鈦及鈦合金的性質與應用范圍
(一)鈦的性質
鈦的(de)外(wai)觀與鋼極為相似，密度為4.51克／厘米(mi)3，不足鋼的(de)60％，是難(nan)熔(rong)金屬中密度最低的(de)金屬元素。
鈦在常溫下的(de)(de)空氣(qi)中十(shi)(shi)分(fen)穩定。當加熱到400～550℃時，則在表面生成一層牢固的(de)(de)氧(yang)化膜，起(qi)防止(zhi)進一步氧(yang)化的(de)(de)保(bao)護作用。鈦吸收(shou)氧(yang)、氮、氫的(de)(de)能力(li)很強，這(zhe)類氣(qi)體是對(dui)金屬鈦十(shi)(shi)分(fen)有害的(de)(de)雜(za)質(zhi)，即使含量甚微(0.01％～0.005％)也能嚴重(zhong)影響它的(de)(de)力(li)學(xue)性能。
鈦(tai)(tai)的(de)力學性(xing)質即通(tong)稱的(de)機械性(xing)能(neng)(neng)與(yu)純度(du)十(shi)分相關。高純鈦(tai)(tai)具有(you)優良的(de)機加工性(xing)能(neng)(neng)，延伸率(lv)(lv)、斷面收縮率(lv)(lv)均佳，但強度(du)低，不(bu)適合作結構材(cai)料。工業純鈦(tai)(tai)含有(you)適量的(de)雜質，具有(you)較高的(de)強度(du)和可(ke)塑(su)性(xing)，適宜制作結構材(cai)料。
在鈦(tai)的(de)化(hua)合物中以二氧化(hua)鈦(tai)(TiO2)最有實用價(jia)值。Ti02對人體呈(cheng)惰(duo)性，無毒害，它(ta)具(ju)有一系列優良的(de)光學性質。Ti02不透(tou)明，光澤度與白(bai)度高，折射(she)率與散射(she)力大，遮蓋力強、分散性好，制(zhi)成的(de)顏(yan)料為白(bai)色粉末，俗稱(cheng)鈦(tai)白(bai)，應用甚廣。
(二)鈦的應用
1．鈦(tai)及其鈦(tai)合金的應用(yong)
致密金(jin)(jin)(jin)屬(shu)鈦(tai)(tai)由于質(zhi)量輕(qing)，比(bi)(bi)(bi)鋁合(he)金(jin)(jin)(jin)強(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)高(gao)(gao)，能在(zai)高(gao)(gao)溫(wen)下(xia)保(bao)持比(bi)(bi)(bi)鋁為高(gao)(gao)的(de)(de)強(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)而受到(dao)航空工業的(de)(de)高(gao)(gao)度(du)(du)(du)重(zhong)視。鑒于鈦(tai)(tai)的(de)(de)密度(du)(du)(du)為鋼的(de)(de)57％，其比(bi)(bi)(bi)強(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)(強(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)／重(zhong)量比(bi)(bi)(bi)或強(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)／密度(du)(du)(du)比(bi)(bi)(bi)皆稱比(bi)(bi)(bi)強(qiang)(qiang)度(du)(du)(du))高(gao)(gao)，抗(kang)腐(fu)蝕(shi)、抗(kang)氧化、抗(kang)疲勞(lao)能力均強(qiang)(qiang)，鈦(tai)(tai)合(he)金(jin)(jin)(jin)的(de)(de)3／4用(yong)作以航空結構(gou)合(he)金(jin)(jin)(jin)為代(dai)表(biao)的(de)(de)結構(gou)材料，1／4主要(yao)用(yong)作耐(nai)蝕(shi)合(he)金(jin)(jin)(jin)。
鈦合(he)金(jin)(jin)有低強(qiang)高塑性、中強(qiang)和高強(qiang)之分，為200(低強(qiang))～1300(高強(qiang))兆帕，但(dan)大體上(shang)可(ke)以把(ba)鈦合(he)金(jin)(jin)看作是(shi)高強(qiang)合(he)金(jin)(jin)。它們比被認(ren)為是(shi)中強(qiang)的(de)(de)鋁合(he)金(jin)(jin)的(de)(de)強(qiang)度為高，在(zai)(zai)強(qiang)度上(shang)已完全可(ke)以取代(dai)某些(xie)(xie)型號(hao)的(de)(de)鋼(gang)材(cai)。與鋁合(he)金(jin)(jin)在(zai)(zai)150℃以上(shang)的(de)(de)溫度下強(qiang)度迅速下降相比，某些(xie)(xie)鈦合(he)金(jin)(jin)在(zai)(zai)600℃仍能保(bao)持(chi)良好的(de)(de)強(qiang)度。
除(chu)強度外，按(an)用途還可分為耐(nai)熱、耐(nai)蝕、低溫及特殊功能(如TiNi形狀記憶合(he)金(jin)、TiFe貯氫合(he)金(jin))等鈦合(he)金(jin)，按(an)相組(zu)成可分為α、α＋β和β 及近α、亞穩定等數種(zhong)(zhong)類型。至今投入生產的(de)合(he)金(jin)牌號(hao)已超(chao)過100種(zhong)(zhong)，工業上廣泛應用的(de)只有10余(yu)種(zhong)(zhong)。其(qi)中作(zuo)結構合(he)金(jin)用的(de)Ti-6Al-4V在鈦合(he)金(jin)的(de)整個銷售市場中占60％，居(ju)主導地位，其(qi)次是Ti-5Al-2.5Sn，它的(de)長期工作(zuo)溫度可達(da)500℃(強度為780～980兆帕)。
但(dan)是，鈦有兩(liang)個主要(yao)因素使這個資源豐富的元素不能成為(wei)常用金屬(shu)。首先是成本。按美國的市場價格，每磅(1磅=0.45千克)鈦錠坯8～12美(mei)元，鋁錠(ding)為1.00～1.30美(mei)元／磅(bang)，碳素鋼為0.20～0.40美(mei)元／磅(bang)。但(dan)主(zhu)要因素是鈦(tai)(tai)本身的(de)(de)活性極強，很(hen)難(nan)處(chu)理。爐內(nei)氣(qi)氛(fen)必須嚴格(ge)控制(zhi)，焊接須在(zai)(zai)惰性氣(qi)氛(fen)內(nei)進行。金屬鈦(tai)(tai)的(de)(de)活性高、熱導率低、變形抗力大、常溫(wen)可塑性差，變形過程中不但(dan)易(yi)與(yu)模具粘結(jie)，特別在(zai)(zai)機加(jia)工(gong)時有刀具和磨料粘結(jie)到熱的(de)(de)加(jia)工(gong)表(biao)面的(de)(de)傾(qing)向，使標準結(jie)構件的(de)(de)制(zhi)造(zao)產生大量廢鈦(tai)(tai)屑，即所(suo)謂(wei)的(de)(de)殘鈦(tai)(tai)。一(yi)般鍛造(zao)鈦(tai)(tai)錠(ding)加(jia)工(gong)可產生70％的(de)(de)殘鈦(tai)(tai)，有時這一(yi)數字可高達90％。
為減少(shao)過(guo)高成(cheng)(cheng)本(ben)造成(cheng)(cheng)的(de)負擔，一方面發展了殘鈦(tai)處理工藝，另一方面開發了近凈成(cheng)(cheng)形、超(chao)塑(su)成(cheng)(cheng)形、精密鑄造和粉(fen)末冶金以及熱(re)等(deng)(deng)靜壓與擴散連(lian)接等(deng)(deng)高新技術。比如通過(guo)制粉(fen)、成(cheng)(cheng)型、燒(shao)結(jie)或熱(re)等(deng)(deng)靜壓固(gu)結(jie)方法加工而成(cheng)(cheng)的(de)粉(fen)末冶金制品為近凈成(cheng)(cheng)形件，材(cai)料(liao)利用率高達80％，既降(jiang)低了材(cai)料(liao)消耗，又明(ming)顯減少(shao)了切削(xue)加工量。又如大(da)型薄壁精密鑄造技術在(zai)鈦(tai)合金中的(de)應用，使(shi)鈦(tai)鑄件性能接近鈦(tai)鍛(duan)件，而成(cheng)(cheng)本(ben)降(jiang)低50％左右(you)。
鈦(tai)及鈦(tai)合金的主(zhu)(zhu)要消費領(ling)域首先(xian)是(shi)航(hang)空(kong)(kong)(kong)工業(ye)(ye)。20世紀(ji)80年(nian)代，美國(guo)航(hang)空(kong)(kong)(kong)工業(ye)(ye)用(yong)(yong)(yong)鈦(tai)占鈦(tai)材(cai)(cai)總用(yong)(yong)(yong)量的74.8%，俄羅斯(si)、英國(guo)等(deng)也主(zhu)(zhu)要用(yong)(yong)(yong)于(yu)航(hang)空(kong)(kong)(kong)工業(ye)(ye)，日本90%的鈦(tai)材(cai)(cai)用(yong)(yong)(yong)于(yu)民用(yong)(yong)(yong)工業(ye)(ye)。近(jin)年(nian)來，鈦(tai)材(cai)(cai)在(zai)非航(hang)空(kong)(kong)(kong)航(hang)天(tian)工業(ye)(ye)中的應用(yong)(yong)(yong)不斷增加，航(hang)空(kong)(kong)(kong)航(hang)天(tian)仍居“主(zhu)(zhu)打”地位。從(cong)1952年(nian)鈦(tai)在(zai)道格(ge)拉(la)斯(si)DC-7班機(ji)上用(yong)(yong)(yong)作(zuo)發(fa)動(dong)機(ji)短艙和(he)隔火壁(bi)開始(shi)，至今許(xu)多飛機(ji)的結構件(jian)均已使用(yong)(yong)(yong)鈦(tai)合金制造。在(zai)波音757、超音速(su)SR-71黑鳥、F-22噴氣戰(zhan)斗(dou)機(ji)、空(kong)(kong)(kong)間(jian)衛(wei)星和(he)導彈上，鈦(tai)零件(jian)都起到極為(wei)關鍵(jian)的作(zuo)用(yong)(yong)(yong)。如飛機(ji)內的風扇圓盤(pan)、發(fa)動(dong)機(ji)葉(xie)片等(deng)均為(wei)鈦(tai)鑄件(jian)和(he)鍛(duan)件(jian)制造。
鈦的第二項應用領域則與利(li)用其(qi)抗(kang)蝕能(neng)力相關。其(qi)中用量最大是作(zuo)氯堿生產(chan)的電極材料。鈦陽(yang)極使用壽命為石墨陽極的(de)10倍(bei)，使產能提高(gao)近1倍(bei)，節(jie)電15％。年產1萬噸苛性鈉，約需5噸鈦。
在(zai)航海業(ye)的(de)(de)船舶制造(zao)中，鈦(tai)(tai)(tai)(tai)曾有(you)過昔(xi)日輝煌。前(qian)蘇聯制造(zao)的(de)(de)6～7艘(sou)3000噸(dun)(dun)(dun)(dun)級核潛(qian)艇中每艘(sou)用鈦(tai)(tai)(tai)(tai)量高達560噸(dun)(dun)(dun)(dun)(其阿爾法級潛(qian)艇的(de)(de)鈦(tai)(tai)(tai)(tai)用量在(zai)908噸(dun)(dun)(dun)(dun)以上)。近年(nian)(nian)來在(zai)海洋油氣勘探與開發方面鈦(tai)(tai)(tai)(tai)則(ze)顯示了巨大的(de)(de)威(wei)力，僅1997～1999年(nian)(nian)期間歐洲在(zai)北(bei)海油氣開發方面就投入了150億美元，用于建造(zao)21個(ge)懸(xuan)浮式生(sheng)產(chan)作業(ye)船和64個(ge)平臺(tai)。一(yi)個(ge)新平臺(tai)的(de)(de)生(sheng)命(ming)安全系統需(xu)50～500噸(dun)(dun)(dun)(dun)鈦(tai)(tai)(tai)(tai)，楔形應力接頭需(xu)50～100噸(dun)(dun)(dun)(dun)鈦(tai)(tai)(tai)(tai)，可伸縮升降(jiang)器(qi)需(xu)400～1200噸(dun)(dun)(dun)(dun)鈦(tai)(tai)(tai)(tai)，固定升降(jiang)器(qi)需(xu)1400～4200噸(dun)(dun)(dun)(dun)鈦(tai)(tai)(tai)(tai)。
在能源(yuan)工業中已知用(yong)鈦(tai)作發(fa)電裝置的(de)冷凝器和(he)熱交換器，如我國臺(tai)州電廠、上海(hai)金山熱電廠和(he)鎮海(hai)發(fa)電廠的(de)發(fa)電機組都選用(yong)了鈦(tai)管冷凝(ning)器，用(yong)(yong)(yong)鈦(tai)(tai)量約700噸(dun)。秦(qin)山和(he)大亞灣核電(dian)(dian)站都選用(yong)(yong)(yong)了全鈦(tai)(tai)冷凝(ning)器。近(jin)年來在(zai)(zai)地熱(re)井地熱(re)開(kai)發方(fang)面，鈦(tai)(tai)也大展風采(cai)，充分(fen)顯示了自(zi)身的(de)(de)抗蝕(shi)能(neng)力。在(zai)(zai)地熱(re)鹵水的(de)(de)高(gao)(gao)溫腐蝕(shi)性環境中用(yong)(yong)(yong)作動(dong)力蒸汽(qi)渦(wo)輪，其他材(cai)料(liao)皆因壽命短(duan)而(er)不得不被鈦(tai)(tai)取(qu)而(er)代之。用(yong)(yong)(yong)鈦(tai)(tai)的(de)(de)優點在(zai)(zai)于能(neng)提高(gao)(gao)采(cai)熱(re)的(de)(de)生產率和(he)地熱(re)井的(de)(de)壽命。20世紀90年代開(kai)始(shi)美國在(zai)(zai)南加(jia)州Salton Sea地區打了一口溫度(du)高(gao)(gao)達300℃的(de)(de)地熱(re)井，至令已使用(yong)(yong)(yong)Ti-6Al-4V-0.1Ru合金熱(re)軋(ya)無縫(feng)管227噸(dun)。估計今后十年內世界(jie)各地地熱(re)開(kai)發的(de)(de)用(yong)(yong)(yong)鈦(tai)(tai)量可(ke)能(neng)達到2400噸(dun)。我國西藏地區的(de)(de)羊八(ba)井電(dian)(dian)站如采(cai)用(yong)(yong)(yong)鈦(tai)(tai)材(cai)，其面貌將大為改觀。
海洋油氣鉆探與地熱開發主要使用Ti-6Al-4VELI、Ti-3Al-2.5V、Ti-6Al-4V-0.1Ru、Ti-3Al-2.5V-0.1Ru及含Ti-38644(Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo)等合金(jin)。船(chuan)用緊固件使用Ti-5111(Ti-5Al-1Sn-1Zr-1V-0.8Mo)合金(jin)。我國為適應海(hai)洋工程(cheng)的需要，也開(kai)發(fa)了Ti75、Ti31和Ti631等合金(jin)。
據統(tong)計一(yi)臺20萬千瓦火力發電機組用(yong)鈦量(liang)為(wei)90噸，一(yi)座核電站用(yong)鈦量(liang)為(wei)80～100噸。可見(jian)能源與(yu)腐蝕等方面的用(yong)鈦量(liang)不容漠視。
高(gao)爾夫(fu)球、生(sheng)物材(cai)料和汽車制造是鈦材(cai)三個極有(you)希望的新的應用領域。
在(zai)運動與休(xiu)閑(xian)領域(yu)，高爾夫球(qiu)具(ju)用(yong)量(liang)的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)長頗富(fu)戲劇性，1993年(nian)(nian)(nian)鈦尚未(wei)進入這(zhe)一(yi)領域(yu)，1997年(nian)(nian)(nian)用(yong)鈦量(liang)一(yi)下增(zeng)(zeng)(zeng)長到(dao)(dao)4000噸。原因(yin)是(shi)用(yong)鈦作球(qiu)棒強(qiang)度高、質(zhi)地輕、擊球(qiu)距離平(ping)均提高20～30碼(ma)(1碼(ma)=0.9144米)或(huo)15％。鈦球(qiu)棒的(de)出現使美國1998年(nian)(nian)(nian)內(nei)增(zeng)(zeng)(zeng)加了448個(ge)(ge)新球(qiu)場。球(qiu)員的(de)數目(mu)達到(dao)(dao)2500萬(wan)人(ren)(接近于全世界的(de)一(yi)半)。1994年(nian)(nian)(nian)只賣出500個(ge)(ge)球(qiu)棒，1995年(nian)(nian)(nian)一(yi)下增(zeng)(zeng)(zeng)到(dao)(dao)19萬(wan)個(ge)(ge)，而到(dao)(dao)1997竟猛增(zeng)(zeng)(zeng)到(dao)(dao)172萬(wan)個(ge)(ge)。鈦在(zai)休(xiu)閑(xian)運動領域(yu)大有用(yong)武之(zhi)地，諸如在(zai)滑雪板、雪橇、冰(bing)斧、冰(bing)爪等爬山設施等方面。
鈦有極佳的(de)(de)生物相容性、低的(de)(de)膨(peng)脹(zhang)系(xi)數、高(gao)度耐用性及(ji)無(wu)(wu)磁性，是極佳的(de)(de)骨骼支撐材料。作為植入的(de)(de)髖關節其重量約為不銹鋼的(de)(de)一半，并且骨組(zu)織在生長時(shi)還(huan)可直(zhi)接粘牢在鈦植人體上(shang)。膝(xi)關節、義齒再造(zao)等也使用鈦合金。據統計，全世界每年醫學植人的(de)(de)用鈦量在600-1000噸之間(jian)。所用鈦材除Ti-6Al--4VELI(超(chao)低間(jian)隙氧)外，還(huan)開(kai)發了無(wu)(wu)鋁(免(mian)除對腎(shen)和(he)肺的(de)(de)毒(du)害(hai))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(tai)(tai)的(de)(de)生產及(ji)鈦(tai)(tai)粉末加工技(ji)術(shu)的(de)(de)發展，已有可能將(jiang)鈦(tai)(tai)的(de)(de)應(ying)用延伸到汽(qi)車(che)(che)行業。用鈦(tai)(tai)制造的(de)(de)彈(dan)簧已開始在一級方程式賽車(che)(che)上、競賽用摩托車(che)(che)以及(ji)最高級的(de)(de)法(fa)拉利(li)汽(qi)車(che)(che)上應(ying)用。估計不久在輕型汽(qi)車(che)(che)的(de)(de)發動機閥門、連桿、懸簧、排放系(xi)統及(ji)緊固件上將(jiang)獲(huo)得(de)應(ying)用。估計鈦(tai)(tai)大舉進入汽(qi)車(che)(che)市場將(jiang)從(cong)日本和美國開始。美國每(mei)年能夠生產1600萬輛轎車(che)(che)和輕型卡(ka)車(che)(che)，日本本田公(gong)司1998年下半年已先(xian)期(qi)將鈦閥門用(yong)于(yu)Altezza家庭轎車。
2．鈦白的(de)應用
鈦(tai)白(bai)主要用(yong)于(yu)涂(tu)料、塑料、造(zao)紙、合成(cheng)纖維、印刷(shua)油墨、橡膠、搪瓷等(deng)方面，為(wei)(wei)其他白(bai)色涂(tu)料所不及。超微細鈦(tai)白(bai)和(he)水及有機溶(rong)劑組成(cheng)的鈦(tai)溶(rong)膠已成(cheng)為(wei)(wei)獨立的新品種，應(ying)用(yong)于(yu)化妝品、透鏡表面涂(tu)飾劑、油墨與涂(tu)料添(tian)加劑，其應(ying)用(yong)領(ling)域仍在(zai)擴大。美國(guo)(guo)(guo)是全球鈦(tai)白(bai)的最大生(sheng)產國(guo)(guo)(guo)和(he)消(xiao)(xiao)費國(guo)(guo)(guo)，1998年的產量為(wei)(wei)136萬噸(dun)，表觀消(xiao)(xiao)費量為(wei)(wei)113萬噸(dun)，產值高達30億美元(yuan)。我(wo)國(guo)(guo)(guo)的產量和(he)用(yong)量則小得多(duo)。美國(guo)(guo)(guo)鈦(tai)白(bai)的消(xiao)(xiao)費，50%為(wei)(wei)顏料、油漆、清(qing)漆，23%為(wei)(wei)造(zao)紙，23%為(wei)(wei)塑料，9%為(wei)(wei)其他用(yong)途。
3．其他應(ying)用
用鈦(tai)(tai)鐵礦精(jing)礦制成(cheng)的鈦(tai)(tai)鐵(TiFe)是制造(zao)不(bu)銹(xiu)鋼時使用的脫氧劑和(he)(he)穩定劑，鈦(tai)(tai)鐵貯(zhu)氫(qing)陽極在貯(zhu)氫(qing)電(dian)(dian)(dian)池制造(zao)中(zhong)與(yu)稀土貯(zhu)氫(qing)材(cai)料(liao)在性能上各有(you)千秋，而成(cheng)本(ben)則相對要低，在貯(zhu)氫(qing)、運輸、催化(hua)(hua)、燃料(liao)電(dian)(dian)(dian)池等方面(mian)與(yu)稀土將有(you)一搏(bo)。Ti—Ni形(xing)狀記(ji)憶(yi)合金更(geng)是醫用和(he)(he)軍工不(bu)可(ke)或缺的高新(xin)技術材(cai)料(liao)。至(zhi)于電(dian)(dian)(dian)子陶瓷(ci)功(gong)能材(cai)料(liao)鈦(tai)(tai)酸(suan)鋇、鈦(tai)(tai)酸(suan)鍶、鈦(tai)(tai)化(hua)(hua)合物催化(hua)(hua)劑以及(ji)有(you)機鈦(tai)(tai)耐熱漆和(he)(he)鈦(tai)(tai)環氧涂料(liao)等的用途更(geng)是不(bu)勝枚舉。
