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    钛的性能和主要應用範圍

    在宇航合金等多個領域金屬钛有了很大远景,因为它本身具有超強抗磨損才能,在不久的將來有望替代機油中的抗磨損增加劑。

    (一)钛的性質

    钛的外觀與鋼極爲類似,密度爲4.51克/公分3,缺乏鋼的60%,是難熔金屬中密度最低的金屬元素。

    钛在常溫下的空氣中十分安穩。當加熱到400~550℃時,則在表面生成一層結實的氧化膜,起避免進一步氧化的維護成果。钛吸取氧、氮、氫的才华很強,這類氣體是對金屬钛十分有害的雜質,即便含量甚微(0.01%~0.005%)也能嚴重影響它的力學从命。

    钛的力學性質即通稱的機械从命與純度十分關聯。高純钛具有優秀的機加工从命,耽搁率、斷面縮短率均佳,但強度低,不適協作規劃資料。工業純钛富含過量的雜質,具有較高的強度和可塑性,適合制作規劃資料。

    在钛的化合物中以二氧化钛(TiO2)最有實用價值。Ti02對人體呈慵懶,無虐待,它具有一系列優秀的光學性質。Ti02不透明,光澤度與白度高,折射率與散射力大,遮蓋力強、别离性好,制成的顔料爲红色粉末,俗稱钛白,運用甚廣。

    (二)钛的運用

    1.钛及其合金的運用

    細密金屬钛因爲質量輕,比鋁合金強度高,能在高溫下堅持比鋁爲高的強度而遭到航空工業的高度重視。鑒于钛的密度爲鋼的57%,其比強度(強度/重量比或強度/密度比皆稱比強度)高,抗腐蝕、抗氧化、抗疲勞才华均強,钛合金的3/4用作以航空規劃合金爲代表的規劃資料,1/4主要用作耐蝕合金。

    钛合金有低強高塑性、中強和高強之分,爲200(低強)~1300(高強)兆帕,但大體上能够把钛合金看作是高強合金。它們比被認爲是中強的鋁合金的強度爲高,在強度上已完好能够交换某些類型的鋼材。與鋁合金在150℃以上的溫度下強度敏捷下降比較,某些钛合金在600℃仍能堅持傑出的強度。

    除强度外,按用处还可分为耐热、耐蚀、高温及特别从命(如TiNi形状回想合金、TiFe贮氢合金)等钛合金,按相组成可分为α、α+β和β 及近α、亚结实等数种标准。至今投入消费的合金商标已逾越100种,财产上普遍使用的只要10余种。其间作计划合金用的Ti-6Al-4V在钛合金的整个贩卖市场中占60%,居主导位置,其次是Ti-5Al-2.5Sn,它的长工夫事情温度可达500℃(强度为780~980兆帕)。

    但是,钛有兩個主要因素使這個資源豐富的元素不能成爲常用金屬。首先是本錢。按美國的市場價格,每磅(1磅=0.45公斤)钛錠坯8~12美元,鋁錠爲1.00~1.30美元/磅,碳素鋼爲0.20~0.40美元/磅。但主要因素是钛本身的活性極強,很難處置。爐內氣氛有需要嚴格掌握,焊接須在慵懶氣氛內進行。金屬钛的活性高、熱導率低、變形抗力大、常溫可塑性差,變形過程中不光易與模具粘結,特別在機加工時有刀具和磨料粘結到熱的加工表面的傾向,使規範規劃件的制作發作许多廢钛屑,即所謂的殘钛。凡是鑄造钛錠加工可發作70%的殘钛,有時這一數字可高達90%。

    爲削減過高本錢形成的擔負,一方面開展了殘钛處置工藝,另外一方面開發了近淨成形、超塑成形、精細鑄造和粉末冶金以及熱等靜壓與别离銜接等高新妙技。比如經過制粉、成型、燒結或熱等靜壓固結辦法加工而成的粉末冶金成品爲近淨成形件,資料運用率高達80%,既下降了資料耗費,又顯著削減了切削加工量。又如大型薄壁精細鑄造妙技在钛合金中的運用,使钛鑄件从命靠近钛鍛件,而本錢下降50%左右。

    钛及钛合金的主要消耗範疇首先是航空工業。20世紀80年代,美國航空工業用钛占钛材總用量的74.8%,俄羅斯、英國等也主要用于航空工業,日本90%的钛材用于民用工業。比年來,钛材在非航空航天工業中的運用不斷增长,航空航天仍居“主打”位置。從1952年钛在道格拉斯DC-7班機上用作發動機短艙和隔火壁開端,至今許多飛機的規劃件均已運用钛合金制作。在波音757、超音速SR-71黑鳥、F-22噴氣戰鬥機、空間衛星和導彈上,钛零件都起到極爲关键的成果。如飛機內的電扇圓盤、發動機葉片等均爲钛鑄件和鍛件制作。

    钛的第二項運用範疇則與運用其抗蝕才华關聯。其間用量最大是作氯堿出産的電極資料。钛陽極運用壽數爲石墨陽極的10倍,使産能前進近1倍,節電15%。年産1萬噸苛性鈉,約需5噸钛。

    在帆海業的船只制作中,钛曾有過舊日光輝。前蘇聯制作的6~7艘3000噸級核潛艇中每艘用钛量高達560噸(其阿爾法級潛艇的钛用量在908噸以上)。比年來在陆地油氣勘察與開發方面钛則顯現了宏大的才能,僅1997~1999年時間歐洲在北海油氣開發方面就投入了150億美元,用于締造21個懸浮式出産作業船和64個渠道。一個新渠道的生命宁静體系需50~500噸钛,楔形應力接頭需50~100噸钛,可彈性起落器需400~1200噸钛,结实起落器需1400~4200噸钛。

    在动力财产中已知用钛作发电设备的冷凝器和热交流器,如我国台州电厂、上海金山热电厂和镇海发电厂的发电机组都选用了钛管冷凝器,用钛量约700吨。秦山和大亚湾核电站都选用了全钛冷凝器。比年来在地热井地热开辟方面,钛也大展风采,充分闪现了本身的抗蚀才华。在地热卤水的高温堕落性状况中用作动力蒸汽涡轮,其他资料皆因寿数短而不得不被钛取而代之。用钛的优点在于能行进采热的消费率和地热井的寿数。20世纪90年代开端美国在南加州Salton Sea地域打了一口温度高达300℃的地热井,至令已使用Ti-6Al-4V-0.1Ru合金热轧无缝管227吨。估计此后十年内天下各地地热开辟的用钛量能够到达2400吨。我国西藏地域的羊八井电站如选用钛材,其容貌将大为改观。

    陆地油氣鑽探與地熱開發主要運用Ti-6Al-4VELI、Ti-3Al-2.5V、Ti-6Al-4V-0.1Ru、Ti-3Al-2.5V-0.1Ru及含钼Ti-38644(Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo)等合金。船用緊固件運用Ti-5111(Ti-5Al-1Sn-1Zr-1V-0.8Mo)合金。我國爲習慣陆地工程的需求,也開發了Ti75、Ti31和Ti631等合金。

    據統計一台20萬千瓦火力發電機組用钛量爲90噸,一座核電站用钛量爲80~100噸。可見動力與腐蝕等方面的用钛量不容無視。

    高爾夫球、生物資料和汽車制作是钛材三個極有希冀的新的運用範疇。

    在運動與休閑範疇,高爾夫球具用量的增长頗富戲劇性,1993年钛沒有進入這一範疇,1997年用钛量一下增长到4000噸。原因是用钛作球棒強度高、質地輕、擊球間隔均勻前進20~30碼(1碼=0.9144米)或15%。钛球棒的呈現使美國1998年內增长了448個新球場。球員的數康竭_2500萬人(靠近于全天下的一半)。1994年只賣出500個球棒,1995年一下增到19萬個,而到1997竟猛增到172萬個。钛在休閑運動範疇大有用武之地,諸如在滑雪板、雪橇、冰斧、冰爪等爬山設備等方面。

    钛有极佳的生物相容性、低的膨胀系数、高度耐用性及无磁性,是极佳的骨骼撑持资料。作为植入的髋枢纽其重量约为不锈钢的一半,而且骨安排在成长时还可直接粘牢在钛植人体上。膝枢纽、义齿再造等也使用钛合金。据统计,全天下每一年医学植人的用钛量在600-1000吨之间。所用钛材除Ti-6Al--4VELI(超高空隙氧)外,还开辟了无铝(清除对肾和肺的虐待)Timetal 21SRx(Ti-2.75Nb-15.2Mo-0.34Fe-0.18Si-0.250)与Timetal 21S(Ti-2.9Nb-14-9Mo-0.09Fe-2.9Al-0.22Si-0.140)、Ti-6Al-7Nb等钛合金。

    低本錢钛的出産及钛粉末加工妙技的開展,已有能够將钛的運用耽搁到汽車行業。用钛制作的繃簧已開端在一級方程式賽車上、比賽用摩托車以落第一流的法拉利汽車上運用。估计不久在輕型汽車的發動機閥門、連杆、懸簧、排放體系及緊固件大將获得運用。估计钛大舉進入汽車市場將從日本和美國開端。美國每一年能够出産1600萬輛轎車和輕型貨車,日本本田公司1998年下半年已先期將钛閥門用于Altezza家庭轎車。

    2.钛白的運用

    钛白主要用于塗料、塑料、造紙、合成纖維、印刷油墨、橡膠、琺琅等方面,爲其他红色塗料所不及。超微細钛白和水及有機溶劑組成的钛溶膠已成爲獨立的新品種,運用于化妝品、透鏡表面塗飾劑、油墨與塗料增长劑,其運用範疇仍在擴展。美國是举世钛白的最大出産國和消耗國,1998年的産值爲136萬噸,表觀消耗量爲113萬噸,産值高達30億美元。我國的産值和用量則小很多。美國钛白的消耗,50%爲顔料、油漆、清漆,23%爲造紙,23%爲塑料,9%爲其他用處。

    3.其他運用

    用钛鐵礦精礦制成的钛鐵(TiFe)是制作不鏽鋼時運用的脫氧劑和安穩劑,钛鐵貯氫陽極在貯氫電池制作中與稀土貯氫資料在从命上各有所长,而本錢則相對要低,在貯氫、運送、催化、燃料電池等方面與稀土將有一搏。Ti—Ni形狀回憶合金更是醫用和軍工不可或缺的高新妙技資料。至于電子陶瓷从命資料钛酸鋇、钛酸锶、钛化合物催化劑以及有機钛耐熱漆和钛環氧塗料等的用處更是不乏其人。

     

    钛合金是以钛爲基礎參與其他元素組成的合金。钛有兩種同質異晶體:882℃以下爲密排六方規劃α钛,882℃以上爲體心立方的β钛。

      合金元素根據它們對相變溫度的影響可分爲三類

      ①安穩α相、前進相轉變溫度的元素爲α安穩元素,有鋁、碳、氧和氮等。其間鋁是钛合金主要合金元素,它對前進合金的常溫文高溫強度、下降比重、增长彈性模量有顯著成果。

      ②结实β相、下降相變溫度的元素为β结实元素,又可分同晶型和共析型二种。

     

     

    前者有钼、铌、釩等;後者有鉻、錳、銅、鐵、矽等。

      ③对相變溫度影响不大的元素为中性元素,有锆、锡等。

      氧、氮、碳和氢是钛合金的主要杂质。氧和氮在α相中有较大的溶解度,对钛合金有较着强化成果,但却使塑性下降。统统例矩钛中氧和氮的含量分别在0.15~0.2%和0.04~0.05%以下。氢在α相中溶解度很小,钛合金中溶解过多的氢会发作氢化物,使合金变脆。凡是钛合金中氢含量掌握在 0.015%以下。氢在钛中的溶解是可逆的,能够用真空退火裁撤。

         金属钛因为本身强度高、硬度及密度小、耐热性好、有害无毒等优点,在机械财产开展中会有一片不错的新六合。

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