鈦材

信息來源：發(fā)布時間：2020-07-18閱讀：481

鈦是一種金屬元素，灰色，原子序數(shù)22，相對原子質(zhì)量47.87。能在氮氣中燃燒，熔點高。鈍鈦和以鈦為主的合金是新型的結(jié)構(gòu)材料，主要用于航天工業(yè)和航海工業(yè)。

鈦的密度為4.506-4.516克/立方厘米（20℃），熔點1668±4℃，熔化潛熱3.7-5.0千卡/克原子，沸點3260±20℃，汽化潛熱102.5-112.5千卡/克原子，臨界溫度4350℃，臨界壓力1130大氣壓。鈦的導熱性和導電性能較差，近似或略低于不銹鋼，鈦具有超導性，純鈦的超導臨界溫度為 0.38-0.4K。在25℃時，鈦的熱容為0.126卡/克原子·度，熱焓1149卡/克原子，熵為7.33卡/克原子·度，金屬鈦是順磁性物質(zhì)，導磁率為1.00004。

鈦具有可塑性，高純鈦的延伸率可達50-60%，斷面收縮率可達70-80%，但強度低，不宜作結(jié)構(gòu)材料。鈦中雜質(zhì)的存在，對其機械性能影響極大，特別是間隙雜質(zhì)（氧、氮、碳）可大大提高鈦的強度，顯著降低其塑性。鈦作為結(jié)構(gòu)材料所具有的良好機械性能，就是通過嚴格控制其中適當?shù)碾s質(zhì)含量和添加合金元素而達到的。

鈦的性能

1.密度小，比強度高金屬鈦的密度為4.51g/cm3，高于鋁而低于鐵、銅、鎳，但比強度位于金屬之首，

2.耐腐蝕性能鈦是一種非?；顫姷慕饘?，其平衡電位很低，在介質(zhì)中的熱力學腐蝕傾向大，但實際上鈦在許多介質(zhì)中很穩(wěn)定，如鈦在氧化性、中性和弱還原性介質(zhì)中是耐腐蝕性的。這是因為鈦和氧有很大的親和力，在空氣中或含氧的介質(zhì)中，鈦表面生成一種致密的、附著力強、惰性大的氧化膜，保護了鈦基體不被腐蝕，即使由于機械磨損也會很快自愈或重新再生。這表明了鈦是具有強烈鈍化傾向的金屬。介質(zhì)溫度在315*c以下鈦的氧化膜始終保持這一特性。

為了提高鈦的耐蝕性，研究出氧化、電鍍、等離子噴涂、離子氮化、離子注入和激光處理等表面處理技術(shù)。對鈦的氧化膜起到了增強保護性作用。獲得了所希望的耐腐蝕效果。針對在硫酸、鹽酸、甲胺溶液、高溫濕氯氣和高溫氯化物等生產(chǎn)中對金屬材料的需要，開發(fā)出鈦-鉬，鈦-鈀，鈦-鉬-鎳等一系列耐蝕鈦合金。鈦鑄件使用了鈦-32鉬合金，對常發(fā)生縫隙腐蝕或點蝕的環(huán)境使用了鈦-0.3鉬-0.8鎳合金或鈦設(shè)備的局部使用了鈦-0.2鈀合金，均獲得了很好的使用效果。

3.耐熱性能好新型鈦合金能在600*C或更高的溫度下長期使用。

4.耐低溫性能好其強度隨溫度的降低而提高，但塑性變化卻不大，在-196-253*c低溫下保持良好的延性及韌性。避免了金屬冷脆性，是低溫容器，貯箱等設(shè)備的理想材料。

5.抗阻尼性能強。金屬鈦受到機械振動，電振動后，與鋼、銅金屬相比，其自身振動衰減時間最長，利用鈦的這一性能可做音叉、醫(yī)學上的超聲粉碎機振動元件和高級音響揚聲器的振動薄膜等。

6.無磁性、無毒鈦是無磁性金屬，在很大的磁場中也不會被磁化，無毒且與人體組織及血液有好的相容性，所以被醫(yī)療界采用。

7.抗拉強度與其屈服強度接近鈦的這一性能說明了其屈強比（抗拉強度/屈服強度）高，表示了金屬太材料在成型是塑性變形差，由于鈦的屈服極限與彈性膜量的比值大，使鈦成型時的回彈能力大。

8.換熱性能好金屬態(tài)的導熱系數(shù)雖然比碳鋼和銅低，但由于鈦優(yōu)異的耐腐蝕性能，使用壁厚可以大大減薄，而且表面與蒸汽的換熱方式為滴狀冷凝，減少了熱阻，鈦表面不結(jié)垢也可減少熱阻，

9.彈性模量低鈦的彈性模量在常溫時為106.4GMPa，為鋼的57%。

10.吸氣性能鈦是一種化學性能非常活波的金屬，在高溫下可與許多元素和化合物發(fā)生反應。鈦吸氣主要指高溫下與碳、氫、氧發(fā)生反應。

鈦材應用

　　鈦及其合金具有重量輕、強度大、耐熱性強、耐腐蝕等許多優(yōu)特性，被譽為“未來的金屬”，是具有發(fā)展前途的新型結(jié)構(gòu)材料。鈦及其合金不僅在航空、宇宙航行工業(yè)中有著十分重要的應用，而且已經(jīng)開始在化工、石油、輕工、冶金、發(fā)電等許多工業(yè)部門中廣泛應用。

1．鈦在化工等部門的應用

　　鈦的另一個顯著特點是耐腐蝕性強，這是由于它對氧的親合力特別大，能在其表面上生成一層致密的氧化膜，可保護鈦不受介質(zhì)腐蝕。金屬鈦在大多數(shù)水溶液中，都能在表面生成鈍化氧化膜。因此，鈦在酸性、堿性、中性鹽水溶液中和氧化性介質(zhì)中具有很好的穩(wěn)定性，比現(xiàn)有的不銹鋼和其它有色金屬的耐腐蝕性都好，甚至可與鉑比美。但是，如果在某種介質(zhì)中，能連續(xù)溶解鈦表面氧化膜時，則鈦在這種介質(zhì)中便會受到腐蝕。例如，鈦在氫氟酸、濃的或熱的鹽酸、硫酸和磷酸中，由于這些溶液溶解鈦表面氧化膜，所以鈦被腐蝕。如果在這些溶液中加入氧化劑或某些金屬離子時，則鈦表面氧化膜便會受到保護，此時鈦的穩(wěn)定屬于增加。

一．化學工業(yè)

　　鈦在各種酸、堿、鹽介質(zhì)中，除上述四種無機酸和腐蝕性很強的氯化鋁外，都具有很好的穩(wěn)定性。所以，鈦是化學工業(yè)中優(yōu)良的抗腐蝕材料，得到了越來越廣泛的應用。例如，在氯堿工業(yè)中使用鈦金屬陽極和鈦制濕氯氣冷卻器，收到很好的經(jīng)濟效果，被譽為氯堿工業(yè)中的一大革命。

二．石油工業(yè)

　　鈦在有機化合物中，除了溫度較高下的五種有機酸（甲酸、乙酸、草酸、三氯乙酸和三氟乙酸）外，都具有非常好的穩(wěn)定性。因此，鈦是石油煉制和石油化工中優(yōu)良的結(jié)構(gòu)材料，可以用來制作各種熱交換器、反應器、高壓容器和蒸餾塔等。三．冶金工業(yè) 鈦屬活性金屬，具有良好的吸氣性能，是煉鋼工業(yè)中優(yōu)良的脫氣劑，它能化合鋼在冷卻時析出的氧和氮。在鋼中加入少量的鈦（<0.1%）可使鋼堅韌而富有彈性。鈦也是煉鋼，煉鋁等工業(yè)中重要的合金添加劑。鈦具有超導性，是一種常見的超導材料。另外，鈦在含有金屬離子的酸性溶液中具有很好的穩(wěn)定性，因此鈦在濕法冶金工業(yè)中，如銅、鎳、鈷、錳等有色金屬的電解生產(chǎn)中，有著十分廣泛的應用。

四．化肥工業(yè)

　　尿素是重要的化肥，在生產(chǎn)過程中尿素、氨、氨基甲酸銨和它們的混合液，在高溫高壓的條件下腐蝕性很強，使用鈦取代不銹鋼后設(shè)備壽命大大增加，檢修時間大大減少。因此目前尿素生產(chǎn)中的主要設(shè)備都使用鈦材。

五．海水淡化和造船工業(yè)

六．電力工業(yè) 　鈦在含有氯化物、硫化物等許多腐蝕性較強的熱水中具有較好的穩(wěn)定性，因此鈦已經(jīng)大量在火力發(fā)電廠中用作為熱交換器的冷卻管。用薄壁鈦管取代銅鎳合金管后，不僅大大提高了使用壽命，而且大大減少了檢修時間，經(jīng)濟效果十分顯著。

七．造紙和紡織工業(yè)

　　鈦對二氧化氯、亞氯酸、亞氯酸鹽等漂白劑具有特殊的抗腐蝕性能。因此，鈦在紡織印染工業(yè)、造紙工業(yè)的漂白設(shè)備中有著重要的應用。例如，鈦材制造的亞漂機使用效果很好。同時，還有合成纖維等工業(yè)中用作噴絲頭。

八．其它方面

　　鈦能抵抗人體的腐蝕，并對人體無害。因此可以廣泛用于工醫(yī)療和制藥工業(yè)部門。鈦有著良好的吸氣性能，也在電子真空技術(shù)中和高真空技術(shù)中有廣泛的應用。

鈦在石油、化工等部門的應用

使用部門用途

石油化工反應器、壓力容器、熱交換器、分離器配管、蒸餾塔頂凝縮器內(nèi)襯等。

化學工業(yè) 蒸餾塔、反應器、壓力容器、熱交換器、過濾器、測量儀器、汽輪機葉片、泵、閥、管道、氯堿生產(chǎn)電極、合成塔內(nèi)襯、其它耐酸設(shè)備內(nèi)襯。

造紙工業(yè) 攪拌器、漂白塔、加熱鍋、反應塔配管。

紡織工業(yè) 連續(xù)漂白機、蒸餾塔、反應槽、冷凝器、熱交換管、離心分離機、噴絲頭、閥、泵。

冶金工業(yè) 煉鋼吸氣劑、合金添加劑、超導合金材料、電解高純金屬（如鈉、鎳、鈷）的陰極板和電鍍槽等。

海水淡化和發(fā)電廠熱交換器、冷凝器、供水加熱器、管道、其它接觸海水的設(shè)備。

艦艇工業(yè) 艦艇外殼、甲板、閥、翼、快艇推進器、傳動軸、蒸汽機、深潛艇壓力艙、開發(fā)海洋設(shè)備。

其它超高真空鈦泵、醫(yī)療和矯形器械、人工關(guān)節(jié)、制藥和食品工業(yè)設(shè)備。

2．鈦材在航空工業(yè)中的應用

　　鈦及其合金的比強度（強度與重量比）在金屬結(jié)構(gòu)材料中是很高的，它的強度與鋼材相當，但其重量僅為鋼材的57%。另外，鈦及其合金的耐熱性很強，在500℃的大氣中仍能保持良好的強度和穩(wěn)定性，短時間工作溫度甚至還可更高些。而鋁在150℃，不銹鋼在310℃，就失去原有的機械性能。當飛機、導彈、火箭高速飛行時，其發(fā)動機和表面溫度相當高，鋁合金已不能勝任，應用鈦合金是十分合適的。正是由于鈦及其合金具有強度大、重量輕、耐熱性強的綜合優(yōu)良性能，在飛機制造中用它來代替其它金屬時，不僅可延長飛機的使用壽命，而且可以減輕其重量，從而大大提高其飛行性能。所以，鈦是航空工業(yè)和宇宙航空工業(yè)中最有前途的結(jié)構(gòu)材料之一。鈦及其合金在航空工業(yè)中主要用于制造飛機發(fā)動機和機身。一般來講，馬赫數(shù)小于2的飛機，其發(fā)動機使用一部分鈦及其合金，機身一般用鋁合金。馬赫數(shù)在于2的飛機，其發(fā)動機用鈦量增加，而且機身也部分需要用鈦。馬赫數(shù)大于3.5的飛機，其發(fā)動機入口溫度已很高，就不能用鈦合金而需用超級合金了，但其機身用鈦量則顯著增加。鈦及其合金還具有良好的耐低溫性能，即使在-250℃的超低溫下，它仍具有較高的沖擊強度，可耐高壓抗震動。因此，鈦及其合金在火箭、導彈和宇宙飛船上不僅用于制造發(fā)動機外殼和結(jié)構(gòu)部件，而且用于制造高壓容器，如高壓氣瓶、低溫液態(tài)燃料箱等。另外，鈦及其合金在原子能反應堆和軍用武器上都有應用。

機身也部分需要用鈦。馬赫數(shù)大于3.5的飛機，其發(fā)動機入口溫度已很高，就不能用鈦合金而需用超級合金了，但其機身用鈦量則顯著增加。鈦及其合金還具有良好的耐低溫性能，即使在-250℃的超低溫下，它仍具有較高的沖擊強度，可耐高壓抗震動。因此，鈦及其合金在火箭、導彈和宇宙飛船上不僅用于制造發(fā)動機外殼和結(jié)構(gòu)部件，而且用于制造高壓容器，如高壓氣瓶、低溫液態(tài)燃料箱等。另外，鈦及其合金在原子能反應堆和軍用武器上都有應用。

鈦在航空工業(yè)等部門的應用

使用部門用途

航空式業(yè) 飛機機身和蒙皮、發(fā)動機、尾錐、噴管、彈射艙、防火壁、夾層結(jié)構(gòu)機身機架、連結(jié)件和其它零件。

宇宙航行工業(yè) 飛船的液體燃料貯箱、高壓容器、船艙、蒙皮、結(jié)構(gòu)骨架、制動火箭主起落架，火箭、導彈高壓容器、液體燃料貯箱、外殼、噴嘴、火箭發(fā)動機。

其它原子能反應堆的結(jié)構(gòu)材料、坦克天窗、炮筒和輕便常規(guī)武器等。