鈦及鈦合金材料的性質(zhì)和應(yīng)用

(一)鈦的性質(zhì)

這類氣體是對(duì)金屬鈦十分有害的雜質(zhì)，即使含量甚微(0.01％～0.005％)也能嚴(yán)重影響它的力學(xué)性能。

鈦的力學(xué)性質(zhì)即通稱的機(jī)械性能與純度十分相關(guān)。高純鈦具有優(yōu)良的機(jī)加工性能，延伸率、斷面收縮率均佳，但強(qiáng)度低，不適合作結(jié)構(gòu)材料。工業(yè)純鈦含有適量的雜質(zhì)，具有較高的強(qiáng)度和可塑性，適宜制作結(jié)構(gòu)材料。

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

(二)鈦的應(yīng)用

1．鈦及其鈦合金的應(yīng)用

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

為減少過高成本造成的負(fù)擔(dān)，一方面發(fā)展了殘鈦處理工藝，另一方面開發(fā)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(kuò)散連接等高新技術(shù)。比如通過制粉、成型、燒結(jié)或熱等靜壓固結(jié)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(dá)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(shù)在鈦合金中的應(yīng)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(fèi)領(lǐng)域首先是航空工業(yè)。20世紀(jì)80年代，美國(guó)航空工業(yè)用鈦占鈦材總用量的74.8%，俄羅斯、英國(guó)等也主要用于航空工業(yè)，日本90%的鈦材用于民用工業(yè)。近年來，鈦材在非航空航天工業(yè)中的應(yīng)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(jī)上用作發(fā)動(dòng)機(jī)短艙和隔火壁開始，至今許多飛機(jī)的結(jié)構(gòu)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(zhàn)斗機(jī)、空間衛(wèi)星和導(dǎo)彈上，鈦零件都起到極為關(guān)鍵的作用。如飛機(jī)內(nèi)的風(fēng)扇圓盤、發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等均為鈦鑄件和鍛件制造。

鈦的第二項(xiàng)應(yīng)用領(lǐng)域則與利用其抗蝕能力相關(guān)。其中用量最大是作氯堿生產(chǎn)的電極材料。鈦陽極使用壽命為石墨陽極的10倍，使產(chǎn)能提高近1倍，節(jié)電15％。年產(chǎn)1萬噸苛性鈉，約需5噸鈦。

在航海業(yè)的船舶制造中，鈦曾有過昔日輝煌。前蘇聯(lián)制造的6～7艘3000噸級(jí)核潛艇中每艘用鈦量高達(dá)560噸(其阿爾法級(jí)潛艇的鈦用量在908噸以上)。近年來在海洋油氣勘探與開發(fā)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(fā)方面就投入了150億美元，用于建造21個(gè)懸浮式生產(chǎn)作業(yè)船和64個(gè)平臺(tái)。一個(gè)新平臺(tái)的生命安全系統(tǒng)需50～500噸鈦，楔形應(yīng)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(yè)中已知用鈦?zhàn)靼l(fā)電裝置的冷凝器和熱交換器，近年來在地?zé)峋責(zé)衢_發(fā)方面，鈦也大展風(fēng)采，充分顯示了自身的抗蝕能力。在地?zé)猁u水的高溫腐蝕性環(huán)境中用作動(dòng)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(yōu)點(diǎn)在于能提高采熱的生產(chǎn)率和地?zé)峋膲勖?0世紀(jì)90年代開始美國(guó)在南加州Salton Sea地區(qū)打了一口溫度高達(dá)300℃的地?zé)峋亮钜咽褂肨i-6Al-4V-0.1Ru合金熱軋無縫管227噸。估計(jì)今后十年內(nèi)世界各地地?zé)衢_發(fā)的用鈦量可能達(dá)到2400噸。我國(guó)西藏地區(qū)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?zé)衢_發(fā)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(guó)為適應(yīng)海洋工程的需要，也開發(fā)了Ti75、Ti31和Ti631等合金。

據(jù)統(tǒng)計(jì)一臺(tái)20萬千瓦火力發(fā)電機(jī)組用鈦量為90噸，一座核電站用鈦量為80～100噸?？梢娔茉磁c腐蝕等方面的用鈦量不容漠視。

低成本鈦的生產(chǎn)及鈦粉末加工技術(shù)的發(fā)展，已有可能將鈦的應(yīng)用延伸到汽車行業(yè)。用鈦制造的彈簧已開始在一級(jí)方程式賽車上、競(jìng)賽用摩托車以及最高級(jí)的法拉利汽車上應(yīng)用。估計(jì)不久在輕型汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)閥門、連桿、懸簧、排放系統(tǒng)及緊固件上將獲得應(yīng)用。估計(jì)鈦大舉進(jìn)入汽車市場(chǎng)將從日本和美國(guó)開始。美國(guó)每年能夠生產(chǎn)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(yīng)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(xì)鈦白和水及有機(jī)溶劑組成的鈦溶膠已成為獨(dú)立的新品種，應(yīng)用于化妝品、透鏡表面涂飾劑、油墨與涂料添加劑，其應(yīng)用領(lǐng)域仍在擴(kuò)大。美國(guó)是全球鈦白的最大生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，1998年的產(chǎn)量為136萬噸，表觀消費(fèi)量為113萬噸，產(chǎn)值高達(dá)30億美元。我國(guó)的產(chǎn)量和用量則小得多。美國(guó)鈦白的消費(fèi)，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(yīng)用

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