鈦及鈦合金的性質(zhì)與應(yīng)用范圍
(一)鈦的性質(zhì)
鈦的外觀與鋼極為相似，密度為4.51克／厘米3，不足鋼的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十分穩(wěn)定。當(dāng)加熱到400～550℃時(shí)，則在表面生成一層牢固的氧化膜，起防止進(jìn)一步氧化的保護(hù)作用。鈦吸收氧、氮、氫的能力很強(qiáng)，這類氣體是對(duì)金屬鈦十分有害的雜質(zhì)，即使含量甚微(0.01％～0.005％)也能嚴(yán)重影響它的力學(xué)性能。
鈦的力學(xué)性質(zhì)即通稱的機(jī)械性能與純度十分相關(guān)。高純鈦具有優(yōu)良的機(jī)加工性能，延伸率、斷面收縮率均佳，但強(qiáng)度低，不適合作結(jié)構(gòu)材料。工業(yè)純鈦含有適量的雜質(zhì)，具有較高的強(qiáng)度和可塑性，適宜制作結(jié)構(gòu)材料。
在鈦的化合物中以二氧化鈦(TiO2)最有實(shí)用價(jià)值。Ti02對(duì)人體呈惰性，無(wú)毒害，它具有一系列優(yōu)良的光學(xué)性質(zhì)。Ti02不透明，光澤度與白度高，折射率與散射力大，遮蓋力強(qiáng)、分散性好，制成的顏料為白色粉末，俗稱鈦白，應(yīng)用甚廣。
(二)鈦的應(yīng)用
1．鈦及其鈦合金的應(yīng)用
致密金屬鈦由于質(zhì)量輕，比鋁合金強(qiáng)度高，能在高溫下保持比鋁為高的強(qiáng)度而受到航空工業(yè)的高度重視。鑒于鈦的密度為鋼的57％，其比強(qiáng)度(強(qiáng)度／重量比或強(qiáng)度／密度比皆稱比強(qiáng)度)高，抗腐蝕、抗氧化、抗疲勞能力均強(qiáng)，鈦合金的3／4用作以航空結(jié)構(gòu)合金為代表的結(jié)構(gòu)材料，1／4主要用作耐蝕合金。
鈦合金有低強(qiáng)高塑性、中強(qiáng)和高強(qiáng)之分，為200(低強(qiáng))～1300(高強(qiáng))兆帕，但大體上可以把鈦合金看作是高強(qiáng)合金。它們比被認(rèn)為是中強(qiáng)的鋁合金的強(qiáng)度為高，在強(qiáng)度上已完全可以取代某些型號(hào)的鋼材。與鋁合金在150℃以上的溫度下強(qiáng)度迅速下降相比，某些鈦合金在600℃仍能保持良好的強(qiáng)度。
除強(qiáng)度外，按用途還可分為耐熱、耐蝕、低溫及特殊功能(如TiNi形狀記憶合金、TiFe貯氫合金)等鈦合金，按相組成可分為α、α＋β和β 及近α、亞穩(wěn)定等數(shù)種類型。至今投入生產(chǎn)的合金牌號(hào)已超過(guò)100種，工業(yè)上廣泛應(yīng)用的只有10余種。其中作結(jié)構(gòu)合金用的Ti-6Al-4V在鈦合金的整個(gè)銷售市場(chǎng)中占60％，居主導(dǎo)地位，其次是Ti-5Al-2.5Sn，它的長(zhǎng)期工作溫度可達(dá)500℃(強(qiáng)度為780～980兆帕)。
但是，鈦有兩個(gè)主要因素使這個(gè)資源豐富的元素不能成為常用金屬。首先是成本。按美國(guó)的市場(chǎng)價(jià)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。但主要因素是鈦本身的活性極強(qiáng)，很難處理。爐內(nèi)氣氛必須嚴(yán)格控制，焊接須在惰性氣氛內(nèi)進(jìn)行。金屬鈦的活性高、熱導(dǎo)率低、變形抗力大、常溫可塑性差，變形過(guò)程中不但易與模具粘結(jié)，特別在機(jī)加工時(shí)有刀具和磨料粘結(jié)到熱的加工表面的傾向，使標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)件的制造產(chǎn)生大量廢鈦屑，即所謂的殘鈦。一般鍛造鈦錠加工可產(chǎn)生70％的殘鈦，有時(shí)這一數(shù)字可高達(dá)90％。
為減少過(guò)高成本造成的負(fù)擔(dān)，一方面發(fā)展了殘鈦處理工藝，另一方面開(kāi)發(fā)了近凈成形、超塑成形、精密鑄造和粉末冶金以及熱等靜壓與擴(kuò)散連接等高新技術(shù)。比如通過(guò)制粉、成型、燒結(jié)或熱等靜壓固結(jié)方法加工而成的粉末冶金制品為近凈成形件，材料利用率高達(dá)80％，既降低了材料消耗，又明顯減少了切削加工量。又如大型薄壁精密鑄造技術(shù)在鈦合金中的應(yīng)用，使鈦鑄件性能接近鈦鍛件，而成本降低50％左右。
鈦及鈦合金的主要消費(fèi)領(lǐng)域首先是航空工業(yè)。20世紀(jì)80年代，美國(guó)航空工業(yè)用鈦占鈦材總用量的74.8%，俄羅斯、英國(guó)等也主要用于航空工業(yè)，日本90%的鈦材用于民用工業(yè)。近年來(lái)，鈦材在非航空航天工業(yè)中的應(yīng)用不斷增加，航空航天仍居“主打”地位。從1952年鈦在道格拉斯DC-7班機(jī)上用作發(fā)動(dòng)機(jī)短艙和隔火壁開(kāi)始，至今許多飛機(jī)的結(jié)構(gòu)件均已使用鈦合金制造。在波音757、超音速SR-71黑鳥、F-22噴氣戰(zhàn)斗機(jī)、空間衛(wèi)星和導(dǎo)彈上，鈦零件都起到極為關(guān)鍵的作用。如飛機(jī)內(nèi)的風(fēng)扇圓盤、發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等均為鈦鑄件和鍛件制造。
鈦的第二項(xiàng)應(yīng)用領(lǐng)域則與利用其抗蝕能力相關(guān)。其中用量最大是作氯堿生產(chǎn)的電極材料。鈦陽(yáng)極使用壽命為石墨陽(yáng)極的10倍，使產(chǎn)能提高近1倍，節(jié)電15％。年產(chǎn)1萬(wàn)噸苛性鈉，約需5噸鈦。
在航海業(yè)的船舶制造中，鈦曾有過(guò)昔日輝煌。前蘇聯(lián)制造的6～7艘3000噸級(jí)核潛艇中每艘用鈦量高達(dá)560噸(其阿爾法級(jí)潛艇的鈦用量在908噸以上)。近年來(lái)在海洋油氣勘探與開(kāi)發(fā)方面鈦則顯示了巨大的威力，僅1997～1999年期間歐洲在北海油氣開(kāi)發(fā)方面就投入了150億美元，用于建造21個(gè)懸浮式生產(chǎn)作業(yè)船和64個(gè)平臺(tái)。一個(gè)新平臺(tái)的生命安全系統(tǒng)需50～500噸鈦，楔形應(yīng)力接頭需50～100噸鈦，可伸縮升降器需400～1200噸鈦，固定升降器需1400～4200噸鈦。
在能源工業(yè)中已知用鈦?zhàn)靼l(fā)電裝置的冷凝器和熱交換器，如我國(guó)臺(tái)州電廠、上海金山熱電廠和鎮(zhèn)海發(fā)電廠的發(fā)電機(jī)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(lái)在地?zé)峋責(zé)衢_(kāi)發(fā)方面，鈦也大展風(fēng)采，充分顯示了自身的抗蝕能力。在地?zé)猁u水的高溫腐蝕性環(huán)境中用作動(dòng)力蒸汽渦輪，其他材料皆因壽命短而不得不被鈦取而代之。用鈦的優(yōu)點(diǎn)在于能提高采熱的生產(chǎn)率和地?zé)峋膲勖?0世紀(jì)90年代開(kāi)始美國(guó)在南加州Salton Sea地區(qū)打了一口溫度高達(dá)300℃的地?zé)峋?，至令已使用Ti-6Al-4V-0.1Ru合金熱軋無(wú)縫管227噸。估計(jì)今后十年內(nèi)世界各地地?zé)衢_(kāi)發(fā)的用鈦量可能達(dá)到2400噸。我國(guó)西藏地區(qū)的羊八井電站如采用鈦材，其面貌將大為改觀。
海洋油氣鉆探與地?zé)衢_(kāi)發(fā)主要使用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。船用緊固件使用Ti-5111(Ti-5Al-1Sn-1Zr-1V-0.8Mo)合金。我國(guó)為適應(yīng)海洋工程的需要，也開(kāi)發(fā)了Ti75、Ti31和Ti631等合金。
據(jù)統(tǒng)計(jì)一臺(tái)20萬(wàn)千瓦火力發(fā)電機(jī)組用鈦量為90噸，一座核電站用鈦量為80～100噸?？梢?jiàn)能源與腐蝕等方面的用鈦量不容漠視。
高爾夫球、生物材料和汽車制造是鈦材三個(gè)極有希望的新的應(yīng)用領(lǐng)域。
在運(yùn)動(dòng)與休閑領(lǐng)域，高爾夫球具用量的增長(zhǎng)頗富戲劇性，1993年鈦尚未進(jìn)入這一領(lǐng)域，1997年用鈦量一下增長(zhǎng)到4000噸。原因是用鈦?zhàn)髑虬魪?qiáng)度高、質(zhì)地輕、擊球距離平均提高20～30碼(1碼=0.9144米)或15％。鈦球棒的出現(xiàn)使美國(guó)1998年內(nèi)增加了448個(gè)新球場(chǎng)。球員的數(shù)目達(dá)到2500萬(wàn)人(接近于全世界的一半)。1994年只賣出500個(gè)球棒，1995年一下增到19萬(wàn)個(gè)，而到1997竟猛增到172萬(wàn)個(gè)。鈦在休閑運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域大有用武之地，諸如在滑雪板、雪橇、冰斧、冰爪等爬山設(shè)施等方面。
鈦有極佳的生物相容性、低的膨脹系數(shù)、高度耐用性及無(wú)磁性，是極佳的骨骼支撐材料。作為植入的髖關(guān)節(jié)其重量約為不銹鋼的一半，并且骨組織在生長(zhǎng)時(shí)還可直接粘牢在鈦植人體上。膝關(guān)節(jié)、義齒再造等也使用鈦合金。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界每年醫(yī)學(xué)植人的用鈦量在600-1000噸之間。所用鈦材除Ti-6Al--4VELI(超低間隙氧)外，還開(kāi)發(fā)了無(wú)鋁(免除對(duì)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。
低成本鈦的生產(chǎn)及鈦粉末加工技術(shù)的發(fā)展，已有可能將鈦的應(yīng)用延伸到汽車行業(yè)。用鈦制造的彈簧已開(kāi)始在一級(jí)方程式賽車上、競(jìng)賽用摩托車以及最高級(jí)的法拉利汽車上應(yīng)用。估計(jì)不久在輕型汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)閥門、連桿、懸簧、排放系統(tǒng)及緊固件上將獲得應(yīng)用。估計(jì)鈦大舉進(jìn)入汽車市場(chǎng)將從日本和美國(guó)開(kāi)始。美國(guó)每年能夠生產(chǎn)1600萬(wàn)輛轎車和輕型卡車，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．鈦白的應(yīng)用
鈦白主要用于涂料、塑料、造紙、合成纖維、印刷油墨、橡膠、搪瓷等方面，為其他白色涂料所不及。超微細(xì)鈦白和水及有機(jī)溶劑組成的鈦溶膠已成為獨(dú)立的新品種，應(yīng)用于化妝品、透鏡表面涂飾劑、油墨與涂料添加劑，其應(yīng)用領(lǐng)域仍在擴(kuò)大。美國(guó)是全球鈦白的最大生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，1998年的產(chǎn)量為136萬(wàn)噸，表觀消費(fèi)量為113萬(wàn)噸，產(chǎn)值高達(dá)30億美元。我國(guó)的產(chǎn)量和用量則小得多。美國(guó)鈦白的消費(fèi)，50%為顏料、油漆、清漆，23%為造紙，23%為塑料，9%為其他用途。
3．其他應(yīng)用
用鈦鐵礦精礦制成的鈦鐵(TiFe)是制造不銹鋼時(shí)使用的脫氧劑和穩(wěn)定劑，鈦鐵貯氫陽(yáng)極在貯氫電池制造中與稀土貯氫材料在性能上各有千秋，而成本則相對(duì)要低，在貯氫、運(yùn)輸、催化、燃料電池等方面與稀土將有一搏。Ti—Ni形狀記憶合金更是醫(yī)用和軍工不可或缺的高新技術(shù)材料。至于電子陶瓷功能材料鈦酸鋇、鈦酸鍶、鈦化合物催化劑以及有機(jī)鈦耐熱漆和鈦環(huán)氧涂料等的用途更是不勝枚舉。
