鈦及鈦合金的性質與應用范圍
發布時間：2022-09-24
鈦及鈦合金的性質與應用范圍
(一)鈦的性質
鈦的外觀與鋼極為相似，密度為4.51克／厘米3，不足鋼的60％，是難熔金屬中密度最低的金屬元素。
鈦在常溫下的空氣中十分穩定。當加熱到400～550℃時，則在表面生成一層牢固的氧化膜，起防止進一步氧化的保護作用。鈦吸收氧、氮、氫的能力很強，這類氣體是對金屬鈦十分有害的雜質，即使含量甚微(0.01％～0.005％)也能嚴重影響它的力學性能。
鈦的力學性質即通稱的機械性能與純度十分相關。高純鈦具有優良的機加工性能，延伸率、斷面收縮率均佳，但強度低，不適合作結構材料。工業純鈦含有適量的雜質，具有較高的強度和可塑性，適宜制作結構材料。
在鈦的化合物中以二氧化鈦(TiO2)最有實用價值。Ti02對人體呈惰性，無毒害，它具有一系列優良的光學性質。Ti02不透明，光澤度與白度高，折射率與散射力大，遮蓋力強、分散性好，制成的顏料為白色粉末，俗稱鈦白，應用甚廣。
(二)鈦的應用
1．鈦及其鈦合金的應用
致密金屬鈦由于質量輕，比鋁合金強度高，能在高溫下保持比鋁為高的強度而受到航空工業的高度重視。鑒于鈦的密度為鋼的57％，其比強度(強度／重量比或強度／密度比皆稱比強度)高，抗腐蝕、抗氧化、抗疲勞能力均強，鈦合金的3／4用作以航空結構合金為代表的結構材料，1／4主要用作耐蝕合金。
鈦合金有低強高塑性、中強和高強之分，為200(低強)～1300(高強)兆帕，但大體上可以把鈦合金看作是高強合金。它們比被認為是中強的鋁合金的強度為高，在強度上已完全可以取代某些型號的鋼材。與鋁合金在150℃以上的溫度下強度迅速下降相比，某些鈦合金在600℃仍能保持良好的強度。
除強度外，按用途還可分為耐熱、耐蝕、低溫及特殊功能(如TiNi形狀記憶合金、TiFe貯氫合金)等鈦合金，按相組成可分為α、α＋β和β 及近α、亞穩定等數種類型。至今投入生產的合金牌號已超過100種，工業上廣泛應用的只有10余種。其中作結構合金用的Ti-6Al-4V在鈦合金的整個銷售市場中占60％，居主導地位，其次是Ti-5Al-2.5Sn，它的長期工作溫度可達500℃(強度為780～980兆帕)。
但是，鈦有兩個主要因素使這個資源豐富的元素不能成為常用金屬。首先是成本。但主要因素是鈦本身的活性極強，很難處理。爐內氣氛必須嚴格控。金屬鈦的活性高、熱導率低、變形抗力大、常溫可塑性差，變形過程中不但易與模具粘結，特別在機加工時有刀具和磨料粘結到熱的加工表面的傾向，使標準結構件的制造產生大量廢鈦屑，即所謂的殘鈦。一般鍛造鈦錠加工可產生70％的殘鈦，有時這一數字可高達90％。
為減少過高成本造成的負擔，一方面發展了殘鈦處理工藝，另一方面開發了近凈成形、超塑成形、精密鑄造和粉末冶金以及熱等靜壓與擴散連接等高新技術。比如通過制粉、成型、燒結或熱等靜壓固結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在鈦合金中的應用，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領域首先是航空工業。20世紀80年代，近年來，鈦材在非航空航天工業中的應用不斷增加，航空航天仍居“主打”地位。發動機短艙和隔火壁開始，至今許多飛機的結構件均已使用鈦合金制造。在波音757、超音速SR-71黑鳥、F-22噴氣戰斗機、空間衛星和導彈上，鈦零件都起到極為關鍵的作用。如飛機內的風扇圓盤、發動機葉片等均為鈦鑄件和鍛件制造。
鈦的第二項應用領域則與利用其抗蝕能力相關。其中用量最大是作氯堿生產的電極材料。鈦陽極使用壽命為石墨陽極的10倍，使產能提高近1倍，節電15％。年產1萬噸苛性鈉，約需5噸鈦。
在航海業的船舶制造中，鈦曾有過昔日輝煌。前蘇聯制造的6～7艘3000噸級核潛艇中每艘用鈦量高達560噸(其阿爾法級潛艇的鈦用量在908噸以上)。近年來在海洋油氣勘探與開發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方面就投入了150億美元，用于建造21個懸浮式生產作業船和64個平臺。一個新平臺的生命安全系統需50～500噸鈦，楔形應力接頭需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。
在能源工業中已知用鈦作發電裝置的冷凝器和熱交換器，都選用了全鈦冷凝器。近年來在地熱井地熱開發方面，鈦也大展風采，充分顯示了自身的抗蝕能力。在地熱鹵水的高溫腐蝕性環境中用作動力蒸汽渦輪，其他材料皆因壽命短而不得不被鈦取而代之。用鈦的優點在于能提高采熱的生產率和地熱井的壽命。
海洋油氣鉆探與地熱開發主要使用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。我國為適應海洋工程的需要，也開發了Ti75、Ti31和Ti631等合金。
高爾夫球、生物材料和汽車制造是鈦材三個極有希望的新的應用領域。
在運動與休閑領域，高爾夫球具用量的增長頗富戲劇性，1993年鈦尚未進入這一領域，1997年用鈦量一下增長到4000噸。原因是用鈦作球棒強度高、質地輕、擊球距離平均提高20～30碼(1碼=0.9144米)或15％。鈦球棒的出現使美國1998年內增加了448個新球場。球員的數目達到2500萬人(接近于全世界的一半)。1994年只賣出500個球棒，1995年一下增到19萬個，而到1997竟猛增到172萬個。鈦在休閑運動領域大有用武之地，諸如在滑雪板、雪橇、冰斧、冰爪等爬山設施等方面。
鈦有極佳的生物相容性、低的膨脹系數、高度耐用性及無磁性，是極佳的骨骼支撐材料。作為植入的髖關節其重量約為不銹鋼的一半，并且骨組織在生長時還可直接粘牢在鈦植人體上。膝關節、義齒再造等也使用鈦合金。據統計，全世界每年醫學植人的用鈦量在600-1000噸之間。所用鈦材除Ti-6Al--4VELI(超低間隙氧)外，還開發了無鋁(免除對腎和肺的毒害)Timetal 21SRx(Ti-2.75Nb-15.2Mo-0.34Fe-0.18Si-0.250)與Timetal 21S(Ti-2.9Nb-14-9Mo-0.09Fe-2.9Al-0.22Si-0.140)、Ti-6Al-7Nb等鈦合金。
低成本鈦的生產及鈦粉末加工技術的發展，已有可能將鈦的應用延伸到汽車行業。用鈦制造的彈簧已開始在一級方程式賽車上、競賽用摩托車以及最高級的法拉利汽車上應用。估計不久在輕型汽車的發動機閥門、連桿、懸簧、排放系統及緊固件上將獲得應用。
來源：搜鈦網
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