钛的特性及其应用

1、钛的特性及其应用1前言钛是一种稀有的战略资源，广泛应用于国防、航天、航空和国民经济的许多领域。人们 长期的试验和工业生产实践证明，钛及钛合金是被公认的替代钢、不锈钢、铜及其合金、铅、 镍、锌、石墨、岩石等金属与非金属材料、有效解决设备腐蚀问题的理想的金属结构材料。 采用钛设备的主要原因有三点：一是钛具有金属结构材料的优良性能，二是钛在许多工艺介 质中具有优异的耐腐蚀性能，三是应用钛可以获得明显的技术进步和经济效益。攀枝花是中国的钒钛之都，攀西地区钒钛资源的远景储量超100亿吨，占世界的45%， 占中国的93%，居全球之首，其中钛资源储量为8.7亿吨，占世界钛储量的35.2%，占全国 钛资源储量

2、的90.5%，储量位列世界第一。攀钢集团是全球唯一拥有从矿石处理到钛材生产 完整钛产业链的企业，宣传钛的特性、推广钛产品对国家和企业的发展均具有重大的意义。2钛的特性及应用纯钛是银白色的金属，在金属分类中被划归为稀有轻金属。钛在元素周期表中属WB族 元素，原子序数为22，原子量为47.9，原子半径为0.145nm。钛的熔点为166010C，其有 两种同素异构体，相变点为890920C，在转变温度以下为密排六方的a-Ti，在转变温度以 上直到熔点之间为体心立方的B -Ti。钛在化学、物理和机械性能方面有其自己的特点。与其他金属相比，钛的密度小、比强 度高，弹性模量低（常温时为103.4GPa）,

3、屈强比高，导热系数小（为0.1507J），热膨胀系 数低，无磁性、无毒，耐高、低温，耐腐蚀、与氧的亲和力极强。概括起来，钛主要有如下 十大性能和三大功能。2.1钛的十大性能2.1.1密度小，比强度高金属钛的密度为4.51g/cm3，在常用金属中，只有A1为2.6 g/cm3，比钛轻，而低碳钢为 7.86 g/cm3, 0Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Ti 等不锈钢为 7.9 g/cm3，铜为 8.96 g/cm3,镍为 8.9 g/cm3， 都比钛重。可以看出，在相同公称尺寸条件下，使用钛材制造的设备重量约为铜的50%,钢的 57%，所以钛是一种轻型金属材料。工业设备大量采用的纯钛牌号为

4、TA2、TA1,钛合金牌号为TA 10 （ Ti-0.3Mo-0.8Ni）有特 殊要求的设备采用了 TC4 （Ti-6A1-4V），它们的比强度（抗拉强度/密度）分别为117.5 （TA2中 值）、107.5 （TA10最低值）、198.4 （TC4最低值），分别是低碳钢的2.3倍、2.1倍和3.8倍，是 不锈钢的1.8倍、1.6倍和3倍。所以钛又是一种轻型高强度的金属结构材料。正因为钛的比 强度高，才在航空、宇航、导弹、兵器等尖端技术发展中被大量采用。在一般工业中，如高 速旋转的发电机护环，蒸汽涡轮机的大叶片、高档自行车、跳高用的撑杆等都使用了钛及钛 合金。近几年被称为高尔夫新式“神奇武器一

5、头大体轻的钛制球杆大量进人美、日、欧洲市 场，尽管一根高质量的钛制球杆售价高达500美元，每年仍然售出数百根。1996年的高尔夫球杆订单中，钛制球杆占了 2/3,总价值约10亿美元。2.1.2弹性模量低钛的弹性模量在常温下为106.4GPa，是钢的57%，这说明钛抗正应变的能力低于钢。所 以钛在承受外压力、压杆稳定和挠度变形等条件下使用受到限制，不宜做刚性结构件。但是， 在钛长管束换热器上，采用折流板设计，克服了刚性差的缺点，即使在发生振动条件下也有 良好的使用效果。钛的弹性模量随着温度的升高而下降，600C时下降为69.6 GPa。在环境温度高于300C 条件下使用时，钛的弹性模量有较大幅度

6、下降。所以，在较高温度下选用钛设备时，在设计 上取环境温度上限的E值为宜。2.1.3导热系数小金属钛的传热机制主要是电子导热，其次是晶格导热。实际测试的结果为：钛的导热系 数为15.07W/(mK)，是低碳钢的1/5，铜的1/25，与不锈钢相近。钛的导热性差，可以在不 需要导热好的条件下使用。如果要求容器内温度稳定，不受外界温度影响，就应使用钛制外 壳；钛制岩钉既轻导热性又差，是登山运动员选择的理想材料。；钛金属的导热性虽然差，但 却制造了钛制列管式换热器、板式换热器、盘管换热器、蛇管换热器等设备，替代导热性好 的铜设备、钢设备并显示出更佳的换热效果，原因主要有以下六点：钛在许多化学介质中具有

7、优异的耐腐蚀性能，使用钛设备运行稳定，寿命长并强化了 生产，这就补偿了其导热性差的缺点；钛的屈强比高于铜和钢，在设计上可以把钛材、钛管减薄使用，这有利于热传导，因 此，获得比钢、铜设备要好的换热效果；钛设备在较高温度下使用时，由于钛的导热性差，在壳壁中容易形成高的温度梯度， 导致设备产生较大的热应力或热疲劳应力，但是钛的线膨胀系数仅为低碳钢的2/3,不足不锈 钢的50%，这样低的线膨胀系数对上述缺点有所补偿；钛在化学介质中抗污染能力强，其表面不易结垢或垢层较薄，这就使钛表面很难形成 绝缘传热膜层，获得较好的传热效果；蒸汽冷凝模拟试验证明了在钛表面冷凝仍属于膜状冷凝范围，但和钢、铜比较，钛表 面

8、有促进滴状凝结的倾向，这对热传导很有利；介质在管束内流速试验证明了钛管束允许较高的流速，而铜合金(如B10、B30)管束在 2m/s以上将发生“马蹄形”冲击磨蚀。钛允许介质流速大，可以强化换热效率。综合利用钛在上述六个方面的优势，可以看出钛的导热性差得到改善，钛制换热器的换 热效果高于钢和铜设备。所以，钛制换热器得到了广泛地推广使用。2.1.4抗拉强度与其屈服强度接近钛的这一性能说明其屈服比(抗拉强度/屈服强度)高，表示了金属钛材在成型时塑性变形 差，内部有较大的应力。由于钛的屈服极限与弹性模量比值大，使钛的回弹能力大，在冷成 型时是不锈钢回弹能力的23倍。由于冷成型时钛的硬度和强度呈增加趋势

9、，所以钛不适于 冷态冲压加工，应该热成型。当钛厚度小于3mm时也可以冷成型，但往往需要热校形，以避 免冷校形时引起应力开裂。可以看出钛的回弹力大和屈强比高对钛加工成型是重要的影响因 素。为此，要重视钛的塑性与温度的关系。同其它金属材料一样，塑性随温度增高而增加。但是钛有些反常，在低于200300C时， 钛的延伸率连续增加，温度再增高，其延伸率反而降低，强度有上升趋势。直到400500C， 延伸率才明显增加。钛的这一特性使我们找到加工成型的最佳条件，也就是常说的温热加工 成型，既可以避免由于钛的回弹力大和屈强比高引起的应力及应力开裂，又可以避免钛在 400C以上的吸氢而引起氢脆的现象。这也是一般

10、工业中选用钛设备时规定环境温度最好不超 过315C的原因之一。2.1.5无磁性、无毒是无磁性金属，在很大的磁场中也不会被磁化。这一特性可使钛应用在磁控设备中，钛 制舰艇外壳可以避免磁性雷的爆炸;由于钛制骨头、钛制心脏启博器不受雷雨天气的影响，又 与人体组织及血液有良好的相容性，所以被医疗界采用。另外钛设备也是制药行业理想的设 备。2.1.6抗阻尼性能金属钛受到机械振动、电振动后，与钢、铜金属相比，其自身振动衰减时间最长。利用 钛的这一性能可制做音叉、医学上的超声粉碎机振动元件和高级音响扬声器的振动薄膜等。 这一性能也是在设计钛列管式换热器管束中间隔板的间距时，为了防止由于管束的振幅大引 起的机

11、械磨损或相互碰撞而破裂，要选择合理的依据之一。2.1.7耐热性能为了满足航空、宇航工业的需求，采用固溶强化创新的a或近a型合金、以金属间化合 物为基的合金和P稳定型合金，研制开发出了质轻、热强性高的钛合金，可在500C以下长 期使用，其物理、机械性能和工艺性能稳定。所以，飞机的飞行速度马赫数高于2.7以上， 其发动机的盘、叶片、后机身、导向器、进气机匣等部件都采用了耐热钛合金。2.1.8耐低温性能钛合金 TA7 (Ti-5AI-2.5Sn), TC4(Ti-6A1-4V和 Ti-2.5Zr-1.5Mo 等为代表的低温钛合金，其 强度随温度的降低而提高，但塑性变化却不大，可在-196C-253C

12、低温下保持较好的延性及 韧性，避免了金属冷脆性，是低温容器、贮箱等设备的理想材料。2.1.9吸气性能钛是一种化学性质非常活泼的金属，其在较高温度下可与许多元素和化合物发生反应。 钛吸气主要是指与碳、氢、氮、氧发生反应，使钛的性能变坏。掌握钛的吸气性能对铁的加 热、机械加工、加工成型、特别是焊接和使用，具有重要意义。(1)钛与氧的亲合力强。加热初始，氧进人钛表面晶格中形成一层致密的氧化膜，这层氧化膜可阻止氧进一步向 基体扩散。当加热到500C以上时，钛的氧化膜成为多孔状变厚并容易剥落，氧通过膜中小 孔不断地向基体扩散，在钛内部形成一层硬脆表面，使钛的塑性降低，给加工成型造成困难。 500C以上时

13、钛的表面氧化膜颜色由蔚蓝色转变成紫色，直到灰白色。钛的焊接要在保护性气氛中进行。如果需要较高温度时，则要在钛表面涂上涂料，采用 惰性气体保护或在真空条件下进行操作等，即为了防止钛吸氧应采取一系列技术工艺措施。钛在400C以上大量吸氢，会引起氢脆。一般认为，钛基体中的含氢量超过0.009%0.015%时，就会沿着晶界或晶界向晶内方向 析出针状、薄片状或块状等氢化物的沉淀相，类似钛基体中的微裂纹，在应力作用下扩展直 到破裂。当钛表面膜中有氢化物时，在流动介质的冲刷下氧化膜容易脱落。钛设备在实际应用中，因为环境中的化学反应使氢含量不断增加，钛表面氧化膜被破坏 而不能自愈，钛表面有铁粒的存在等，也曾发

14、生过钛设备过量吸氢引起氢脆而报废的事故。 为了防止钛吸氢，一般情况下要避开以下工况条件：温度大于315C、p H 12的碱溶液；含H2S的中性溶液；含氟离子和碘离子的盐溶液等。 铁的存在加速了钛吸氢过程，所以在钛加工成型及设备焊接时，要严格防止铁的污染。钛在纯氧中，当温度达到500550C时就会发生激烈的反应而燃烧或爆炸。在氧含量大于47%的环境中，钛受到冲击和摩擦也容易着火。在气-液两相的纯氧中，钛 的着火发生在气相中。钛在漠中可以自燃。钛在干氯气中，由于缺少新生氧的来源，使钛与氯发生激烈的放热反应，这对钛来说 是一种崩溃性的反应，一直到钛或干氮消耗完为止，在反应过程中会引起钛的着火甚至爆炸

15、。 一般认为：环境中有大于1.5%的水分就可以保证钛的钝化，防止着火和爆炸。钛在发烟硝酸中的应用。当水分大于2%时可以防止钛的自燃倾向；当水分小于1%、NO2大于6%时，由于钛与 NO2的激烈反应使钛着火。在实际应用中发生过因摩擦而使钛阀爆炸事故。钛的吸气性能说明了钛是具有良好吸气的材料，在一定条件下可以利用这一性能。如超 高真空泵，把各种气体捕集在钛泵内，不污染环境，这种钛泵用于空间模拟试验、电子工业、 原子能工业和高纯金属制备等领域，效果良好；钛的吸气氧化皮掺在烟花中，可放出更亮的 光彩；利用钛的吸氮特点，采用氮化工艺技术，制成金黄色的仿金装饰品；利用钛的吸碳特 点，又可以制成乌黑色的装饰

16、品；利用钛吸氢脆化特征，可采用氢化工艺把金属钛制成钛粉 等。2.1.10耐腐蚀性能钛是一种非常活泼的金属，其平衡电位很低，在介质中的热力学腐蚀倾向大。但实际上 钛在许多介质中很稳定，如钛在氧化性、中性和弱还原性等介质中是耐腐蚀的。这是因为钛 和氧有很大的亲合力，在空气中或含氧的介质中，钛表面生成一层致密的、附着力强、惰性 大的氧化膜，保护了钛基体不被腐蚀，即使由于机械磨损也会很快自愈或重新再生。这表明 了钛是具有强烈钝化倾向的金属。介质温度在315C以下时钛的氧化膜始终保持这一特性， 这是各国一般工业中使用钛材的基础保障。在强氧化性、强还原性、无水和无氧的有机酸等 介质中，钛的氧化膜容易溶解，

17、一旦破损也不能自愈和重新修复，失去保护作用。介质的温 度越高，氧化膜的溶解破坏越厉害，钛腐蚀越快。这就是在某些化学介质中不能扩大使用钛 的原因。如果在对钛有腐蚀的介质中加人无机缓蚀剂，如CU 2+、Hg 2+、Pt2+等贵金属离子、 Ti +、达到临界浓度的Fe3+,硝酸、重铭酸钾、高锰酸钾等无机化合物，都可有效防止或减缓 钛的腐蚀。一些有机缓蚀剂，如硝酸苯、甲基红等对钛也有一定的缓蚀作用。为了提高钛的耐蚀性，研究出氧化、电镀、等离子喷涂、离子氮化、离子注人和激光处 理等表面处理技术，对钛的氧化膜起到了增强保护性作用，获得了所希望的耐腐蚀效果。针 对在硫酸、盐酸、甲按溶液、高温湿氯气和高温氯化

18、物等生产中对金属材料的要求，开发出Ti-Mo、Ti-Pd、Ti-Mo-Ni等一系列耐蚀钛合金。钛铸件使用了 Ti-32Mo合金，对常发生缝隙 腐蚀或点蚀的环境使用了 Ti-0.3 M o-0.8N i合金或钛设备的局部使用了 Ti-0.2Pd合金，均获得 了很好的使用效果。2.2钛的三大功能功能材料是以物理性能为主的工程材料，即在电、磁、声、光、热等方面具有特殊的性 质，或在其作用下表现出特殊功能的材料。对钛及钛合金的研究发现，其有记忆、超导、储 氢等三种特殊功能具有应用前途。2.2.1记忆功能钛-镍合金在一定环境温度下具有单向、双向和全方位的记忆效应，被公认是最佳记忆合 金。在工程上做管接头用于美国F-4战斗机的油压系统；石油联合企业的输油管路系统；直 径0.5mm丝做成的直径500mm抛物面网状天线用于宇航飞行器上；在医学工程上用于制做 衍症治疗的止蠢器；制成螺钉用于骨折愈合等。上述应用均获得了明显效果。2.2.2超导功能铌-钛合金在温度低于临界温度时，呈现出零电阻和完全抗磁性。制成的导线可通过任意 大的电流而不会发热，没有能耗，是输送能量的最佳材料。2.2.3贮氢功能钛-铁合金具有吸氢的特性，可以把大量的氢安全的贮存起来，在一定环境中又把氢放出 来。这在氢气分离、氢气净化、氢气贮存及运输、制造以氢为能源的热泵和蓄电池等方面应 用很有前途。