钛金属的应用与发展

钛金属的应用与发展浏览次数：171更新时间：2008-8-26钛金属的应用与发展一.钛金属发展概况：钛是英国科学家格内戈尔于1791年首先从钛铁矿石中发现的，1795年德国化学家克拉普洛特也从金红石中发现了这一元素，并命名为“钛”。由于钛的化学活性高，在它被发现的120年后的1910年才首次提炼出金属钛，1940年用镁还原法制得了海绵钛，从此奠定了钛的工业生产方法的基础。钛在地壳中的储量非常丰富，它仅次于铁、铝、镁，居第四位，比常用金属铜、镍、铅、锌的总和还多十几倍。工业上用来生产钛的矿石有金红石、钛铁矿和钛磁铁矿。金属钛具有很多优良的性能：钛的比重为4.5g/cm3，仅为普通结构钢的56%，而强度与普通结构钢相当或更高，在金属结构材料中，钛的比强度是最高的。钛的熔点为1668℃，比铁、镍的肖高，比铝、镁的熔点高1000℃以上。因此，作为轻金属结构材料，钛合金具有比铝、镁合金好得多的热强性，最高使用温度以达600℃。钛在氧化性气氛中极易在表面与氧形成一层坚固的氧化物薄膜，是其在氧化性酸、碱、盐介质，特别是在湿氯气和海水中，具有优异的抗腐蚀性能。钛具有同素异构的结晶构造，885℃以上为密排六方晶格的β相，以下为体心立方晶格的α相。因此，加入不同的合金元素后，钛合金可分成α-、β-和α+β三类。钛的同素异构性使其在加入不同合金元素时能得到性能截然不同的合金和具有大的热处理效应。钛的膨胀系数为8.2×10－6/℃，较一般结构金属小，在急冷急热时应力小，适于在温度变化的环境中使用。钛具有好的韧性和抗疲劳性能，焊接性能也很好。钛的低温性能好，在-196℃下，也不呈现低温脆性，这些性能都非常适合结构运用。钛的导热系数小、无磁，某些钛合金还具有超导性能、记忆性能和贮氢性能等功能。由于钛所具有的一系列优良性能，资源又很丰富，钛的工业生产问世后，立即受到世界普遍高度重视。1947年美国率先实现海绵钛生产工业化，当年生产２吨海绵钛，1957年就发展到15000多吨。日本1952年，前苏联1954年均相继开始了海绵钛的生产。中国也于1958年开始了海绵钛的试生产，现在已形成了完整的钛工业体系。当前，世界上有钛工业的国家主要是美国、独联体、日本、英国、中国和德国。钛的应用首先是从军工和航空工业开始的。早在1951年美国就将钛材用于飞机上，到1961年美国用于飞机制造的钛材达3940吨，占钛材总用量的77%，如果加上导弹和空间技术用钛，占钛材用量的95%。前苏联、英国的钛材也主要用在军事和航空工业。进入70年代后，钛的优良性能逐步在民用工业中得到普遍认识，钛在冶金、化工、电力等民用工业上的应用逐年增加，用量也稳步增长。现在，美国非宇航用钛已超过30%，独联体为50%，日本由于历史原因，钛材几乎全部用于民用工业，80年代起才开始用于航空工业。钛工业的兴衰一开始就与世界政治与军事有关，世界军备竞赛一紧，钛材用量猛增，军备竞赛一缓，钛材用量下降，直到现在钛材在民用工业上的应用得到实现，钛工业才真正有了广泛的市场基础，经受的波折越来越小，逐步走上稳定发展的道路。中国是一个钛资源十分丰富的国家，经过几十年的发展，目前已形成从钛矿、海绵钛、钛冶炼和钛材生产、钛设备制造的整体工业体系。中国的钛工业同样是为航空而兴起的，70年代到80年代初，由于航空用钛量很少，其它行业对钛认识不多，使得初具规模的钛工业经历了一段非常艰难的历程，直到80年代确定了大力推广钛材民用的方针，国家又适时地采取了扶持的政策，钛工业才走上了稳定发展的道路。但是，目前中国钛工业的规模和钛材的产量与世界发达国家还有很大的差距，在民用工业上钛的用量也还较小，其原因是钛金属材料的优越性还没有被广泛认识，再加上钛材料的价格较贵，中国工业基础还较薄弱，昂贵的价格使很多企业不能承受，直接影响了钛材料的推广使用。要使中国的钛工业得到高速发展，必须大力宣传和推广使用钛金属材料，使钛金属材料的优越性和使用钛材料可带来的经济和社会效益广为人知;而且还得大力发展中国工业设备的制造水平，更多的使用象钛金属这样的新型材料，使中国工业设备的制造水平接近和赶上世界先进国家。本网站希望作的事情就是向广大民众宣传钛金属新型材料的知识，使人们能够方便的查阅到钛材料的有关性能数据，更全面了解钛材的优良性，对钛材料可应用的领域和使用钛设备带来的经济效益有一个初步了解，也方便人们咨询有关钛的问题，为钛金属这种新型材料的推广应用出一点绵薄之力。二.钛金属材料应用：１.钛在航空航天工业的应用：在航空工业中，为减轻飞机重量，提高飞机的推重比以提高飞机的性能，自1949年钛用于飞机构件以来，其用量与日俱增。例如，1947年美国设计的第一代B52轰炸机，用钛量为660磅，占结构重量的0.8%，而1956年设计制造的B52轰炸机，则用了近2000磅钛，超过结构重量的2%。时至今日，钛在军用飞机F15战斗机上的用量已达结构重量的35%，在改进的新型战斗机F22上，钛的用量占33%。钛在民用飞机上的用量也有明显地增长，如在最新设计的波音777飞机上，钛的用量达到结构重量的10%。钛在航空工业，作为结构材料主要用于飞机上的发动机和骨架。在发动机上，钛合金用量以达25%左右，其中大部分用于风扇、压气机盘和叶片以及导管和机壳。在飞机骨架上，用钛代替其它材料主要是钛的密度小，强度高，能大量减轻重量。现在，民用飞机用钛量约占构架重量的20~25%，其它还包括飞机的舱壁、防水设备和空调管，军用飞机的整流装置、龙骨和机身等。在航天工业中，钛也得到广泛应用。其中主要有战略火箭发动机的部分零件，卫星天线等。２.钛在舰船方面的应用：I.海底资源勘探用钛：根据国外最新公布的数据，在海洋中，除石油资源外，还蕴藏着黄金70亿吨，白银133亿吨，铀40亿吨，这些极其宝贵的资源，正等待着人类用现代技术去探测和开发。目前，美、日、法等国家都已研制出各种先进的钛深潜器、潜艇、海底实验室装置来进行海底资源调查研究。1974年，美国用钛合金制造了“Alvin”号深潜器耐压壳体和浮力球，使深潜器下潜深度达3600米。1979年，美国又用相同的钛材料制造了第二艘深潜器，他们还计划用底氧级的钛合金制造下潜深度为6100米的DSSV号调查深潜器。日本在“深海2000”号调查船上选用了钛合金的耐压壳体。“深海6500”号的建造计划已完成，其耐压壳体仍将采用钛合金。日本声称，“深海6500”号一旦下水，则日本近海所有大陆架都可以探测。法国建造了一艘6000m级的“SM97”号潜水调查船，其耐压壳体也是用钛合金制造的。1981年，法国还用钛合金建造了一个直径2.10米的半球形海底实验室，用钛量达5.5吨，价值100多万法国法郎。该实验室的工作深度为6000米。中国也在1987年成功地研制出世界上第一套钛制盔甲式常压潜水器，用于近海资源开发及海军军事工程。II.钛在海军装备上的应用：核动力潜艇：前苏联从1970年开始建造ALFA级核动力潜艇，至今已有四艘服役。该潜艇的耐压壳体均用钛合金制造，每艘潜艇用钛量为3500吨，下潜深度为900米，水面航速16节，水下航速42节，潜艇尺寸为79.3×10×7.6m。水翼艇：水翼艇的壳体、水翼和支柱以及联动机构和传动臂使用了钛合金。舰艇螺旋浆：用钛合金制造船用螺旋浆，解决了海水冲刷腐蚀和空泡腐蚀等问题，因此舰艇螺旋浆大量使用钛合金制造。III.钛在民用船舶上的应用：在民用船舶上，钛金属主要用来制造（主发动机透平）凝汽器、钛板式换热器、海水淡化装置和管式天线等。现在，美国、日本一些先进国家试用钛板制造高级游艇的船体及其它部件，一些高级賽艇也大量采用钛金属制造。３.钛在海洋工程方面的应用：I.钛在凝汽器上的应用：海水的综合利用是海洋工程中的重要项目之一，沿海发电站凝汽器是利用海水量较大的设备。70年代以前，电站凝汽器主要用不锈钢和铜来制造，但是这两种材料耐海水的腐蚀性能较差，常常导致凝汽器泄漏，迫使电站停机。钛在海水中具有良好的耐蚀性，耐海水的高速冲刷腐蚀性尤为突出。60年代国外开始用钛制造电站凝汽器，解决了凝汽器腐蚀泄漏问题，70年代后实现了工业化应用。中国于1978年开始研究电站凝汽器用钛，1983年实现全钛凝汽器的工业化应用。目前沿海电厂已大量采用钛制凝汽器，每台凝汽器用钛量约130多吨。沿海电站采用钛制凝汽器的优越性在于：1.充分利用海水资源;2.省去除盐及阴极保护装置;3.延长凝汽器使用寿命;4.增大电站安全工作系数;5.提高凝汽器换热效率。II.钛在海洋石油开采中的应用：世界石油资源的极限储量是10000亿吨，可采量约3000亿吨，其中海底储量约1300亿吨。因此许多国家都在加紧研制海上石油开采设备。海上采油设备主要包括采油平台和附属设备，附属设备有原油冷却器、升油管、泵、阀、接头和夹具等。这些设备均与海水及原油中的硫化物、氨、氯等介质接触。钢及铜合金在这些介质中的腐蚀情况都比较严重。由于钛在海水及原油中的耐腐蚀性优异，所以美国在70初年代就在北海Ekofish油田用钛制造了近海石油平台支柱，同时用钛制造了列管式与板式换热器。列管式换热器利用海水作冷却介质，把从油井里刚抽出来的高温油／汽混合物冷却。板式换热器也利用海水作冷却介质，把碳钢换热器内冷却原油的淡水冷却下来。目前，美国在这一海域的钻井平台上大约使用了100多台钛换热器。海上采油平台上的石油提升管路系统，也大量采用钛合金制造。还有钛泵、钛阀、钛紧固件也大量采用。海上石油勘探测井仪器外壳也已大量使用了钛合金，测井深度超过6000米。III.钛在海水淡化装置中的应用：当前，随着世界工业、农业的发展，淡水用量逐年增加。世界上陆地河流、地下水资源已远远满足不了工业发展的需要，人类面临着淡水资源缺乏的问题。海水淡化是将来人类解决淡水的有效的办法。海水淡化主要是通过闪蒸法、电渗析法及反渗透法来实现的。早期的淡化装置使用铜合金、碳素钢合金材料，因不耐海水腐蚀，生产效率低，很快就被耐海水腐蚀性能优异的钛所代替。世界上最大的沙特阿拉伯海水淡化一期工程于1975年开始建设，共有六座日产2.3万吨淡水的淡化厂，其海水蒸发器全部用钛管及钛板制造，用钛总量1500吨。1983年，海水淡化二期工程在沙特阿拉伯的吉达港开始建设，共有10座日产3万吨淡水的淡化厂，蒸发器用钛管和钛板为3200多吨。截止目前，全世界已建立海水淡化装置近300座，日产淡水能力约800万吨。中国在沿海地区、岛屿也使用了许多海水淡化装置。IV.钛在海洋工程中的其它应用：海洋化工生产装置：如利用海水制取氯化镁，用钛合金制造加热室等装置;海水养殖业：例如，沿海人工养殖石斑鱼，用钛制造养殖网箱，带来极好的效益。日本人用海水养殖狮鱼、比目鱼、鳗鱼等，采用大量钛金属网，并用钛管热交换器维持一定的海水温度。此外，钛金属还可以用来做海中航标架、海滨浴场安全浮标、海上运动赛艇、冲浪板、海底电缆、海底挖掘机等。4.钛在军工方面的应用：钛在军事工业方面用途很广。目前已应用和试验应用的有：迫击炮身管，反坦克导弹，导弹发射器，坦克防护板，防弹背心等方面。5.钛在化学工业的应用：I.概况：由于钛具有优良的耐腐蚀性能、力学性能和工艺性能，被广泛应用于国民经济许多部门。特别是在化工生产中，用钛代替不锈钢、镍基合金和其它稀有金属作为耐腐蚀材料。这对增加产量，提高产品质量，延长设备使用寿命，减少消耗，降低能耗，降低成本，防止污染，改善劳动条件和提高劳动生产率等方面都有十分重要的意义。钛金属已成为化工装备中主要的防腐蚀材料之一，并在化工装置中已确立了他的耐腐蚀地位。作为化工设备中的理想材料，钛也愈来愈引起工程技术人员的重视。经过多年的推广，钛及其合金已作为一种优异的耐腐蚀结构材料在化工生产中得到了广泛应用。目前钛设备的应用已从最初的“纯碱与烧碱工业”扩展到氯酸盐、氯化铵、尿素、有机合成、染料、无机盐、农药、合成纤维、化肥、和精细化工等行业，设备种类已从小型、单一化发展到大型、多样化。具化工部门预计，化工行业的用钛量将超过1500吨。目前，国产化工钛设备中，数量最多的是换热器，其次