是任何需要易成型性的應(yīng)用的首選材料，通常可用作鈦板和鈦管材。

TA2（美標(biāo)Gr2）級(jí)

由于其多樣化的可用性和廣泛的可用性，TA2級(jí)鈦被稱為商業(yè)純鈦工業(yè)的“主力”。它與TA1級(jí)鈦合金具有許多相同的品質(zhì)，但略強(qiáng)。兩者同樣耐腐蝕。該牌號(hào)具有良好的可焊性，強(qiáng)度，延展性和可成形性。這使得TA2級(jí)鈦棒和鈦板材成為建筑、發(fā)電、醫(yī)療行業(yè)等許多應(yīng)用領(lǐng)域的首選。

TA3（美標(biāo)Gr3）級(jí)

該等級(jí)最少使用商業(yè)純鈦等級(jí)，但這并不會(huì)使其價(jià)值降低。TA3級(jí)比TA1級(jí)和TA2級(jí)更強(qiáng)，延展性相似，只有輕微的可成形性 - 但它具有比其前輩更高的機(jī)械性能。TA3級(jí)用于要求中等強(qiáng)度和主要耐腐蝕性的應(yīng)用中，如航空航天、化學(xué)處理、海洋產(chǎn)業(yè)等。

TA4（美標(biāo)Gr4）級(jí)

TA4級(jí)被認(rèn)為是四種商業(yè)純鈦中最強(qiáng)的。它還以其優(yōu)異的耐腐蝕性，良好的可成形性和可焊性而著稱。在一些機(jī)身組件、低溫容器、換熱器等需要高清都的應(yīng)用中使用。

TA9（美標(biāo)Gr7）級(jí)

TA9級(jí)在機(jī)械和物理上等同于TA2級(jí)，除了添加間隙元素鈀，使其成為合金。7級(jí)具有優(yōu)異的可焊性和特性，是所有鈦合金中耐腐蝕性最強(qiáng)的。事實(shí)上，它在還原酸中最耐腐蝕。TA9級(jí)用于化學(xué)工藝和生產(chǎn)設(shè)備部件。TA9擁有極其強(qiáng)的耐腐蝕性能，尤其在還原酸性環(huán)境中。

TA9-1（美標(biāo)Gr11）級(jí)

TA9-1級(jí)與TA1級(jí)非常相似，只是加入少量鈀以增強(qiáng)耐腐蝕性，使其成為合金。這種耐腐蝕性可用于防止縫隙腐蝕和減少氯化物環(huán)境中的酸。其他有用的性能包括最佳延展性，冷成型性，有用強(qiáng)度，沖擊韌性和優(yōu)異的可焊性。該合金可用于與1級(jí)相同的鈦應(yīng)用，特別是在需要腐蝕的地方。

Ti 6Al-4V（國標(biāo)TC4，美標(biāo)Gr5）級(jí)

被稱為鈦合金的“主力”的是Ti 6Al-4V或5級(jí)鈦，是所有鈦合金中最常用的。它占全世界鈦用量總量的50％。它的可用性在于它的許多好處。可以對(duì)Ti 6Al-4V進(jìn)行熱處理以增加其強(qiáng)度。它可以在高達(dá)600°F的使用溫度下用于焊接結(jié)構(gòu)。該合金具有重量輕，有用的可成形性和高耐腐蝕性的高強(qiáng)度。Ti 6AI-4V的可用性使其成為用于多個(gè)行業(yè)的最佳合金，如航空航天，醫(yī)療，船舶和化學(xué)加工行業(yè)。它可用于創(chuàng)建以下技術(shù)內(nèi)容：

飛機(jī)渦輪機(jī)

發(fā)動(dòng)機(jī)部件

飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件

航空航天緊固件

高性能自動(dòng)零件

海洋應(yīng)用

運(yùn)動(dòng)器材

Ti 6AL-4V ELI（國標(biāo)TC4ELI，美標(biāo)Gr23）級(jí)

Ti 6AL-4V ELI或TC4ELI級(jí)是Ti 6Al-4V的更高純度形式。它可以制成線圈，絞線，電線或扁平電線。對(duì)于任何需要高強(qiáng)度，輕質(zhì)，良好耐腐蝕性和高韌性的情況，它都是首選。它對(duì)其他合金具有出色的損傷容限。這些優(yōu)點(diǎn)使TC4ELI級(jí)成為終極牙科和醫(yī)用鈦等級(jí)。由于其生物相容性，良好的疲勞強(qiáng)度和低模量，它可以用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，例如可植入組件。它也可用于詳細(xì)的外科手術(shù)，如：

矯形銷和螺釘

骨科電纜

Ligature剪輯

外科植入

正畸矯治器

在關(guān)節(jié)置換中

低溫容器

骨固定裝置

TA10（美標(biāo)Gr12）級(jí)

TA10級(jí)鈦因其高質(zhì)量的可焊性而具有“優(yōu)異”等級(jí)。它是一種高度耐用的合金，可在高溫下提供很大的強(qiáng)度。TA10級(jí)鈦具有與300系列不銹鋼相似的特性。該合金可以使用壓制成型，水壓成型，拉伸成型或落錘法進(jìn)行熱或冷成型。它以各種方式形成的能力使其在許多應(yīng)用中有用。這種合金的高耐腐蝕性也使其對(duì)那些需要考慮縫隙腐蝕的制造設(shè)備具有無法估量的價(jià)值。TA10級(jí)可用于以下行業(yè)和應(yīng)用：

殼和熱交換器

濕法冶金應(yīng)用

高溫化學(xué)制造

海運(yùn)和機(jī)票組件

Ti 5Al-2.5Sn

Ti 5Al-2.5Sn是一種不可熱處理的合金，可以獲得良好的焊接性和穩(wěn)定性。它還具有高溫穩(wěn)定性，高強(qiáng)度，良好的耐腐蝕性和良好的抗蠕變性。蠕變是指在高溫下長時(shí)間發(fā)生塑性應(yīng)變的現(xiàn)象。Ti 5Al-2.5Sn主要用于飛機(jī)和機(jī)身應(yīng)用以及低溫應(yīng)用。

最后附上國外標(biāo)準(zhǔn)及國家標(biāo)準(zhǔn)新老鈦牌號(hào)和化學(xué)成分對(duì)比

鈦及鈦合金的應(yīng)用

鈦及鈦合金材料雖然儲(chǔ)量豐富，價(jià)格卻十分昂貴，這是因?yàn)殁佋诟邷貤l件下化學(xué)活性小，其冶煉技術(shù)及操作環(huán)境十分苛刻，必須要在高溫、真空條件下進(jìn)行冶煉，溫度常達(dá)到800℃以上，相比于鋼鐵冶煉要困難許多。因此每每提到鈦合金的時(shí)候，人們都覺得它是高檔金屬材料，產(chǎn)量低價(jià)格貴，應(yīng)用很少。

目前，由于鈦合金重量輕、強(qiáng)度大又耐高溫的優(yōu)異性能，鈦及鈦合金材料廣泛用于各國的尖端武器和國之重器的制造上，如尤其適合應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。舉例應(yīng)用領(lǐng)域如下：

化工領(lǐng)域

1. 制堿行業(yè)

制堿行業(yè)中鈦制冷器的出現(xiàn)，可以很好的解決由于傳統(tǒng)冷卻工藝不合理出現(xiàn)產(chǎn)出氯氣質(zhì)量不合格現(xiàn)象。同時(shí)改變了氯堿工業(yè)的生產(chǎn)面貌，投入的鈦合金制冷器壽命可長達(dá)20年。

2. 制鹽行業(yè)

目前較為先進(jìn)的制鹽工藝為真空制鹽，而此過程中產(chǎn)生的高溫濃鹽水會(huì)對(duì)碳鋼結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的破壞，產(chǎn)生設(shè)備滴漏現(xiàn)象。將鈦鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)用于加熱室與蒸發(fā)室，可以有效防止結(jié)鹽垢，提高制鹽品質(zhì)，同時(shí)減輕蒸發(fā)過程中高濃度鹽水對(duì)管壁的腐蝕，延長檢修周期。

航空航天領(lǐng)域

1. 航空工業(yè)

鈦合金在航上的應(yīng)用分為飛機(jī)結(jié)構(gòu)鈦合金和發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)鈦合金，飛機(jī)鈦合金結(jié)構(gòu)件主要應(yīng)用部位有起落架部件、框、梁、機(jī)身蒙皮、隔熱罩等。俄羅斯的伊爾-76飛機(jī)采用高強(qiáng)度BT22鈦合金制造起落架和承力梁等關(guān)鍵部件；波音747主起落架傳動(dòng)橫梁材料為Ti-6Al-4V，鍛件長6.20米、寬0.95米，質(zhì)量達(dá)1545千克；高強(qiáng)高韌Ti-62222S鈦合金被用在C-17飛機(jī)水平安定面轉(zhuǎn)軸關(guān)鍵部位。航空發(fā)動(dòng)機(jī)方面鈦合金應(yīng)用于壓氣機(jī)盤、葉片、鼓筒、高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子、壓氣機(jī)機(jī)匣等。波音747-8GENX發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片的前緣與尖部，采用了鈦合金防護(hù)套，在10年的服役期內(nèi)僅做過3次更換。

2. 航天工業(yè)

航天飛行器的工作條件非常極端，除了材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要高超的技術(shù)外，材料本身的優(yōu)異特性和功能也很重要，因此鈦合金在眾多材料中脫穎而出。在宇航設(shè)備方面在20世紀(jì)60年代美國阿波羅計(jì)劃中的宇宙飛船雙人艙及密閉艙翼梁及肋都由Ti-5Al-2.5Sn制造，襯里則由純鈦制造；德國MT宇航公司制備出高強(qiáng)Ti-15V-3Cr合金推進(jìn)系統(tǒng)貯箱，并應(yīng)用于歐洲阿爾法通信衛(wèi)星巨型平臺(tái)；俄羅斯鈦合金在航天工程上的應(yīng)用實(shí)例很多，如能源號(hào)運(yùn)載火箭使用了重3.5t的BT23鈦合金大型模鍛件和鍛件，此外鈦合金還應(yīng)用于液體燃料火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料艙、低溫液體儲(chǔ)存箱及液氫輸送泵葉輪等。

同樣，國內(nèi)航天工程的迅猛發(fā)展中，鈦合金也得到廣泛的應(yīng)用，1970年東方一號(hào)衛(wèi)星到現(xiàn)在的神州系列飛船、嫦娥探測(cè)器等都有使用鈦合金，此外我國研制的液氫環(huán)境下使用的低溫TA7ELI鈦合金氣瓶已用于長征系列運(yùn)載火箭；哈工大用TC4鈦合金制備了月球車的輪圈；此外我國還用BT20等高強(qiáng)鈦合金制造導(dǎo)彈的發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、噴管等構(gòu)件。

船艦領(lǐng)域

鈦及鈦合金廣泛應(yīng)用于核潛艇、深潛器、原子能破冰船、水翼船、氣墊船、掃雷艇，以及螺旋槳推進(jìn)器、鞭狀天線、海水管路、冷凝器、熱交換器、聲學(xué)裝置、消防設(shè)備上。如美國的“海崖”號(hào)深潛器裝備了鈦觀察艙和操縱艙，下潛深度可達(dá)6100m；日本東邦鈦公司與藤新造船所共同建造了“摩利支天Ⅱ號(hào)”全鈦制快艇，一段時(shí)間內(nèi)在美國很暢銷；我國首臺(tái)自主設(shè)計(jì)、自主集成的載人潛水器“蛟龍”號(hào)也應(yīng)用了鈦合金，蛟龍?zhí)柟ぷ鞣秶采w全球海洋區(qū)域的99.8%。

鈦及鈦合金現(xiàn)存問題及展望

盡管鈦及鈦合金已經(jīng)取得了顯著的發(fā)展，但存在的問題也隨之暴露出來，對(duì)于鈦合金的發(fā)展也面臨著不小的挑戰(zhàn)。主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

1）產(chǎn)量方面。

我國雖為鈦工業(yè)大國，但在生產(chǎn)中高品質(zhì)產(chǎn)品數(shù)量不高，特殊性能的鈦產(chǎn)品種類少，其次，我國還不能批量穩(wěn)定生產(chǎn)鈦帶和鈦擠壓型材，限制了鈦及鈦合金在航空航天、海洋等領(lǐng)域的開發(fā)利用。要想進(jìn)一步將航空發(fā)動(dòng)機(jī)鈦用量提高至50%左右難度仍然很大。

2）性能方面

由于鈦金屬具有高化學(xué)活性，容易被其他元素污染，因此鈦合金的加工和制造工藝非常高，同時(shí)加工出的高性能產(chǎn)品需要和綜合考慮其力學(xué)、物理、化學(xué)、工藝性能，現(xiàn)有的鈦合金在600℃以上，蠕變抗力和高溫抗氧化性的急劇下降是限制鈦合金擴(kuò)大應(yīng)用的兩大主要障礙。

3）成本方面

目前各國都在努力降低鈦合金的應(yīng)用成本，也取得了很多成就，但就我國的目前的形勢(shì)而言，我國管理和技術(shù)水平還未達(dá)到理想高度，國內(nèi)鈦合金產(chǎn)品價(jià)格在國際上競(jìng)爭(zhēng)力較差，不利于進(jìn)一步擴(kuò)大使用。

目前鈦合金的主要應(yīng)用領(lǐng)域還是航空航天等軍事工業(yè)部門，開發(fā)新的應(yīng)用領(lǐng)域，比如在汽車、火車、高鐵、還有日常生活常用的民用領(lǐng)域的應(yīng)用前景仍然十分廣闊。此外，用價(jià)格較低的元素取代貴的合金元素，通過工藝途徑降低鈦合金零部件的成本，是今后鈦合金研究工作中的重要課題。高端應(yīng)用上的鈦合金在未來實(shí)現(xiàn)低成本制造后，鈦合金將會(huì)應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。

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