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钛及钛合金的应用范围(一)


为减少钛金属应用过高成本造成的负担,一方面发展了残钛处理工艺,另一方面开发了近净成形、超塑成形、精密铸造和粉末冶金以及热等静压与扩散连接等高新技术。比如通过制粉、成型、烧结或热等静压固结方法加工而成的粉末冶金制品为近净成形件,材料利用率高达80%,既降低了材料消耗,又明显减少了切削加工量。又如大型薄壁精密铸造技术在钛合金中的应用,使钛铸件性能接近钛锻件,而成本降低50%左右。

 

  钛及钛合金的主要消费领域首先是航空工业。20世纪80年代,美国航空工业用钛占钛材总用量的74.8%,俄罗斯、英国等也主要用于航空工业,日本90%的钛材用于民用工业。近年来,钛材在非航空航天工业中的应用不断增加,航空航天仍居“主打”地位。从1952年钛在道格拉斯DC-7班机上用作发动机短舱和隔火壁开始,至今许多飞机的结构件均已使用钛合金制造。在波音757、超音速SR-71黑鸟、F-22喷气战斗机、空间卫星和导弹上,钛零件都起到极为关键的作用。如飞机内的风扇圆盘、发动机叶片等均为钛铸件和锻件制造。

 

  钛的第二项应用领域则与利用其抗蚀能力相关。其中用量最大是作氯碱生产的电极材料。钛阳极使用寿命为石墨阳极的10倍,使产能提高近1倍,节电15%。年产1万吨苛性钠,约需5吨钛。

 

  在航海业的船舶制造中,钛曾有过昔日辉煌。前苏联制造的6~7艘3000吨级核潜艇中每艘用钛量高达560吨(其阿尔法级潜艇的钛用量在908吨以上)。近年来在海洋油气勘探与开发方面钛则显示了巨大的威力,仅1997~1999年期间欧洲在北海油气开发方面就投入了150亿美元,用于建造21个悬浮式生产作业船和64个平台。一个新平台的生命安全系统需50~500吨钛,楔形应力接头需50~100吨钛,可伸缩升降器需400~1200吨钛,固定升降器需1400~4200吨钛。

 

  在能源工业中已知用钛作发电装置的冷凝器和热交换器,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。近年来在地热井地热开发方面,钛也大展风采,充分显示了自身的抗蚀能力。在地热卤水的高温腐蚀性环境中用作动力蒸汽涡轮,其他材料皆因寿命短而不得不被钛取而代之。用钛的优点在于能提高采热的生产率和地热井的寿命。20世纪90年代开始美国在南加州Salton Sea地区打了一口温度高达300℃的地热井,至令已使用Ti-6Al-4V-0.1Ru合金热轧无缝管227吨。估计今后十年内世界各地地热开发的用钛量可能达到2400吨。我国西藏地区的羊八井电站如采用钛材,其面貌将大为改观。

 

  海洋油气钻探与地热开发主要使用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。船用紧固件使用Ti-5111(Ti-5Al-1Sn-1Zr-1V-0.8Mo)合金。我国为适应海洋工程的需要,也开发了Ti75、Ti31和Ti631等合金。

 

  据统计一台20万千瓦火力发电机组用钛量为90吨,一座核电站用钛量为80~100吨。可见能源与腐蚀等方面的用钛量不容漠视。

 

  高尔夫球、生物材料和汽车制造是钛材三个极有希望的新的应用领域。

 

  在运动与休闲领域,高尔夫球具用量的增长颇富戏剧性,1993年钛尚未进入这一领域,1997年用钛量一下增长到4000吨。原因是用钛作球棒强度高、质地轻、击球距离平均提高20~30码(1码=0.9144米)或15%。钛球棒的出现使美国1998年内增加了448个新球场。球员的数目达到2500万人(接近于全世界的一半)。1994年只卖出500个球棒,1995年一下增到19万个,而到1997竟猛增到172万个。钛在休闲运动领域大有用武之地,诸如在滑雪板、雪橇、冰斧、冰爪等爬山设施等方面。

 

  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,是极佳的骨骼支撑材料。作为植入的髋关节其重量约为不锈钢的一半,并且骨组织在生长时还可直接粘牢在钛植人体上。膝关节、义齿再造等也使用钛合金。据统计,全世界每年医学植人的用钛量在600-1000吨之间。所用钛材除Ti-6Al--4VELI(超低间隙氧)外,还开发了无铝(免除对肾和肺的毒害)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。

 

  低成本钛的生产及钛粉末加工技术的发展,已有可能将钛的应用延伸到汽车行业。用钛制造的弹簧已开始在一级方程式赛车上、竞赛用摩托车以及最高级的法拉利汽车上应用。估计不久在轻型汽车的发动机阀门、连杆、悬簧、排放系统及紧固件上将获得应用。估计钛大举进入汽车市场将从日本和美国开始。美国每年能够生产1600万辆轿车和轻型卡车,日本本田公司1998年下半年已先期将钛阀门用于Altezza家庭轿车。

 

  


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