1789 年英國化學家、礦物愛好者格雷戈爾(William Gregor)牧師在英格蘭末納金地區發現黑磁鐵礦中的氧化物內含有一種新的物質。6 年后的1795 年奧地利化學家克拉普羅特(MartinHeinrich Klaproth)在金紅石礦中也發現了這種物質,是一種新元素的氧化物,并把它比喻為古希臘神話大力神Titans(泰坦)。后來將這個元素的化學名稱定為Titanium,中文名稱為鈦。雖然早在19 世紀末就發現鈦的氧化物,但始終沒有發現純的金屬鈦,直到1910 年美國亨特(M·A·Hunter)用鈉還原四氯化鈦制得較純的鈦,"泰坦"元素才露出它的真面目。1932 年盧森堡科學家克羅爾(W·J·Kroll)以鈣還原四氯化鈦制得鈦,1940 年又在氬保護下用鎂還原四氯化鈦制得,此工藝是上世紀70 年代工業化制取鈦的基礎。

    鈦及鈦合金的基本特性鈦是一種銀白色的金屬,但在空氣中鈦及鈦合金表面有一層薄薄的致密的氧化膜,所以看上去呈灰白色。

    鈦及鈦合金的基本特性:

    ---密度小,強度高,比強度大:鈦的密度4510kg/t,為鋼的57%,不到鋁密度的2 倍,而抗拉強度比鋁的大3 倍。在常用的結構材料中,鈦合金具有最大的比強度,是不銹鋼的3。5 倍,鋁合金的1。3 倍,鎂合金的1。7 倍;

    ---抗腐蝕性強:鈦在一些腐蝕介質中不會被腐蝕,對海水、濕氯、亞氯酸及次氯酸溶液、硝酸、鉻酸、金屬氯化物、硫化物、有機酸等都有強的抗腐蝕性能,這種性能得益于鈦及鈦合金表面有一層堅不可摧的保護性氧化物(TiO2)膜,是當鈦遇到水或水氣時形成的;

    ---耐熱性強:鈦的耐熱性比鋁合金及不銹鋼的高得多,即使耐熱的鋁合金的長期工作溫度也不會超高250℃不銹鋼的也不宜超過350℃可是鈦合金的工作溫度可達500℃是一個名副其實的耐熱合金;

    ---低溫性能好:有一些鈦合金如Ti-5Al-2。5Sn 的強度隨溫度的降低而提高,但塑性雖有所降低,可是不多,在低溫下仍有相當好的塑性與韌性,可用于制造低溫結構與容器;

    ---無磁性:鈦無磁性,是制造潛艇與掃雷艇的良好材料;

    ---熱導率小:鈦的熱導率小,約17W/(m·k)僅為鐵的1/5,鋁的1/12。5,Cu 的1/15,這是一個不足之處;強性模量低:僅108GN/mm2,約為Fe 的55%,但為鋁的1。5 倍。

    作為結構材料使用時,彈性模量低是不足之處;

    ---屈服強度接近抗拉強度:Ti-6Al-4V 合金的屈服強度892N/mm2 接近其抗拉強度960N/mm2,僅相差58N/mm2;在高溫下易氧化與吸氫性強:鈦同氫、氧的結合力強,特別是溫度較高時,因此鈦材焊接時應采用氬保護,管材與薄板應在真空爐內熱處理,鈦鍛件應在微氧化氣氛中熱處理;

    ---鈦合金的另一些特性是:Ti-50%Ni 原子合金在一定溫度條件下有形狀記憶功能。Nb-Ti 合金在接近絕對零度時成為超導材料。Ti-50%Fe 原子合金具有很大的吸氫能力,成為很有本事的貯氫材料。

    鈦:制造核潛艇的上乘材料

由于鈦及鈦合金具有一系列的優良性能與特性,因此自上世紀60 年代中期以來在艦船及海洋工程中獲得了廣泛的應用,受到一致的贊譽。核潛艇、深潛器、原子能破冰船、水翼船、氣墊船和掃雷艇等艦船上都使用了鈦合金螺旋槳推進器、潛艇鞭狀天線、海水管路、冷凝器和熱交換器、聲學裝置、消防設備等。主要應用的合金為工業純鈦(TAO-10)、Ti-6Al-4V(TC4)、Ti-6Al-2Nb-1Ta-0。8Mo、Ti-3Al-2。5V(TA4),等等。

    具有形狀記憶特性的Ti-Ni 合金作為管接頭已在潛艇中獲得應用。這種接頭極難焊接,采用形狀記憶合金使問題迎刃而解,非常適用于海水中工作。

    鈦在江河湖海水中具有非常優秀的抗腐蝕性能,特別對海水腐蝕有很強的耐受力,極為可貴。

    可以毫不夸張地說,鈦在所有天然水中的抗腐蝕性在所有金屬材料中首屈一指。鈦在高溫水及水蒸氣(>300℃中會失去光澤,但是不會腐蝕。

    鈦在260℃海水中仍很抗腐蝕,鈦管凝汽器在受污染的海水中工作25 年后仍完好無損,僅稍有變色,沒有腐蝕跡象。不過由于鈦的海水中既不腐蝕又無毒性,會附著大量海洋生物,不易清除,成為一個麻煩的實際問題。工業純鈦很耐海水的縫隙腐蝕、點腐蝕和沖刷腐蝕,應力腐蝕和腐蝕疲勞敏感性也不大。在高速流動海水(如36。6m/s)中的沖蝕速度會有所上升。當海水中含有混砂等磨擦性顆料時,對鈦的耐沖蝕性有一些影響,但比銅合金及鋁合金的輕得多。在海水中鈦也是最棒的抗空泡腐蝕材料。

    太平洋深處底部存有數以百億噸計的錳結核礦粒與小塊,是一種非常寶貴的取之不盡的礦產,除錳外,還含十幾種有用的與稀有的有色金屬,但是如何把它們開采出來卻是一個尚未圓滿解決的世界性難題。美國的設想是:用深海船上的鈦合金管把錳結核吸出來,每條深海船裝有數百根Ti-6Al-4V(TC4)合金管,管的規格為:壁厚10mm,直徑250mm。開采錳結構的深海船用真空泵將帶錳結核的海水抽吸上來,這種泵須能承受5000m~6000m 深的海水壓力,并且要求有抗海水腐蝕與耐摩擦的超凡能力,鈦合金是制造這種泵性價比最合適的材料。

    俄羅斯鈦合金潛艇技術國際領先蘇聯及后來的俄羅斯不但在研發鈦及鈦合金方面居世界領先水平,而且在建造鈦合金潛艇技術方面也處于國際領先地位,還是用鈦合金建造耐壓殼體的先驅國家。高峰時期,潛艇鈦合金厚板(>6。0mm)和管材的用量超過10kt,占全球鈦加工材年產量的1/3~1/2。熱交換器是潛水艇上的重要裝備,是用導熱性良好的鈦合金制的;潛艇殼體鈦材為鈦合金厚板,要求材料有良好的韌性,以抵擋深水炸彈爆炸沖擊波。潛艇鈦合金厚板扁錠由上薩爾達冶金聯合公司生產,再運到列寧格勒冶金廠(1991 年改為圣彼得堡冶金廠)軋制。俄羅斯的鈦工業發展水平,以及鈦合金在艦船制造工業的使用規模來看,都是全球的領頭羊,遠遠領先世界其他國家。

    從 20 世紀60 年代起至2007 年,蘇聯-俄羅斯研制的鈦合金核潛艇已有4 代,世界首艘K162號全鈦核潛艇1968 年下水,已運行近50 年,到過所有的大洋與海域,經受了驚濤駭浪和不同環境考核,從未出過任何事故。蘇聯1970 年建造第一艘"ALFA"級核潛艇,70 及80 年代又造了6 艘,每艘鈦材用量約3kt,最大下潛深度914m,又快又準。"ALFA"級核潛艇的技術參數見下表。

    上世紀80 年代蘇聯制造了6 艘用鈦量達9000t 的"臺風"級彈道導彈潛艇,第一艘1980 年開始建造,1984 年服役,排水量33800t,水下航速27knot(節,即1 海里/h,1 海里=1853。2m),它是世界上最大的核潛艇,雙殼體結構,非耐壓殼體由高強低磁鋼建造,耐壓殼體以鈦合金打造,可攜帶20 枚戰略導彈,第6 艘這種潛艇1989 年下水。據稱,這批核潛艇原計劃于21 世紀初期起陸續退役。

    2003 年俄羅斯"尤里·多爾戈魯基"號潛艇服役,它是"北風之神"新系列全鈦潛艇的首艘,是第四代新潛艇,其水下排水量雖比"臺風"級潛艇的33800t 小,但卻比"德爾塔"級的11740t大得多,同時它的各項性能均居全球現有同級別潛艇之首,其他的都只有望洋興嘆。

    美國1980 年服役的"俄亥俄"號導彈潛艇的水下航速為20knot,比蘇聯建造的"臺風"級潛艇的27knot 小26%。

責任編輯：周婭

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