钛及钛合金材料的应用分析

  随着航空航天、汽车轻量化和生物医用材料等行业的快速发展，钛合金材料的研究与应用也成为当前材料领域的研究热点之一。钛合金密度一般在4.51g/cm3左右，仅为钢的60%，但钛的机械强度却与钢相差不多，甚至于一些最新研制的钛合金其强度已经超过了部分高强结构钢，因此与其他常用结构材料如钢铁、铝等相比，钛合金的比强度体现出明显的优势；钛合金热强度高，可在450～500℃的温度下长期工作；抗蚀性好，对点蚀、酸蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强，可在潮湿的大气和海水介质中工作，其抗蚀性远优于不锈钢；另外对碱、氯化物、硝酸、硫酸等同样具有优良的抗腐蚀能力。同时钛合金在低温和超低温下，仍能保持其力学性能。如在-253℃条件下，TA7仍具有良好的塑性。因此，钛合金还可作为低温结构材料使用。

　　但是，钛合金的加工制造工艺难度较大。在钛合金熔炼、铸造等热加工过程中，钛易跟氢、氧、氮、碳等杂质发生反应导致工艺质量难以保证；另外其抗磨性差、切削加工困难造成其制造成本较高，应用受到一定的限制。尽管其在地壳中的含量非常丰富，为0.63%，仅次于氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁、氢，在元素分布序列中排第10位，但钛合金的发展相对于钢铁、铝等还是比较落后的。早在1791年人们就从矿石如金红石（TiO2）和钛铁矿（FeTiO3)中发现了钛元素，但如何将钛从这些矿石中提炼出来，这个问题一直困扰了人们100余年，直到1910年才首次制得纯净钛，进而开启了钛材的应用时代。

　　我国钛的蕴藏量在全世界排名第1，约占全世界钛总量的46%左右[4]。随着科学技术的进步，我国已形成了从钛矿到钛锭再到钛合金加工的产业链，目前钛及其合金已得到了广泛的应用，钛工业以平均每年约8%的增长速度发展；上到航空航天、宇宙飞船，下到深海、油井，钛合金的应用领域越来越广泛。

一、钛及钛合金的工业化应用

1.航空航天领域

　　钛合金具有密度小、比强度高等优异性能，因此是一种较理想的航空结构材料，目前钛合金在航空航天工业中的应用越来越受到人们的青睐。

　　20世纪50年代，在航空飞机中仅有后机身隔热板、导风罩、机尾罩等为数不多的非承力构件采用钛合金制造；自60年代起，中机身中的隔框、梁、襟翼滑轨等重要承力构件也逐渐用钛合金来代替结构钢。就目前的趋势来看，越是先进的新型飞机，越是宽体飞机，钛用量越大。美国1970年开始服役的C-5钛合金的密度为6%，之后的C-17增至10.3 %，2006年后，美国第4代战斗机 F22 的用钛量高达39%～41%。我国在钛合金的研究与应用方面也取得了长足的进步。20 世纪60 年代投产的歼-7飞机的钛零件质量只有9kg，80年代生产的歼-8Ⅱ型的钛零件质量达到93kg。2002年设计定型的昆仑涡喷发动机，钛用量提高至15%，我国第1台涡扇发动机钛用量提高到25%。

　　20世纪70年代起，民用飞机上开始大量使用钛合金，如一架波音787用钛量高达136t，占全机质量的15%。除此之外，航天工业中的压力容器、燃料贮箱、紧固件、火箭壳体等也开始使用钛合金来制造。

2.船舶领域的应用

　　钛属于化学性质较活泼的元素，与氧的亲合力大，放置于空气中时与氧发生反应在其表面生成一层致密的TiO2保护膜，使钛合金免于外来介质的腐蚀。因此，钛合金具有良好的耐腐蚀性，可以在酸、碱及氧化性介质中体现出良好的化学稳定性，耐腐蚀性优于现有的不锈钢及大部分有色金属，甚至可与铂比美。纯钛的硬度大概在HV150左右，并不算高，但加入合金元素后硬度提高非常明显，如TA4的表面硬度大致为HRC30，超过了常规的不锈钢及普通碳钢材料，如果对其表面处理，则可以超过HRC60；在低温和超低温条件下，钛依然保持其原有的性能，强度与硬度维持在较高的水平，因此钛合金非常适合于制作船舰零部件。如以钛合金为主制造的潜艇，可承受4 500m的深度而不损坏，而一般钢铁潜艇的这个指标大概为300m。

　　20世纪60年代开始，很多国家就开始着手研究将钛合金应用到舰船工业上，如美国、俄罗斯、日本、中国、 英国、法国和德国等国。

　　钛合金具有独特的物理性能（包括磁性能）、较高的比强度以及抗冲击性能、优异的耐腐蚀性能和耐冲刷腐蚀性能等使其在舰船上得到了广泛的应用，特别是美俄等军事强国，钛合金的研究明显领先于世界。如俄罗斯是世界上最早研制和使用船用钛合金的国家，目前已构建了系统的船用钛合金系列，研制开发了不同系列强度级别的钛合金产品，已被成功应用于船体、船机、动力装置等舰船上的零部件及相应设备中，钛以及钛合金产品的生产工艺已经较为成熟；美国对舰船用钛合金的研究也较多，其以航空用钛合金为基础进行改良，在核动力航母、导弹巡洋舰、导弹护卫舰等不同船体上的舰船的海水冷却系统、海水系统和灭火系统、结构件、推进器等，均使用了高性能钛合金。

　　我国从20世纪60年代开始加强了对船用钛合金的研究。几十年来，船用钛合金的研究及应用水平取得了显著的成果，已经形成了较完整的船用钛合金系列，基本满足了海军舰艇、潜艇以及深潜器等对不同强度钛合金的要求。如屈服强度在 490 MPa 以下的低强钛合金，具有优异的塑性，如Ti31等用于制造热交换器、冷凝器等；490～790 MPa 之间的中强钛合金，如ZTi60用于制造各种耐压系统铸件；高于790 MPa的高强钛合金，也已应用于螺旋桨、高压容器、弹射装置等船舶动力工程中的耐热耐蚀部件。

　　近年来，为进一步提高我国海军装备水平，我国非常重视舰船领域的新材料研究与开发，钛合金的特殊性能使其在舰船领域具有非常广阔的应用前景。

3.化工领域

　　钛具有良好的耐腐蚀性，是化学工业生产等腐蚀介质作用条件下所使用设备中重要的结构材料之一。采用钛合金代替不锈钢、镍基合金和其他稀有金属等，可有效降低运营成本、延长设备使用寿命等，对提高产品质量、节能降耗等方面都有十分重要的意义。

　　近年来，我国化工领域的钛合金材料主要用于蒸馏塔、反应器、压力容器、热交换器、过滤器、测量仪器、汽轮机叶片、泵、阀、管道、氯碱生产电极、合成塔内衬及其他耐酸设备内衬等。

（1）氯碱工业中的应用

　　由于氯碱工业中是用电解饱和氯化钠（NaCl）溶液的方法来制取氢氧化钠（NaOH）等，并进一步生产系列化工产品的工艺过程，因此其对防止腐蚀的要求是很高的，因此钛合金材料在氯碱工业中的应用需求还是非常大的。目前氯碱工业中，已经采用钛合金材料制备的设备有湿氯冷却器、阳极电解槽、脱氯塔加热管、真空脱氯用泵等。如食盐电解生产烧碱的工艺过程中产生大量温度为75～95℃的高温湿氯气，严重污染环境，使用了钛合金制作的湿氯气冷却器代替石墨冷却器，取得良好的效果，有的使用寿命超过20年。

（2）钛合金材料在纯碱工业中也取得广泛的应用

　　纯碱是最基本的化工原料之一，其生产工艺主要是合成碱法，包括氨碱法和联碱法等。无论哪种工艺方法，多以氨气（NH3）和二氧化碳（CO2）为气体介质，液体介质则多为氯离子（Cl-）浓度较高的溶液。以前制作碳化塔管、冷却器、结晶外冷器等主体设备大都使用碳钢、铸铁材料，反应塔腐蚀严重，泄漏现象时常发生。而采用钛合金材料后发生了很大的变化，如大连化学工业股份有限公司碱厂购置了宝鸡有色金属加工厂的 TA2管代替氨冷凝器内铸铁管，投产使用14年未发现腐蚀泄露现象，延长了使用寿命。

4.高端油井管领域的应用

　　自埃德温·德雷克1859年在宾州泰特斯维尔钻出第一口油井后，石油工业迅猛发展，目前石油天然气已取代煤炭成为人类使用比例最大的能源。管材是油气钻采中消耗最大的物资，不仅用量大、花钱多,更重要的是其质量对石油工业关系重大，直接影响到油气井的单井寿命，进而影响到石油工业的整体效益。

　　随着现代钻采技术的发展，我国石油钻探开始向更深、条件更苛刻的油气井发展。普通材质油井管已无法满足需求，随着开采深度的进一步加深，油井管服役环境扩展至高温高压、高CO2、硫化氢（H2S）、Cl-等腐蚀介质共存的极端苛刻条件。

　　传统高端抗腐蚀油井管的原材料普遍采用镍基合金，但是近两年，镍基合金的局限性逐渐显现，价格昂贵且重，在某些苛刻环境下，比如抗硫磺腐蚀，它就无法抵抗。而钛合金轻，且抗腐蚀性更好。天津钢管集团通过大量实验，以钛为基体，添加一些合金元素保证抗腐蚀性的同时提高强度、韧性，另外通过改进机加工技术，设计出符合钛合金特性的特殊螺纹丝扣，保证油管连接的密封性，钢管集团研发生产的钛合金油管所应用的下井深度超过6 300m，成为全球首家开发钛合金油管并应用于超深高含硫油气田的生产企业。

二、钛及钛合金在民用生活中的应用

　　钛及钛合金不仅是航空航天工业中不可缺少的结构材料，在造船、化工、石油开采等方面也获得了广泛的应用。目前正逐步开发应用于生物医疗、眼镜、首饰、手机、电脑等民用行业，每年均以一定的速度不断地增长。

1.生物医疗领域

　　钛是理想的医用金属材料，具有良好的生物相容性。美国早在20世纪80年代中期便开始研制不含铝、钒等元素、具有生物相容性的钛合金，将其用于矫形术。当前钛合金材料主要用于制造植入人体内的医疗器件、假体或人工器官以及辅助治疗设备的钛合金。

从20世纪70年代起，我国对生物医疗用钛及钛合金的研究取得了显著成效，目前已可以用钛合金材料制造医疗器械，人造髋关节、膝关节、肩关节、胁关节、头盖骨，主动心瓣、骨骼固定夹等。

　　如钛合金烤瓷牙，其强度高、价格低，是目前国内使用较为普遍的一种烤瓷牙。钛合金烤瓷牙，外形美观，色泽稳定，能很好地恢复牙体形态和功能，尤其适合于对镍离子敏感的人群，可以避免牙龈出血和黑色牙龈现象的发生，此外它的耐腐蚀性也很强，不容易变黑。此种材料生物相容性优于非贵金属烤瓷牙，使用寿命可长达10年。

2.眼镜行业中的应用

　　钛金属日渐成为一种新型的眼镜架材料。用钛合金制造的眼镜架，硬度高，且柔韧性好，符合人体工程学、弹性好、长期使用不变形、不褪色、触感温润柔滑，没有其他金属眼镜架的严寒感，钛材对人体无毒，无任何辐射。另外，钛可以与镍生成“记忆合金”，即记忆钛合金，这种眼镜架发生变形后，在特定的温度下用水进行清洗，即可恢复原状。

　　钛金属镜架的生产工艺要求很高，不仅加工工序多，而且需要专用的加工设备以及特殊的焊接技术和电镀工艺，所以相对其他金属、板材或塑料眼镜架来说钛金属镜架价格较高。但随着人们生活水平的提高，钛金属镜架的需求也越来越大，需要广大科技工作者不断研究与开发各种新的工艺技术，改进生产加工工艺，使其为更多人所接受。

3.首饰行业中的应用

　　比起黄金、铂金等贵金属，钛作为新型首饰用材不仅价格上占有绝对优势，其他方面的优势也不可小觑。①轻，钛合金的密度为黄金的27%，在制作耳坠、项链等首饰时优势明显，可设计加工一些体积大且造型独特的特殊饰品。②钛的耐腐蚀性较好，钛表面所生成的氧化膜极其完整致密，局部遭到破坏后，瞬间会自行修复，不影响其外观。③良好的生物相容性，人长期接触后不会造成过敏，尤其对金属过敏的人可放心佩带。④钛能着色，可通过改变氧化膜的厚薄程度来改变颜色，无需外加元素。现在可做的颜色有金、黑、蓝、褐、花等，色彩时尚。⑤钛硬度高，不易变形，不象普通金银首饰佩带一段时间后需要重新整形。

三、发展趋势及克服的困难

　　钛及钛合金虽已取得了显著的发展，但由于其工艺性能较差，钛的提炼与加工制造成本相当高，从而限制了其合金体系的发展与应用领域。

1.加工工艺有待改进

　　由于钛在高温下的化学活性很高，极容易被氧、氮、碳等元素污染，因此钛合金的加工制造过程要求是非常高的。因此，钛合金材料的制造成本十分昂贵，应用领域受到限制，目前大多用在飞机结构、航空器，石油和化学工业等高科技行业。

　　钛合金的刚性差、导热性差造成局部高温而产生粘刀等，因此加工工艺过程较为困难。通常钛合金的加工性只有45钢的20%～40%，硬度<HB300，粘刀严重；HB>370又太硬加工困难。另外钛的化学活泼性高，很容易与气体杂质化合。温度超过600℃时，钛被氧化成脆化层，即所谓“组织α化层”；与氢产生氢脆性；与氮在高温下形成硬而脆的氮化钛（TiN），加剧刀具磨损。另外，钛合金可与刀具材料的元素发生化学结合，造成严重的粘结磨损。

　　如何进一步开发钛合金的提纯与合金化工艺，并优化机械加工手段，进一步降低钛合金产品的制造成本，是能否促使钛合金广泛应用的关键。

2.高附加值的高端产品的研发

　　目前钛合金加工企业中同样存在着技术水平不高、产能过剩等现象，因此需要企业加大创新力度，生产高附加值的高端产品为企业提供强有力的竞争。2016年12月初，青海聚能钛生产的重达20t的钛锭成为全国乃至整个亚洲范围内规格最大的单体钛锭，并在此基础上试制成功了500mm厚超大规格铸锭，可直轧为200mm卷带板坯，进而直接轧制出大于1.8m宽度的宽幅板，从而颠覆了传统的轧制工艺，填补了国际技术空白。该技术大大缩短了加工周期，减少了加工环节，提高成材率，降低加工成本，扩大产品竞争优势。

3.行业标准

　　钛合金及其产品的制造过程要求较高，而且对生产装备及加工设备要求也很高，产品的质量控制也存在一定的难度，所以目前钛材的应用还缺乏规范的行业标准。这就意味着钛合金及其产品的质量控制无法达到统一的要求，致使产品质量参差不齐，这对钛合金的应用领域的扩展是极为不利的。

四、结语

　　钛合金的发展前景可以用光明与开阔来形容。由于其具有优异的性能：高的比强度，低密度，抗腐蚀等，在很多领域都有应用，如：航空、军事、船舶、石油化工等，另外因为钛合金与人体具有很好的兼容性，医用方面获得了非常迅速发展。

　　钛合金的种种优点着实吸引了人们的眼球，但其昂贵的价格又让人们不得不望而却步，应用受限。相信随着钛的冶炼技术与的加工工艺的改进和提高，钛及钛合金产品的品种及其质量控制水平将得到进一步的扩展，其应用领域也将获扩大，特别是民用行业，像餐具、饰品、手机、电脑、拐杖等民用休闲用品，只要人们有所需求，都能得到实现