钛板及钛合金板的性能及应用

(一)钛的性质

 

 

钛的外观与钢极为相似，密度为4.51克／厘米3，不足钢的60％，是难熔金属中密度*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，则在表面生成一层牢固的氧化膜，起防止进一步氧化的保护作用。钛吸收氧、氮、氢的能力很强，这类气体是对金属钛十分有害的杂质，即使含量甚微(0.01％～0.005％)也能严重影响它的力学性能。

 

 

钛的力学性质即通称的机械性能与纯度十分相关。高纯钛具有优良的机加工性能，延伸率、断面收缩率均佳，但强度低，不适合作结构材料。工业纯钛含有适量的杂质，具有较高的强度和可塑性，适宜制作结构材料。

 

 

在钛的化合物中以二氧化钛(TiO2)*有实用价值。Ti02对人体呈惰性，无毒害，它具有一系列优良的光学性质。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，应用甚广。

 

 

(二)钛的应用

 

 

1．钛及其合金的应用

 

 

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，抗腐蚀、抗氧化、抗疲劳能力均强，钛合金的3／4用作以航空结构合金为代表的结构材料，1／4主要用作耐蚀合金。

 

 

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，在强度上已完全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下降相比，某些钛合金在600℃仍能保持良好的强度。

 

 

除强度外，按用途还可分为耐热、耐蚀、低温及特殊功能(如TiNi形状记忆合金、TiFe贮氢合金)等钛合金，按相组成可分为α、α＋β和β 及近α、亚稳定等数种类型。至今投入生产的合*号已超过100种，工业上广泛应用的只有10余种。其中作结构合金用的Ti-6Al-4V在钛合金的整个销售市场中占60％，居主导地位，其次是Ti-5Al-2.5Sn，它的长期工作温度可达500℃(强度为780～980兆帕)。

 

 

但是，钛有两个主要因素使这个资源丰富的元素不能成为常用金属。首先是成本。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。但主要因素是钛本身的活性极强，很难处理。炉内气氛*严格控制，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，特别在机加工时有刀具和磨料粘结到热的加工表面的倾向，使标准结构件的制造产生大量废钛屑，即所谓的残钛。一般锻造钛锭加工可产生70％的残钛，有时这一数字可高达90％。

 

 

为减少过高成本造成的负担，一方面发展了残钛处理工艺，另一方面开发了近净成形、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术。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％，既降低了材料消耗，又明显减少了切削加工量。又如大型薄壁精密铸造技术在钛合金中的应用，使钛铸件性能接近钛锻件，而成本降低50％左右。

 

 

钛及钛合金的主要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、英国等也主要用于航空工业，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应用不断增加，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，至今许多飞机的结构件均已使用钛合金制造。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作用。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。

 

 

钛的第二项应用领域则与利用其抗蚀能力相关。其中用量*是作氯碱生产的电极材料。钛阳极使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发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发方面就投入了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换器，如我国台州电厂、上海金山热电厂和镇海发电厂的发电机组都选用了钛管冷凝器，用钛量约700吨。秦山和大亚湾核电站都选用了全钛冷凝器。近年来在地热井地热开发方面，钛也大展风采，充分显示了自身的抗蚀能力。在地热卤水的高温腐蚀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，至令已使用Ti-6Al-4V-0.1Ru合金热轧无缝管227吨。估计今后十年内世界各地地热开发的用钛量可能达到2400吨。我国西藏地区的羊八井电站如采用钛材，其面貌将大为改观。

 

 

海洋油气钻探与地热开发主要使用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。船用紧固件使用Ti-5111(Ti-5Al-1Sn-1Zr-1V-0.8Mo)合金。我国为适应海洋工程的需要，也开发了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。可见能源与腐蚀等方面的用钛量不容漠视。

 

 

高尔夫球、生物材料和汽车制造是钛材三个极有希望的新的应用领域。

 

 

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。原因是用钛作球棒强度高、质地轻、击球距离平均提高20～30码(1码=0.9144米)或15％。钛球棒的出现使美国1998年内增加了448个新球场。球员的数目达到2500万人(接近于全世界的一半)。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、冰爪等爬山设施等方面。

 

 

钛有*的生物相容性、低的膨胀系数、高度耐用性及无磁性，是*的骨骼支撑材料。作为植入的髋关节其重量约为不锈钢的一半，并且骨组织在生长时还可直接粘牢在钛植人体上。膝关节、义齿再造等也使用钛合金。据统计，全世界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，还开发了无铝(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。

 

 

低成本钛的生产及钛粉末加工技术的发展，已有可能将钛的应用延伸到汽车行业。用钛制造的弹簧已开始在*方程式赛车上、竞赛用摩托车以及*的法拉利汽车上应用。估计不久在轻型汽车的发动机阀门、连杆、悬簧、排放系统及紧固件上将获得应用。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．钛白的应用

 

 

钛白主要用于涂料、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，应用于化妆品、透镜表面涂饰剂、油墨与涂料添加剂，其应用领域仍在扩大。美国是全球钛白的*生产国和消费国，1998年的产量为136万吨，表观消费量为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%为其他用途。

 

 

3．其他应用

 

 

用钛铁矿精矿制成的钛铁(TiFe)是制造不锈钢时使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，而成本则相对要低，在贮氢、运输、催化、燃料电池等方面与稀土将有一搏。Ti—Ni形状记忆合金更是医用和军工不可或缺的高新技术材料。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钛是一种惰性金属，它的化学符号是ti ，原子序数是22，是一种银色的金属。比重4.51，熔点1668℃. 它在地壳中的储量非常丰富，它仅次于铁、铝、镁，居第四位，比常用金属铜、镍、铅、锌的总和还多十几倍。工业上用来生产钛的矿石有金红石、钛铁矿和钛磁铁矿，由于分离提取困难，具有工业意义的金属钛直到本世纪四十年代才生产出来。因而一般把钛称为稀有轻金属。 由于不同领域不同产品需要的钛及钛合金产品不同，人们将其加工成板，棒，管，带，丝等可在做深加工的形状提供给广大需求者，以满足不同领域的需求，其中以钛板，钛棒，钛管的应用*为广泛。下面就化工行业常用钛板性能做以下介绍： 一． 钛板及钛合金板执行标准：GB/T3621-2007

 

 

三．钛板力学性能

 

 

四. 表面质量

 

 

钛板表面应光洁，呈金属本色。板材允许以喷砂表面交货。

 

 

钛板表面允许存在轻微的发暗和局部的水迹；允许有局部缺陷，不超出厚度公差之半的划伤，压痕，凹坑等缺陷，但应保证*小厚度。

 

 

钛板表面不允许有裂纹，起皮，氧化皮，压折，金属与非金属夹杂等宏观缺陷及过碱洗的痕迹。 钛板允许顺轧制方向清楚局部缺陷，但清除后板材的厚度不小于*小允许厚度。 另外，钛板不应有分层。

 

 

五．钛板的应用

 

 

钛及钛合金的密度小，抗拉强度高，在-253-600摄氏度范围内，他的比强度在金属材料中几乎*，它在适当的氧化性环境中可形成一种薄而坚硬的氧化物膜，具有优异的耐腐蚀性。此外，它还具有非磁性，线膨胀系数小的特点。这就使钛及合金首先称为重要的宇航结构材料，随后又推广到舰船制造，化学工业等领域，并且得到了迅速的发展。特别是化工领域，越来越多的产品中都用到了钛及钛合金产品，像石油化工，纤维，纸浆，化肥，电化学及海水淡化等工业中，做交换器，反应塔，合成器，高压釜等。其中钛板在电解和污水淡化中用作电解板，电解槽，在反应塔，反应釜中被用作塔身和釜身等

 

 

随着科学技术的发展，钛材的应用领域也越来越广阔，如医疗，汽车，体育等方面，通过这些也真切的反应出钛作为一种轻金属，它所具有的优良特性越来越多的被人们所认知和可定，并且以*快的速度取代其他金属而融入我们生产应用领域，甚至我们的身体当中。耐热漆和钛环氧涂料等的用途更是不胜枚举。