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钛广泛分布于整个宇宙,如恒星和星际尘埃。


它排在铝、铁和镁之后,是第四丰富的结构金属,也是地球上第9丰富的元素。


钛存在于大多数矿物中,例如钛铁矿(FeTiO3),金红石(TiO2),亚硝石(Fe2Ti3O9),钙钛矿(CaTiO3)等。


由于结合了高强度、刚度、韧性、低密度和良好的耐腐蚀性,钛具有独特的性能。


01


钛金属的来源


钛金属最早在1791年被英国一位名叫格雷戈尔的业余矿物学家发现的,到1795年,德国化学家克拉普鲁斯以希腊神Titans命名了这种未知的金属物质,中文英译为“钛”。钛在地球上储量丰富,已知的钛矿物有140多种,但工业应用主要是钛铁矿和金红石,其中中国钛铁矿储量占到全球储量的28%,排名全球第一。


钛是世界上公认的无毒元素,开采和生产成本高,价格昂贵。由于耐高低温、抗强酸碱、高强度、低密度等一系列资质,成为NASA同款火箭卫星专用材料,也被应用于我国的玉兔号、歼20、山东舰航母等超级项目。在上世纪80年代走入民用领域后,以其天然具有的抑菌性与亲生物性,一跃成为是食器界的“荣誉金属王”。


我国的钛工业起步于20世纪50年代,到60年代中期,我国分别在遵义和宝鸡建成海绵钛和钛加工生产厂,这意味着中国已经成为全球钛工业强国之一。21世纪我国钛工业进入了加速发展的新时期,钛产能位居全球前列。



02


纯钛和钛合金的区别


纯钛:


或叫工业纯钛或商业纯钛,是是按照杂质元素的含量划分等级的。它具有优良的冲压工艺性能和焊接性能,对热处理及组织类型不敏感,在令人满意的塑性条件下具有一定的强度。它的强度主要取决于间隙元素氧、氮的含量。99.5%工业纯钛的性能为:密度P=4.5g/cm3,熔点为1800°C,导热系数λ=15.24W/(M.K),抗拉强度σ b=539MPa,伸长率:δ =25%,断面收缩率ψ=25%,弹性摸量E=1.078×105MPa,硬度HB195。


钛合金:


钛合金是以钛为基础加入其他元素组成的合金,属于比较年轻的金属,从发现到现在也就六七十年的历史。钛合金材料具有质量轻,强度大,弹性小,耐高温和耐腐蚀等特点,主要用于航空发动机,火箭,导弹等部件。钛有两种同质异晶体;钛是同索异构体,熔点为1720°C在低于882°C时呈密排六方晶体格结构,称为a钛;在882°C以上呈体心立方品格结构,称为B钛,利用钛的上述两种结构的不同特点,添加适当的合金元素,使其相变温度及相分含量逐渐改变而得到不同组织的钛合金(itaniumalloys)。


钛合金元素根据它们对相变温度的影响可分为三类:①稳定a相,提高相转变温度的元素为a稳定元素,有铝、镁、氧和氮等。其中铝是钛合金主要合金元素,它对提高合金的常温和高温强度,降低比重、增加弹性摸量有明显效果。②稳定B相、降低相变温度的元素为B稳定元素。又可分同晶型和共析型二种,前者有钼、铌、钒等:后者有铬、锰、铜、硅等。③对相变温度影响不大的元素为中性元素,有锆、锡等。


03


钛及钛合金的应用


钛及钛合金材料虽然储量丰富,价格却十分昂贵,这是因为钛在高温条件下化学活性小,其冶炼技术及操作环境十分苛刻,必须要在高温、真空条件下进行冶炼,温度常达到800℃以上,相比于钢铁冶炼要困难许多。因此每每提到钛合金的时候,人们都觉得它是高档金属材料,产量低价格贵,应用很少。


目前,由于钛合金重量轻、强度大又耐高温的优异性能,钛及钛合金材料广泛用于各国的尖端武器和国之重器的制造上,如尤其适合应用于航空航天领域。举例应用领域如下:


化工领域


1. 制碱行业


制碱行业中钛制冷器的出现,可以很好的解决由于传统冷却工艺不合理出现产出氯气质量不合格现象。同时改变了氯碱工业的生产面貌,投入的钛合金制冷器寿命可长达20年。


2. 制盐行业


目前较为先进的制盐工艺为真空制盐,而此过程中产生的高温浓盐水会对碳钢结构造成严重的破坏,产生设备滴漏现象。将钛钢复合结构用于加热室与蒸发室,可以有效防止结盐垢,提高制盐品质,同时减轻蒸发过程中高浓度盐水对管壁的腐蚀,延长检修周期。


航空航天领域

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1. 航空工业


钛合金在航上的应用分为飞机结构钛合金和发动机结构钛合金,飞机钛合金结构件主要应用部位有起落架部件、框、梁、机身蒙皮、隔热罩等。俄罗斯的伊尔-76飞机采用高强度BT22钛合金制造起落架和承力梁等关键部件;波音747主起落架传动横梁材料为Ti-6Al-4V,锻件长6.20米、宽0.95米,质量达1545千克;高强高韧Ti-62222S钛合金被用在C-17飞机水平安定面转轴关键部位。航空发动机方面钛合金应用于压气机盘、叶片、鼓筒、高压压气机转子、压气机机匣等。波音747-8GENX发动机风扇叶片的前缘与尖部,采用了钛合金防护套,在10年的服役期内仅做过3次更换。


2. 航天工业


航天飞行器的工作条件非常极端,除了材料的结构设计需要高超的技术外,材料本身的优异特性和功能也很重要,因此钛合金在众多材料中脱颖而出。在宇航设备方面在20世纪60年代美国阿波罗计划中的宇宙飞船双人舱及密闭舱翼梁及肋都由Ti-5Al-2.5Sn制造,衬里则由纯钛制造;德国MT宇航公司制备出高强Ti-15V-3Cr合金推进系统贮箱,并应用于欧洲阿尔法通信卫星巨型平台;俄罗斯钛合金在航天工程上的应用实例很多,如能源号运载火箭使用了重3.5t的BT23钛合金大型模锻件和锻件,此外钛合金还应用于液体燃料火箭发动机的燃料舱、低温液体储存箱及液氢输送泵叶轮等。


同样,国内航天工程的迅猛发展中,钛合金也得到广泛的应用,1970年东方一号卫星到现在的神州系列飞船、嫦娥探测器等都有使用钛合金,此外我国研制的液氢环境下使用的低温TA7ELI钛合金气瓶已用于长征系列运载火箭;哈工大用TC4钛合金制备了月球车的轮圈;此外我国还用BT20等高强钛合金制造导弹的发动机壳体、喷管等构件。



船舰领域


钛及钛合金广泛应用于核潜艇、深潜器、原子能破冰船、水翼船、气垫船、扫雷艇,以及螺旋桨推进器、鞭状天线、海水管路、冷凝器、热交换器、声学装置、消防设备上。如美国的“海崖”号深潜器装备了钛观察舱和操纵舱,下潜深度可达6100m;日本东邦钛公司与藤新造船所共同建造了“摩利支天Ⅱ号”全钛制快艇,一段时间内在美国很畅销;我国首台自主设计、自主集成的载人潜水器“蛟龙”号也应用了钛合金,蛟龙号工作范围覆盖全球海洋区域的99.8%。


04


钛及钛合金现存问题


尽管钛及钛合金已经取得了显著的发展,但存在的问题也随之暴露出来,对于钛合金的发展也面临着不小的挑战。主要体现在以下三个方面:


1)产量方面。


我国虽为钛工业大国,但在生产中高品质产品数量不高,特殊性能的钛产品种类少,其次,我国还不能批量稳定生产钛带和钛挤压型材,限制了钛及钛合金在航空航天、海洋等领域的开发利用。要想进一步将航空发动机钛用量提高至50%左右难度仍然很大。


2)性能方面


由于钛金属具有高化学活性,容易被其他元素污染,因此钛合金的加工和制造工艺非常高,同时加工出的高性能产品需要和综合考虑其力学、物理、化学、工艺性能,现有的钛合金在600℃以上,蠕变抗力和高温抗氧化性的急剧下降是限制钛合金扩大应用的两大主要障碍。


3)成本方面


目前各国都在努力降低钛合金的应用成本,也取得了很多成就,但就我国的目前的形势而言,我国管理和技术水平还未达到理想高度,国内钛合金产品价格在国际上竞争力较差,不利于进一步扩大使用。


05


趋势:长期,国内钛材高端应用场景及潜在市场空间或逐步拓展


国内航空航天领域钛材消费占比显著低于全球水平,钛材消费有高端化趋势。据《2020年中国钛工业发展报告》(贾翃等,2020),全球航空钛合金消费量占整体消费量的46%,而国内航空航天钛合金消费量仅占整体消费量的18%。国内钛产业结构步入由低端向高端发展的时期,钛行业经过几年产业结构调整,加工设备已逐步实现专业化,钛合金材料逐步向高端航空、航天、船舰、医疗、兵器等领域迈进。



防务端,国内航空高端装备领域较高景气度叠加飞机钛合金用量提升,有望共同推动国内钛材消费向高端应用领域拓展。飞机和发动机是钛材的重要应用领域,相比国外先进战斗机钛材用量占比情况,国内飞机先进材料使用量占比仍有较大提升空间。近五年国内航空航天钛材销量CAGR约为20%,我们预计,中长期看,随装备信息化升级换代需求及高端装备中钛材等高性能材料用量占比上升,钛材的用量及价值量空间有望逐步被打开。


国内商业航空市场景气度有望伴随国内相关企业供给能力的改善而提升,其中关键材料国产化需求或拉动国内高端钛材市场发展。中国东航2022年5月10日公告《2022 年度非公开发行A股预案》,拟募集金额不超过150亿元,拟引进的38架飞机项目中 引进C919、ARJ21分别为4架、24架,目录总价为13.08亿美元,或反映国产民航飞机市场后续成长空间仍较为广阔。据《关于西部超导材料科技股份有限公司向特定对象发行股票申请文件的审核问询函的回复(修订稿)》:2006年2月9日,国务院发布《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)》,将“大型飞机”作为 16个重大专项之一;2008年5月11日,中国商用飞机有限责任公司在上海成立,作为实施国家大型飞机重大专项中大型客机项目的主体,目前主要承担中国大型客机 C919和新支线飞机ARJ21的研制工作;根据预测,2025年C919将占据全球商飞1/5 的份额,即大约2,000架的需求,对应7,840吨的机身钛含量,假设损耗率为80%,C919将带来约4万吨的钛合金需求(不含发动机)。


最后


目前钛合金的主要应用领域还是航空航天等军事工业部门,开发新的应用领域,比如在汽车、火车、高铁、还有日常生活常用的民用领域的应用前景仍然十分广阔。此外,用价格较低的元素取代贵的合金元素,通过工艺途径降低钛合金零部件的成本,是今后钛合金研究工作中的重要课题。高端应用上的钛合金在未来实现低成本制造后,钛合金将会应用到各个领域。


来源: 罗罗日记,中材市协钛材料分会,微钛空间

注:文章内的所有配图皆为网络转载图片,侵权即删!

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