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鈦合金在我們生活相關領域的作用及發展趨勢和需要克服的問題

發布日期:2019-10-07  瀏覽次數:63
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  隨著航空航天,汽車輕質和生物醫用材料的快速發展,鈦合金材料的研究和應用已成為材料領域的研究熱點之一。中國的儲量居世界第一,探明儲量約占世界總量的38.8%。隨著科學技術的進步,中國形成了從鈦礦到鈦錠再到鈦合金加工的產業鏈。目前,鈦及其合金已被廣泛使用,鈦工業的年均增長率約為8%。上至航空航天、航天器,下至深海、油井,鈦合金的應用越來越廣泛。
  鈦和鈦合金的工業應用
  1. 在航空航天領域的應用
  鈦合金具有低密度,比強度高等優良性能,是一種理想的航空結構材料。目前,鈦合金在航空航天工業中的應用越來越受歡迎。
  在20世紀50年代,只有少數非承重構件采用鈦合金制成,例如后機身隔熱板,空氣管道和尾門。自20世紀60年代以來,中間機身已經分離。重要的軸承構件,如框架,橫梁和襟翼也逐漸用鈦合金替代鋼。就目前的趨勢而言,新飛機越先進,寬體飛機越多,鈦的用量越大。1970年開始在美國服役使用的戰略運輸機C-5鈦合金的密度為6%,隨后的C-17增加到10.3%。2006年以后,美國第四代戰斗機F22的鈦含量高達39%至41%。
  中國在鈦合金的研究和應用方面也取得了很大進展。20世紀60年代投入生產的J-7飛機鈦合金零件質量僅為9千克,20世紀80年代生產的殲-8II型鈦合金零件的質量達到93千克。2002年,昆侖渦輪噴氣發動機的設計和成型,鈦的數量增加到15%。
  此外,航空航天工業中的壓力容器,燃料箱,緊固件,火箭外殼等也使用鈦合金制造。
  2.在船舶領域的應用
  鈦是一種化學活性元素,與氧氣具有高親和力。當置于空氣中時,它與氧氣反應,在表面形成致密的TiO2[i]保護膜,保護鈦合金免受外部介質的影響。因此,鈦合金具有良好的耐腐蝕性,在酸,堿和氧化介質中具有良好的化學穩定性,耐腐蝕性優于現有的不銹鋼和大多數有色金屬,甚至可與鉑相媲美。純鈦的硬度約為HV150[ii],并不算高,但加入合金元素后硬度非常明顯。例如,TA4[iii]的表面硬度大致為HRC30[iv],超過了傳統的不銹鋼和普通碳鋼材料,它可以超過HRC60;在低溫和超低溫條件下,鈦仍保持其原有的性能,強度和硬度都保持在較高水平,因此鈦合金非常適合船舶部件的生產。例如,主要由鈦合金制成的潛艇可承受4500米的深度而不會受到損壞,而普通鋼制潛艇的這一指數約為300米。
  自20世紀60年代以來,許多國家已開始研究鈦合金在造船業中的應用,鈦合金具有獨特的物理性能(包括磁性),高比強度和抗沖擊性,優異的耐腐蝕性能,已廣泛應用于船舶,特別是美國和俄羅斯,對鈦合金的研究顯然領先于世界。例如,俄羅斯是世界上第一個開發和使用海洋鈦合金的國家。目前,已建成海洋鈦合金系列系統,開發了各種系列的強度級鈦合金產品,并成功應用于船體,船舶發動機和發電廠。在船舶零件及相應設備上,鈦及鈦合金產品的生產工藝相對成熟。
  3、在化學工業中的應用
  鈦具有良好的耐腐蝕性,是化學工業等腐蝕性介質中使用的重要結構材料之一。采用鈦合金代替不銹鋼、基合金等稀有金屬,可有效降低運行成本,延長設備壽命,對提高產品質量,節約能源,降低消耗具有重要意義。
  近年來,中國化學工業中的鈦合金材料主要用于蒸餾塔,反應器,壓力容器,熱交換器,過濾器,測量儀器,汽輪機葉片,泵,閥門,管道,氯堿生產電極,合成塔襯里和其他耐酸設備襯里等。
  (1)在氯堿工業中的應用
  由于氯堿工業使用電解飽和氯化鈉溶液制備氫氧化鈉等,并進一步加工該系列化學產品,因此防腐要求非常高。目前,在氯堿工業中,使用鈦合金材料制備的設備包括濕氯冷卻器,陽極電解槽,脫氯塔加熱管,真空脫氯泵等。例如,在通過鹽電解生產苛性鈉的過程中,產生大量溫度為75-95℃的高溫濕氯氣,會嚴重污染環境。使用鈦合金制成的濕氯氣冷卻器代替石墨冷卻器,取得了良好的效果。
  (2)鈦合金材料也廣泛用于純堿工業
  純堿是最基本的化學原料之一。其生產工藝主要采用合成堿法,包括氨堿法和聯合堿法。無論該過程如何,氨和二氧化碳主要用作氣態介質,液體介質主要是具有較高氯離子濃度的溶液。過去,碳化塔管,冷卻器,水晶外冷卻器等大部分主要設備均采用碳鋼和鑄鐵材料制成,其反應塔嚴重腐蝕,經常發生泄漏。但鈦合金材料使用后,發生了很大的變化。例如,大連化學工業有限公司購買了寶雞有色金屬加工廠的TA2[v]管,代替氨冷凝器內的鐵管。經過14年的運行,沒有觀察到腐蝕泄漏。
  鈦及鈦合金在生活中的應用
  1、鈦是一種理想的醫用金屬材料,具有良好的生物相容性。早在20世紀80年代中期,美國開始開發鈦合金材料,主要用于制造植入人體的醫療器械,假體或人造器官,以及用于輔助治療裝置的鈦合金。
  如具有高強度和低價格的鈦合金瓷齒是目前我國常用的一種瓷牙。它外形美觀,色澤穩定,可以很好地恢復牙齒的形狀和功能,特別適合對鎳離子敏感的人,可以避免牙齦出血和黑色牙齦現象的發生,此外它的耐腐蝕性也很強,不容易變黑。此種材料生物相容性優于非貴金屬烤瓷牙,使用壽命可長達10年。
  2、在眼鏡行業的應用
  鈦金屬日漸成為一種新型的眼鏡架材料。由鈦合金制成的眼鏡架具有高硬度和良好的柔韌性,符合人體工程學,有著光滑的觸感,沒有其他金屬框架的冷感。另外,鈦可以與鎳形成“記憶合金”,即記憶鈦合金。眼鏡架變形后,可以通過在特定溫度下用水清洗來恢復。
  鈦合金框架的生產過程非常苛刻,不僅有加工步驟,而且需要專用的加工設備和特殊的焊接技術和電鍍工藝,因此鈦合金框架的價格高于其他金屬,然而,隨著人們生活水平的提高,對鈦框架眼鏡的需求也在增加。
  3、在珠寶行業的應用
  與金和鉑等貴金屬相比,鈦作為一種新型的首飾材料,不僅具有絕對的價格優勢,還具有其他優勢。①輕,鈦合金密度為黃金的27%,在制作耳環,項鏈等飾品方面具有較大的優勢,可以設計出一些大而獨特的特殊飾品。②鈦具有良好的耐腐蝕性,鈦表面形成的氧化膜非常完整和緊湊。部分損壞后,它會立即修復,不會影響其外觀。③良好的生物相容性,長期接觸后不會引起過敏,特別是對金屬過敏者可以放心使用。④鈦可以著色,可以通過改變氧化膜的厚度來改變顏色,而無需額外的元素。⑤鈦具有高硬度,不易變形。與普通的金銀首飾不同,需要在佩戴一段時間后重新塑造。
  三、發展趨勢和需要克服的問題
  盡管鈦和鈦合金已經取得了顯著的發展,但由于其加工性能差,鈦精煉和加工成本相當高,從而限制了鈦合金系統的開發和應用。
  1、加工技術需要改進
  由于鈦在高溫下具有高化學活性,并且容易被氧,氮和碳等元素污染,因此鈦合金的加工和制造工藝非常高。通常,鈦合金的可加工性僅為鋼的20%至40%。此外,鈦具有高度化學活性,易與氣態雜質結合。當溫度超過600℃時,鈦被氧化成脆化層,即所謂的“組織凝膠化層”;與氫氣產生氫脆性,這加劇了工具的磨損。此外,鈦合金可與工具材料的元素化學鍵合,導致嚴重的粘結磨損。
  如何進一步開發鈦合金的凈化和合金化工藝,優化加工方法,進一步降低鈦合金產品的制造成本,是推動鈦合金廣泛應用的關鍵。
  2、研發高附加值高端產品
  目前,鈦合金加工企業也存在技術水平低,產能過剩的現象。因此,企業需要加大創新力度,生產高附加值的高端產品,提高企業競爭力。
  2016年12月初,青海合成鈦生產的20噸鈦錠成為全國乃至亞洲最大的單鈦錠。在此基礎上,又成功生產出500mm厚的超大錠,并可直線軋制。它是一塊200mm的膠帶板,直接滾動寬度超過1.8m的寬板,從而顛覆了傳統的軋制工藝,填補了國際技術的空白。該技術大大縮短了加工周期,減少了加工環節,提高了產量,降低了加工成本,擴大了產品的競爭優勢。
  3、行業標準
  鈦合金及其制品的制造工藝較高,對生產設備和加工設備的要求也很高,產品的質量控制也存在一定的困難。因此,鈦材料的應用仍然缺乏標準化的行業標準。這意味著鈦合金及其制品的質量控制不能滿足統一的要求,致使產品質量不均勻,這對鈦合金應用的擴展極為不利。
  總而言之,鈦合金的發展前景可以描述為“明亮和廣泛”,隨著鈦冶煉技術和加工工藝的改進和完善,鈦及鈦合金產品品種將進一步擴大,質量控制水平將進一步提升,其應用領域也將擴大,特別是民用工業。只要人們有需求,就可以實現在珠寶,手機,電腦,拐杖等民用休閑產品的應用。
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