喜歡漫威英雄的你應(yīng)該很喜歡里面那個穿著盔甲飛來飛去的超級英雄鋼鐵俠吧，不知道你還記不記得他的盔甲是什么材料做的呢？沒錯，是一種神奇的鈦合金。那為什么鋼鐵俠的鎧甲不用鋼鐵，而非要用這個鈦合金呢？鈦究竟是一種什么樣的神奇材料，讓能拯救世界的超級英雄都對他青睞有加，今天《新材料產(chǎn)業(yè)》帶你去揭秘這一切的答案。

 

    隨著航空航天、汽車輕量化和生物醫(yī)用材料等行業(yè)的快速發(fā)展，鈦合金材料的研究與應(yīng)用也成為當前材料領(lǐng)域的研究熱點之一。鈦合金的密度一般在4.51g/cm3左右，僅為鋼的60%，但鈦的機械強度卻與鋼相差不多，甚至于一些最新研制的鈦合金其強度已經(jīng)超過了部分高強結(jié)構(gòu)鋼，因此與其他常用結(jié)構(gòu)材料如鋼鐵、鋁等相比，鈦合金的比強度體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢[1]；鈦合金熱強度高，可在450～500℃的溫度下長期工作；抗蝕性好，對點蝕、酸蝕、應(yīng)力腐蝕的抵抗力特別強，可在潮濕的大氣和海水介質(zhì)中工作，其抗蝕性遠優(yōu)于不銹鋼；另外對堿、氯化物、硝酸、硫酸等同樣具有優(yōu)良的抗腐蝕能力。同時鈦合金在低溫和超低溫下，仍能保持其力學(xué)性能。如在-253℃條件下，TA7仍具有良好的塑性。因此，鈦合金還可作為低溫結(jié)構(gòu)材料使用。

 

    但是，鈦合金的加工制造工藝難度較大。在鈦合金的熔煉、鑄造等熱加工過程中，鈦易跟氫、氧、氮、碳等雜質(zhì)發(fā)生反應(yīng)導(dǎo)致工藝質(zhì)量難以保證；另外其抗磨性差、切削加工困難造成其制造成本較高，應(yīng)用受到一定的限制。盡管其在地殼中的含量非常豐富，為0.63%，僅次于氧、硅、鋁、鐵、鈣、鈉、鉀、鎂、氫，在元素分布序列中排第10位，但鈦合金的發(fā)展相對于鋼鐵、鋁等還是比較落后的。早在1791年人們就從礦石如金紅石（TiO2）和鈦鐵礦（FeTiO3）中發(fā)現(xiàn)了鈦元素，但如何將鈦從這些礦石中提煉出來，這個問題一直困擾了人們100余年，直到1910年才首次制得純凈鈦，進而開啟了鈦材的應(yīng)用時代。

 

    我國鈦的蘊藏量在全世界排名第1，約占全世界鈦總量的46%左右。隨著科學(xué)技術(shù)的進步，我國已形成了從鈦礦到鈦錠再到鈦合金加工的產(chǎn)業(yè)鏈，目前鈦及其合金已得到了廣泛的應(yīng)用，鈦工業(yè)以平均每年約8%的增長速度發(fā)展；上到航空航天、宇宙飛船，下到深海、油井，鈦合金的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。

 

一塊純鈦

 

    一、鈦及鈦合金的工業(yè)化應(yīng)用

 

    1.航空航天領(lǐng)域

 

    鈦合金具有密度小、比強度高等優(yōu)異性能，因此是一種較理想的航空結(jié)構(gòu)材料，目前鈦合金在航空航天工業(yè)中的應(yīng)用越來越受到人們的青睞。

 

    20世紀50年代，在航空飛機中僅有后機身隔熱板、導(dǎo)風罩、機尾罩等為數(shù)不多的非承力構(gòu)件采用鈦合金制造；自60年代起，中機身中的隔框、梁、襟翼滑軌等重要承力構(gòu)件也逐漸用鈦合金來代替結(jié)構(gòu)鋼。就目前的趨勢來看，越是先進的新型飛機，越是寬體飛機，鈦用量越大。美國1970年開始服役的C-5鈦合金的密度為6%，之后的C-17增至10.3 %，2006年后，美國第4代戰(zhàn)斗機 F22 的用鈦量高達39%～41%。我國在鈦合金的研究與應(yīng)用方面也取得了長足的進步。20 世紀60 年代投產(chǎn)的殲-7飛機的鈦零件質(zhì)量只有9kg，80年代生產(chǎn)的殲-8Ⅱ型的鈦零件質(zhì)量達到93kg。2002年設(shè)計定型的昆侖渦噴發(fā)動機，鈦用量提高至15%，我國第1臺渦扇發(fā)動機鈦用量提高到25%。

 

    20世紀70年代起，民用飛機上開始大量使用鈦合金，如一架波音787用鈦量高達136t，占全機質(zhì)量的15%[5]。除此之外，航天工業(yè)中的壓力容器、燃料貯箱、緊固件、火箭殼體等也開始使用鈦合金來制造。

 

    2.船舶領(lǐng)域的應(yīng)用

 

    鈦屬于化學(xué)性質(zhì)較活潑的元素，與氧的親合力大，放置于空氣中時與氧發(fā)生反應(yīng)在其表面生成一層致密的TiO2保護膜，使鈦合金免于外來介質(zhì)的腐蝕。因此，鈦合金具有良好的耐腐蝕性，可以在酸、堿及氧化性介質(zhì)中體現(xiàn)出良好的化學(xué)穩(wěn)定性，耐腐蝕性優(yōu)于現(xiàn)有的不銹鋼及大部分有色金屬，甚至可與鉑比美。純鈦的硬度大概在HV150左右，并不算高，但加入合金元素后硬度提高非常明顯，如TA4的表面硬度大致為HRC30，超過了常規(guī)的不銹鋼及普通碳鋼材料，如果對其表面處理，則可以超過HRC60；在低溫和超低溫條件下，鈦依然保持其原有的性能，強度與硬度維持在較高的水平，因此鈦合金非常適合于制作船艦零部件。如以鈦合金為主制造的潛艇，可承受4 500m的深度而不損壞，而一般鋼鐵潛艇的這個指標大概為300m。

 

    20世紀60年代開始，很多國家就開始著手研究將鈦合金應(yīng)用到艦船工業(yè)上，如美國、俄羅斯、日本、中國、 英國、法國和德國等國。

 

    鈦合金具有獨特的物理性能（包括磁性能）、較高的比強度以及抗沖擊性能、優(yōu)異的耐腐蝕性能和耐沖刷腐蝕性能等使其在艦船上得到了廣泛的應(yīng)用，特別是美俄等軍事強國，鈦合金的研究明顯領(lǐng)先于世界。如俄羅斯是世界上最早研制和使用船用鈦合金的國家，目前已構(gòu)建了系統(tǒng)的船用鈦合金系列，研制開發(fā)了不同系列強度級別的鈦合金產(chǎn)品，已被成功應(yīng)用于船體、船機、動力裝置等艦船上的零部件及相應(yīng)設(shè)備中，鈦以及鈦合金產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝已經(jīng)較為成熟；美國對艦船用鈦合金的研究也較多，其以航空用鈦合金為基礎(chǔ)進行改良，在核動力航母、導(dǎo)彈巡洋艦、導(dǎo)彈護衛(wèi)艦等不同船體上的艦船的海水冷卻系統(tǒng)、海水系統(tǒng)和滅火系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)件、推進器等，均使用了高性能鈦合金。

 

    我國從20世紀60年代開始加強了對船用鈦合金的研究。幾十年來，船用鈦合金的研究及應(yīng)用水平取得了顯著的成果，已經(jīng)形成了較完整的船用鈦合金系列，基本滿足了海軍艦艇、潛艇以及深潛器等對不同強度鈦合金的要求。如屈服強度在 490 MPa 以下的低強鈦合金，具有優(yōu)異的塑性，如Ti31等用于制造熱交換器、冷凝器等；490～790 MPa 之間的中強鈦合金，如ZTi60用于制造各種耐壓系統(tǒng)鑄件；高于790 MPa的高強鈦合金，也已應(yīng)用于螺旋槳、高壓容器、彈射裝置等船舶動力工程中的耐熱耐蝕部件[7]。

 

    近年來，為進一步提高我國海軍裝備水平，我國非常重視艦船領(lǐng)域的新材料研究與開發(fā)，鈦合金的特殊性能使其在艦船領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

 

    3.化工領(lǐng)域

 

    鈦具有良好的耐腐蝕性，是化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)等腐蝕介質(zhì)作用條件下所使用設(shè)備中重要的結(jié)構(gòu)材料之一。采用鈦合金代替不銹鋼、鎳基合金和其他稀有金屬等，可有效降低運營成本、延長設(shè)備使用壽命等，對提高產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)能降耗等方面都有十分重要的意義。

 

    近年來，我國化工領(lǐng)域的鈦合金材料主要用于蒸餾塔、反應(yīng)器、壓力容器、熱交換器、過濾器、測量儀器、汽輪機葉片、泵、閥、管道、氯堿生產(chǎn)電極、合成塔內(nèi)襯及其他耐酸設(shè)備內(nèi)襯等。

 

    （1）氯堿工業(yè)中的應(yīng)用

 

    由于氯堿工業(yè)中是用電解飽和氯化鈉（NaCl）溶液的方法來制取氫氧化鈉（NaOH）等，并進一步生產(chǎn)系列化工產(chǎn)品的工藝過程，因此其對防止腐蝕的要求是很高的，因此鈦合金材料在氯堿工業(yè)中的應(yīng)用需求還是非常大的。目前氯堿工業(yè)中，已經(jīng)采用鈦合金材料制備的設(shè)備有濕氯冷卻器、陽極電解槽、脫氯塔加熱管、真空脫氯用泵等。如食鹽電解生產(chǎn)燒堿的工藝過程中產(chǎn)生大量溫度為75～95℃的高溫濕氯氣，嚴重污染環(huán)境，使用了鈦合金制作的濕氯氣冷卻器代替石墨冷卻器，取得良好的效果，有的使用壽命超過20年。

 

    （2）鈦合金材料在純堿工業(yè)中也取得廣泛的應(yīng)用

 

    純堿是最基本的化工原料之一，其生產(chǎn)工藝主要是合成堿法，包括氨堿法和聯(lián)堿法等。無論哪種工藝方法，多以氨氣（NH3）和二氧化碳（CO2）為氣體介質(zhì)，液體介質(zhì)則多為氯離子（Cl-）濃度較高的溶液。以前制作碳化塔管、冷卻器、結(jié)晶外冷器等主體設(shè)備大都使用碳鋼、鑄鐵材料，反應(yīng)塔腐蝕嚴重，泄漏現(xiàn)象時常發(fā)生。而采用鈦合金材料后發(fā)生了很大的變化，如大連化學(xué)工業(yè)股份有限公司堿廠購置了寶雞有色金屬加工廠的 TA2管代替氨冷凝器內(nèi)鑄鐵管，投產(chǎn)使用14年未發(fā)現(xiàn)腐蝕泄露現(xiàn)象，延長了使用壽命。

 

    4.高端油井管領(lǐng)域的應(yīng)用

 

    自埃德溫·德雷克1859年在賓州泰特斯維爾鉆出第一口油井后，石油工業(yè)迅猛發(fā)展，目前石油天然氣已取代煤炭成為人類使用比例最大的能源。管材是油氣鉆采中消耗最大的物資，不僅用量大、花錢多，更重要的是其質(zhì)量對石油工業(yè)關(guān)系重大，直接影響到油氣井的單井壽命，進而影響到石油工業(yè)的整體效益。

 

    隨著現(xiàn)代鉆采技術(shù)的發(fā)展，我國石油鉆探開始向更深、條件更苛刻的油氣井發(fā)展。普通材質(zhì)油井管已無法滿足需求，隨著開采深度的進一步加深，油井管服役環(huán)境擴展至高溫高壓、高CO2、硫化氫（H2S）、Cl-等腐蝕介質(zhì)共存的極端苛刻條件。

 

    傳統(tǒng)高端抗腐蝕油井管的原材料普遍采用鎳基合金，但是近兩年，鎳基合金的局限性逐漸顯現(xiàn)，價格昂貴且重，在某些苛刻環(huán)境下，比如抗硫磺腐蝕，它就無法抵抗。而鈦合金輕，且抗腐蝕性更好。天津鋼管集團通過大量實驗，以鈦為基體，添加一些合金元素保證抗腐蝕性的同時提高強度、韌性，另外通過改進機加工技術(shù)，設(shè)計出符合鈦合金特性的特殊螺紋絲扣，保證油管連接的密封性，鋼管集團研發(fā)生產(chǎn)的鈦合金油管所應(yīng)用的下井深度超過6 300m，成為全球首家開發(fā)鈦合金油管并應(yīng)用于超深高含硫油氣田的生產(chǎn)企業(yè)。

 

    二、鈦及鈦合金在民用生活中的應(yīng)用

 

    鈦及鈦合金不僅是航空航天工業(yè)中不可缺少的結(jié)構(gòu)材料，在造船、化工、石油開采等方面也獲得了廣泛的應(yīng)用。目前正逐步開發(fā)應(yīng)用于生物醫(yī)療、眼鏡、首飾、手機、電腦等民用行業(yè)，每年均以一定的速度不斷地增長。

 

    1.生物醫(yī)療領(lǐng)域

 

    鈦是理想的醫(yī)用金屬材料，具有良好的生物相容性。美國早在20世紀80年代中期便開始研制不含鋁、釩等元素、具有生物相容性的鈦合金，將其用于矯形術(shù)。當前鈦合金材料主要用于制造植入人體內(nèi)的醫(yī)療器件、假體或人工器官以及輔助治療設(shè)備的鈦合金。

 

    從20世紀70年代起，我國對生物醫(yī)療用鈦及鈦合金的研究取得了顯著成效，目前已可以用鈦合金材料制造醫(yī)療器械，人造髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、脅關(guān)節(jié)、頭蓋骨，主動心瓣、骨骼固定夾等。

 

    如鈦合金烤瓷牙，其強度高、價格低，是目前國內(nèi)使用較為普遍的一種烤瓷牙。鈦合金烤瓷牙，外形美觀，色澤穩(wěn)定，能很好地恢復(fù)牙體形態(tài)和功能，尤其適合于對鎳離子敏感的人群，可以避免牙齦出血和黑色牙齦現(xiàn)象的發(fā)生，此外它的耐腐蝕性也很強，不容易變黑。此種材料生物相容性優(yōu)于非貴金屬烤瓷牙，使用壽命可長達10年。

 

 

    2.眼鏡行業(yè)中的應(yīng)用

 

    鈦金屬日漸成為一種新型的眼鏡架材料。用鈦合金制造的眼鏡架，硬度高，且柔韌性好，符合人體工程學(xué)、彈性好、長期使用不變形、不褪色、觸感溫潤柔滑，沒有其他金屬眼鏡架的嚴寒感，鈦材對人體無毒，無任何輻射。另外，鈦可以與鎳生成“記憶合金”，即記憶鈦合金，這種眼鏡架發(fā)生變形后，在特定的溫度下用水進行清洗，即可恢復(fù)原狀。

 

    鈦金屬鏡架的生產(chǎn)工藝要求很高，不僅加工工序多，而且需要專用的加工設(shè)備以及特殊的焊接技術(shù)和電鍍工藝，所以相對其他金屬、板材或塑料眼鏡架來說鈦金屬鏡架價格較高。但隨著人們生活水平的提高，鈦金屬鏡架的需求也越來越大，需要廣大科技工作者不斷研究與開發(fā)各種新的工藝技術(shù)，改進生產(chǎn)加工工藝，使其為更多人所接受。

 

    3.首飾行業(yè)中的應(yīng)用

 

    比起黃金、鉑金等貴金屬，鈦作為新型首飾用材不僅價格上占有絕對優(yōu)勢，其他方面的優(yōu)勢也不可小覷。①輕，鈦合金的密度為黃金的27%，在制作耳墜、項鏈等首飾時優(yōu)勢明顯，可設(shè)計加工一些體積大且造型獨特的特殊飾品。②鈦的耐腐蝕性較好，鈦表面所生成的氧化膜極其完整致密，局部遭到破壞后，瞬間會自行修復(fù)，不影響其外觀。③良好的生物相容性，人長期接觸后不會造成過敏，尤其對金屬過敏的人可放心佩帶。④鈦能著色，可通過改變氧化膜的厚薄程度來改變顏色，無需外加元素。現(xiàn)在可做的顏色有金、黑、藍、褐、花等，色彩時尚。⑤鈦硬度高，不易變形，不象普通金銀首飾佩帶一段時間后需要重新整形。

 

    三、發(fā)展趨勢及克服的困難

 

    鈦及鈦合金雖已取得了顯著的發(fā)展，但由于其工藝性能較差，鈦的提煉與加工制造成本相當高，從而限制了其合金體系的發(fā)展與應(yīng)用領(lǐng)域。

 

    1.加工工藝有待改進

 

    由于鈦在高溫下的化學(xué)活性很高，極容易被氧、氮、碳等元素污染，因此鈦合金的加工制造過程要求是非常高的。因此，鈦合金材料的制造成本十分昂貴，應(yīng)用領(lǐng)域受到限制，目前大多用在飛機結(jié)構(gòu)、航空器，石油和化學(xué)工業(yè)等高科技行業(yè)。

 

    鈦合金的剛性差、導(dǎo)熱性差造成局部高溫而產(chǎn)生粘刀等，因此加工工藝過程較為困難。通常鈦合金的加工性只有45鋼的20%～40%，硬度<HB300，粘刀嚴重；HB>370又太硬加工困難。另外鈦的化學(xué)活潑性高，很容易與氣體雜質(zhì)化合。溫度超過600℃時，鈦被氧化成脆化層，即所謂“組織α化層”；與氫產(chǎn)生氫脆性；與氮在高溫下形成硬而脆的氮化鈦（TiN），加劇刀具磨損。另外，鈦合金可與刀具材料的元素發(fā)生化學(xué)結(jié)合，造成嚴重的粘結(jié)磨損。

 

    如何進一步開發(fā)鈦合金的提純與合金化工藝，并優(yōu)化機械加工手段，進一步降低鈦合金產(chǎn)品的制造成本，是能否促使鈦合金廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。

 

    2.高附加值的高端產(chǎn)品的研發(fā)

 

    目前鈦合金加工企業(yè)中同樣存在著技術(shù)水平不高、產(chǎn)能過剩等現(xiàn)象，因此需要企業(yè)加大創(chuàng)新力度，生產(chǎn)高附加值的高端產(chǎn)品為企業(yè)提供強有力的競爭。2016年12月初，青海聚能鈦生產(chǎn)的重達20t的鈦錠成為全國乃至整個亞洲范圍內(nèi)規(guī)格最大的單體鈦錠，并在此基礎(chǔ)上試制成功了500mm厚超大規(guī)格鑄錠，可直軋為200mm卷帶板坯，進而直接軋制出大于1.8m寬度的寬幅板，從而顛覆了傳統(tǒng)的軋制工藝，填補了國際技術(shù)空白。該技術(shù)大大縮短了加工周期，減少了加工環(huán)節(jié)，提高成材率，降低加工成本，擴大產(chǎn)品競爭優(yōu)勢。

 

    3.行業(yè)標準

 

    鈦合金及其產(chǎn)品的制造過程要求較高，而且對生產(chǎn)裝備及加工設(shè)備要求也很高，產(chǎn)品的質(zhì)量控制也存在一定的難度，所以目前鈦材的應(yīng)用還缺乏規(guī)范的行業(yè)標準。這就意味著鈦合金及其產(chǎn)品的質(zhì)量控制無法達到統(tǒng)一的要求，致使產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，這對鈦合金的應(yīng)用領(lǐng)域的擴展是極為不利的。

 

    四、結(jié)語

 

    鈦合金的發(fā)展前景可以用光明與開闊來形容。由于其具有優(yōu)異的性能：高的比強度，低密度，抗腐蝕等，在很多領(lǐng)域都有應(yīng)用，如：航空、軍事、船舶、石油化工等，另外因為鈦合金與人體具有很好的兼容性，醫(yī)用方面獲得了非常迅速發(fā)展。

 

    鈦合金的種種優(yōu)點著實吸引了人們的眼球，但其昂貴的價格又讓人們不得不望而卻步，應(yīng)用受限。相信隨著鈦的冶煉技術(shù)與的加工工藝的改進和提高，鈦及鈦合金產(chǎn)品的品種及其質(zhì)量控制水平將得到進一步的擴展，其應(yīng)用領(lǐng)域也將獲擴大，特別是民用行業(yè)，像餐具、飾品、手機、電腦、拐杖等民用休閑用品，只要人們有所需求，都能得到實現(xiàn)。

 

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