钛及钛合金的性质和应用

钛的外不雅观与钢极为相似，密度为4.51克／厘米3，不敷钢的60％，是难熔金属中密度最低的金属元素。

钛在常温下的空气中十分稳定。
当加热到400～550℃时，则在表面天生一层稳定的氧化膜，起防止进一步氧化的保护浸染。
钛接管氧、氮、氢的能力很强，这类气体是对金属钛十分有害的杂质，纵然含量甚微(0.01％～0.005％)也能严重影响它的力学性能。

钛的力学性子即通称的机器性能与纯度十分干系。
高纯钛具有优秀的机加工性能，延伸率、断面紧缩率均佳，但强度低，不适宜作构造材料。
工业纯钛含有适量的杂质，具有较高的强度和可塑性，适宜制作构造材料。

在钛的化合物中以二氧化钛(TiO2)最有实用代价。
Ti02对人体呈惰性，无毒害，它具有一系列优秀的光学性子。
Ti02不透明，光泽度与白度高，折射率与散射力大，遮盖力强、分散性好，制成的颜料为白色粉末，俗称钛白，运用甚广。

(二)钛的运用

1．钛及其钛合金的运用

致密金属钛由于质量轻，比铝合金强度高，能在高温下保持比铝为高的强度而受到航空工业的高度重视。
鉴于钛的密度为钢的57％，其比强度(强度／重量比或强度／密度比皆称比强度)高，抗堕落、抗氧化、抗疲倦能力均强，钛合金的3／4用作以航空构造合金为代表的构造材料，1／4紧张用作耐蚀合金。

钛合金有低强高塑性、中强和高强之分，为200(低强)～1300(高强)兆帕，但大体上可以把钛合金看作是高强合金。
它们比被认为是中强的铝合金的强度为高，在强度上已完备可以取代某些型号的钢材。
与铝合金在150℃以上的温度下强度迅速低落比较，某些钛合金在600℃仍能保持良好的强度。

除强度外，按用场还可分为耐热、耐蚀、低温及分外功能(如TiNi形状影象合金、TiFe贮氢合金)等钛合金，按相组成可分为、＋和 及近、亚稳定等数种类型。
至今投入生产的合金牌号已超过100种，工业上广泛运用的只有10余种。
个中作构造合金用的Ti-6Al-4V在钛合金的全体发卖市场中占60％，居主导地位，其次是Ti-5Al-2.5Sn，它的长期事情温度可达500℃(强度为780～980兆帕)。

但是，钛有两个紧张成分使这个资源丰富的元素不能成为常用金属。
首先是本钱。
按美国的市场价格，每磅(1磅=0.45千克)钛锭坯8～12美元，铝锭为1.00～1.30美元／磅，碳素钢为0.20～0.40美元／磅。
但紧张成分是钛本身的活性极强，很难处理。
炉内气氛必须严格掌握，焊接须在惰性气氛内进行。
金属钛的活性高、热导率低、变形抗力大、常温可塑性差，变形过程中不但易与模具粘结，特殊在机加工时有刀具和磨料粘结到热的加工表面的方向，使标准构造件的制造产生大量废钛屑，即所谓的残钛。
一样平常铸造钛锭加工可产生70％的残钛，有时这一数字可高达90％。

为减少过高本钱造成的包袱，一方面发展了残钛处理工艺，另一方面开拓了近净成形、超塑成形、精密铸造和粉末冶金以及热等静压与扩散连接等高新技能。
比如通过制粉、成型、烧结或热等静压固结方法加工而成的粉末冶金制品为近净成形件，材料利用率高达80％，既降落了材料花费，又明显减少了切削加工量。
又如大型薄壁精密铸造技能在钛合金中的运用，使钛铸件性能靠近钛锻件，而本钱降落50％旁边。

钛及钛合金的紧张消费领域首先是航空工业。
20世纪80年代，美国航空工业用钛占钛材总用量的74.8%，俄罗斯、英国等也紧张用于航空工业，日本90%的钛材用于民用工业。
近年来，钛材在非航空航天工业中的运用不断增加，航空航天仍居“主打”地位。
从1952年钛在道格拉斯DC-7班机上用作发动机短舱和隔火壁开始，至今许多飞机的构造件均已利用钛合金制造。
在波音757、超音速SR-71黑鸟、F-22喷气战斗机、空间卫星和导弹上，钛零件都起到极为关键的浸染。
如飞机内的风扇圆盘、发动机叶片等均为钛铸件和锻件制造。

钛的第二项运用领域则与利用其抗蚀能力干系。
个顶用量最大是作氯碱生产的电极材料。
钛阳极利用寿命为石墨阳极的10倍，使产能提高近1倍，节电15％。
年产1万吨苛性钠，约需5吨钛。

在航海业的船舶制造中，钛曾有过昔日辉煌。
前苏联制造的6～7艘3000吨级核潜艇中每艘用钛量高达560吨(其阿尔法级潜艇的钛用量在908吨以上)。
近年来在海洋油气勘探与开拓方面钛则显示了巨大的威力，仅1997～1999年期间欧洲在北海油气开拓方面就投入了150亿美元，用于建造21个悬浮式生产作业船和64个平台。
一个新平台的生命安全系统需50～500吨钛，楔形应力接头需50～100吨钛，可伸缩升降器需400～1200吨钛，固定升降器需1400～4200吨钛。

在能源工业中已知用钛作发电装置的冷凝器和热交流器，近年来在地热井地热开拓方面，钛也大展风采，充分显示了自身的抗蚀能力。
在地热卤水的高温堕落性环境中用作动力蒸汽涡轮，其他材料皆因寿命短而不得不被钛取而代之。
用钛的优点在于能提高采热的生产率和地热井的寿命。
20世纪90年代开始美国在南加州Salton Sea地区打了一口温度高达300℃的地热井，至令已利用Ti-6Al-4V-0.1Ru合金热轧无缝管227吨。
估计今后十年内天下各地地热开拓的用钛量可能达到2400吨。
我国西藏地区的羊八井电站如采取钛材，其面貌将大为改不雅观。

海洋油气钻探与地热开拓紧张利用Ti-6Al-4VELI、Ti-3Al-2.5V、Ti-6Al-4V-0.1Ru、Ti-3Al-2.5V-0.1Ru及含钼Ti-38644(Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo)等合金。
船用紧固件利用Ti-5111(Ti-5Al-1Sn-1Zr-1V-0.8Mo)合金。
我国为适应海洋工程的须要，也开拓了Ti75、Ti31和Ti631等合金。

据统计一台20万千瓦火力发电机组用钛量为90吨，一座核电站用钛量为80～100吨。
可见能源与堕落等方面的用钛量不容忽略。

高尔夫球、生物质料和汽车制造是钛材三个极有希望的新的运用领域。

在运动与休闲领域，高尔夫球具用量的增长颇富戏剧性，1993年钛尚未进入这一领域，1997年用钛量一下增长到4000吨。
缘故原由是用钛作球棒强度高、质地轻、击球间隔均匀提高20～30码(1码=0.9144米)或15％。
钛球棒的涌现使美国1998年内增加了448个新球场。
球员的数目达到2500万人(靠近于全天下的一半)。
1994年只卖出500个球棒，1995年一下增到19万个，而到1997竟猛增到172万个。
钛在休闲运动领域大有用武之地，诸如在滑雪板、雪橇、冰斧、冰爪等爬山举动步伐等方面。

钛有极佳的生物相容性、低的膨胀系数、高度耐用性及无磁性，是极佳的骨骼支撑材料。
作为植入的髋枢纽关头其重量约为不锈钢的一半，并且骨组织在成长时还可直接粘牢在钛植人体上。
膝枢纽关头、义齿再造等也利用钛合金。
据统计，全天下每年医学植人的用钛量在600-1000吨之间。
所用钛材除Ti-6Al--4VELI(超低间隙氧)外，还开拓了无铝(免除对肾和肺的毒害)Timetal 21SRx(Ti-2.75Nb-15.2Mo-0.34Fe-0.18Si-0.250)与Timetal 21S(Ti-2.9Nb-14-9Mo-0.09Fe-2.9Al-0.22Si-0.140)、Ti-6Al-7Nb等钛合金。

低本钱钛的生产及钛粉末加工技能的发展，已有可能将钛的运用延伸到汽车行业。
用钛制造的弹簧已开始在一级方程式赛车上、竞赛用摩托车以及最高级的法拉利汽车上运用。
估计不久在轻型汽车的发动机阀门、连杆、悬簧、排放系统及紧固件年夜将得到运用。
估计钛大举进入汽车市场将从日本和美国开始。
美国每年能够生产1600万辆轿车和轻型卡车，日本本田公司1998年下半年已先期将钛阀门用于Altezza家庭轿车。

2．钛白的运用

钛白紧张用于涂料、塑料、造纸、合成纤维、印刷油墨、橡胶、搪瓷等方面，为其他白色涂料所不及。
超微细钛白和水及有机溶剂组成的钛溶胶已成为独立的新品种，运用于扮装品、透镜表面涂饰剂、油墨与涂料添加剂，其运用领域仍在扩大。
美国是环球钛白的最大生产国和消费国，1998年的产量为136万吨，表不雅观消费量为113万吨，产值高达30亿美元。
我国的产量和用量则小得多。
美国钛白的消费，50%为颜料、油漆、清漆，23%为造纸，23%为塑料，9%为其他用场。

3．其他运用

用钛铁矿精矿制成的钛铁(TiFe)是制造不锈钢时利用的脱氧剂和稳定剂，钛铁贮氢阳极在贮氢电池制造中与稀土贮氢材料在性能上各有千秋，而本钱则相对要低，在贮氢、运输、催化、燃料电池等方面与稀土将有一搏。
Ti—Ni形状影象合金更是医用和军工不可或缺的高新技能材料。
至于电子陶瓷功能材料钛酸钡、钛酸锶、钛化合物催化剂以及有机钛耐热漆和钛环氧涂料等的用场更是不胜列举。

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