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鈦及鈦合金的應用與前景

2022-10-18 15:23:53 作者：材易通來源：材易通分享至：

鈦金屬的來源

鈦金屬最早在1791年被英國一位名叫格雷戈爾的業余礦物學家發現的，到1795年，德國化學家克拉普魯斯以希臘神Titans命名了這種未知的金屬物質，中文英譯為“鈦”。鈦在地球上儲量豐富，已知的鈦礦物有140多種，但工業應用主要是鈦鐵礦和金紅石，其中中國鈦鐵礦儲量占到全球儲量的28%，排名全球第一。

鈦是世界上公認的無毒元素，開采和生產成本高，價格昂貴。由于耐高低溫、抗強酸堿、高強度、低密度等一系列資質，成為NASA同款火箭衛星專用材料，也被應用于我國的玉兔號、殲20、山東艦航母等超級項目。在上世紀80年代走入民用領域后，以其天然具有的抑菌性與親生物性，一躍成為是食器界的“榮譽金屬王”。

我國的鈦工業起步于20世紀50年代，到60年代中期，我國分別在遵義和寶雞建成海綿鈦和鈦加工生產廠，這意味著中國已經成為全球鈦工業強國之一。21世紀我國鈦工業進入了加速發展的新時期，鈦產能位居全球前列。

純鈦和鈦合金的區別

純鈦：

或叫工業純鈦或商業純鈦，是是按照雜質元素的含量劃分等級的。它具有優良的沖壓工藝性能和焊接性能，對熱處理及組織類型不敏感，在令人滿意的塑性條件下具有一定的強度。它的強度主要取決于間隙元素氧、氮的含量。99.5%工業純鈦的性能為：密度P=4.5g/cm3，熔點為1800°C，導熱系數λ=15.24W/(M.K),抗拉強度σ b=539MPa，伸長率:δ =25%，斷面收縮率ψ=25%，彈性摸量E=1.078×105MPa，硬度HB195。

鈦合金：

鈦合金是以鈦為基礎加入其他元素組成的合金，屬于比較年輕的金屬，從發現到現在也就六七十年的歷史。鈦合金材料具有質量輕，強度大，彈性小，耐高溫和耐腐蝕等特點，主要用于航空發動機，火箭，導彈等部件。鈦有兩種同質異晶體；鈦是同索異構體，熔點為1720°C在低于882°C時呈密排六方晶體格結構，稱為a鈦；在882°C以上呈體心立方品格結構，稱為B鈦，利用鈦的上述兩種結構的不同特點，添加適當的合金元素，使其相變溫度及相分含量逐漸改變而得到不同組織的鈦合金（itaniumalloys）。

鈦合金元素根據它們對相變溫度的影響可分為三類：①穩定a相，提高相轉變溫度的元素為a穩定元素，有鋁、鎂、氧和氮等。其中鋁是鈦合金主要合金元素，它對提高合金的常溫和高溫強度，降低比重、增加彈性摸量有明顯效果。②穩定B相、降低相變溫度的元素為B穩定元素。又可分同晶型和共析型二種，前者有鉬、鈮、釩等：后者有鉻、錳、銅、硅等。③對相變溫度影響不大的元素為中性元素，有鋯、錫等。

鈦及鈦合金牌號和化學成分表

下文選出常見的牌號進行詳解：

TA1（美標Gr1）

TA1(Gr1)鈦是四種工業純鈦等級中的第一種。它是這些等級中最柔軟，最具延展性的。它具有最大的成形性，優異的耐腐蝕性和高沖擊韌性。TA1級是任何需要易成型性的應用的首選材料，通?？捎米麾伆搴外伖懿?。

TA2（美標Gr2）級

由于其多樣化的可用性和廣泛的可用性，TA2級鈦被稱為商業純鈦工業的“主力”。它與TA1級鈦合金具有許多相同的品質，但略強。兩者同樣耐腐蝕。該牌號具有良好的可焊性，強度，延展性和可成形性。這使得TA2級鈦棒和鈦板材成為建筑、發電、醫療行業等許多應用領域的首選。

TA3（美標Gr3）級

該等級最少使用商業純鈦等級，但這并不會使其價值降低。TA3級比TA1級和TA2級更強，延展性相似，只有輕微的可成形性 - 但它具有比其前輩更高的機械性能。TA3級用于要求中等強度和主要耐腐蝕性的應用中，如航空航天、化學處理、海洋產業等。

TA4（美標Gr4）級

TA4級被認為是四種商業純鈦中最強的。它還以其優異的耐腐蝕性，良好的可成形性和可焊性而著稱。在一些機身組件、低溫容器、換熱器等需要高清都的應用中使用。

TA9（美標Gr7）級

TA9級在機械和物理上等同于TA2級，除了添加間隙元素鈀，使其成為合金。7級具有優異的可焊性和特性，是所有鈦合金中耐腐蝕性最強的。事實上，它在還原酸中最耐腐蝕。TA9級用于化學工藝和生產設備部件。TA9擁有極其強的耐腐蝕性能，尤其在還原酸性環境中。

TA9-1（美標Gr11）級

TA9-1級與TA1級非常相似，只是加入少量鈀以增強耐腐蝕性，使其成為合金。這種耐腐蝕性可用于防止縫隙腐蝕和減少氯化物環境中的酸。其他有用的性能包括最佳延展性，冷成型性，有用強度，沖擊韌性和優異的可焊性。該合金可用于與1級相同的鈦應用，特別是在需要腐蝕的地方。

Ti 6Al-4V（國標TC4，美標Gr5）級

被稱為鈦合金的“主力”的是Ti 6Al-4V或5級鈦，是所有鈦合金中最常用的。它占全世界鈦用量總量的50％。它的可用性在于它的許多好處。可以對Ti 6Al-4V進行熱處理以增加其強度。它可以在高達600°F的使用溫度下用于焊接結構。該合金具有重量輕，有用的可成形性和高耐腐蝕性的高強度。Ti 6AI-4V的可用性使其成為用于多個行業的最佳合金，如航空航天，醫療，船舶和化學加工行業。它可用于創建以下技術內容：

飛機渦輪機

發動機部件

飛機結構部件

航空航天緊固件

高性能自動零件

海洋應用

運動器材

Ti 6AL-4V ELI（國標TC4ELI，美標Gr23）級

Ti 6AL-4V ELI或TC4ELI級是Ti 6Al-4V的更高純度形式。它可以制成線圈，絞線，電線或扁平電線。對于任何需要高強度，輕質，良好耐腐蝕性和高韌性的情況，它都是首選。它對其他合金具有出色的損傷容限。這些優點使TC4ELI級成為終極牙科和醫用鈦等級。由于其生物相容性，良好的疲勞強度和低模量，它可以用于生物醫學應用，例如可植入組件。它也可用于詳細的外科手術，如：

矯形銷和螺釘

骨科電纜

Ligature剪輯

外科植入

正畸矯治器

在關節置換中

低溫容器

骨固定裝置

TA10（美標Gr12）級

TA10級鈦因其高質量的可焊性而具有“優異”等級。它是一種高度耐用的合金，可在高溫下提供很大的強度。TA10級鈦具有與300系列不銹鋼相似的特性。該合金可以使用壓制成型，水壓成型，拉伸成型或落錘法進行熱或冷成型。它以各種方式形成的能力使其在許多應用中有用。這種合金的高耐腐蝕性也使其對那些需要考慮縫隙腐蝕的制造設備具有無法估量的價值。TA10級可用于以下行業和應用：

殼和熱交換器

濕法冶金應用

高溫化學制造

海運和機票組件

Ti 5Al-2.5Sn

Ti 5Al-2.5Sn是一種不可熱處理的合金，可以獲得良好的焊接性和穩定性。它還具有高溫穩定性，高強度，良好的耐腐蝕性和良好的抗蠕變性。蠕變是指在高溫下長時間發生塑性應變的現象。Ti 5Al-2.5Sn主要用于飛機和機身應用以及低溫應用。

最后附上國外標準及國家標準新老鈦牌號和化學成分對比

鈦及鈦合金的應用

鈦及鈦合金材料雖然儲量豐富，價格卻十分昂貴，這是因為鈦在高溫條件下化學活性小，其冶煉技術及操作環境十分苛刻，必須要在高溫、真空條件下進行冶煉，溫度常達到800℃以上，相比于鋼鐵冶煉要困難許多。因此每每提到鈦合金的時候，人們都覺得它是高檔金屬材料，產量低價格貴，應用很少。

目前，由于鈦合金重量輕、強度大又耐高溫的優異性能，鈦及鈦合金材料廣泛用于各國的尖端武器和國之重器的制造上，如尤其適合應用于航空航天領域。舉例應用領域如下：

化工領域

1. 制堿行業

制堿行業中鈦制冷器的出現，可以很好的解決由于傳統冷卻工藝不合理出現產出氯氣質量不合格現象。同時改變了氯堿工業的生產面貌，投入的鈦合金制冷器壽命可長達20年。

2. 制鹽行業

目前較為先進的制鹽工藝為真空制鹽，而此過程中產生的高溫濃鹽水會對碳鋼結構造成嚴重的破壞，產生設備滴漏現象。將鈦鋼復合結構用于加熱室與蒸發室，可以有效防止結鹽垢，提高制鹽品質，同時減輕蒸發過程中高濃度鹽水對管壁的腐蝕，延長檢修周期。

航空航天領域

1. 航空工業

鈦合金在航上的應用分為飛機結構鈦合金和發動機結構鈦合金，飛機鈦合金結構件主要應用部位有起落架部件、框、梁、機身蒙皮、隔熱罩等。俄羅斯的伊爾-76飛機采用高強度BT22鈦合金制造起落架和承力梁等關鍵部件；波音747主起落架傳動橫梁材料為Ti-6Al-4V，鍛件長6.20米、寬0.95米，質量達1545千克；高強高韌Ti-62222S鈦合金被用在C-17飛機水平安定面轉軸關鍵部位。航空發動機方面鈦合金應用于壓氣機盤、葉片、鼓筒、高壓壓氣機轉子、壓氣機機匣等。波音747-8GENX發動機風扇葉片的前緣與尖部，采用了鈦合金防護套，在10年的服役期內僅做過3次更換。

2. 航天工業

航天飛行器的工作條件非常極端，除了材料的結構設計需要高超的技術外，材料本身的優異特性和功能也很重要，因此鈦合金在眾多材料中脫穎而出。在宇航設備方面在20世紀60年代美國阿波羅計劃中的宇宙飛船雙人艙及密閉艙翼梁及肋都由Ti-5Al-2.5Sn制造，襯里則由純鈦制造；德國MT宇航公司制備出高強Ti-15V-3Cr合金推進系統貯箱，并應用于歐洲阿爾法通信衛星巨型平臺；俄羅斯鈦合金在航天工程上的應用實例很多，如能源號運載火箭使用了重3.5t的BT23鈦合金大型模鍛件和鍛件，此外鈦合金還應用于液體燃料火箭發動機的燃料艙、低溫液體儲存箱及液氫輸送泵葉輪等。

同樣，國內航天工程的迅猛發展中，鈦合金也得到廣泛的應用，1970年東方一號衛星到現在的神州系列飛船、嫦娥探測器等都有使用鈦合金，此外我國研制的液氫環境下使用的低溫TA7ELI鈦合金氣瓶已用于長征系列運載火箭；哈工大用TC4鈦合金制備了月球車的輪圈；此外我國還用BT20等高強鈦合金制造導彈的發動機殼體、噴管等構件。

船艦領域

鈦及鈦合金廣泛應用于核潛艇、深潛器、原子能破冰船、水翼船、氣墊船、掃雷艇，以及螺旋槳推進器、鞭狀天線、海水管路、冷凝器、熱交換器、聲學裝置、消防設備上。如美國的“海崖”號深潛器裝備了鈦觀察艙和操縱艙，下潛深度可達6100m；日本東邦鈦公司與藤新造船所共同建造了“摩利支天Ⅱ號”全鈦制快艇，一段時間內在美國很暢銷；我國首臺自主設計、自主集成的載人潛水器“蛟龍”號也應用了鈦合金，蛟龍號工作范圍覆蓋全球海洋區域的99.8%。

鈦及鈦合金現存問題及展望

盡管鈦及鈦合金已經取得了顯著的發展，但存在的問題也隨之暴露出來，對于鈦合金的發展也面臨著不小的挑戰。主要體現在以下三個方面：

1）產量方面。

我國雖為鈦工業大國，但在生產中高品質產品數量不高，特殊性能的鈦產品種類少，其次，我國還不能批量穩定生產鈦帶和鈦擠壓型材，限制了鈦及鈦合金在航空航天、海洋等領域的開發利用。要想進一步將航空發動機鈦用量提高至50%左右難度仍然很大。

2）性能方面

由于鈦金屬具有高化學活性，容易被其他元素污染，因此鈦合金的加工和制造工藝非常高，同時加工出的高性能產品需要和綜合考慮其力學、物理、化學、工藝性能，現有的鈦合金在600℃以上，蠕變抗力和高溫抗氧化性的急劇下降是限制鈦合金擴大應用的兩大主要障礙。

3）成本方面

目前各國都在努力降低鈦合金的應用成本，也取得了很多成就，但就我國的目前的形勢而言，我國管理和技術水平還未達到理想高度，國內鈦合金產品價格在國際上競爭力較差，不利于進一步擴大使用。

目前鈦合金的主要應用領域還是航空航天等軍事工業部門，開發新的應用領域，比如在汽車、火車、高鐵、還有日常生活常用的民用領域的應用前景仍然十分廣闊。此外，用價格較低的元素取代貴的合金元素，通過工藝途徑降低鈦合金零部件的成本，是今后鈦合金研究工作中的重要課題。高端應用上的鈦合金在未來實現低成本制造后，鈦合金將會應用到各個領域。

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