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钛及钛合金的应用现状与发展趋势分析

发布时间:2020-10-24 人气:370

1. 钛及钛合金的应用现状与发展趋势分析

钛及其合金具有重量轻、强度大、耐热性强、耐腐蚀等许多优特性,被誉为未来的金属,是具有发展前途的新型结构材料。钛及其合金不仅在航空、宇宙航行工业中有着十分重要的应用,而且已经开始在化工、石油、轻工、冶金、发电等许多工业部门中广泛应用。

1.1. 钛在化工等部门的应用

钛的另一个显著特点是耐腐蚀性强,这是由于它对氧的亲合力特别大,能在其表面上生成一层致密的氧化膜,可保护钛不受介质腐蚀。金属钛在大多数水溶液中,都能在表面生成钝化氧化膜。因此,钛在酸性、碱性、中性盐水溶液中和氧化性介质中具有很好的稳定性,比现有的不锈钢和其它有色金属的耐腐蚀性都好,甚至可与铂比美。但是,如果在某种介质中,能连续溶解钛表面氧化膜时,则钛在这种介质中便会受到腐蚀。例如,钛在氢氟酸、浓的或热的盐酸、硫酸和磷酸中,由于这些溶液溶解钛表面氧化膜,所以钛被腐蚀。如果在这些溶液中加入氧化剂或某些金属离子时,则钛表面氧化膜便会受到保护,此时钛的稳定属于增加。

1.2. 化学工业

钛在各种酸、碱、盐介质中,除上述四种无机酸和腐蚀性很强的氯化铝外,都具有很好的稳定性。所以,钛是化学工业中优良的抗腐蚀材料,得到了越来越广泛的应用。例如,在氯碱工业中使用钛金属阳极和钛制湿氯气冷却器,收到很好的经济效果,被誉为氯碱工业中的一大革命。

1.3. 石油工业

钛在有机化合物中,除了温度较高下的五种有机酸(甲酸、乙酸、草酸、三氯乙酸和三氟乙酸)外,都具有非常好的稳定性。因此,钛是石油炼制和石油化工中优良的结构材料,可以用来制作各种热交换器、反应器、高压容器和蒸馏塔等。三.冶金工业钛属活性金属,具有良好的吸气性能,是炼钢工业中优良的脱气剂,它能化合钢在冷却时析出的氧和氮。在钢中加入少量的钛(<0.1%)可使钢坚韧而富有弹性。钛也是炼钢,炼铝等工业中重要的合金添加剂。钛具有超导性,是一种常见的超导材料。另外,钛在含有金属离子的酸性溶液中具有很好的稳定性,因此钛在湿法冶金工业中,如铜、镍、钴、锰等有色金属的电解生产中,有着十分广泛的应用。

1.4. 化肥工业

尿素是重要的化肥,在生产过程中尿素、氨、氨基甲酸铵和它们的混合液,在高温高压的条件下腐蚀性很强,使用钛取代不锈钢后设备寿命大大增加,检修时间大大减少。因此目前尿素生产中的主要设备都使用钛材。

1.5. 海水淡化和造船工业

钛抗海水腐蚀的能力比其它所有金属都好,无论是在静止的或高速流动的海水中钛都具有特殊的稳定性。因此,钛是海水淡化装置的理想材料。钛在这个领域的应用数量将越来越大。钛抗海水和海洋空气腐蚀能力很强,而且强度大,重量轻,是造船工业的理想结构材料,已广泛应用在各种舰艇、深水潜艇的许多部件中。

1.6. 电力工业

钛在含有氯化物、硫化物等许多腐蚀性较强的热水中具有较好的稳定性,因此钛已经大量在火力发电厂中用作为热交换器的冷却管。用薄壁钛管取代铜镍合金管后,不仅大大提高了使用寿命,而且大大减少了检修时间,经济效果十分显著。

1.7. 造纸和纺织工业

钛对二氧化氯、亚氯酸、亚氯酸盐等漂白剂具有特殊的抗腐蚀性能。因此,钛在纺织印染工业、造纸工业的漂白设备中有着重要的应用。例如,钛材制造的亚漂机使用效果很好。同时,还有合成纤维等工业中用作喷丝头。

1.8. 其它方面

钛能抵抗人体的腐蚀,并对人体无害。因此可以广泛用于工医疗和制药工业部门。钛有着良好的吸气性能,也在电子真空技术中和高真空技术中有广泛的应用。

1.9. 钛在石油、化工等部门的应用

使用部门:石油化工

用途:反应器、压力容器、热交换器、分离器配管、蒸馏塔顶凝缩器内衬等。

使用部门:化学工业

用途:蒸馏塔、反应器、压力容器、热交换器、过滤器、测量仪器、汽轮机叶片、泵、阀、管道、氯碱生产电极、合成塔内衬、其它耐酸设备内衬。

造纸工业:搅拌器、漂白塔、加热锅、反应塔配管。

纺织工业:连续漂白机、蒸馏塔、反应槽、冷凝器、热交换管、离心分离机、喷丝头、阀、泵。

冶金工业:炼钢吸气剂、合金添加剂、超导合金材料、电解高纯金属(如钠、镍、钴)的阴极板和电镀槽等。

海水淡化和发电厂热交换器、冷凝器、供水加热器、管道、其它接触海水的设备。

舰艇工业:舰艇外壳、甲板、阀、翼、快艇推进器、传动轴、蒸汽机、深潜艇压力舱、开发海洋设备。

其它:超高真空钛泵、医疗和矫形器械、人工关节、制药和食品工业设备。

1.10. 钛材在航空工业中的应用

钛及其合金的比强度(强度与重量比)在金属结构材料中是很高的,它的强度与钢材相当,但其重量仅为钢材的57%。另外,钛及其合金的耐热性很强,在500℃的大气中仍能保持良好的强度和稳定性,短时间工作温度甚至还可更高些。而铝在150℃,不锈钢在310℃,就失去原有的机械性能。当飞机、导弹、火箭高速飞行时,其发动机和表面温度相当高,铝合金已不能胜任,应用钛合金是十分合适的。正是由于钛及其合金具有强度大、重量轻、耐热性强的综合优良性能,在飞机制造中用它来代替其它金属时,不仅可延长飞机的使用寿命,而且可以减轻其重量,从而大大提高其飞行性能。所以,钛是航空工业和宇宙航空工业中最有前途的结构材料之一。钛及其合金在航空工业中主要用于制造飞机发动机和机身。一般来讲,马赫数小于2的飞机,其发动机使用一部分钛及其合金,机身一般用铝合金。马赫数在于2的飞机,其发动机用钛量增加,而且机身也部分需要用钛。马赫数大于3.5的飞机,其发动机入口温度已很高,就不能用钛合金而需用超级合金了,但其机身用钛量则显著增加。钛及其合金还具有良好的耐低温性能,即使在-250℃的超低温下,它仍具有较高的冲击强度,可耐高压抗震动。因此,钛及其合金在火箭、导弹和宇宙飞船上不仅用于制造发动机外壳和结构部件,而且用于制造高压容器,如高压气瓶、低温液态燃料箱等。另外,钛及其合金在原子能反应堆和军用武器上都有应用。

1.11. 钛在航空工业等部门的应用

使用部门:航空工业

用途:飞机机身和蒙皮、发动机、尾锥、喷管、弹射舱、防火壁、夹层结构机身机架、连结件和其它零件。

宇宙航行工业飞船的液体燃料贮箱、高压容器、船舱、蒙皮、结构骨架、制动火箭主起落架,火箭、导弹高压容器、液体燃料贮箱、外壳、喷嘴、火箭发动机。

其它:原子能反应堆的结构材料、坦克天窗、炮筒和轻便常规武器等

1.12. 钛的发展趋势分析

从外形上看,钛很像钢铁,但和钢铁相比,具有很多优异性能。因此,钛可成为一种发展快、用途广、收效大的金属。目前,有人把钛叫做时髦金属,也有人根据钛在工业上发挥的重要作用及其在未来发展趋势,把钛称为第三金属(第一金属指钢铁,第二金属指铝)、未来的钢铁。

在飞机制造工业上,要求制造所用的材料,既质轻,又强度大。一般是用比强度(材料的强度和比重的比值)来表示它,这个比值越大越好,而钛正符合这个要求。钛的比强度是目前使用材料中最大的,是不锈钢的3倍,是铝合金的1.3倍。所以,在飞机制造工业上,很重视钛这个材料。随着航空工业的发展,飞机的飞行速度越来越快。速度越快、飞机跟空气摩擦产生的飞机表面温度就越高,当速度达到2.2倍音速的时候,铝合金已经不能胜任,而用钢又太重,只有采用钛合金来制造,所以有人说,如果没有钛合金作为制造材料,就不能发展2.5倍音速以上的超音速飞机。

在宇宙航行上,飞船的飞行速度比飞机更要快得多,并且工作环境变化更大,所以对材料的要求也更高、更严格。比如,用火箭把载人的宇宙飞船运到月球上去,要经历从高温到超低温的过程。在返回地面的时候,又从超低温进入高温,当飞船进入大气层的时候,飞船表面温度上升到540℃~650℃。制造宇宙飞船的材料,必须适应这样剧烈的温度变化,而钛合金能满足这些要求。在宇宙航行上,使用了钛以后,可以大大减轻飞行器的重量。从经济效果来看,由于结构重量的减轻,能够大量节省燃料,同时可以大大降低火箭和导弹的建造和发射费用。

钛的耐腐蚀能力非常强,特别是对海水的抗腐蚀能力,可以与白金相媲美。曾经有人把金属钛放在海水中浸泡了四年半,取出来以后观察,几乎没有被腐蚀,仍然保持原有金属光泽,所以,钛是制造舰艇的良好材料。钛作为耐腐蚀材料,自它的诞生就受到各国的高度重视。比如美国从1963年到1975年,在耐腐蚀材料方面使用钛的量增加了10倍。在日本使用的钛当中,有90%是用在耐腐蚀方面。钛的耐腐蚀能力比不锈钢高150倍。钛和氧有很强的结合能力,当钛暴露在空气中时,其表面立刻形成一层很薄的稳定的氧化膜,并具有特殊的耐腐蚀能力。(如果这层膜受到机械损伤的话,还会重新形成一层薄膜。)现在,电解槽国内外都用钛代替了石墨。目前,在国外有国家已规定:在原子能发电厂,为了安全,必须全部使用钛制冷凝器。在这方面用钛量是相当可观的,如发电量为60KW的火力发电站,需钛材60t,而发电量为110KW的原子能发电站需要钛材多达150t

在合金钢中加入少量的钛,可以大大改善钢的性能,提高钢的强度、韧性和耐腐蚀性能。比如我们最常见的18-8不锈钢中就含有1%左右的钛。在有色金属湿法冶金中,使用了钛以后,也收到良好的效果。比如在金属镍的电解生产中,已经采用钛板代替不锈钢板作母板,不锈钢板只能使用一年左右,而钛板可以使用10年以上,使用寿命延长了10倍。经过长期实验证明:钛在人体内没有毒性,和人体的分泌物不起作用,对任何杀菌方法都适应,且没有磁性,所以,国内外都已经用钛作矫形外科材料和医疗器械。

超导材料是未来极有发展前途的一种材料。用约50%的钛和50%的铌制成的合金,是目前研究和使用最多的一种超导材料。在美国每年生产的100多吨超导材料中,铌钛合金占90%。人工制得的钛酸钡(BaTiO3)具有特殊的性质,它具有高的介电常数,由它制成的电容器具有较大的容量。目前,钛虽然比不锈钢贵23倍,但是使用寿合一般比不锈钢要提高10倍以上。这就是说,使用钛材一次投资是贵了些,可是由于使用时间长,终究还是经济的。预计在不远的将来,钛将会像钢铁、铜、铝一样,成为我们日常生活中必不可少的一种金属。

我国丰富的钛的资源,为发展钛工业提供了优越条件,也必将为钛在各个领域里的广泛应用开辟美好的前景。


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