1.鈦及其合金的應用 致密金屬鈦由于質量輕,
鈦設備比鋁合金強度高,能在高溫下保持比鋁為高的強度而受到航空工業(yè)的高度重視。鑒于鈦的密度為鋼的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、抗疲勞能力均強,鈦合金的3/4用作以航空結構合金為代表的結構材料,1/4主要用作耐蝕合金。
鈦合金有低強高塑性、中強和高強之分,為200(低強)~1300(高強)兆帕,但大體上可以把鈦合金看作是高強合金。它們比被認為是中強的鋁合金的強度為高,在強度上已完全可以取代某些型號的鋼材。與鋁合金在150℃以上的溫度下強度迅速下降相比,某些鈦合金在600℃仍能保持良好的強度。
除強度外,按用途還可分為耐熱、耐蝕、低溫及特殊功能(如TiNi形狀記憶合金、TiFe貯氫合金)等鈦合金,按相組成可分為α、α+β和β 及近α、亞穩(wěn)定等數(shù)種類型。至今投入生產的合金牌號已超過100種,工業(yè)上廣泛應用的只有10余種。其中作結構合金用的Ti-6Al-4V在鈦合金的整個銷售市場中占60%,居主導地位,其次是Ti-5Al-2.5Sn,它的長期工作溫度可達500℃(強度為780~980兆帕)。 但是,鈦有兩個主要因素使這個資源豐富的元素不能成為常用金屬。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美元,鋁錠為1.00~1.30美元/磅,碳素鋼為0.20~0.40美元/磅。但主要因素是鈦本身的活性極強,很難處理。爐內氣氛必須嚴格控制,焊接須在惰性氣氛內進行。金屬鈦的活性高、熱導率低、變形抗力大、常溫可塑性差,變形過程中不但易與模具粘結,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,使標準結構件的制造產生大量廢鈦屑,即所謂的殘鈦。一般鍛造鈦錠加工可產生70%的殘鈦,有時這一數(shù)字可高達90%。
為減少過高成本造成的負擔,一方面發(fā)展了殘鈦處理工藝,另一方面開發(fā)了近凈成形、超塑成形、精密鑄造和粉末冶金以及熱等靜壓與擴散連接等高新技術。比如通過制粉、成型、燒結或熱等靜壓固結方法加工而成的粉末冶金制品為近凈成形件,材料利用率高達80%,既降低了材料消耗,又明顯減少了切削加工量。又如大型薄壁精密鑄造技術在鈦合金中的應用,使鈦鑄件性能接近鈦鍛件,而成本降低50%左右。 鈦及鈦合金的主要消費領域首先是航空工業(yè)。20世紀80年代,美國航空工業(yè)用鈦占鈦材總用量的74.8%,俄羅斯、英國等也主要用于航空工業(yè),日本90%的鈦材用于民用工業(yè)。近年來,鈦材在非航空航天工業(yè)中的應用不斷增加,航空航天仍居“主打”地位。從1952年鈦在道格拉斯DC-7班機上用作發(fā)動機短艙和隔火壁開始,至今許多飛機的結構件均已使用鈦合金制造。在波音757、超音速SR-71黑鳥、F-22噴氣戰(zhàn)斗機、空間衛(wèi)星和導彈上,鈦零件都起到極為關鍵的作用。如飛機內的風扇圓盤、發(fā)動機葉片等均為鈦鑄件和鍛件制造。
鈦的第二項應用領域則與利用其抗蝕能力相關。其中用量最大是作氯堿生產的電極材料。鈦陽極使用壽命為石墨陽極的10倍,使產能提高近1倍,節(jié)電15%。年產1萬噸苛性鈉,約需5噸鈦。