鈦及鈦合金材料的應用分析

  隨著航空航天、汽車輕量化和生物醫用材料等行業的快速發展，鈦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。鈦合金密度一般在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，鈦合金的比強度體現出明顯的優勢；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、應力腐蝕的抵抗力特別強，可在潮濕的大氣和海水介質中工作，其抗蝕性遠優于不銹鋼；另外對堿、氯化物、硝酸、硫酸等同樣具有優良的抗腐蝕能力。同時鈦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，鈦合金還可作為低溫結構材料使用。

　　但是，鈦合金的加工制造工藝難度較大。在鈦合金熔煉、鑄造等熱加工過程中，鈦易跟氫、氧、氮、碳等雜質發生反應導致工藝質量難以保證；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、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)中發現了鈦元素，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[4]。隨著科學技術的進步，我國已形成了從鈦礦到鈦錠再到鈦合金加工的產業鏈，目前鈦及其合金已得到了廣泛的應用，鈦工業以平均每年約8%的增長速度發展；上到航空航天、宇宙飛船，下到深海、油井，鈦合金的應用領域越來越廣泛。

一、鈦及鈦合金的工業化應用

1.航空航天領域

　　鈦合金具有密度小、比強度高等優異性能，因此是一種較理想的航空結構材料，目前鈦合金在航空航天工業中的應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、導風罩、機尾罩等為數不多的非承力構件采用鈦合金制造；自60年代起，中機身中的隔框、梁、襟翼滑軌等重要承力構件也逐漸用鈦合金來代替結構鋼。就目前的趨勢來看，越是先進的新型飛機，越是寬體飛機，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代戰斗機 F22 的用鈦量高達39%～41%。我國在鈦合金的研究與應用方面也取得了長足的進步。20 世紀60 年代投產的殲-7飛機的鈦零件質量只有9kg，80年代生產的殲-8Ⅱ型的鈦零件質量達到93kg。2002年設計定型的昆侖渦噴發動機，鈦用量提高至15%，我國第1臺渦扇發動機鈦用量提高到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鈦合金來制造。

2.船舶領域的應用

　　鈦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致密的TiO2保護膜，使鈦合金免于外來介質的腐蝕。因此，鈦合金具有良好的耐腐蝕性，可以在酸、堿及氧化性介質中體現出良好的化學穩定性，耐腐蝕性優于現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。

　　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，特別是美俄等軍事強國，鈦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鈦合金的國家，目前已構建了系統的船用鈦合金系列，研制開發了不同系列強度級別的鈦合金產品，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，鈦以及鈦合金產品的生產工藝已經較為成熟；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用水平取得了顯著的成果，已經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鑄件；高于790 MPa的高強鈦合金，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，鈦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

　　鈦具有良好的耐腐蝕性，是化學工業生產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、延長設備使用壽命等，對提高產品質量、節能降耗等方面都有十分重要的意義。

　　近年來，我國化工領域的鈦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、氯堿生產電極、合成塔內襯及其他耐酸設備內襯等。

（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，并進一步生產系列化工產品的工藝過程，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中的應用需求還是非常大的。目前氯堿工業中，已經采用鈦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。如食鹽電解生產燒堿的工藝過程中產生大量溫度為75～95℃的高溫濕氯氣，嚴重污染環境，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中也取得廣泛的應用

　　純堿是最基本的化工原料之一，其生產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，泄漏現象時常發生。而采用鈦合金材料后發生了很大的變化，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管代替氨冷凝器內鑄鐵管，投產使用14年未發現腐蝕泄露現象，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鉆出第一口油井后，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。

　　隨著現代鉆采技術的發展，我國石油鉆探開始向更深、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，隨著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，設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，鋼管集團研發生產的鈦合金油管所應用的下井深度超過6 300m，成為全球首家開發鈦合金油管并應用于超深高含硫油氣田的生產企業。

二、鈦及鈦合金在民用生活中的應用

　　鈦及鈦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

　　鈦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、具有生物相容性的鈦合金，將其用于矯形術。當前鈦合金材料主要用于制造植入人體內的醫療器件、假體或人工器官以及輔助治療設備的鈦合金。

從20世紀70年代起，我國對生物醫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療器械，人造髖關節、膝關節、肩關節、脅關節、頭蓋骨，主動心瓣、骨骼固定夾等。

　　如鈦合金烤瓷牙，其強度高、價格低，是目前國內使用較為普遍的一種烤瓷牙。鈦合金烤瓷牙，外形美觀，色澤穩定，能很好地恢復牙體形態和功能，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

　　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、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，這種眼鏡架發生變形后，在特定的溫度下用水進行清洗，即可恢復原狀。

　　鈦金屬鏡架的生產工藝要求很高，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、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各種新的工藝技術，改進生產加工工藝，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，鈦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、項鏈等首飾時優勢明顯，可設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，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、發展趨勢及克服的困難

　　鈦及鈦合金雖已取得了顯著的發展，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展與應用領域。

1.加工工藝有待改進

　　由于鈦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。

　　鈦合金的剛性差、導熱性差造成局部高溫而產生粘刀等，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。另外鈦的化學活潑性高，很容易與氣體雜質化合。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生化學結合，造成嚴重的粘結磨損。

　　如何進一步開發鈦合金的提純與合金化工藝，并優化機械加工手段，進一步降低鈦合金產品的制造成本，是能否促使鈦合金廣泛應用的關鍵。

2.高附加值的高端產品的研發

　　目前鈦合金加工企業中同樣存在著技術水平不高、產能過剩等現象，因此需要企業加大創新力度，生產高附加值的高端產品為企業提供強有力的競爭。2016年12月初，青海聚能鈦生產的重達20t的鈦錠成為全國乃至整個亞洲范圍內規格最大的單體鈦錠，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，擴大產品競爭優勢。

3.行業標準

　　鈦合金及其產品的制造過程要求較高，而且對生產裝備及加工設備要求也很高，產品的質量控制也存在一定的難度，所以目前鈦材的應用還缺乏規范的行業標準。這就意味著鈦合金及其產品的質量控制無法達到統一的要求，致使產品質量參差不齊，這對鈦合金的應用領域的擴展是極為不利的。

四、結語

　　鈦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，另外因為鈦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。

　　鈦合金的種種優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，應用受限。相信隨著鈦的冶煉技術與的加工工藝的改進和提高，鈦及鈦合金產品的品種及其質量控制水平將得到進一步的擴展，其應用領域也將獲擴大，特別是民用行業，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