鈦及鈦合金在航空航天，石油化工，船舶、海洋工程，生物醫(yī)療，體育器械，生活，建筑，汽車(chē)的應(yīng)用
分類(lèi)：行業(yè)資訊 發(fā)布時(shí)間：2023-02-05 瀏覽量：1342
鈦金屬和鈦合金應(yīng)用
鈦是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來(lái)的一種重要的結(jié)構(gòu)金屬，鈦合金具有密度低、比強(qiáng)度高、耐蝕性好、導(dǎo)熱率低、無(wú)毒無(wú)磁、可焊接、生物相容性好、表面可裝飾性強(qiáng)等特性，廣泛應(yīng)用于航空、航天、化工、石油、電力、醫(yī)療、建筑、體育用品等領(lǐng)域。世界上許多國(guó)家都已經(jīng)認(rèn)識(shí)到鈦合金材料的重要性，相繼對(duì)其進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)，并得到了實(shí)際應(yīng)用。
鈦和鈦合金的應(yīng)用領(lǐng)域
2011年，全球商業(yè)航空的消費(fèi)比例達(dá)到46%，軍用鈦材比例為9%(主要為軍用航空)，整個(gè)航空領(lǐng)域消耗鈦材比例超50%；工業(yè)消耗鈦材比例為43%，新興市場(chǎng)消費(fèi)鈦材比例為2%。
鈦制品需求結(jié)構(gòu)在地區(qū)上存在明顯差異。在擁有發(fā)達(dá)的航空航天和軍工國(guó)防工業(yè)的北美和歐盟地區(qū)，尤其是美國(guó)，大約50%以上的鈦制品需求來(lái)自于航空航天和軍工國(guó)防領(lǐng)域。而在日本，來(lái)自化工等行業(yè)的工業(yè)用鈦占據(jù)了需求的主導(dǎo)地位。據(jù)日本鈦協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，航空航天只占到日本鈦需求的2%-3%。與日本的情況頗為類(lèi)似，我國(guó)鈦制品需求大部分來(lái)自化工和能源領(lǐng)域，航空航天只占到10%。雖說(shuō)中國(guó)已成為全球最大的鈦金屬生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)之一，不過(guò)大部分生產(chǎn)一直局限于等級(jí)較低的鈦，用于自行車(chē)架、高爾夫球桿或化工行業(yè)使用的防腐管材。 但是近年來(lái)航空航天用鈦量在亞洲地區(qū)出現(xiàn)明顯增長(zhǎng)，可見(jiàn)，鈦市場(chǎng)的前景比較光明。
全球鈦消費(fèi)結(jié)構(gòu)中國(guó)鈦消費(fèi)結(jié)構(gòu)
1.航空航天領(lǐng)域
航空航天領(lǐng)域用鈦大國(guó)集中在西方國(guó)家，尤其是美國(guó)，60%的鈦材都應(yīng)用到這個(gè)領(lǐng)域。亞洲國(guó)家，日本和中國(guó)在此領(lǐng)域中鈦的投入量均在10%左右。但是近年來(lái)隨著亞洲航空航天的飛速發(fā)展，鈦在航空航天領(lǐng)域的消費(fèi)量將會(huì)隨之增長(zhǎng)。從全球角度來(lái)看，航空業(yè)對(duì)鈦市場(chǎng)起著決定性的作用，從歷史上看，鈦行業(yè)大的周期輪回都和航空業(yè)的冷暖密切相關(guān)。
2011年，全球鈦材產(chǎn)量達(dá)到14.8萬(wàn)噸，其中商用航空用鈦材約6.4萬(wàn)噸，未來(lái)全球經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)對(duì)航空運(yùn)輸?shù)男枨罅恳廊痪薮?，預(yù)計(jì)未來(lái)20年新增飛機(jī)需求約在3萬(wàn)架左右，同時(shí)，新型飛機(jī)對(duì)鈦的需求量高于老式飛機(jī)，預(yù)計(jì)20年內(nèi)商用飛機(jī)對(duì)鈦材的平均需求量將達(dá)到40噸/架；據(jù)此推算，未來(lái)20年全球商用航空領(lǐng)域新增鈦材需求約120萬(wàn)噸，年復(fù)合增長(zhǎng)率約17%，平均每年新增6萬(wàn)噸鈦材需求，民用航空用鈦材領(lǐng)域?qū)⒊尸F(xiàn)快速增長(zhǎng)。軍用航空領(lǐng)域也將出現(xiàn)新的機(jī)會(huì)；由于全球地緣政治形勢(shì)緊張，全球各國(guó)軍費(fèi)開(kāi)支增加，軍用航空領(lǐng)域也有望出現(xiàn)新的需求。
2.民用客機(jī)
鈦合金在飛機(jī)的主要用途如下：
(1)減輕結(jié)構(gòu)重量、提高結(jié)構(gòu)效率：先進(jìn)的戰(zhàn)技性能(如超音速飛機(jī))要求飛機(jī)具有比較低的結(jié)構(gòu)重量系數(shù)(即：機(jī)體結(jié)構(gòu)重量/飛機(jī)正常起飛重量)，而鈦合金具有強(qiáng)度接近中強(qiáng)鋼但密度小的特點(diǎn)，代替結(jié)構(gòu)鋼和高溫合金，能大幅度減輕結(jié)構(gòu)重量，同時(shí)也能節(jié)省費(fèi)用；以發(fā)動(dòng)機(jī)為例，有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量每降低一公斤，使用費(fèi)用可降低約220-440美元。
(2)符合高溫部位的使用要求：鈦合金具有耐熱性好的特點(diǎn)，如常用的Ti-6Al-4V能在350℃下長(zhǎng)期工作，因此在飛機(jī)的高溫部位(如后機(jī)身等)可取代因高溫使用性能不能滿足要求的鋁合金；TC11能在500℃下長(zhǎng)期工作，在發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)部位可取代高溫合金和不銹鋼。
(3)符合與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)相匹配的要求：為減輕結(jié)構(gòu)重量和滿足隱身要求，先進(jìn)飛機(jī)大量使用復(fù)合材料，鈦合金與復(fù)合材料的強(qiáng)度、剛度匹配較好，能獲得很好的減重效果。同時(shí)，由于二者電位比較接近，不易產(chǎn)生電偶腐蝕，因此相應(yīng)部位的結(jié)構(gòu)件和緊固件宜采用鈦合金。
(4)符合高抗蝕性和長(zhǎng)壽命的要求：鈦合金具有較高的疲勞壽命和優(yōu)良的耐腐蝕性能，可以提高結(jié)構(gòu)的抗腐蝕能力和壽命，滿足先進(jìn)飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)高可靠性和長(zhǎng)壽命的要求。
3.軍事飛機(jī)
軍用武器的開(kāi)發(fā)與采購(gòu)不斷向著輕便、靈活方向發(fā)展，為了滿足戰(zhàn)斗機(jī)對(duì)戰(zhàn)斗性能要求，除了采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)外，還必須采用額性能優(yōu)良的材料以及先進(jìn)的工藝制造技術(shù)。大量選用鈦合金、提高先進(jìn)鈦合金應(yīng)用水平就是重要措施之一。自20世紀(jì)60年代以來(lái)，國(guó)外軍用飛機(jī)的鈦量逐年增加，當(dāng)前歐美設(shè)計(jì)的各種先進(jìn)軍用戰(zhàn)斗機(jī)和轟炸機(jī)中鈦合金用量已經(jīng)穩(wěn)定在20%以上，并且新機(jī)型的用鈦量占比正在大幅提升。
4.汽車(chē)行業(yè)
降低燃油消耗、減少有害廢棄物（CO2、NOX 等）排放已經(jīng)成為汽車(chē)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步的主要?jiǎng)恿头较蛑?。研究表明，輕量化是實(shí)現(xiàn)節(jié)省燃料、減少污染的有效措施。汽車(chē)的質(zhì)量每降低10%，燃料消耗可節(jié)省8%-10%，廢氣排放可減少10%。在駕駛方面，汽車(chē)輕量化后加速性能提高，車(chē)輛控制穩(wěn)定性、噪音、振動(dòng)方面也都有改善。從碰撞安全性考慮，汽車(chē)輕量化后，碰撞時(shí)慣性小，制動(dòng)距離減少。
汽車(chē)輕量化的首選途徑就是用高比強(qiáng)度的輕質(zhì)材料，如鋁、鎂、鈦等替代傳統(tǒng)的汽車(chē)材料（鋼鐵）。2009年全球汽車(chē)用鈦量已達(dá)3000噸。鈦在賽車(chē)上的應(yīng)用已有許多年的歷史目前賽車(chē)幾乎都使用了鈦材，日本汽車(chē)用鈦已超過(guò)600噸，隨著全球汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，汽車(chē)用鈦還在快速增加。
汽車(chē)使用鈦的優(yōu)點(diǎn)有：減輕重量，降低燃料消耗；改善動(dòng)力傳輸效果，降低噪音；減少振動(dòng)，減輕部件載荷；提高車(chē)的持久性及環(huán)境保護(hù)。
5.醫(yī)療行業(yè)
鈦制骨釘鈦在醫(yī)療領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。鈦與人體骨骼接近，對(duì)人體組織具有良好的生物相容性、無(wú)毒副作用。人體植入物是與人的生命和健康密切相關(guān)的特殊的功能材料。同其它金屬材料相比較，使用鈦及鈦合金的優(yōu)勢(shì)主要有以下幾點(diǎn)：1 質(zhì)輕；2 彈性模量低；3無(wú)磁性；4 無(wú)毒性；5 抗腐蝕性；6 強(qiáng)度高、韌性好。外科植入物中的鈦合金用量正以每年5%-7%的速度增長(zhǎng)。采用鈦及鈦合金制造的股骨頭、髖關(guān)節(jié)、肱骨、顱骨、膝關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、掌指關(guān)節(jié)、頜骨以及心辨膜、腎辨膜、血管擴(kuò)張器、夾板、假體、緊固螺釘?shù)壬习俜N金屬件移植到人體中，取得了良好的效果，被醫(yī)學(xué)界給予了很高的評(píng)價(jià)。
6.化工行業(yè)
鈦具有優(yōu)良的耐腐蝕性能、力學(xué)性能和工藝性能，被廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)許多部門(mén)。特別是在化工生產(chǎn)中，用鈦代替不銹鋼、鎳基合金和其它稀有金屬作為耐腐蝕材料。這對(duì)增加產(chǎn)量，提高產(chǎn)品質(zhì)量，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，減少消耗，降低能耗，降低成本，防止污染，改善勞動(dòng)條件和提高勞動(dòng)生產(chǎn)率等方面都有十分重要的意義。
鈦金屬已成為化工裝備中主要的防腐蝕材料之一，并在化工裝置中已確立了他的耐腐蝕地位。作為化工設(shè)備中的理想材料，鈦也愈來(lái)愈引起工程技術(shù)人員的重視。
經(jīng)過(guò)多年的推廣，鈦及其合金已作為一種優(yōu)異的耐腐蝕結(jié)構(gòu)材料在化工生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。目前鈦設(shè)備的應(yīng)用已從最初的純堿與燒堿工業(yè)擴(kuò)展到氯酸鹽、氯化銨、尿素、有機(jī)合成、染料、無(wú)機(jī)鹽、農(nóng)藥、合成纖維、化肥、和精細(xì)化工等行業(yè)，設(shè)備種類(lèi)已從小型、單一化發(fā)展到大型、多樣化。
換熱器調(diào)查結(jié)果表明鈦換熱器占57%，鈦陽(yáng)極占20%，鈦容器占16%，其他占7%。在化學(xué)工業(yè)中以“兩堿”為主，化工設(shè)備中鈦換熱器用量最大。
近年來(lái)，我國(guó)鈦材的生產(chǎn)技術(shù)提高迅速，航空航天用鈦，軍事用鈦，汽車(chē)用鈦等增長(zhǎng)都很迅速，尤其是航空航天領(lǐng)域，有趕超化工用鈦的趨勢(shì)?？傮w而言，化工用鈦的技術(shù)含量小，產(chǎn)品附加值低，化工用鈦比例不可避免會(huì)逐步下降。
7.海洋工程
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和陸地資源日趨枯竭，人類(lèi)開(kāi)發(fā)利用海洋已經(jīng)提到日程上來(lái)了。鈦對(duì)于海水有優(yōu)異的耐蝕性能，大量運(yùn)用于海水淡化、艦船、海洋熱能開(kāi)發(fā)和海底資源開(kāi)采等領(lǐng)域。
破冰船早在20世紀(jì)60年代，我國(guó)就已經(jīng)開(kāi)始了對(duì)鈦及鈦合金在船舶及海洋工程裝備上的應(yīng)用研究，并做了大量工作，已基本形成了牌號(hào)較多、性能各異、品種規(guī)格齊全的船用鈦合金體系。由于鈦及鈦合金自身所具備的特性，使其在艦船以及海工裝備的應(yīng)用上具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，因而被廣泛應(yīng)用于核潛艇、深潛器、原子能破冰船、水翼船、氣墊船、掃雷艇以及螺旋槳推進(jìn)器、海水管路、冷凝器、熱交換器等。
在艦船應(yīng)用方面，目前我國(guó)艦船用鈦量非常少，占船舶總重量的比例不超過(guò)1%，艦船及海工裝備用鈦及鈦合金領(lǐng)域發(fā)展?jié)摿薮?。此外，在海水淡化以及濱海電站方面，由于我國(guó)目前海水淡化以及濱海電站市場(chǎng)需求巨大，在進(jìn)一步降低鈦合金成本以及提高產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性的情況下，鈦的市場(chǎng)應(yīng)用前景將非常廣闊。
8.日常生活
鈦在日常生活中的應(yīng)用非常廣泛，可謂無(wú)處不在，例如高爾夫球頭、自行車(chē)車(chē)架、網(wǎng)球拍、輪椅、眼鏡架等都會(huì)應(yīng)用到鈦。
鈦以其輕質(zhì)、強(qiáng)度高的特性在體育用品中的應(yīng)用，從最早的網(wǎng)球拍、羽毛球拍逐步擴(kuò)展到了高爾夫球頭、球桿以及賽車(chē)等。2008年我國(guó)體育休閑占總消費(fèi)量的13%，其中僅高爾夫球頭和球桿的用鈦量就超過(guò)了1000噸。鈦合金做成的自行車(chē)車(chē)架也頗受歡迎，目前有近50價(jià)公司生產(chǎn)鈦?zhàn)孕熊?chē)，美國(guó)早已是最大的鈦?zhàn)孕熊?chē)生產(chǎn)商和消費(fèi)國(guó)。鈦輕質(zhì)的特點(diǎn)也應(yīng)用到眼鏡架中，而且鈦又不易與皮膚發(fā)生過(guò)敏，并且鈦表面經(jīng)陽(yáng)極處理可有絢麗色彩，因此從20世紀(jì)80年代初就開(kāi)始應(yīng)用于鏡架中。
鈦材高爾夫球頭
近幾年，鈦在人類(lèi)日常生活中的應(yīng)用在不斷擴(kuò)展，且發(fā)展速度很快，應(yīng)用技術(shù)也更趨成熟、完善。在鈦的日常生活品應(yīng)用方面，美國(guó)和日本走在前面。
