鈦是從1950年開始發(fā)展起來的一種重要的結構金屬，鈦合金因強度高、耐蝕性好、耐熱性能優(yōu)良等特點而被廣泛應用于航空航天[1]、化工[2]、醫(yī)療[3]、汽車[4]等領域。自1954年美國成功研制出實用的鈦合金（Ti-6Al-4V）以來，其良好的耐熱、強度、韌性得到體現(xiàn)。在20世紀七八十年代，對鈦合金的研究得到進一步發(fā)展。近年來，國內外鈦合金發(fā)展迅速，但我國與發(fā)達國家仍有一定的差距。本研究介紹了鈦及鈦合金材料的特性和加工性能特點，總結了近幾年其在工業(yè)領域的應用和取得的成果，同時比較了國內與國外鈦及鈦合金應用方面的差距，并對其應用進行了展望。
1、鈦及鈦合金的性能特點
鈦及鈦合金具有眾多優(yōu)良性能，如強度高、耐蝕性強，良好的高低溫性能和加工性能。
1.1鈦及鈦合金的特性
鈦及鈦合金特性包括：
（1）強度高，其抗拉強度為686~1176MPa，密度約為鋼的60%。
（2）較高的硬度，鈦合金退火后的洛氏硬度（HRC）為32~38。
（3）高溫和低溫性能優(yōu)良，例如在高溫條件下，鈦合金與傳統(tǒng)鋼、鋁等材料相比，其機械性能優(yōu)越，耐熱性尤為突出。新型耐熱鈦合金工作溫度范圍在550~600℃之間，不同溫度條件下，鈦合金的強度不同，低溫下的強度高于常溫下，且韌性較好。
（4）鈦的抗腐蝕性強，在高達550℃以下的空氣中，鈦表面會形成一層薄且致密的氧化鈦膜。氧化鈦膜在某些介質（例如空氣、海水等）中耐腐蝕性能高于大多數(shù)不銹鋼，從而使鈦在特殊工作環(huán)境中得到廣泛應用。
1.2鈦及鈦合金的加工性能
鈦合金具有強度高、密度小、機械性能好、韌性和抗蝕性能佳等特點，在機械加工方面表現(xiàn)突出，但鈦合金工藝性能較差。
1.2.1切削加工性能
鈦合金具有較高的強度和硬度，因此需要大功率的加工設備，模具和立柱需要具有較高的強度和硬度。鈦合金的切削阻力是45鋼的2/3~3/4，但由于其作用面積較小，容易受損，因此必須考慮設備的易損性。
1.2.2磨削加工性能
鈦合金化學性質非常活潑，在高溫工作狀態(tài)下，易黏附磨料，阻礙砂輪，降低磨削性能，因此在磨削加工時必須保證合理的溫度狀態(tài)。此外，由于砂輪的磨損，散熱條件變差，造成表層、工件局部燒傷，導致磨削裂紋。
1.2.3擠壓加工性能
擠壓鈦或鈦合金時，為預防溫度下降過快，必須保證擠壓溫度和擠壓速率足夠高，同時保證高溫坯料與模具的接觸時間足夠短。所以，使用新型耐熱模具材料成為必要。此外，盡可能采取保護措施，防止操作過程中的金屬被氣體污染。
1.2.4鍛造加工性能
鍛造工藝參數(shù)的變化對鈦合金影響非常大[5]。鍛造溫度、變形和冷卻速率的變化會改變鈦合金的組織和性能。近年來，為了保證鍛件組織和性能的優(yōu)異性，鈦合金鍛件廣泛采用熱鍛、等溫鍛造等先進鍛造技術[6]。
2、鈦及鈦合金工業(yè)運行情況
據(jù)中國有色金屬工業(yè)協(xié)會鈦鋯鉿分會統(tǒng)計，我國鈦材用量最大的領域為化工行業(yè)，其次為航空航天行業(yè)。2022年，化工領域用鈦量為7.3萬t，占比50%；航空航天用鈦量為3.3萬t，占比23%。醫(yī)藥、船舶領域用鈦量相對較低，但增速都在30%以上[7]。冶金、電力、制鹽、體育休閑、海洋工程等領域由于下游行業(yè)周期波動，用鈦量均出現(xiàn)不同程度的下降。
2.1產量
鈦及鈦合金的產量變化與整個工業(yè)領域用鈦及鈦合金的量息息相關。2020年，受新冠病毒肺炎疫情影響，全球鈦材料需求量大幅縮減，導致國際鈦材產量大幅減少。以俄羅斯為例，鈦加工材料年產量僅為2.6萬t，較2019年下降23.5%。2020年，我國鈦工業(yè)表現(xiàn)突出，鈦加工材料產量近10萬t，占世界鈦加工材料產量的50%以上；2021年和2022年，我國鈦工業(yè)材料產量連續(xù)兩年突破10萬t，分別為13.59，15.10萬t，鈦產品產量穩(wěn)居世界第一。圖1為2013年—2022年中國鈦加工材料產量變化情況。
2.2產業(yè)結構
鈦產業(yè)鏈主要分為有色金屬和化學涂料，具體如表1所示。
以上兩種產業(yè)鏈共享鈦鐵礦和金紅石等資源。世界上超過90%的鈦精礦用于鈦白粉的制造，僅有5%的鈦精礦用于海綿鈦制造。
3、工業(yè)鈦及鈦合金的應用
隨著中國工業(yè)向高精尖領域進軍，鈦及鈦合金在國民經濟中的地位越來越重要，廣泛應用于航空航天、海洋工程、化學工業(yè)、石油工業(yè)等領域。因比強度高，耐蝕性、低溫性能好，化學活性大等特點，同素異構轉變溫度為882℃，鈦合金分為α，α+β，β3類，工業(yè)純鈦分TA1，TA2，TA3，TA4，鈦-鈀合金TA9，TA10（鈦-鉬-鎳合金）。作為活性金屬，在清理和保護良好的情況下，鈦具有良好的焊接性能。
3.1航空航天
航空航天領域在工業(yè)體系中意義非凡。在人類邁向太空的過程中，鈦及鈦合金（輕質、耐高溫）扮演著重要作用。鈦及鈦合金被稱為“太空金屬”，被各國廣泛應用于制造飛機葉片、機身、飛機渦輪盤等結構部件。黃文君等[8]通過對航空領域用鈦及鈦合金材料發(fā)展進行研究，發(fā)現(xiàn)鈦合金是航空發(fā)動機關鍵部件原料，且其高性能價值應用廣泛。鈦及鈦合金在航空領域得到廣泛應用，尤其是在航空發(fā)動機方面，其應用領域有鼓筒、壓氣機機匣、高壓壓氣機轉子、葉片等。現(xiàn)代渦輪發(fā)動機結構質量的30%左右采用鈦合金材料制造。
3.2海洋工程
在海洋工程中，鈦及鈦合金被稱為“海洋金屬”。在海水中，鈦比其他金屬的抗腐蝕性能優(yōu)越，因此鈦及鈦合金是海上設備及裝置的理想材料，特別適于制造輕型海工裝備。鈦及鈦合金強度大、質量輕，在各種艦船中廣泛應用。其應用主要集中在中國、俄羅斯、美國、日本等，且經過歷代科研工作者研究，各國已經形成適應本國發(fā)展的船用鈦合金體系。孫靜等[9]總結了近年來鈦及鈦合金設備在海水中的腐蝕情況，發(fā)現(xiàn)腐蝕磨損是影響鈦合金設備應用的主要因素。據(jù)報道，近年來我國由腐蝕造成的損失居高不下，大約為GDP的5％，遠高于美國的3.4％和日本的不足3％[10]。為了海洋工程的發(fā)展，必須把防止鈦合金腐蝕磨損作為重要研究內容。
3.3化學工業(yè)
除個別介質外，鈦具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。因此，鈦也是優(yōu)良的耐腐蝕材料之一。例如，使用鈦陽極和鈦濕氯冷卻器在氯堿行業(yè)中進行電解，經濟效益明顯，被稱為“氯堿工業(yè)的革命”。我國氯堿行業(yè)的鈦陽極電解槽與常規(guī)石墨不同，其應用取得了顯著成效，與陽極電解槽相比，每年可節(jié)省3億元以上，壽命可延長40倍以上[11]。李偉等[12]對燃料電池中鈦雙極研究進展進行歸納，發(fā)現(xiàn)鈦雙極板表面改性技術的研究成果包含鈦表面涂覆金屬基涂層、碳基涂層和摻雜合金元素三大類，對鈦雙極板電池壽命的認識明顯加深。因此對鈦合金的研究不僅表現(xiàn)在傳統(tǒng)技術上，還要加大對新型技術的創(chuàng)新。
3.4石油工業(yè)
除甲酸、三氯乙酸、草酸、乙酸、三氟乙酸之外，對有機化合物而言，鈦整體表現(xiàn)出極好的穩(wěn)定性。因此，鈦板是優(yōu)良的結構材料，可用于壓力容器等設備制造。陳雁等[13]利用臥式鈦制反應器與傳統(tǒng)攪拌槽反應器進行了微觀物料混合的比較，結果表明鈦制反應器比傳統(tǒng)攪拌器混合效果明顯。李獻軍等[14]通過分析鈦及鈦合金在油氣開采中的應用，介紹了近幾年寶雞鈦業(yè)股份有限公司鈦材開發(fā)情況。圖2所示為石油工業(yè)中常用的臥式鈦制反應器。經過分析壓力容器產品損耗，發(fā)現(xiàn)鈦-鋼復合材料反應釜、塔器等設備強度性能優(yōu)異，大大滿足了客戶對產品壽命的要求。
4、結語
近些年我國鈦及鈦工業(yè)大跨步前進，并且在基礎研究、對口專業(yè)領域等方面突破了國外鈦工業(yè)大國（俄、美、日）的技術封鎖，發(fā)展前景樂觀。為進一步推動我國鈦工業(yè)的高質量發(fā)展，針對我國鈦工業(yè)提出如下幾點建議：
（1）深入基礎研究。實時跟進和積極開展金屬鈦提取新技術（例如鈦及鈦合金粉末近凈成型技術、鈦合金激光沖擊強化技術及鈦復合材料制備技術等）的研究，完善鈦生產工藝和設備更新等，為我國鈦工業(yè)體系打下堅實的基礎。
（2）大力開發(fā)對口領域專用的鈦及鈦合金，例如口腔醫(yī)療領域專用的鈦及鈦合金、航空航天領域新型鈦合金，實現(xiàn)專業(yè)對口系統(tǒng)化。
（3）把滿足鈦合金高端需求作為重點發(fā)展方向。美國、日本的鈦材應用在航空航天領域分別占60%、10%以上，我國雖然穩(wěn)步增加，但是與發(fā)達國家仍有差距。因此，在當前政策下，鈦行業(yè)企業(yè)應該進行產業(yè)升級，牢牢把握鈦合金高端需求。
（4）響應國家發(fā)展戰(zhàn)略，發(fā)展新興領域市場，延伸產業(yè)鏈，涉足新型加工領域，如口腔醫(yī)療和制藥行業(yè)等。
參考文獻：
[1]梁賢燁, 弭光寶, 李培杰, 等. 航空發(fā)動機鈦火特性理論計算研究[J]. 航空材料學報, 2021, 41(6): 59-67.
[2]王珍, 楊巧文, 唐曹, 等. 廢棄 SCR 催化劑堿浸后鈦渣的酸解工藝優(yōu)化[J]. 廣東化工, 2022, 49(1): 30-31, 43.
[3]吳獻斌. 探索鈦及鈦合金表面陽極氧化技術在醫(yī)療器械產品中的應用[J]. 冶金管理, 2021(11): 38-39.
[4]袁吉昌, 郭皓然, 唐流勇, 等. 汽車隔熱涂料的制備及性能研究[J]. 中國涂料, 2021, 36(7): 16-21.
[5]LI C M, HUANG L, LI C L, et al. Research progress on hot deformation behavior of high-strength β titanium alloy: flow behavior and constitutive model [J]. Rare Metals, 2022, 41:1434-1455.
[6]安仲生, 陳巖, 趙巍. 2022 年中國鈦工業(yè)發(fā)展報告 [J]. 鋼鐵釩鈦, 2023, 44(3): 1-8.
[7]ZHANG Y, LEE Y J, CHANG S, et al. Microstructural mod-ulation of TiAl alloys for controlling ultra-precision machin-ability [J]. International Journal of Machine Tools and Manu-facture, 2022, 174: 103851.
[8]黃文君, 王洋洋. 航空材料鈦及鈦合金的特性及發(fā)展趨勢[J]. 內燃機與配件, 2021(11): 40-41.
[9]孫靜, 齊元甲, 劉輝, 等. 海洋環(huán)境下鈦及鈦合金的腐蝕磨損研究進展[J]. 材料保護, 2020, 53(1): 151-156.
[10] 韓恩厚. 腐蝕代價大于所有自然災害損失總和 [N]. 中國科學報, 2022-04-27(2).
[11] 劉潤澤, 羅國珍, 賴新錦. 國產鈦材在民用工業(yè)中的應用和發(fā)展前景[J]. 世界有色金屬, 2000(1): 42-45.
[12] 李偉, 李爭顯, 劉林濤, 等. 氫燃料電池中鈦雙極板研究進展[J]. 鈦工業(yè)進展, 2018, 35(6): 10-15.
[13] 陳雁, 肖楊, 伍沅. SCISR 與 STR 中微觀混合的比較[J].化學與生物工程, 2004, 21(3): 55-56.
[14] 李獻軍, 王鎬, 羊玉蘭, 等. 鈦及鈦合金在油氣開采中的應用[J]. 中國金屬通報, 2012(38): 20-21.
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