工業(yè)用鈦及鈦合金材料的應(yīng)用現(xiàn)狀

闞延勇 蘇方正 徐曦榮 劉鴻彥 吳丕杰

南京寶色股份公司 （江蘇南京 211178）

鈦是從1950 年開(kāi)始發(fā)展起來(lái)的一種重要的結(jié)構(gòu)金屬，鈦合金因強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性能優(yōu)良等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于航空航天[1]、化工[2]、醫(yī)療[3]、汽車[4]等領(lǐng)域。自1954 年美國(guó)成功研制出實(shí)用的鈦合金（Ti-6Al-4V）以來(lái)，其良好的耐熱、強(qiáng)度、韌性得到體現(xiàn)。在20 世紀(jì)七八十年代，對(duì)鈦合金的研究得到進(jìn)一步發(fā)展。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外鈦合金發(fā)展迅速，但我國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)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(diǎn)，總結(jié)了近幾年其在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用和取得的成果，同時(shí)比較了國(guó)內(nèi)與國(guó)外鈦及鈦合金應(yīng)用方面的差距，并對(duì)其應(yīng)用進(jìn)行了展望。

1 鈦及鈦合金的性能特點(diǎn)

鈦及鈦合金具有眾多優(yōu)良性能，如強(qiáng)度高、耐蝕性強(qiáng)，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(qiáng)度高，其抗拉強(qiáng)度為686～1 176 MPa，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(jī)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(qiáng)度不同，低溫下的強(qiáng)度高于常溫下，且韌性較好。

（4）鈦的抗腐蝕性強(qiáng)，在高達(dá)550 ℃以下的空氣中，鈦表面會(huì)形成一層薄且致密的氧化鈦膜。氧化鈦膜在某些介質(zhì)（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(yīng)用。

1.2 鈦及鈦合金的加工性能

鈦合金具有強(qiáng)度高、密度小、機(jī)械性能好、韌性和抗蝕性能佳等特點(diǎn)，在機(jī)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(qiáng)度和硬度，因此需要大功率的加工設(shè)備，模具和立柱需要具有較高的強(qiáng)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(shè)備的易損性。

1.2.2 磨削加工性能

鈦合金化學(xué)性質(zhì)非?；顫?，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(shí)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(dǎo)致磨削裂紋。

1.2.3 擠壓加工性能

擠壓鈦或鈦合金時(shí)，為預(yù)防溫度下降過(guò)快，必須保證擠壓溫度和擠壓速率足夠高，同時(shí)保證高溫坯料與模具的接觸時(shí)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(hù)措施，防止操作過(guò)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(duì)鈦合金影響非常大[5]。鍛造溫度、變形和冷卻速率的變化會(huì)改變鈦合金的組織和性能。近年來(lái)，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(jìn)鍛造技術(shù)[6]。

2 鈦及鈦合金工業(yè)運(yùn)行情況

據(jù)中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)鈦鋯鉿分會(huì)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)鈦材用量最大的領(lǐng)域?yàn)榛ば袠I(yè)，其次為航空航天行業(yè)。2022 年，化工領(lǐng)域用鈦量為7.3 萬(wàn)t，占比50%；航空航天用鈦量為3.3 萬(wàn)t，占比23%。醫(yī)藥、船舶領(lǐng)域用鈦量相對(duì)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(lǐng)域由于下游行業(yè)周期波動(dòng)，用鈦量均出現(xiàn)不同程度的下降。

2.1 產(chǎn)量

鈦及鈦合金的產(chǎn)量變化與整個(gè)工業(yè)領(lǐng)域用鈦及鈦合金的量息息相關(guān)。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(dǎo)致國(guó)際鈦材產(chǎn)量大幅減少。以俄羅斯為例，鈦加工材料年產(chǎn)量?jī)H為2.6 萬(wàn)t，較2019 年下降23.5%。2020 年，我國(guó)鈦工業(yè)表現(xiàn)突出，鈦加工材料產(chǎn)量近10 萬(wàn)t，占世界鈦加工材料產(chǎn)量的50%以上；2021 年和2022 年，我國(guó)鈦工業(yè)材料產(chǎn)量連續(xù)兩年突破10 萬(wàn)t，分別為13.59，15.10 萬(wàn)t，鈦產(chǎn)品產(chǎn)量穩(wěn)居世界第一。圖1 為2013 年—2022 年中國(guó)鈦加工材料產(chǎn)量變化情況。

圖1 2013-2022 年中國(guó)鈦加工材產(chǎn)量變化情況

2.2 產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)

鈦產(chǎn)業(yè)鏈主要分為有色金屬和化學(xué)涂料，具體如表1 所示。

表1 鈦產(chǎn)業(yè)鏈

以上兩種產(chǎn)業(yè)鏈共享鈦鐵礦和金紅石等資源。世界上超過(guò)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(yīng)用

隨著中國(guó)工業(yè)向高精尖領(lǐng)域進(jìn)軍，鈦及鈦合金在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位越來(lái)越重要，廣泛應(yīng)用于航空航天、海洋工程、化學(xué)工業(yè)、石油工業(yè)等領(lǐng)域。因比強(qiáng)度高，耐蝕性、低溫性能好，化學(xué)活性大等特點(diǎn)，同素異構(gòu)轉(zhuǎn)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(hù)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(lǐng)域在工業(yè)體系中意義非凡。在人類邁向太空的過(guò)程中，鈦及鈦合金（輕質(zhì)、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(guó)廣泛應(yīng)用于制造飛機(jī)葉片、機(jī)身、飛機(jī)渦輪盤等結(jié)構(gòu)部件。黃文君等[8]通過(guò)對(duì)航空領(lǐng)域用鈦及鈦合金材料發(fā)展進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)鈦合金是航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件原料，且其高性能價(jià)值應(yīng)用廣泛。鈦及鈦合金在航空領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，尤其是在航空發(fā)動(dòng)機(jī)方面，其應(yīng)用領(lǐng)域有鼓筒、壓氣機(jī)機(jī)匣、高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子、葉片等?，F(xiàn)代渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)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(shè)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(qiáng)度大、質(zhì)量輕，在各種艦船中廣泛應(yīng)用。其應(yīng)用主要集中在中國(guó)、俄羅斯、美國(guó)、日本等，且經(jīng)過(guò)歷代科研工作者研究，各國(guó)已經(jīng)形成適應(yīng)本國(guó)發(fā)展的船用鈦合金體系。孫靜等[9]總結(jié)了近年來(lái)鈦及鈦合金設(shè)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(shè)備應(yīng)用的主要因素。據(jù)報(bào)道，近年來(lái)我國(guó)由腐蝕造成的損失居高不下，大約為GDP 的5%，遠(yuǎn)高于美國(guó)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?jī)?nèi)容。

3.3 化學(xué)工業(yè)

除個(gè)別介質(zhì)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(yáng)極和鈦濕氯冷卻器在氯堿行業(yè)中進(jìn)行電解，經(jīng)濟(jì)效益明顯，被稱為“氯堿工業(yè)的革命”。我國(guó)氯堿行業(yè)的鈦陽(yáng)極電解槽與常規(guī)石墨不同，其應(yīng)用取得了顯著成效，與陽(yáng)極電解槽相比，每年可節(jié)省3 億元以上，壽命可延長(zhǎng)40 倍以上[11]。李偉等[12]對(duì)燃料電池中鈦雙極研究進(jìn)展進(jìn)行歸納，發(fā)現(xiàn)鈦雙極板表面改性技術(shù)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(duì)鈦雙極板電池壽命的認(rèn)識(shí)明顯加深。因此對(duì)鈦合金的研究不僅表現(xiàn)在傳統(tǒng)技術(shù)上，還要加大對(duì)新型技術(shù)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(duì)有機(jī)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(jié)構(gòu)材料，可用于壓力容器等設(shè)備制造。陳雁等[13]利用臥式鈦制反應(yīng)器與傳統(tǒng)攪拌槽反應(yīng)器進(jìn)行了微觀物料混合的比較，結(jié)果表明鈦制反應(yīng)器比傳統(tǒng)攪拌器混合效果明顯。李獻(xiàn)軍等[14]通過(guò)分析鈦及鈦合金在油氣開(kāi)采中的應(yīng)用，介紹了近幾年寶雞鈦業(yè)股份有限公司鈦材開(kāi)發(fā)情況。圖2 所示為石油工業(yè)中常用的臥式鈦制反應(yīng)器。經(jīng)過(guò)分析壓力容器產(chǎn)品損耗，發(fā)現(xiàn)鈦-鋼復(fù)合材料反應(yīng)釜、塔器等設(shè)備強(qiáng)度性能優(yōu)異，大大滿足了客戶對(duì)產(chǎn)品壽命的要求。

圖2 臥式鈦制反應(yīng)器

4 結(jié)語(yǔ)

近些年我國(guó)鈦及鈦工業(yè)大跨步前進(jìn)，并且在基礎(chǔ)研究、對(duì)口專業(yè)領(lǐng)域等方面突破了國(guó)外鈦工業(yè)大國(guó)（俄、美、日）的技術(shù)封鎖，發(fā)展前景樂(lè)觀。為進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)鈦工業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展，針對(duì)我國(guó)鈦工業(yè)提出如下幾點(diǎn)建議：

（1）深入基礎(chǔ)研究。實(shí)時(shí)跟進(jìn)和積極開(kāi)展金屬鈦提取新技術(shù)（例如鈦及鈦合金粉末近凈成型技術(shù)、鈦合金激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)及鈦復(fù)合材料制備技術(shù)等）的研究，完善鈦生產(chǎn)工藝和設(shè)備更新等，為我國(guó)鈦工業(yè)體系打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

（2）大力開(kāi)發(fā)對(duì)口領(lǐng)域?qū)Ｓ玫拟伡扳伜辖?，例如口腔醫(yī)療領(lǐng)域?qū)Ｓ玫拟伡扳伜辖?、航空航天領(lǐng)域新型鈦合金，實(shí)現(xiàn)專業(yè)對(duì)口系統(tǒng)化。

（3）把滿足鈦合金高端需求作為重點(diǎn)發(fā)展方向。美國(guó)、日本的鈦材應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域分別占60%、10%以上，我國(guó)雖然穩(wěn)步增加，但是與發(fā)達(dá)國(guó)家仍有差距。因此，在當(dāng)前政策下，鈦行業(yè)企業(yè)應(yīng)該進(jìn)行產(chǎn)業(yè)升級(jí)，牢牢把握鈦合金高端需求。

（4）響應(yīng)國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略，發(fā)展新興領(lǐng)域市場(chǎng)，延伸產(chǎn)業(yè)鏈，涉足新型加工領(lǐng)域，如口腔醫(yī)療和制藥行業(yè)等。