鈦的特性及其應(yīng)用

1、鈦的特性及其應(yīng)用1前言鈦是一種稀有的戰(zhàn)略資源，廣泛應(yīng)用于國防、航天、航空和國民經(jīng)濟的許多領(lǐng)域。人們 長期的試驗和工業(yè)生產(chǎn)實踐證明，鈦及鈦合金是被公認(rèn)的替代鋼、不銹鋼、銅及其合金、鉛、 鎳、鋅、石墨、巖石等金屬與非金屬材料、有效解決設(shè)備腐蝕問題的理想的金屬結(jié)構(gòu)材料。 采用鈦設(shè)備的主要原因有三點：一是鈦具有金屬結(jié)構(gòu)材料的優(yōu)良性能，二是鈦在許多工藝介 質(zhì)中具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，三是應(yīng)用鈦可以獲得明顯的技術(shù)進步和經(jīng)濟效益。攀枝花是中國的釩鈦之都，攀西地區(qū)釩鈦資源的遠(yuǎn)景儲量超100億噸，占世界的45%， 占中國的93%，居全球之首，其中鈦資源儲量為8.7億噸，占世界鈦儲量的35.2%，占全國 鈦資源儲量

2、的90.5%，儲量位列世界第一。攀鋼集團是全球唯一擁有從礦石處理到鈦材生產(chǎn) 完整鈦產(chǎn)業(yè)鏈的企業(yè)，宣傳鈦的特性、推廣鈦產(chǎn)品對國家和企業(yè)的發(fā)展均具有重大的意義。2鈦的特性及應(yīng)用純鈦是銀白色的金屬，在金屬分類中被劃歸為稀有輕金屬。鈦在元素周期表中屬WB族 元素，原子序數(shù)為22，原子量為47.9，原子半徑為0.145nm。鈦的熔點為166010C，其有 兩種同素異構(gòu)體，相變點為890920C，在轉(zhuǎn)變溫度以下為密排六方的a-Ti，在轉(zhuǎn)變溫度以 上直到熔點之間為體心立方的B -Ti。鈦在化學(xué)、物理和機械性能方面有其自己的特點。與其他金屬相比，鈦的密度小、比強 度高，彈性模量低（常溫時為103.4GPa）,

3、屈強比高，導(dǎo)熱系數(shù)?。?.1507J），熱膨脹系 數(shù)低，無磁性、無毒，耐高、低溫，耐腐蝕、與氧的親和力極強。概括起來，鈦主要有如下 十大性能和三大功能。2.1鈦的十大性能2.1.1密度小，比強度高金屬鈦的密度為4.51g/cm3，在常用金屬中，只有A1為2.6 g/cm3，比鈦輕，而低碳鋼為 7.86 g/cm3, 0Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Ti 等不銹鋼為 7.9 g/cm3，銅為 8.96 g/cm3,鎳為 8.9 g/cm3， 都比鈦重?？梢钥闯?，在相同公稱尺寸條件下，使用鈦材制造的設(shè)備重量約為銅的50%,鋼的 57%，所以鈦是一種輕型金屬材料。工業(yè)設(shè)備大量采用的純鈦牌號為

4、TA2、TA1,鈦合金牌號為TA 10 （ Ti-0.3Mo-0.8Ni）有特 殊要求的設(shè)備采用了 TC4 （Ti-6A1-4V），它們的比強度（抗拉強度/密度）分別為117.5 （TA2中 值）、107.5 （TA10最低值）、198.4 （TC4最低值），分別是低碳鋼的2.3倍、2.1倍和3.8倍，是 不銹鋼的1.8倍、1.6倍和3倍。所以鈦又是一種輕型高強度的金屬結(jié)構(gòu)材料。正因為鈦的比 強度高，才在航空、宇航、導(dǎo)彈、兵器等尖端技術(shù)發(fā)展中被大量采用。在一般工業(yè)中，如高 速旋轉(zhuǎn)的發(fā)電機護環(huán)，蒸汽渦輪機的大葉片、高檔自行車、跳高用的撐桿等都使用了鈦及鈦 合金。近幾年被稱為高爾夫新式“神奇武器一

5、頭大體輕的鈦制球桿大量進人美、日、歐洲市 場，盡管一根高質(zhì)量的鈦制球桿售價高達500美元，每年仍然售出數(shù)百根。1996年的高爾夫球桿訂單中，鈦制球桿占了 2/3,總價值約10億美元。2.1.2彈性模量低鈦的彈性模量在常溫下為106.4GPa，是鋼的57%，這說明鈦抗正應(yīng)變的能力低于鋼。所 以鈦在承受外壓力、壓桿穩(wěn)定和撓度變形等條件下使用受到限制，不宜做剛性結(jié)構(gòu)件。但是， 在鈦長管束換熱器上，采用折流板設(shè)計，克服了剛性差的缺點，即使在發(fā)生振動條件下也有 良好的使用效果。鈦的彈性模量隨著溫度的升高而下降，600C時下降為69.6 GPa。在環(huán)境溫度高于300C 條件下使用時，鈦的彈性模量有較大幅度

6、下降。所以，在較高溫度下選用鈦設(shè)備時，在設(shè)計 上取環(huán)境溫度上限的E值為宜。2.1.3導(dǎo)熱系數(shù)小金屬鈦的傳熱機制主要是電子導(dǎo)熱，其次是晶格導(dǎo)熱。實際測試的結(jié)果為：鈦的導(dǎo)熱系 數(shù)為15.07W/(mK)，是低碳鋼的1/5，銅的1/25，與不銹鋼相近。鈦的導(dǎo)熱性差，可以在不 需要導(dǎo)熱好的條件下使用。如果要求容器內(nèi)溫度穩(wěn)定，不受外界溫度影響，就應(yīng)使用鈦制外 殼；鈦制巖釘既輕導(dǎo)熱性又差，是登山運動員選擇的理想材料。；鈦金屬的導(dǎo)熱性雖然差，但 卻制造了鈦制列管式換熱器、板式換熱器、盤管換熱器、蛇管換熱器等設(shè)備，替代導(dǎo)熱性好 的銅設(shè)備、鋼設(shè)備并顯示出更佳的換熱效果，原因主要有以下六點：鈦在許多化學(xué)介質(zhì)中具有

7、優(yōu)異的耐腐蝕性能，使用鈦設(shè)備運行穩(wěn)定，壽命長并強化了 生產(chǎn)，這就補償了其導(dǎo)熱性差的缺點；鈦的屈強比高于銅和鋼，在設(shè)計上可以把鈦材、鈦管減薄使用，這有利于熱傳導(dǎo)，因 此，獲得比鋼、銅設(shè)備要好的換熱效果；鈦設(shè)備在較高溫度下使用時，由于鈦的導(dǎo)熱性差，在殼壁中容易形成高的溫度梯度， 導(dǎo)致設(shè)備產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力或熱疲勞應(yīng)力，但是鈦的線膨脹系數(shù)僅為低碳鋼的2/3,不足不銹 鋼的50%，這樣低的線膨脹系數(shù)對上述缺點有所補償；鈦在化學(xué)介質(zhì)中抗污染能力強，其表面不易結(jié)垢或垢層較薄，這就使鈦表面很難形成 絕緣傳熱膜層，獲得較好的傳熱效果；蒸汽冷凝模擬試驗證明了在鈦表面冷凝仍屬于膜狀冷凝范圍，但和鋼、銅比較，鈦表 面

8、有促進滴狀凝結(jié)的傾向，這對熱傳導(dǎo)很有利；介質(zhì)在管束內(nèi)流速試驗證明了鈦管束允許較高的流速，而銅合金(如B10、B30)管束在 2m/s以上將發(fā)生“馬蹄形”沖擊磨蝕。鈦允許介質(zhì)流速大，可以強化換熱效率。綜合利用鈦在上述六個方面的優(yōu)勢，可以看出鈦的導(dǎo)熱性差得到改善，鈦制換熱器的換 熱效果高于鋼和銅設(shè)備。所以，鈦制換熱器得到了廣泛地推廣使用。2.1.4抗拉強度與其屈服強度接近鈦的這一性能說明其屈服比(抗拉強度/屈服強度)高，表示了金屬鈦材在成型時塑性變形 差，內(nèi)部有較大的應(yīng)力。由于鈦的屈服極限與彈性模量比值大，使鈦的回彈能力大，在冷成 型時是不銹鋼回彈能力的23倍。由于冷成型時鈦的硬度和強度呈增加趨勢

9、，所以鈦不適于 冷態(tài)沖壓加工，應(yīng)該熱成型。當(dāng)鈦厚度小于3mm時也可以冷成型，但往往需要熱校形，以避 免冷校形時引起應(yīng)力開裂?？梢钥闯鲡伒幕貜椓Υ蠛颓鼜姳雀邔︹伡庸こ尚褪侵匾挠绊懸?素。為此，要重視鈦的塑性與溫度的關(guān)系。同其它金屬材料一樣，塑性隨溫度增高而增加。但是鈦有些反常，在低于200300C時， 鈦的延伸率連續(xù)增加，溫度再增高，其延伸率反而降低，強度有上升趨勢。直到400500C， 延伸率才明顯增加。鈦的這一特性使我們找到加工成型的最佳條件，也就是常說的溫?zé)峒庸?成型，既可以避免由于鈦的回彈力大和屈強比高引起的應(yīng)力及應(yīng)力開裂，又可以避免鈦在 400C以上的吸氫而引起氫脆的現(xiàn)象。這也是一般

10、工業(yè)中選用鈦設(shè)備時規(guī)定環(huán)境溫度最好不超 過315C的原因之一。2.1.5無磁性、無毒是無磁性金屬，在很大的磁場中也不會被磁化。這一特性可使鈦應(yīng)用在磁控設(shè)備中，鈦 制艦艇外殼可以避免磁性雷的爆炸;由于鈦制骨頭、鈦制心臟啟博器不受雷雨天氣的影響，又 與人體組織及血液有良好的相容性，所以被醫(yī)療界采用。另外鈦設(shè)備也是制藥行業(yè)理想的設(shè) 備。2.1.6抗阻尼性能金屬鈦受到機械振動、電振動后，與鋼、銅金屬相比，其自身振動衰減時間最長。利用 鈦的這一性能可制做音叉、醫(yī)學(xué)上的超聲粉碎機振動元件和高級音響揚聲器的振動薄膜等。 這一性能也是在設(shè)計鈦列管式換熱器管束中間隔板的間距時，為了防止由于管束的振幅大引 起的機

11、械磨損或相互碰撞而破裂，要選擇合理的依據(jù)之一。2.1.7耐熱性能為了滿足航空、宇航工業(yè)的需求，采用固溶強化創(chuàng)新的a或近a型合金、以金屬間化合 物為基的合金和P穩(wěn)定型合金，研制開發(fā)出了質(zhì)輕、熱強性高的鈦合金，可在500C以下長 期使用，其物理、機械性能和工藝性能穩(wěn)定。所以，飛機的飛行速度馬赫數(shù)高于2.7以上， 其發(fā)動機的盤、葉片、后機身、導(dǎo)向器、進氣機匣等部件都采用了耐熱鈦合金。2.1.8耐低溫性能鈦合金 TA7 (Ti-5AI-2.5Sn), TC4(Ti-6A1-4V和 Ti-2.5Zr-1.5Mo 等為代表的低溫鈦合金，其 強度隨溫度的降低而提高，但塑性變化卻不大，可在-196C-253C

12、低溫下保持較好的延性及 韌性，避免了金屬冷脆性，是低溫容器、貯箱等設(shè)備的理想材料。2.1.9吸氣性能鈦是一種化學(xué)性質(zhì)非常活潑的金屬，其在較高溫度下可與許多元素和化合物發(fā)生反應(yīng)。 鈦吸氣主要是指與碳、氫、氮、氧發(fā)生反應(yīng)，使鈦的性能變壞。掌握鈦的吸氣性能對鐵的加 熱、機械加工、加工成型、特別是焊接和使用，具有重要意義。(1)鈦與氧的親合力強。加熱初始，氧進人鈦表面晶格中形成一層致密的氧化膜，這層氧化膜可阻止氧進一步向 基體擴散。當(dāng)加熱到500C以上時，鈦的氧化膜成為多孔狀變厚并容易剝落，氧通過膜中小 孔不斷地向基體擴散，在鈦內(nèi)部形成一層硬脆表面，使鈦的塑性降低，給加工成型造成困難。 500C以上時

13、鈦的表面氧化膜顏色由蔚藍(lán)色轉(zhuǎn)變成紫色，直到灰白色。鈦的焊接要在保護性氣氛中進行。如果需要較高溫度時，則要在鈦表面涂上涂料，采用 惰性氣體保護或在真空條件下進行操作等，即為了防止鈦吸氧應(yīng)采取一系列技術(shù)工藝措施。鈦在400C以上大量吸氫，會引起氫脆。一般認(rèn)為，鈦基體中的含氫量超過0.009%0.015%時，就會沿著晶界或晶界向晶內(nèi)方向 析出針狀、薄片狀或塊狀等氫化物的沉淀相，類似鈦基體中的微裂紋，在應(yīng)力作用下擴展直 到破裂。當(dāng)鈦表面膜中有氫化物時，在流動介質(zhì)的沖刷下氧化膜容易脫落。鈦設(shè)備在實際應(yīng)用中，因為環(huán)境中的化學(xué)反應(yīng)使氫含量不斷增加，鈦表面氧化膜被破壞 而不能自愈，鈦表面有鐵粒的存在等，也曾發(fā)

14、生過鈦設(shè)備過量吸氫引起氫脆而報廢的事故。 為了防止鈦吸氫，一般情況下要避開以下工況條件：溫度大于315C、p H 12的堿溶液；含H2S的中性溶液；含氟離子和碘離子的鹽溶液等。 鐵的存在加速了鈦吸氫過程，所以在鈦加工成型及設(shè)備焊接時，要嚴(yán)格防止鐵的污染。鈦在純氧中，當(dāng)溫度達到500550C時就會發(fā)生激烈的反應(yīng)而燃燒或爆炸。在氧含量大于47%的環(huán)境中，鈦受到?jīng)_擊和摩擦也容易著火。在氣-液兩相的純氧中，鈦 的著火發(fā)生在氣相中。鈦在漠中可以自燃。鈦在干氯氣中，由于缺少新生氧的來源，使鈦與氯發(fā)生激烈的放熱反應(yīng)，這對鈦來說 是一種崩潰性的反應(yīng)，一直到鈦或干氮消耗完為止，在反應(yīng)過程中會引起鈦的著火甚至爆炸

15、。 一般認(rèn)為：環(huán)境中有大于1.5%的水分就可以保證鈦的鈍化，防止著火和爆炸。鈦在發(fā)煙硝酸中的應(yīng)用。當(dāng)水分大于2%時可以防止鈦的自燃傾向；當(dāng)水分小于1%、NO2大于6%時，由于鈦與 NO2的激烈反應(yīng)使鈦著火。在實際應(yīng)用中發(fā)生過因摩擦而使鈦閥爆炸事故。鈦的吸氣性能說明了鈦是具有良好吸氣的材料，在一定條件下可以利用這一性能。如超 高真空泵，把各種氣體捕集在鈦泵內(nèi)，不污染環(huán)境，這種鈦泵用于空間模擬試驗、電子工業(yè)、 原子能工業(yè)和高純金屬制備等領(lǐng)域，效果良好；鈦的吸氣氧化皮摻在煙花中，可放出更亮的 光彩；利用鈦的吸氮特點，采用氮化工藝技術(shù)，制成金黃色的仿金裝飾品；利用鈦的吸碳特 點，又可以制成烏黑色的裝飾

16、品；利用鈦吸氫脆化特征，可采用氫化工藝把金屬鈦制成鈦粉 等。2.1.10耐腐蝕性能鈦是一種非常活潑的金屬，其平衡電位很低，在介質(zhì)中的熱力學(xué)腐蝕傾向大。但實際上 鈦在許多介質(zhì)中很穩(wěn)定，如鈦在氧化性、中性和弱還原性等介質(zhì)中是耐腐蝕的。這是因為鈦 和氧有很大的親合力，在空氣中或含氧的介質(zhì)中，鈦表面生成一層致密的、附著力強、惰性 大的氧化膜，保護了鈦基體不被腐蝕，即使由于機械磨損也會很快自愈或重新再生。這表明 了鈦是具有強烈鈍化傾向的金屬。介質(zhì)溫度在315C以下時鈦的氧化膜始終保持這一特性， 這是各國一般工業(yè)中使用鈦材的基礎(chǔ)保障。在強氧化性、強還原性、無水和無氧的有機酸等 介質(zhì)中，鈦的氧化膜容易溶解，

17、一旦破損也不能自愈和重新修復(fù)，失去保護作用。介質(zhì)的溫 度越高，氧化膜的溶解破壞越厲害，鈦腐蝕越快。這就是在某些化學(xué)介質(zhì)中不能擴大使用鈦 的原因。如果在對鈦有腐蝕的介質(zhì)中加人無機緩蝕劑，如CU 2+、Hg 2+、Pt2+等貴金屬離子、 Ti +、達到臨界濃度的Fe3+,硝酸、重銘酸鉀、高錳酸鉀等無機化合物，都可有效防止或減緩 鈦的腐蝕。一些有機緩蝕劑，如硝酸苯、甲基紅等對鈦也有一定的緩蝕作用。為了提高鈦的耐蝕性，研究出氧化、電鍍、等離子噴涂、離子氮化、離子注人和激光處 理等表面處理技術(shù)，對鈦的氧化膜起到了增強保護性作用，獲得了所希望的耐腐蝕效果。針 對在硫酸、鹽酸、甲按溶液、高溫濕氯氣和高溫氯化

18、物等生產(chǎn)中對金屬材料的要求，開發(fā)出Ti-Mo、Ti-Pd、Ti-Mo-Ni等一系列耐蝕鈦合金。鈦鑄件使用了 Ti-32Mo合金，對常發(fā)生縫隙 腐蝕或點蝕的環(huán)境使用了 Ti-0.3 M o-0.8N i合金或鈦設(shè)備的局部使用了 Ti-0.2Pd合金，均獲得 了很好的使用效果。2.2鈦的三大功能功能材料是以物理性能為主的工程材料，即在電、磁、聲、光、熱等方面具有特殊的性 質(zhì)，或在其作用下表現(xiàn)出特殊功能的材料。對鈦及鈦合金的研究發(fā)現(xiàn)，其有記憶、超導(dǎo)、儲 氫等三種特殊功能具有應(yīng)用前途。2.2.1記憶功能鈦-鎳合金在一定環(huán)境溫度下具有單向、雙向和全方位的記憶效應(yīng)，被公認(rèn)是最佳記憶合 金。在工程上做管接頭用于美國F-4戰(zhàn)斗機的油壓系統(tǒng)；石油聯(lián)合企業(yè)的輸油管路系統(tǒng)；直 徑0.5mm絲做成的直徑500mm拋物面網(wǎng)狀天線用于宇航飛行器上；在醫(yī)學(xué)工程上用于制做 衍癥治療的止蠢器；制成螺釘用于骨折愈合等。上述應(yīng)用均獲得了明顯效果。2.2.2超導(dǎo)功能鈮-鈦合金在溫度低于臨界溫度時，呈現(xiàn)出零電阻和完全抗磁性。制成的導(dǎo)線可通過任意 大的電流而不會發(fā)熱，沒有能耗，是輸送能量的最佳材料。2.2.3貯氫功能鈦-鐵合金具有吸氫的特性，可以把大量的氫安全的貯存起來，在一定環(huán)境中又把氫放出 來。這在氫氣分離、氫氣凈化、氫氣貯存及運輸、制造以氫為能源的熱泵和蓄電池等方面應(yīng) 用很有前途。