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钛及钛合金材料的應用分析

發布時間: 2019-01-18 09:45:57    浏覽次數:

  随着航空航天、汽車輕量化和生物醫用材料等行業的快速發展,钛合金材料的研究與應用也成為當前材料領域的研究熱點之一。钛合金密度一般在4.51g/cm3左右,僅為鋼的60%,但钛的機械強度卻與鋼相差不多,甚至于一些最新研制的钛合金其強度已經超過了部分高強結構鋼,因此與其他常用結構材料如鋼鐵、鋁等相比,钛合金的比強度體現出明顯的優勢;钛合金熱強度高,可在450500℃的溫度下長期工作;抗蝕性好,對點蝕、酸蝕、應力腐蝕的抵抗力特别強,可在潮濕的大氣和海水介質中工作,其抗蝕性遠優于不鏽鋼;另外對堿、氯化物、硝酸、硫酸等同樣具有優良的抗腐蝕能力。同時钛合金在低溫和超低溫下,仍能保持其力學性能。如在-253℃條件下,TA7仍具有良好的塑性。因此,钛合金還可作為低溫結構材料使用。

  但是,钛合金的加工制造工藝難度較大。在钛合金熔煉、鑄造等熱加工過程中,钛易跟氫、氧、氮、碳等雜質發生反應導緻工藝質量難以保證;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、矽、鋁、鐵、鈣、鈉、鉀、鎂、氫,在元素分布序列中排第10位,但钛合金的發展相對于鋼鐵、鋁等還是比較落後的。早在1791年人們就從礦石如金紅石(TiO2)和钛鐵礦(FeTiO3)中發現了钛元素,但如何将钛從這些礦石中提煉出來,這個問題一直困擾了人們100餘年,直到1910年才首次制得純淨钛,進而開啟了钛材的應用時代。

  我國钛的蘊藏量在全世界排名第1,約占全世界钛總量的46%左右[4]。随着科學技術的進步,我國已形成了從钛礦到钛錠再到钛合金加工的産業鍊,目前钛及其合金已得到了廣泛的應用,钛工業以平均每年約8%的增長速度發展;上到航空航天、宇宙飛船,下到深海、油井,钛合金的應用領域越來越廣泛。

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一、钛及钛合金的工業化應用

1.航空航天領域

  钛合金具有密度小、比強度高等優異性能,因此是一種較理想的航空結構材料,目前钛合金在航空航天工業中的應用越來越受到人們的青睐。

  20世紀50年代,在航空飛機中僅有後機身隔熱闆、導風罩、機尾罩等為數不多的非承力構件采用钛合金制造;自60年代起,中機身中的隔框、梁、襟翼滑軌等重要承力構件也逐漸用钛合金來代替結構鋼。就目前的趨勢來看,越是先進的新型飛機,越是寬體飛機,钛用量越大。美國1970年開始服役的C-5钛合金的密度為6%,之後的C-17增至10.3 %2006年後,美國第4代戰鬥機 F22 的用钛量高達39%41%。我國在钛合金的研究與應用方面也取得了長足的進步。20 世紀60 年代投産的殲-7飛機的钛零件質量隻有9kg80年代生産的殲-8Ⅱ型的钛零件質量達到93kg2002年設計定型的昆侖渦噴發動機,钛用量提高至15%,我國第1台渦扇發動機钛用量提高到25%

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

2.船舶領域的應用

  钛屬于化學性質較活潑的元素,與氧的親合力大,放置于空氣中時與氧發生反應在其表面生成一層緻密的TiO2保護膜,使钛合金免于外來介質的腐蝕。因此,钛合金具有良好的耐腐蝕性,可以在酸、堿及氧化性介質中體現出良好的化學穩定性,耐腐蝕性優于現有的不鏽鋼及大部分有色金屬,甚至可與鉑比美。純钛的硬度大概在HV150左右,并不算高,但加入合金元素後硬度提高非常明顯,如TA4的表面硬度大緻為HRC30,超過了常規的不鏽鋼及普通碳鋼材料,如果對其表面處理,則可以超過HRC60;在低溫和超低溫條件下,钛依然保持其原有的性能,強度與硬度維持在較高的水平,因此钛合金非常适合于制作船艦零部件。如以钛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标大概為300m

  20世紀60年代開始,很多國家就開始着手研究将钛合金應用到艦船工業上,如美國、俄羅斯、日本、中國、 英國、法國和德國等國。

  钛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用,特别是美俄等軍事強國,钛合金的研究明顯領先于世界。如俄羅斯是世界上最早研制和使用船用钛合金的國家,目前已構建了系統的船用钛合金系列,研制開發了不同系列強度級别的钛合金産品,已被成功應用于船體、船機、動力裝置等艦船上的零部件及相應設備中,钛以及钛合金産品的生産工藝已經較為成熟;美國對艦船用钛合金的研究也較多,其以航空用钛合金為基礎進行改良,在核動力航母、導彈巡洋艦、導彈護衛艦等不同船體上的艦船的海水冷卻系統、海水系統和滅火系統、結構件、推進器等,均使用了高性能钛合金。

  我國從20世紀60年代開始加強了對船用钛合金的研究。幾十年來,船用钛合金的研究及應用水平取得了顯著的成果,已經形成了較完整的船用钛合金系列,基本滿足了海軍艦艇、潛艇以及深潛器等對不同強度钛合金的要求。如屈服強度在 490 MPa 以下的低強钛合金,具有優異的塑性,如Ti31等用于制造熱交換器、冷凝器等;490790 MPa 之間的中強钛合金,如ZTi60用于制造各種耐壓系統鑄件;高于790 MPa的高強钛合金,也已應用于螺旋槳、高壓容器、彈射裝置等船舶動力工程中的耐熱耐蝕部件。

  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域的新材料研究與開發,钛合金的特殊性能使其在艦船領域具有非常廣闊的應用前景。

3.化工領域

  钛具有良好的耐腐蝕性,是化學工業生産等腐蝕介質作用條件下所使用設備中重要的結構材料之一。采用钛合金代替不鏽鋼、鎳基合金和其他稀有金屬等,可有效降低運營成本、延長設備使用壽命等,對提高産品質量、節能降耗等方面都有十分重要的意義。

  近年來,我國化工領域的钛合金材料主要用于蒸餾塔、反應器、壓力容器、熱交換器、過濾器、測量儀器、汽輪機葉片、泵、閥、管道、氯堿生産電極、合成塔内襯及其他耐酸設備内襯等。

1)氯堿工業中的應用

  由于氯堿工業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,并進一步生産系列化工産品的工藝過程,因此其對防止腐蝕的要求是很高的,因此钛合金材料在氯堿工業中的應用需求還是非常大的。目前氯堿工業中,已經采用钛合金材料制備的設備有濕氯冷卻器、陽極電解槽、脫氯塔加熱管、真空脫氯用泵等。如食鹽電解生産燒堿的工藝過程中産生大量溫度為7595℃的高溫濕氯氣,嚴重污染環境,使用了钛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)钛合金材料在純堿工業中也取得廣泛的應用

  純堿是最基本的化工原料之一,其生産工藝主要是合成堿法,包括氨堿法和聯堿法等。無論哪種工藝方法,多以氨氣(NH3)和二氧化碳(CO2)為氣體介質,液體介質則多為氯離子(Cl-)濃度較高的溶液。以前制作碳化塔管、冷卻器、結晶外冷器等主體設備大都使用碳鋼、鑄鐵材料,反應塔腐蝕嚴重,洩漏現象時常發生。而采用钛合金材料後發生了很大的變化,如大連化學工業股份有限公司堿廠購置了寶雞有色金屬加工廠的 TA2管代替氨冷凝器内鑄鐵管,投産使用14年未發現腐蝕洩露現象,延長了使用壽命。

4.高端油井管領域的應用

  自埃德溫·德雷克1859年在賓州泰特斯維爾鑽出第一口油井後,石油工業迅猛發展,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。管材是油氣鑽采中消耗最大的物資,不僅用量大、花錢多,更重要的是其質量對石油工業關系重大,直接影響到油氣井的單井壽命,進而影響到石油工業的整體效益。

  随着現代鑽采技術的發展,我國石油鑽探開始向更深、條件更苛刻的油氣井發展。普通材質油井管已無法滿足需求,随着開采深度的進一步加深,油井管服役環境擴展至高溫高壓、高CO2、硫化氫(H2S)、Cl-等腐蝕介質共存的極端苛刻條件。

  傳統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,價格昂貴且重,在某些苛刻環境下,比如抗硫磺腐蝕,它就無法抵抗。而钛合金輕,且抗腐蝕性更好。天津鋼管集團通過大量實驗,以钛為基體,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,設計出符合钛合金特性的特殊螺紋絲扣,保證油管連接的密封性,鋼管集團研發生産的钛合金油管所應用的下井深度超過6 300m,成為全球首家開發钛合金油管并應用于超深高含硫油氣田的生産企業。

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二、钛及钛合金在民用生活中的應用

  钛及钛合金不僅是航空航天工業中不可缺少的結構材料,在造船、化工、石油開采等方面也獲得了廣泛的應用。目前正逐步開發應用于生物醫療、眼鏡、首飾、手機、電腦等民用行業,每年均以一定的速度不斷地增長。

1.生物醫療領域

  钛是理想的醫用金屬材料,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、具有生物相容性的钛合金,将其用于矯形術。當前钛合金材料主要用于制造植入人體内的醫療器件、假體或人工器官以及輔助治療設備的钛合金。

20世紀70年代起,我國對生物醫療用钛及钛合金的研究取得了顯著成效,目前已可以用钛合金材料制造醫療器械,人造髋關節、膝關節、肩關節、脅關節、頭蓋骨,主動心瓣、骨骼固定夾等。

  如钛合金烤瓷牙,其強度高、價格低,是目前國内使用較為普遍的一種烤瓷牙。钛合金烤瓷牙,外形美觀,色澤穩定,能很好地恢複牙體形态和功能,尤其适合于對鎳離子敏感的人群,可以避免牙龈出血和黑色牙龈現象的發生,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于非貴金屬烤瓷牙,使用壽命可長達10年。

2.眼鏡行業中的應用

  钛金屬日漸成為一種新型的眼鏡架材料。用钛合金制造的眼鏡架,硬度高,且柔韌性好,符合人體工程學、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,钛材對人體無毒,無任何輻射。另外,钛可以與鎳生成“記憶合金”,即記憶钛合金,這種眼鏡架發生變形後,在特定的溫度下用水進行清洗,即可恢複原狀。

  钛金屬鏡架的生産工藝要求很高,不僅加工工序多,而且需要專用的加工設備以及特殊的焊接技術和電鍍工藝,所以相對其他金屬、闆材或塑料眼鏡架來說钛金屬鏡架價格較高。但随着人們生活水平的提高,钛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各種新的工藝技術,改進生産加工工藝,使其為更多人所接受。

3.首飾行業中的應用

  比起黃金、鉑金等貴金屬,钛作為新型首飾用材不僅價格上占有絕對優勢,其他方面的優勢也不可小觑。①輕,钛合金的密度為黃金的27%,在制作耳墜、項鍊等首飾時優勢明顯,可設計加工一些體積大且造型獨特的特殊飾品。②钛的耐腐蝕性較好,钛表面所生成的氧化膜極其完整緻密,局部遭到破壞後,瞬間會自行修複,不影響其外觀。③良好的生物相容性,人長期接觸後不會造成過敏,尤其對金屬過敏的人可放心佩帶。④钛能着色,可通過改變氧化膜的厚薄程度來改變顔色,無需外加元素。現在可做的顔色有金、黑、藍、褐、花等,色彩時尚。⑤钛硬度高,不易變形,不象普通金銀首飾佩帶一段時間後需要重新整形。

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三、發展趨勢及克服的困難

  钛及钛合金雖已取得了顯著的發展,但由于其工藝性能較差,钛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展與應用領域。

1.加工工藝有待改進

  由于钛在高溫下的化學活性很高,極容易被氧、氮、碳等元素污染,因此钛合金的加工制造過程要求是非常高的。因此,钛合金材料的制造成本十分昂貴,應用領域受到限制,目前大多用在飛機結構、航空器,石油和化學工業等高科技行業。

  钛合金的剛性差、導熱性差造成局部高溫而産生粘刀等,因此加工工藝過程較為困難。通常钛合金的加工性隻有45鋼的20%40%,硬度<HB300,粘刀嚴重;HB>370又太硬加工困難。另外钛的化學活潑性高,很容易與氣體雜質化合。溫度超過600℃時,钛被氧化成脆化層,即所謂“組織α化層”;與氫産生氫脆性;與氮在高溫下形成硬而脆的氮化钛(TiN),加劇刀具磨損。另外,钛合金可與刀具材料的元素發生化學結合,造成嚴重的粘結磨損。

  如何進一步開發钛合金的提純與合金化工藝,并優化機械加工手段,進一步降低钛合金産品的制造成本,是能否促使钛合金廣泛應用的關鍵。

2.高附加值的高端産品的研發

  目前钛合金加工企業中同樣存在着技術水平不高、産能過剩等現象,因此需要企業加大創新力度,生産高附加值的高端産品為企業提供強有力的競争。201612月初,青海聚能钛生産的重達20t的钛錠成為全國乃至整個亞洲範圍内規格最大的單體钛錠,并在此基礎上試制成功了500mm厚超大規格鑄錠,可直軋為200mm卷帶闆坯,進而直接軋制出大于1.8m寬度的寬幅闆,從而颠覆了傳統的軋制工藝,填補了國際技術空白。該技術大大縮短了加工周期,減少了加工環節,提高成材率,降低加工成本,擴大産品競争優勢。

3.行業标準

  钛合金及其産品的制造過程要求較高,而且對生産裝備及加工設備要求也很高,産品的質量控制也存在一定的難度,所以目前钛材的應用還缺乏規範的行業标準。這就意味着钛合金及其産品的質量控制無法達到統一的要求,緻使産品質量參差不齊,這對钛合金的應用領域的擴展是極為不利的。

四、結語

  钛合金的發展前景可以用光明與開闊來形容。由于其具有優異的性能:高的比強度,低密度,抗腐蝕等,在很多領域都有應用,如:航空、軍事、船舶、石油化工等,另外因為钛合金與人體具有很好的兼容性,醫用方面獲得了非常迅速發展。

  钛合金的種種優點着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,應用受限。相信随着钛的冶煉技術與的加工工藝的改進和提高,钛及钛合金産品的品種及其質量控制水平将得到進一步的擴展,其應用領域也将獲擴大,特别是民用行業,像餐具、飾品、手機、電腦、拐杖等民用休閑用品,隻要人們有所需求,都能得到實現

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