鈦及鈦合金的發展與應用研究

摘要:鈦及鈦合金具有比強度高、耐蝕性好、耐熱性高等優良特性，是優質結構材料及新型功能材料。文章結合鈦及其合金的發展，論述了鈦及其合金在航空航天工業、電力工業、石油化學工業、航海工業及汽車工業的應用。

關鍵詞:鈦及其合金性能特點發展應用

中圖分類號:TG146文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)03(a)-0071-01

一個國家有色金屬的消費量和生產量是衡量該國家綜合實力的重要標志之一。我國已發展成為居世界第二位的有色金屬生產大國和消費大國，鈦、鎢、銅、鋅等有色金屬及其合金是我國重要的戰略金屬材料。我國的人均戰略有色金屬資源占有量大大低于世界平均水平，加強戰略金屬新材料的開發應用，促進其資源保護具有重要的戰略意義。鈦及鈦合金由于具有重量輕、強度大、耐熱性強、耐腐蝕、生物相容性好、無磁性、無毒性、工作溫度區寬、加工成形性好等許多優良特性，被譽為未來金屬、空間金屬和海洋金屬，其應用已遍及現代新技術的各個領域，在國民經濟中占有重要地位。

1 鈦及鈦合金的性能特點

鈦的體積質量為4.51g/cm3，比強度高，與高強度鋼相比，相同強度水平可降低重量40%以上。鈦的熔點為1678℃，比鐵的熔點高，是輕金屬中的高熔點金屬，沸點3287℃。純鈦材容易加工，鈦的塑性主要依賴于純度。鈦越純，塑性越大。常溫下鈦為α相，呈密排六方結構，在882℃轉變為體心立方結構的β相。純鈦的電阻率和導熱率與奧氏體不銹鋼大致相當。鈦的比容與奧氏體不銹鋼相當，但由于密度小，則熱容小，容易加熱，也容易冷卻。純鈦具有良好的抗腐蝕性能，不受大氣和海水的影響。在常溫下，不會被稀鹽酸、稀硫酸、硝酸或稀堿溶液所腐蝕;只有氫氟酸、熱的濃鹽酸、濃硫酸等才可對它作用。在大多數水溶液中，都能在表面生成鈍化氧化膜。因此，鈦在酸性、堿性、中性鹽水溶液中和氧化性介質中具有很好的穩定性，比現有的不銹鋼和其它有色金屬的耐腐蝕性都好?？梢杂免伌娌讳P鋼、鎳基合金和其它稀有金屬，制作各種熱交換器、反應器、高壓容器和蒸餾塔等設備。鈦及鈦合金對提高耐蝕產品質量、延長設備使用壽命、減少消耗、降低能耗、降低成本、防止污染、改善勞動條件和提高生產率等方面都有十分重要的意義。

2 鈦及鈦合金的發展

鈦是20世紀50年代發展起來的一種重要的結構金屬。1954年美國研制成功的Ti-6Al-4V合金，由于它具有良好的耐熱性、成形性、耐蝕性和生物相容性，成為鈦工業中的王牌合金，該合金使用量已占全部鈦合金的75％～85％，其他許多鈦合金都可以看作是Ti-6Al-4V合金的改型鈦合金。20世紀60年代，主要發展航空發動機用的高溫鈦合金和機體用的結構鈦合金。20世紀70年代，耐蝕鈦合金和高強鈦合金得到進一步發展，還出現了Ti-Ni、Ti-Ni-Fe、Ti-Ni-Nb等形狀記憶合金，并在工程上獲得日益廣泛的應用。20世紀80年代，耐熱鈦合金的使用溫度已從原來的的400℃提高到600～650℃，A2(Ti3Al)和γ(TiAl)基合金的出現，使鈦在發動機的使用部位正由發動機的冷端(風扇和壓氣機)向發動機的熱端(渦輪)方向推進;結構鈦合金向高強高塑、高強高韌、高模量和高損傷容限方向發展。20世紀80～90年代，新型高強高韌β型鈦合金也得到了廣泛的研發與應用，近幾年國外把采用快速凝固與粉末冶金技術、纖維或顆粒增強復合材料研制鈦合金作為高溫鈦合金的發展方向，使鈦合金的使用溫度可提高到650℃以上。同時開發出一系列具有優良生物相容性的α+β鈦合金，例如Ti-15Zr-4Nb-4Ta-0.2Pd、Ti-15Zr-4Nb-2Ta-0.2Pd-0.20-0.05、Ti-15Sn-4Nb-2Ta-0.2Pd和Ti-15Sn-4Nb -2Ta-0.2Pd-0.20等鈦合金。

3 鈦及鈦合金的應用

3.1 鈦及鈦合金在汽車工業中的應用

汽車工業在我國國民經濟中占有相當的比重，汽車的質量每降低10%，燃料消耗可節省8%～10%，廢氣排放可減少10%。用鈦合金制造發動機連桿，車輛在全速行駛時，連桿質量減輕后，大大提高了燃料的利用率，減少了排氣量，提高了發動機的驅動溫度。應用鈦合金制造連桿，其重心貼近曲軸方向，可大幅度地降低噪聲、振動，提高了發動機性能。鈦合金制汽車造齒輪，具有優良的抗氧化性和抗蠕變性優點。

3.2 鈦及鈦合金在艦船工業中的應

鈦及鈦合金對海水具有良好的耐蝕性，鈦是繼木、鐵、鋁、玻璃纖維及加強塑料之第5代船體用材料。核潛艇、深潛器、原子能破冰船、氣墊船和掃雷艇等使用了鈦材制造螺旋槳推進器、潛艇鞭狀天線、海水管路、冷凝器和熱交換器聲學裝置等。

3.3 鈦及鈦合金在電力工業中的應

鈦合金在火力、原子能發電廠的汽輪機動葉片及凝汽器和管板使用。為了提高原子能發電站的運轉率和安全性，現正在研究使用鈦制冷凝器。1100MW的最新原子能發電站需用鈦材150t;火力發電站的用鈦量也很可觀，一座容量600MW的發電站，需用鈦60t。因此，電力工業能夠成為鈦材的主要應用領域。

3.4 鈦及鈦合金在石油化學工業中的應用

鈦及鈦合金在化工和石化工業中主要用作電解槽、反應器、濃縮器、分離器、熱交換器、冷卻器、吸收塔、泵和閥等。在年產35萬t規模的對苯二甲酸設備中大約要用200t鈦，在用鈦的各種化工設備中，換熱器占鈦材用量的52%。

3.5 鈦及鈦合金在航空航天工業中的應用

鈦合金在現代飛機上的應用越來越廣泛，尤其是在高性能戰斗機的風扇葉片、壓氣機葉片、盤、軸、機匣、骨架、蒙皮、機身隔框和起落架大都需要鈦合金。在航天工業中，使用鈦及其合金制造燃料儲箱、火箭發動機殼體、火箭噴嘴導管、人造衛星外殼等。所以，現代航空航天工業中鈦被稱為不可缺少的太空金屬。

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