1、鈦及鈦合金性(xing)質簡(jian)介

1.1 鈦簡介：

鈦(tai)是一(yi)種新型材料，具有密度小、比強度高、耐熱(re)和(he)抗腐蝕等優點(dian)。它的(de)重(zhong)量(liang)僅有鐵的(de)一(yi)半，但是其(qi)力學性能例(li)如(ru)錘擊、拉延等卻和(he)銅(tong)不(bu)分(fen)上下。一(yi)般來講隨著溫度的(de)降低，金(jin)屬的(de)抗擊打性能會下降，但是鈦(tai)卻恰恰相反，溫度越(yue)低，鈦(tai)會變得越(yue)來越(yue)堅硬(ying)，并且在達(da)到臨(lin)界溫度時會出現超(chao)導的(de)現象。

1.2 鈦合金簡介：

鈦合(he)金(jin)和鈦在某種程(cheng)度(du)上性質(zhi)類似(si)，具有密度(du)小強(qiang)度(du)高的特點，此外其(qi)機械性能十分優異(yi)，抗腐蝕能力較強(qiang)。而且其(qi)熱強(qiang)度(du)高，明(ming)顯(xian)優于鋁合(he)金(jin)，同(tong)時(shi)在低(di)溫(wen)和超低(di)溫(wen)下其(qi)力學性能變化不大(da)。

2、鈦的新(xin)工(gong)藝、新(xin)技術(shu)及新(xin)用途

2.1 鈦的制備方(fang)法

雖然鈦在自(zi)然界(jie)中含量相對豐富，但是因為其存在分散(san)，且難以(yi)提取，所以(yi)鈦也是一種稀有金屬。目(mu)前來說(shuo)鈦的制(zhi)備一共分為兩大類 ：熱還原法和熔鹽電解法。

(1)熱(re)還原法制備鈦

熱(re)還(huan)原(yuan)(yuan)(yuan)法是在一(yi)定溫度下(xia)，利用Li、Na、Mg、Ca及其氫化物(wu)等(deng)強還(huan)原(yuan)(yuan)(yuan)劑，把鈦(tai)從鈦(tai)的(de)化合物(wu)如TiCl 4 、TiO 2 、K 2 TiF 6 等(deng)中還(huan)原(yuan)(yuan)(yuan)出來。根(gen)據鈦(tai)化合物(wu)的(de)不同，可將熱(re)還(huan)原(yuan)(yuan)(yuan)法制備(bei)鈦(tai)的(de)技術分(fen)為三大類 ：

①鈦的氯化物的氧化還原(yuan)法(fa)(fa)，如Kroll法(fa)(fa)、Hunter法(fa)(fa)、Armstrong法(fa)(fa)和EMR法(fa)(fa)等 ;

②鈦的氧(yang)(yang)化物的氧(yang)(yang)化還原法，如OS法、PRP工(gong)藝、MHR法等 ;

③鈦酸鹽的氧化還原法。

目前只(zhi)有(you)Kroll法(fa)(fa)(fa)和Hunter法(fa)(fa)(fa)能夠成功應(ying)用在工業生產中。Kroll法(fa)(fa)(fa)是利(li)用金屬(shu)鎂將氯化物中的(de)鈦(tai)(tai)置換出來，Hunter法(fa)(fa)(fa)是利(li)用金屬(shu)鈉將氯化物中的(de)鈦(tai)(tai)置換出來。此(ci)外(wai)，美(mei)國(guo)(guo)芝加哥國(guo)(guo)際鈦(tai)(tai)粉公司開發的(de)Armstrong法(fa)(fa)(fa)，其制備方法(fa)(fa)(fa)類似于Hunter法(fa)(fa)(fa)，也(ye)是利(li)用還原(yuan)劑鈉對(dui)金屬(shu)鈦(tai)(tai)進(jin)行提純。美(mei)國(guo)(guo)已經開始利(li)用這一(yi)方法(fa)(fa)(fa)進(jin)行工廠里面的(de)預生產。

(2)熔鹽電解法制備(bei)鈦

1959年，Kroll預言在未來(lai)(lai)5-10年內熔(rong)鹽電(dian)解(jie)將會取代Kroll法(fa)(fa)成為生產鈦(tai)的(de)(de)主流(liu)方法(fa)(fa)。多年來(lai)(lai)國內外的(de)(de)科研機構和實驗(yan)室總共開發(fa)了十幾種熔(rong)鹽電(dian)解(jie)法(fa)(fa)制備鈦(tai)的(de)(de)新技術，它們按(an)原料(liao)可分為以(yi)下(xia)三類 ：①鈦(tai)酸鹽的(de)(de)電(dian)解(jie)法(fa)(fa) ;②鈦(tai)的(de)(de)氯(lv)化物的(de)(de)電(dian)解(jie)法(fa)(fa) ;③鈦(tai)的(de)(de)氧化物的(de)(de)電(dian)解(jie)法(fa)(fa)，包(bao)括有FFC劍橋(qiao)法(fa)(fa)、MER工藝、USTB法(fa)(fa)、QIT工藝、SOM法(fa)(fa)和離子液體電(dian)解(jie)法(fa)(fa)等。

2.2 鈦的新用途

從20世(shi)紀40年(nian)代以(yi)來，鈦(tai)的(de)用(yong)途發展(zhan)很快，被廣泛應用(yong)于飛機、火箭、導彈、人(ren)(ren)造(zao)衛星、宇宙(zhou)飛船、艦(jian)艇、軍工(gong)、醫(yi)療以(yi)及石油化工(gong)等領域。最新的(de)研究中(zhong)發現，人(ren)(ren)體中(zhong)含有一定的(de)鈦(tai)元素，鈦(tai)元素會刺激吞噬(shi)細胞(bao)，可以(yi)加(jia)強免(mian)疫作用(yong)，因此不少(shao)實(shi)驗室正致力(li)于生物鈦(tai)的(de)開發和應用(yong)。

3、鈦合金的新工藝(yi)、新技(ji)術及新用途

3.1 鈦合(he)金的制(zhi)備方法

鈦(tai)合金(jin)傳統的加工(gong)一(yi)般采用熔煉和鑄造技術，最新的加工(gong)技術分(fen)為以下幾種：

(1)近(jin)凈成型技(ji)術 ;

(2)線摩擦焊接技術 ;

(3)超(chao)塑(su)性(xing)成型技術 ;

(4)材料制(zhi)備(bei)及(ji)加(jia)工過程的計算機模擬技術。

近凈成(cheng)型(xing)技術包(bao)括激光成(cheng)型(xing)、精(jing)密(mi)鑄(zhu)造(zao)、精(jing)密(mi)模鍛、粉末(mo)冶金(jin)(jin)、噴射成(cheng)型(xing)等(deng)方(fang)法(fa)。粉末(mo)冶金(jin)(jin)法(fa)是利(li)用(yong)鈦粉或(huo)(huo)鈦合(he)(he)金(jin)(jin)粉作(zuo)為(wei)原料(liao)(liao)，經(jing)過(guo)成(cheng)型(xing)和(he)(he)燒(shao)(shao)結(jie)，從而制(zhi)造(zao)鈦零部(bu)件的(de)(de)(de)(de)新工藝。首先是生產粉末(mo)，一(yi)般(ban)采用(yong)機械(xie)合(he)(he)金(jin)(jin)化的(de)(de)(de)(de)方(fang)法(fa)，利(li)用(yong)球磨(mo)機對原料(liao)(liao)進(jin)行(xing)強烈的(de)(de)(de)(de)撞擊、研磨(mo)和(he)(he)攪拌。然后(hou)對已經(jing)形成(cheng)粉末(mo)的(de)(de)(de)(de)合(he)(he)金(jin)(jin)進(jin)行(xing)壓制(zhi)成(cheng)型(xing)，有兩種壓制(zhi)方(fang)法(fa)，分別是加(jia)壓成(cheng)型(xing)和(he)(he)無壓成(cheng)型(xing)。這一(yi)步的(de)(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)(de)是為(wei)了制(zhi)得(de)一(yi)定(ding)(ding)形狀和(he)(he)尺寸(cun)的(de)(de)(de)(de)壓胚，并(bing)且使其具有一(yi)定(ding)(ding)的(de)(de)(de)(de)密(mi)度和(he)(he)強度。然后(hou)在對制(zhi)成(cheng)的(de)(de)(de)(de)胚料(liao)(liao)進(jin)行(xing)放電(dian)(dian)等(deng)離(li)子燒(shao)(shao)結(jie)，利(li)用(yong)上、下模沖及通電(dian)(dian)電(dian)(dian)極將特(te)定(ding)(ding)燒(shao)(shao)結(jie)電(dian)(dian)源和(he)(he)壓制(zhi)壓力施(shi)加(jia)于(yu)燒(shao)(shao)結(jie)粉末(mo)，經(jing)放電(dian)(dian)活化、熱塑(su)變形和(he)(he)冷(leng)卻完成(cheng)制(zhi)取高性能鈦材料(liao)(liao)。然后(hou)對經(jing)過(guo)等(deng)離(li)子燒(shao)(shao)結(jie)的(de)(de)(de)(de)鈦合(he)(he)金(jin)(jin)進(jin)行(xing)后(hou)續的(de)(de)(de)(de)處(chu)理，一(yi)般(ban)是熱處(chu)理或(huo)(huo)者塑(su)性加(jia)工。

3.2 鈦合金的新用途(tu)

鈦合(he)金早期廣(guang)泛應用于(yu)航空航天領域，主要(yao)用在(zai)(zai)(zai)制作(zuo)飛機(ji)發動機(ji)或(huo)者氣(qi)壓部(bu)件。后來隨(sui)著技術的(de)(de)不斷深入發展，鈦合(he)金已經(jing)進入尋常百姓的(de)(de)生活中(zhong)，在(zai)(zai)(zai)工廠(chang)或(huo)者家用器件上也有(you)鈦合(he)金的(de)(de)身影。現在(zai)(zai)(zai)個(ge)國家和機(ji)構都在(zai)(zai)(zai)爭(zheng)相研制新的(de)(de)鈦合(he)金，使其具有(you)低成本高性能的(de)(de)特點，近些(xie)年鈦合(he)金的(de)(de)新發展主要(yao)集中(zhong)在(zai)(zai)(zai)以下五(wu)個(ge)方面。

(1)醫用鈦合金

鈦(tai)合(he)(he)金密(mi)度小且生(sheng)物(wu)相容性好，是理想的醫用(yong)材料，甚至可以植入(ru)人體，以前(qian)在(zai)醫學(xue)(xue)領域中應(ying)(ying)用(yong)的鈦(tai)合(he)(he)金含(han)有(you)(you)釩和鋁，會對人體造(zao)成危害。但(dan)是在(zai)近期(qi)，日本學(xue)(xue)者(zhe)已經開發出了新型鈦(tai)合(he)(he)金，具有(you)(you)良好的生(sheng)物(wu)相容性，但(dan)是目前(qian)這種合(he)(he)金尚未大批量生(sheng)產(chan)，相信(xin)在(zai)不久的將來，此(ci)類(lei)優質合(he)(he)金能夠廣泛的應(ying)(ying)用(yong)于日常(chang)生(sheng)活(huo)中。

(2)阻燃鈦合金

在(zai)(zai)一(yi)定壓力、溫度和(he)空氣流速下能夠抗(kang)燃燒(shao)(shao)的(de)鈦基合(he)金是阻然(ran)鈦合(he)金。美(mei)國(guo)(guo)，俄羅斯和(he)中國(guo)(guo)都相繼研發(fa)出了(le)新的(de)阻然(ran)鈦合(he)金，其中美(mei)國(guo)(guo)將(jiang)這些(xie)阻然(ran)鈦合(he)金應用在(zai)(zai)發(fa)動機(ji)上，因為這些(xie)鈦合(he)金對燃燒(shao)(shao)不敏感，所(suo)以(yi)可以(yi)大大提(ti)高發(fa)動機(ji)的(de)穩(wen)定性(xing)。

(3)高強高韌β型

β型(xing)鈦(tai)合金具有(you)強度(du)高，焊(han)接(jie)性(xing)(xing)好，冷熱加(jia)工性(xing)(xing)能(neng)(neng)優(you)良的特(te)點(dian)。研究(jiu)人員利用這一(yi)規(gui)律，制備出的β型(xing)鈦(tai)合金的特(te)點(dian)十分明顯(xian) ：靈熱加(jia)工性(xing)(xing)能(neng)(neng)良好，塑性(xing)(xing)好，焊(han)接(jie)性(xing)(xing)能(neng)(neng)好。且(qie)通過固溶——時效處理之(zhi)后其機械性(xing)(xing)能(neng)(neng)有(you)較大提高。目前日本(ben)和俄(e)羅(luo)斯均制備出了此類鈦(tai)合金。

(4)鈦鋁化合物

鈦鋁(lv)化(hua)合(he)(he)(he)物(wu)相比一(yi)般(ban)的(de)鈦合(he)(he)(he)金來講具有高溫性(xing)能(neng)好(hao)，抗氧化(hua)抗蠕變性(xing)能(neng)好(hao)，且密度(du)小于(yu)一(yi)般(ban)的(de)鈦合(he)(he)(he)金。這(zhe)些(xie)優異的(de)特(te)點注(zhu)定了鈦鋁(lv)化(hua)合(he)(he)(he)物(wu)會掀起新的(de)合(he)(he)(he)金熱潮。目(mu)前美國已經合(he)(he)(he)成(cheng)了這(zhe)種新的(de)鈦鋁(lv)化(hua)合(he)(he)(he)物(wu)合(he)(he)(he)金，并且正在(zai)批量生產之中。

(5)高溫鈦合金

將快速凝固方法(fa)(fa)和(he)粉末冶金(jin)(jin)法(fa)(fa)相結合(he)，利用纖(xian)維或(huo)顆粒增強的復合(he)材料制備出來的鈦合(he)金(jin)(jin)具有優異的高(gao)(gao)溫力學特征。高(gao)(gao)溫鈦合(he)金(jin)(jin)的使用溫度極限遠遠高(gao)(gao)于(yu)普通鈦合(he)金(jin)(jin)。目前美國已經制備出了新型高(gao)(gao)溫鈦合(he)金(jin)(jin)。

(6)鈦鎳合金

鈦和鎳組成(cheng)的合(he)金(jin)(jin)，被成(cheng)為“記憶(yi)合(he)金(jin)(jin)”，這種合(he)金(jin)(jin)制(zhi)成(cheng)預(yu)先確定(ding)的形狀，再經定(ding)型處(chu)理后(hou)，若受(shou)外力(li)變形，只要稍微加熱便可(ke)恢復原(yuan)來的面貌(mao)。這種合(he)金(jin)(jin)可(ke)用于儀(yi)器儀(yi)表、電子裝置等各種領域。

4、中國目前鈦合金材(cai)料發展現狀及(ji)競爭格局

鈦(tai)(tai)(tai)合金指的(de)(de)是多(duo)種(zhong)用(yong)(yong)鈦(tai)(tai)(tai)與其(qi)(qi)他金屬制成(cheng)的(de)(de)合金金屬，近年(nian)來，我(wo)(wo)國(guo)頻頻發(fa)布政策(ce)鼓勵鈦(tai)(tai)(tai)合金材(cai)(cai)(cai)料的(de)(de)研發(fa)、生產(chan)及(ji)(ji)應用(yong)(yong)。在全(quan)球市場中(zhong)(zhong)，鈦(tai)(tai)(tai)合金材(cai)(cai)(cai)料主要應用(yong)(yong)于航(hang)空(kong)工(gong)(gong)業、國(guo)防(fang)軍工(gong)(gong)以及(ji)(ji)其(qi)(qi)他工(gong)(gong)業。其(qi)(qi)中(zhong)(zhong)，在航(hang)空(kong)工(gong)(gong)業的(de)(de)應用(yong)(yong)需(xu)求(qiu)最(zui)大，約占50%，主要是用(yong)(yong)于飛機和發(fa)動(dong)機的(de)(de)制造。在我(wo)(wo)國(guo)鈦(tai)(tai)(tai)材(cai)(cai)(cai)的(de)(de)需(xu)求(qiu)結(jie)構中(zhong)(zhong)，鈦(tai)(tai)(tai)加(jia)工(gong)(gong)材(cai)(cai)(cai)料主要應用(yong)(yong)于化(hua)工(gong)(gong)領(ling)域，而國(guo)內航(hang)空(kong)航(hang)天用(yong)(yong)鈦(tai)(tai)(tai)材(cai)(cai)(cai)的(de)(de)比(bi)例(li)僅為20%，說明(ming)我(wo)(wo)國(guo)航(hang)空(kong)用(yong)(yong)鈦(tai)(tai)(tai)材(cai)(cai)(cai)市場還存在較(jiao)大潛(qian)力。目前，在高端鈦(tai)(tai)(tai)合金領(ling)域，我(wo)(wo)國(guo)能夠批量(liang)生產(chan)軍用(yong)(yong)航(hang)空(kong)鈦(tai)(tai)(tai)合金棒絲材(cai)(cai)(cai)的(de)(de)企業較(jiao)少(shao)，呈(cheng)“雙寡頭”的(de)(de)競爭(zheng)格局。

1、政策(ce)鼓勵(li)鈦合金材料的發展

鈦合金指的(de)是多種用(yong)鈦與其他金屬制成的(de)合金金屬。世界(jie)上許多國(guo)家都認識到鈦合金材(cai)料(liao)的(de)重要性(xing)，相繼對其進行研(yan)(yan)究(jiu)開發，并得(de)到了(le)實際應用(yong)。近年來，我(wo)國(guo)也頻(pin)頻(pin)發布政策鼓勵鈦合金材(cai)料(liao)的(de)研(yan)(yan)發、生產及應用(yong)。2019年，據《產業結(jie)構(gou)(gou)調(diao)整指導目錄(2019征求(qiu)意(yi)見稿)》披露的(de)信息顯(xian)示，將(jiang)高性(xing)能超(chao)細、超(chao)粗、復合結(jie)構(gou)(gou)硬質合金材(cai)料(liao)及深加工產品(pin)、低(di)模量鈦合金材(cai)料(liao)、耐蝕鈦合金材(cai)料(liao)、航空(kong)航天用(yong)鈦合金緊固(gu)件等列為產業結(jie)構(gou)(gou)調(diao)整鼓勵類(lei)項目。

2、鈦合金材(cai)料主要應用(yong)于航天、軍工(gong)領域(yu)

在全球市場(chang)中(zhong)，鈦合金材料主要應(ying)(ying)用(yong)(yong)于航空工(gong)(gong)業、國防(fang)軍工(gong)(gong)以及(ji)其他(ta)工(gong)(gong)業。其中(zhong)，在航空工(gong)(gong)業的應(ying)(ying)用(yong)(yong)需求最大，約占50%，主要是用(yong)(yong)于飛機和發(fa)動機的制造。

在我國鈦(tai)材(cai)的(de)(de)(de)需(xu)求結構中，鈦(tai)加(jia)工材(cai)料主要應用于化工領域(yu)，與(yu)全球(qiu)(qiu)相比(bi)最(zui)主要的(de)(de)(de)差(cha)別(bie)在航(hang)空領域(yu)，全球(qiu)(qiu)范圍內航(hang)空用鈦(tai)材(cai)始終占據鈦(tai)材(cai)總需(xu)求的(de)(de)(de)53%左右，而國內航(hang)空航(hang)天用鈦(tai)材(cai)的(de)(de)(de)比(bi)例僅為20%，說(shuo)明我國航(hang)空用鈦(tai)材(cai)市(shi)場還(huan)存(cun)在較大潛力。

3、國內高端鈦合金市場呈“雙寡頭”競爭格局

在國內鈦(tai)合金市(shi)場中，目前能夠批量生產(chan)軍(jun)用航空鈦(tai)合金棒(bang)絲(si)材的企業(ye)主(zhu)要是：西(xi)部超(chao)導、寶(bao)鈦(tai)股份和湖南金天鈦(tai)業(ye)科技有(you)限公司(si)。

4、航空航天用鈦材(cai)需求前景(jing)廣闊

2009-2017年(nian)(nian)，中(zhong)國航(hang)(hang)(hang)(hang)空航(hang)(hang)(hang)(hang)天(tian)用(yong)鈦(tai)(tai)材(cai)(cai)銷量(liang)的年(nian)(nian)復合增(zeng)長率為16%，同時考慮到(dao)國內目前航(hang)(hang)(hang)(hang)空航(hang)(hang)(hang)(hang)天(tian)用(yong)鈦(tai)(tai)材(cai)(cai)占比(bi)遠低(di)于(yu)全球范圍內航(hang)(hang)(hang)(hang)空航(hang)(hang)(hang)(hang)天(tian)用(yong)鈦(tai)(tai)材(cai)(cai)占鈦(tai)(tai)材(cai)(cai)總(zong)需求(qiu)(qiu)的50%的比(bi)例，假設未來(lai)幾年(nian)(nian)年(nian)(nian)的復合增(zeng)長率保持不(bu)變，至2025年(nian)(nian)，我國航(hang)(hang)(hang)(hang)空工業鈦(tai)(tai)材(cai)(cai)需求(qiu)(qiu)量(liang)將達2.5萬噸。

5、結語

鈦(tai)擁有許(xu)多金(jin)屬(shu)無法比擬的(de)(de)(de)優點，隨著社(she)會的(de)(de)(de)進步(bu)、科(ke)技的(de)(de)(de)發展，鈦(tai)及鈦(tai)合(he)金(jin)的(de)(de)(de)應(ying)用(yong)將更加(jia)廣泛，人(ren)類對鈦(tai)和鈦(tai)合(he)金(jin)的(de)(de)(de)需求將日益增(zeng)大，而生產(chan)成本高是限制鈦(tai)及鈦(tai)合(he)金(jin)推廣使用(yong)的(de)(de)(de)主要原因之一。因此，開發與應(ying)用(yong)低成本、大規模及生態(tai)環保的(de)(de)(de)連續化(hua)生產(chan)工藝，才能使鈦(tai)及鈦(tai)合(he)金(jin)得到更加(jia)廣泛的(de)(de)(de)應(ying)用(yong)。