钛及钛合金的应用分析

1、钛及钛合金的应用分析第一部分 概述1.1 金属钛的物理性质金属钛，原子序数为 22，相对原子质量 47.87，常温下不稳定，在自然界中只以化合 态存在。钛的密度小， 4.51g/cm3 ，是最重的轻金属。钛的延展性能好，热稳定性很好，熔点为1668±4C，沸点为3260i20C，临界温度4350E，临界压力1130大气压。钛具有较好导热性，导电性能较差，近似或略低于不锈钢，具有超导性，纯钛的超 导临界温度 0.38-0.4K。钛的硬度跟钢铁差不多，但是它的重量几乎只有同体积钢铁的一半，具有可塑性， 高纯钛的延伸率可达 50-60%，断面收缩率可达 70-80%，但强度低，钛中杂志的存

2、在对其 机械性能影响极大，特别是间隙杂志（氧、氮、碳）可大大提高钛的强度，显着降低其 塑性。钛作为结构材料所具有的良好机械性能，就是通过严格控制其中适当的杂志含量 和添加合金元素而达到的。1.2 金属钛的化学性质 金属钛在高温环境中的还原能力极强，能与氧、碳、氮以及其他许多元素化合，还 能从部分金属氧化物中夺取氧。常温下钛与氧气化合生成一层极薄致密的氧化膜，这层 氧化膜常温下不予绝大多数强酸、强碱反应，包括王水。它至于氢氟酸、热的浓盐酸、 浓硫酸反应，因此钛具有相当的抗腐蚀性。1.3 钛合金的分类及用途通常将钛合金划分为a型、a + B型和B型合金。钛合金的力学性能主要取决于化 学成分和相应的

3、显微组织。a 合金主要应用于化工和加工工业，这些工业中首先要考虑的是合金必须具有优异 的抗腐蚀性能和变形能力，而对高比强度性能的要求次之。含氧量是各种级别商业纯钛 的主要差别。作为间隙型合金化元素，氧可以显着地提高合金的强度，同时降低塑性。 商业纯钛为了达到要求的强度水平，只有氧是有意加入的合金化元素，而C和Fe等元素则是被看成制备过程进入合金的杂质元素。近a合金是典型的高温合金，由于它兼具 a合金优异的蠕变性能和（a + B）合金 的高强度，高温应用选择这类合金很理想。a + B合金中，Ti+6AI+4V合金应用最为广泛。目前使用的钛合金中有 50%以上具有 这种成分，它具有良好的综合性能，

4、目前人们对它的研究最为深入而且接受了最多的检 验，最大的应用领域在航空工业领域。B钛合金是应用最为广泛的一类钛合金，B钛合金具有最高的强度/质量比，而且大横截面的钛合金零件具有非常优异的强度、韧性和抗疲劳性能。与a +B型合金相比，B合金的不足之处是密度大、加工范围相当小、成本较高等。B型合金目前主要应用在航空航天领域和井下装置（深油井和气井）以及外科植入合金。1.4 钛合金的力学性能通常，提高钛合金性能的方式主要有三种，即合金化和加工工艺以及复合材料。 合金化是提高材料强度的基础（如固溶强化、时效强化），同时可以获得有序结构 （如 TiAI 金属间化合物），也决定了合金的大多数物理性能（如密

5、度、弹性模量、膨胀 系数），并在很大程度上控制了材料的化学抵抗能力（如腐蚀、氧化）。加工工艺可以使材料的性能达到很好的平衡。通过热加工处理，钛合金可以得到不 同的显微组织，以便获得最优的强度、塑性、韧性、超塑性、抗应力腐蚀性能和抗蠕变 性等，这取决于最终应用对某些特殊性能的要求。不同材料组合在一起可以制备性能优异的复合材料。新的符合物的性能与单个组元 的性能之间符合简单的混合法则。在这种情况下，钛合金或钛铝化合物通过颗粒或纤维 增强就得到了金属基复合材料。第二部分 钛及钛合金的应用2.1 钛合金在航空航天领域中的应用 钛合金的突出特性包括高比强和抗蚀性优异。因此，钛合金应用于铝合金、高强钢 或

6、镍基超合金的质量、强度、抗蚀性或高温稳定性等综合性能不能满足的航空产品中。航空用钛合金主要驱动力如下：a 减重（替代钢和镍基超合金）；b 使用温度（可替代铝合金、镍基合金和钢）；c 抗蚀性（可替代铝合金和低合金钢）；d 与聚合物基复合材料具有电化学相容性（可替代铝合金）；e空间限制（可替代铝合金和钢）。通常，减重是机身材料选择钛合金的主要原因，飞机机身采用钛合金可以阻止疲劳 裂纹扩展。它们以薄且窄的环状使用，象 “腰带”一样安装在铝机身的周围，防止外部蒙皮 的潜在疲劳裂纹出现突发性扩展。现在，钛合金已经应用于飞机的液压管道。与钢管相比，它可减重达 40% 。工业纯 钛用于要求中等强度且抗蚀性优

7、异的领域，比如飞机上的厨房和卫生间的地板，其腐蚀 性环境要求采用钛。飞机上除冰设备的管道系统由未合金化的钛制造，由于使用温度超过200。C，这些管道需要传送的侵蚀性介质，从而要求具有优异的热稳定性和抗蚀性，其材料的热稳定性 比强度更为重要。飞机起落架的主要部件越来越多采用锻造钛合金制造。座舱窗户框架由锻造钛合金 制造来应对潜在的高载荷如鸟类的撞击。与商用飞机市场相比，钛合金在军用战斗机中的应用更多，其大量应用受到更高机 动性和超音速航行速度所需的更高热载荷和热机械载荷设计的驱动。钛合金在军用飞机 机身材料中的比例达 50%以上。钛合金应用最普遍的领域是军用飞机发动机舱，其工作 温度迅速超过铝合

8、金的使用温度范围。钛合金用作直升机中承受非常高应力的部件 转子头部件。燃气涡轮发动机是航空钛合金的一大主要应用领域，现在燃气涡轮发动机机构质量 的 1/3 左右为钛合金。压缩机叶片是最早的钛合金发动机部件，后来出现了钛合金压缩 盘。现在喷气式发动机的大型前端风扇叶片也是钛合金制成的。2.1.3 火箭、人造卫星、导弹 具体使用部位：压气机和风扇叶片、盘，机匣，导向叶片、轴，起落架，襟冀，阻 流板，发动机舱，隔板，冀梁，燃料箱，火箭燃烧室，助推器等。2.2 钛及钛合金在化学、石油工业及其他一般工业中的应用 在化学工艺工程中，主要要求材料的抗蚀性而对材料的强度要求较低，因此选用纯 钛和低合金化钛合金

9、。钛用于制造容器、混合器、泵体、交换柱罐、热交换器、导管、 槽、搅拌器、冷却器和反应器等与含氧化剂的盐酸溶液接触的设备优先选用钛。用于实际设备的钛合金成品主要以箔材、薄板和板材（用于热交换器片、内衬和包 覆金属等）以及管材（用于热交换器、冷凝器等）形式提供。2.2.1 热交换器和冷凝器钛成为以海水、碱水和污水作为冷却介质的热交换器的首选材料。管道型和简洁的 板状热交换器被例行应用于陆上石油精炼厂和海上石油钻探平台上，特别是薄壁冷凝器 管道通常在零腐蚀余量下使用。全世界范围内数百万米焊管和无缝钛管（用于蒸汽涡轮 机发电厂、精炼厂、化工厂、空调系统、多级急骤蒸馏、脱盐和蒸汽压缩厂、海洋钻井平台、水

10、上船只和潜水艇以及游泳池用热泵）为钛的使用寿命和可靠性提供了证明。2.2.2 容器和仪表制造业钛具有很好的抗蚀性，特别是在水中，是化学、电化学和石油化工工业的理想材 料。主要用于制作容器和槽罐等。钛制容易和仪表可区分成整体容器、可拆卸的内衬和 平板等。钛网状阳极适合于铜、锌、锡或镉等电解液和其他主要的酸性液体浴池中。加热或 冷却浴池时，钛也用作侵入式盐浴加热元件用套件、锅炉管道、热交换器、调温装置和 螺纹管等。2.2.3 尺寸稳定的阳极 提炼冶金钛阳极通过在表面沉积贵金属、铂或铑的氧化物薄膜来保持与电解液良好的电接 触，这已经成功地应用于氯和氯酸钠中。这些阳极具有像铂金属一样的阳极低过电压特

11、性，与传统石墨电极相比更能降低能耗而且寿命更长，尺寸稳定，对电解液和氯的污染 较少。钛电极从含硫化物的硫酸溶液中电解沉积和电解精炼金属如铜、金、镍、锰和二 氧化锰等可以避免煅烧硫化物矿石，这样更具有环保性。另外，电解提炼中应用到钛电 极的主要原因是钛抗蚀性优异且其氧化膜可以充当良好的分离剂。2.2.4 石油化工炼油厂钛的非常优异的抗蚀性使得它在事后化工行业同样发挥着极其重要的作用。商业纯 钛和含钽或钯的钛合金在制备乙醛、丙酮、乙酸、丙烯酸纤维、尿素等生产设备中得到 了很大的应用。含硫化氢和二氧化碳较多的劣质原油迫使炼油厂采用钛来改进其加工设 备。现在，钛在炼油厂中被用于热交换器、容器、洗涤塔、

12、柱罐、管道系统和其他相关 设备。2.2.5 烟道气体脱硫燃料发电厂释放的含硫气体以酸雨的形式破坏湖泊和森林，需要经过脱硫技术除去 烟道气体中大部分的硫。目前 2 级钛板基本上都应用于制造烟囱和烟囱内衬。2.2.6 蒸汽涡轮机叶片使用钛叶片的主要原因是：钛叶片比钢叶片减重近 60%，且抗氧化性的酸性氯化物 腐蚀、抗腐蚀疲劳和抗应力腐蚀强。2.2.7 其他钛具有的优异抗腐蚀和抗剥蚀能力，是脱盐厂关键性部件的首选材料，特别是薄壁 钛管的成本效率和可靠性均优于传统的 Cu-Ni 合金，还有钛的生物相容性极其优异，在 食品、酿造、制酒和医药工业中取代不锈钢的另一理由。在纺织或纸浆和造纸厂的漂白车间里，钛

13、常被用在与侵蚀性漂白剂特别是二氧化氯 接触的设备上，大多数纯钛用于漂白工艺中，同时也用于回收废液。2.3 钛及钛合金在海洋和近海中的应用采用钛合金生产钻进平台上的天然气和石油提升器，钛合金能够满足连接海床上钻 头与提升器管道用楔形应力接头的高要求。金属管道接头配件必须具有足够的柔韧性， 以适应能够补偿由波浪、海风和潮汐引起的浮动钻井平台的移动。目前，钻井装置和供 给船上的冷却水管、供水管、废水管、海水提升管、锚系统用管道、洒水装置和压载水 管系都是钛材料制造的。除此之外，深海艇、潜水艇等耐压壳体都是钛制的，水产养殖可以应用钛合金丝编 织的渔网。核废物处理、再处理、浓缩过程中使用的离心分离机和磁

14、体外套等也常常使 用钛。2.4 钛及钛合金在汽车工业中的应用排气系统、连杆、阀门、护圈、弹簧、螺栓、螺母等2.5 钛及钛合金在体育和休闲用品中的应用自行车零件：自行车车架、胎圈、辐条、脚踏装饰品：手表、眼睛框架、饰品、剪子、剃须刀、打火机体育娱乐用品及其他：高尔夫球头、网球拍、登山工具、滑雪板、套架、雪橇、雪 铲、马掌铁、击剑面具、钓具、游艇部件、氧气瓶、潜水刀、热水瓶、炒锅、家具、记 录用具、印章、玩具等2.6 钛及钛合金在医学中的应用 人工关节、齿科材料、手术器具、起搏器、人工心脏、 Ti-Ni 合金支架、手杖、轮 椅、碱离子净水器等2.7 其他应用领域 通信、光学仪器：照相机快门、照相机

15、摄像机机壳、曝光装置、电池、海底中继器 等音响设备：振动板 土木建筑：屋顶、大厦的外装、港湾设施、桥梁、海底隧道等可以用到比如纪念 牌、标牌、门牌、栏杆、管道、防蚀被覆等。医用：Coronary stentsArtificial heart and lung machinesIntra-arterial oxygen insufflatorsStretchers, helicopter transportableStretchers, ambulanceSplints and calipers, orthopaedicProsthesesProstheses, titaniumProsthes

16、es, upper limbBone staples and plates, orthopaedicBone screws, orthopaedicDental equipment and instrumentsArtificial palatesDental implantsPumps, medical use航空航天Pipes, valves and couplings for spacecraftAirframes for satellitesAircraft engines and componentsFeathering propellers, aircraftContra rota

17、ting propellers, aircraftTurbine blades/vanes, aircraftTurbine discs, aircraftTurbine nozzle vanes, aircraftPumps, fuel, for aircraftInjectors, fuel, aircraftReheat (afterburner) installations, aircraftCylinder liners, aero-engineInsulation blankets, aero-enginePods, aero-engineTurbine cowlings, air

18、craftGas turbine components to aircraft specificationsAircraft structural equipment and componentsFuselages and hulls, aircraftAirframe assemblies and sub-assemblies, aircraftWings, aircraftTail cone assemblies, aircraftTailplanes, fins and rudders, aircraftFlaps and ailerons, aircraftNacelles, airc

19、raft engineLanding skis, aircraftAirscrew spinners, aircraftBearings, aircraftAircraft structural equipment and componentsFuel tanks, oil tanks and self-sealing tanks, aircraftRadiators, air and oil, aircraftTailplanes, helicopter Fuselages, helicopter Rotor hubs, helicopterRotors, rotor blades, hel

20、icopterRotor rings for helicoptersSupport trestles, aircraftStands and slings (cradles), aero-engine, aircraftEngine components, marine, to customer specification 化工工业Pumps, titaniumPumps, corrosion resistantPumps, abrasion resistantPumps classified by usePumps, chemical and petrochemical industryPu

21、mps, vacuum, chemical resistantHeat exchangers, cooling towers, water condensers and radiators Heat exchangers, non-ferrous metalHeat exchangers, double pipeHeat exchangers, extended surface tubeHeat exchangers, panelHeat exchangers, plate and frameHeat exchangers, finned and counterflowHeat exchang

22、ers, rotaryHeat exchangers, spiralHeat exchangers, tubularHeat exchangers, cross flowHeat exchangers for steam and gas turbinesHeat exchangers, waste gasHeat exchangers, marine engine cooling, hull mountedHeat exchangers, nuclearHeat exchangers, chemical processes Acetone/dimethylketone production p

23、lant Nitric acid production plant, complete Fractionating columns Distillation plant for sea water Coiled tubes for distillation plant Titanium lined plant and vessels, chemical industry Reactors, metal, for the chemical industry Reactors, screw, chemical industry Reactors, pulsation, for the chemic

24、al industry Electrochemical and electrolytic plant and equipment Chlorine production plant and equipment, electrolyticElectrodes for electrolytic processes, chemical industryCells, electrolytic, electrochemistry applicationsDistillation and rectification equipment for perfume essencesTechnical gas p

25、roduction plant and equipmentTar distillation boilers, coke oven typeTar distillation condensers, coke oven typePetroleum refinery plant and equipmentDesulphurisation plant, petroleum refineryOil distillation plant, petroleum refineryDistillation columns, petroleum refineryDistillation tower parts a

26、nd accessories, petroleum refineryCondensers for petroleum refineries 水处理Evaporation plant, effluent treatmentOdour treatment plant, effluent treatmentOsmosis systems, water treatmentSewage and effluent handling equipment, vacuum or compressed air operatedReverse osmosis systems, water treatmentWate

27、r, sewage and industrial effluent treatment plant and equipmentEffluent treatment plant, metal industryEffluent treatment plant, oil refineryEffluent treatment plant, for mines and quarriesEffluent treatment plant, agriculturalEffluent treatment plant, grain mills and distilleriesEffluent treatment

28、plant, dyesEffluent treatment plant, marineEffluent treatment plant, paper industryEffluent treatment plant, wood processing industryEffluent treatment plant, waste fibre recoveryEffluent treatment plant, waste ink and starch recoveryEffluent treatment plant, recovery of hydrocarbonsEffluent treatme

29、nt equipment for the printing and graphics industryDetoxication plant, effluent treatmentBactericidal treatment plant, process waterWater softening plant, industrialWater chlorination plantWater dechlorination systemsWater demineralisation plantWater deferrisation plantWater decalcification plantWat

30、er neutralisation plantWater deacidification plantWater dealkalisation equipmentWater deionising equipmentWater oxygenation plantWater ozonisation plantWater sterilisation plantWater clarification plantWater de-aeration equipmentWater desalination plantSea water desalination plantChlorine generators

31、 for swimming poolsSwimming pool water treatment plantWater purification systems for flue gas desulphurisation plantFiltration plant for industrial water, standby, mobileWater purification installations, electrochemicalDrinking water treatment and purification plantDrinking water disinfection system

32、s, electrolytic Filter-bed regeneration equipment, effluent treatmentBleaching, dyeing and finishing plant, continuous, textileDrilling machinery and equipment for oil and gas rigs Components for draw-works, oil rigValves, spare parts and accessories, slush pump, oil and gas rigRotary swivels and ac

33、cessories, oil rigMooring structures, offshore (buoys, articulated columns, fixed towers) Separators, oil, gas and water for oil and gas wellsEngraving machines and equipment for printed circuit boards (PCBs) 加工服务Forging services, light alloysForging services, stern frame and rudderForging services,

34、 anchorForging services, valveForging services, shaftForging services, cutlery blanksForging services, surgical instrument and implant blanksForging services for the shipbuilding industryForging services for the nuclear power industryForging services for the oil and gas industryForging to customer s

35、pecificationPressure die-casting services, precision, for non-ferrous metals and alloysPressing services, metal, for the bicycle industryPressing services, metal, for the nuclear power industryPressing, metal, to customer specificationForging and stamping services, titanium or titanium alloyForging

36、and pressing services for the aerospace industryForging and pressing services to aircraft specificationsPressing or stamping services, metal, for the motor vehicle industry Boilerwork, titaniumPlating services, palladiumAnodising and anodic oxidation services for metalsPlating services, rhodiumTitan

37、ium carbide and titanium nitride coating services for watch and clock cases Fabricators, titanium 生活、日用、体育文化用品Springs, wire, for clocks and watchesJewellery, titaniumKey chains and watch chains, jewelleryWatch bracelets and cases, metalCoffee sets and teasets, precious metalTableware, precious metal

38、Picture and photograph frames, precious metalAshtrays, precious metalCigarette lighters, precious metalKey fobs/tags and keyrings, precious metalStatues and ornaments, precious metal Spectacle frames, precious metalFittings, walking stick and umbrella, precious metalCostume jewellery, anodisedBracel

39、ets and bangles, costume jewellery Necklaces and chains, costume jewellery Souvenirs and giftware, decorative, metal Trimmings and ornaments, gilt, for churches Signs, sheet metalPromotional articles, metal Skis, metalMountaineering and climbing equipmentCrampons, mountaineeringSki-bobsSledges, hors

40、e, dog or reindeer drawn, for carrying loads Sleighs, horse, dog or reindeer drawn, for carrying passengers Rescue sleighsChair sledges Surfboards Fencing equipment, sports Helmets and protective articles for boxing SkateboardsMountainboardsWheels, aluminium or light alloy Frames, titanium, for bicy

41、cles Wheelchair parts and accessories Fishing rods, metal tube Set lines and line accessories Seats and chairs, anglers' Supports, fishing rod Fishing tackle Camp-beds, metal 服务提供商、工程分包商 Oil production platform construction and installation contractors Submarine pipeline laying contractorsAnti-corrosion services, offshore and underwater structures Offshore drilling contra