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    鈦的性能和主要應用范圍

    在宇航合金等多個領域金屬鈦有了很大前景,由于它本身具有超強抗磨損能力,在不久的將來有望代替機油中的抗磨損添加劑。

    (一)鈦的性質

    鈦的外觀與鋼極為類似,密度為4.51克/公分3,缺乏鋼的60%,是難熔金屬中密度最低的金屬元素。

    鈦在常溫下的空氣中非常安穩。當加熱到400~550℃時,則在外表生成一層結實的氧化膜,起避免進一步氧化的維護效果。鈦吸收氧、氮、氫的才能很強,這類氣體是對金屬鈦非常有害的雜質,即便含量甚微(0.01%~0.005%)也能嚴重影響它的力學功用。

    鈦的力學性質即通稱的機械功用與純度非常關聯。高純鈦具有優秀的機加工功用,延伸率、斷面縮短率均佳,但強度低,不適協作規劃資料。工業純鈦富含過量的雜質,具有較高的強度和可塑性,適合制作規劃資料。

    在鈦的化合物中以二氧化鈦(TiO2)最有實用價值。Ti02對人體呈慵懶,無毒害,它具有一系列優秀的光學性質。Ti02不透明,光澤度與白度高,折射率與散射力大,遮蓋力強、分散性好,制成的顏料為白色粉末,俗稱鈦白,運用甚廣。

    (二)鈦的運用

    1.鈦及其合金的運用

    細密金屬鈦因為質量輕,比鋁合金強度高,能在高溫下堅持比鋁為高的強度而遭到航空工業的高度重視。鑒于鈦的密度為鋼的57%,其比強度(強度/分量比或強度/密度比皆稱比強度)高,抗腐蝕、抗氧化、抗疲勞才能均強,鈦合金的3/4用作以航空規劃合金為代表的規劃資料,1/4首要用作耐蝕合金。

    鈦合金有低強高塑性、中強和高強之分,為200(低強)~1300(高強)兆帕,但大體上可以把鈦合金看作是高強合金。它們比被認為是中強的鋁合金的強度為高,在強度上已完全可以替代某些類型的鋼材。與鋁合金在150℃以上的溫度下強度敏捷下降比較,某些鈦合金在600℃仍能堅持杰出的強度。

    除強度外,按用處還可分為耐熱、耐蝕、低溫及特別功用(如TiNi形狀回憶合金、TiFe貯氫合金)等鈦合金,按相組成可分為α、α+β和β 及近α、亞安穩等數種類型。至今投入出產的合金商標已超越100種,工業上廣泛運用的只要10余種。其間作規劃合金用的Ti-6Al-4V在鈦合金的整個銷售市場中占60%,居主導位置,其次是Ti-5Al-2.5Sn,它的長時間工作溫度可達500℃(強度為780~980兆帕)。

    可是,鈦有兩個首要因素使這個資源豐富的元素不能成為常用金屬。首先是本錢。按美國的市場價格,每磅(1磅=0.45千克)鈦錠坯8~12美元,鋁錠為1.00~1.30美元/磅,碳素鋼為0.20~0.40美元/磅。但首要因素是鈦本身的活性極強,很難處置。爐內氣氛有必要嚴格控制,焊接須在慵懶氣氛內進行。金屬鈦的活性高、熱導率低、變形抗力大、常溫可塑性差,變形過程中不光易與模具粘結,特別在機加工時有刀具和磨料粘結到熱的加工外表的傾向,使規范規劃件的制作發作很多廢鈦屑,即所謂的殘鈦。通常鑄造鈦錠加工可發作70%的殘鈦,有時這一數字可高達90%。

    為削減過高本錢形成的擔負,一方面開展了殘鈦處置工藝,另一方面開發了近凈成形、超塑成形、精細鑄造和粉末冶金以及熱等靜壓與分散銜接等高新技能。比方經過制粉、成型、燒結或熱等靜壓固結辦法加工而成的粉末冶金制品為近凈成形件,資料運用率高達80%,既下降了資料耗費,又顯著削減了切削加工量。又如大型薄壁精細鑄造技能在鈦合金中的運用,使鈦鑄件功用挨近鈦鍛件,而本錢下降50%左右。

    鈦及鈦合金的首要消耗范疇首先是航空工業。20世紀80年代,美國航空工業用鈦占鈦材總用量的74.8%,俄羅斯、英國等也首要用于航空工業,日本90%的鈦材用于民用工業。近年來,鈦材在非航空航天工業中的運用不斷增加,航空航天仍居“主打”位置。從1952年鈦在道格拉斯DC-7班機上用作發動機短艙和隔火壁開端,至今許多飛機的規劃件均已運用鈦合金制作。在波音757、超音速SR-71黑鳥、F-22噴氣戰斗機、空間衛星和導彈上,鈦零件都起到極為要害的效果。如飛機內的電扇圓盤、發動機葉片等均為鈦鑄件和鍛件制作。

    鈦的第二項運用范疇則與運用其抗蝕才能關聯。其間用量最大是作氯堿出產的電極資料。鈦陽極運用壽數為石墨陽極的10倍,使產能前進近1倍,節電15%。年產1萬噸苛性鈉,約需5噸鈦。

    在帆海業的船只制作中,鈦曾有過舊日光輝。前蘇聯制作的6~7艘3000噸級核潛艇中每艘用鈦量高達560噸(其阿爾法級潛艇的鈦用量在908噸以上)。近年來在海洋油氣勘探與開發方面鈦則顯現了宏大的威力,僅1997~1999年時間歐洲在北海油氣開發方面就投入了150億美元,用于締造21個懸浮式出產作業船和64個渠道。一個新渠道的生命安全體系需50~500噸鈦,楔形應力接頭需50~100噸鈦,可彈性升降器需400~1200噸鈦,固定升降器需1400~4200噸鈦。

    在動力工業中已知用鈦作發電設備的冷凝器和熱交換器,如我國臺州電廠、上海金山熱電廠和鎮海發電廠的發電機組都選用了鈦管冷凝器,用鈦量約700噸。秦山和大亞灣核電站都選用了全鈦冷凝器。近年來在地熱井地熱開發方面,鈦也大展風貌,充沛顯現了本身的抗蝕才能。在地熱鹵水的高溫腐蝕性環境中用作動力蒸汽渦輪,其他資料皆因壽數短而不得不被鈦取而代之。用鈦的長處在于能前進采熱的出產率和地熱井的壽數。20世紀90年代開端美國在南加州Salton Sea區域打了一口溫度高達300℃的地熱井,至令已運用Ti-6Al-4V-0.1Ru合金熱軋無縫管227噸。估量往后十年內世界各地地熱開發的用鈦量可以到達2400噸。我國西藏區域的羊八井電站如選用鈦材,其相貌將大為改觀。

    海洋油氣鉆探與地熱開發首要運用Ti-6Al-4VELI、Ti-3Al-2.5V、Ti-6Al-4V-0.1Ru、Ti-3Al-2.5V-0.1Ru及含鉬Ti-38644(Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo)等合金。船用緊固件運用Ti-5111(Ti-5Al-1Sn-1Zr-1V-0.8Mo)合金。我國為習慣海洋工程的需求,也開發了Ti75、Ti31和Ti631等合金。

    據統計一臺20萬千瓦火力發電機組用鈦量為90噸,一座核電站用鈦量為80~100噸。可見動力與腐蝕等方面的用鈦量不容無視。

    高爾夫球、生物資料和汽車制作是鈦材三個極有期望的新的運用范疇。

    在運動與休閑范疇,高爾夫球具用量的增加頗富戲劇性,1993年鈦沒有進入這一范疇,1997年用鈦量一下增加到4000噸。原因是用鈦作球棒強度高、質地輕、擊球間隔均勻前進20~30碼(1碼=0.9144米)或15%。鈦球棒的呈現使美國1998年內增加了448個新球場。球員的數目到達2500萬人(挨近于全世界的一半)。1994年只賣出500個球棒,1995年一下增到19萬個,而到1997竟猛增到172萬個。鈦在休閑運動范疇大有用武之地,諸如在滑雪板、雪橇、冰斧、冰爪等爬山設備等方面。

    鈦有極佳的生物相容性、低的膨脹系數、高度耐用性及無磁性,是極佳的骨骼支撐資料。作為植入的髖關節其分量約為不銹鋼的一半,而且骨安排在成長時還可直接粘牢在鈦植人體上。膝關節、義齒再造等也運用鈦合金。據統計,全世界每年醫學植人的用鈦量在600-1000噸之間。所用鈦材除Ti-6Al--4VELI(超低空隙氧)外,還開發了無鋁(革除對腎和肺的毒害)Timetal 21SRx(Ti-2.75Nb-15.2Mo-0.34Fe-0.18Si-0.250)與Timetal 21S(Ti-2.9Nb-14-9Mo-0.09Fe-2.9Al-0.22Si-0.140)、Ti-6Al-7Nb等鈦合金。

    低本錢鈦的出產及鈦粉末加工技能的開展,已有可以將鈦的運用延伸到汽車行業。用鈦制作的繃簧已開端在一級方程式賽車上、比賽用摩托車以及第一流的法拉利汽車上運用。估量不久在輕型汽車的發動機閥門、連桿、懸簧、排放體系及緊固件大將取得運用。估量鈦大舉進入汽車市場將從日本和美國開端。美國每年可以出產1600萬輛轎車和輕型貨車,日本本田公司1998年下半年已先期將鈦閥門用于Altezza家庭轎車。

    2.鈦白的運用

    鈦白首要用于涂料、塑料、造紙、合成纖維、印刷油墨、橡膠、琺瑯等方面,為其他白色涂料所不及。超微細鈦白和水及有機溶劑組成的鈦溶膠已成為獨立的新品種,運用于化妝品、透鏡外表涂飾劑、油墨與涂料增加劑,其運用范疇仍在擴展。美國是全球鈦白的最大出產國和消耗國,1998年的產值為136萬噸,表觀消耗量為113萬噸,產值高達30億美元。我國的產值和用量則小得多。美國鈦白的消耗,50%為顏料、油漆、清漆,23%為造紙,23%為塑料,9%為其他用處。

    3.其他運用

    用鈦鐵礦精礦制成的鈦鐵(TiFe)是制作不銹鋼時運用的脫氧劑和安穩劑,鈦鐵貯氫陽極在貯氫電池制作中與稀土貯氫資料在功用上各有千秋,而本錢則相對要低,在貯氫、運送、催化、燃料電池等方面與稀土將有一搏。Ti—Ni形狀回憶合金更是醫用和軍工不可或缺的高新技能資料。至于電子陶瓷功用資料鈦酸鋇、鈦酸鍶、鈦化合物催化劑以及有機鈦耐熱漆和鈦環氧涂料等的用處更是不乏其人。

     

    鈦合金是以鈦為基礎參與其他元素組成的合金。鈦有兩種同質異晶體:882℃以下為密排六方規劃α鈦,882℃以上為體心立方的β鈦。

      合金元素根據它們對相變溫度的影響可分為三類

      ①安穩α相、前進相轉變溫度的元素為α安穩元素,有鋁、碳、氧和氮等。其間鋁是鈦合金首要合金元素,它對前進合金的常溫文高溫強度、下降比重、增加彈性模量有顯著效果。

      ②安穩β相、下降相變溫度的元素為β安穩元素,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、鐵、硅等。

      ③對相變溫度影響不大的元素為中性元素,有鋯、錫等。

      氧、氮、碳和氫是鈦合金的首要雜質。氧和氮在α相中有較大的溶解度,對鈦合金有顯著強化效果,但卻使塑性下降。通常規矩鈦中氧和氮的含量分別在0.15~0.2%和0.04~0.05%以下。氫在α相中溶解度很小,鈦合金中溶解過多的氫會發作氫化物,使合金變脆。通常鈦合金中氫含量控制在 0.015%以下。氫在鈦中的溶解是可逆的,可以用真空退火除去。

         金屬鈦由于本身強度高、硬度及密度小、耐熱性好、無害無毒等優點,在機械工業發展中會有一片不錯的新天地。

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