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钛及钛合金新工艺、新技术、新用途及发展现状与竞争格局

作者:本站      发布时间:2022-04-05      浏览:129

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 1、钛及钛合金性质简介


  1.1 钛简介:


  钛是一种新型材料,具有密度小、比强度高、耐热和抗腐蚀等优点。它的重量仅有铁的一半,但是其力学性能例如锤击、拉延等却和铜不分上下。一般来讲随着温度的降低,金属的抗击打性能会下降,但是钛却恰恰相反,温度越低,钛会变得越来越坚硬,并且在达到临界温度时会出现超导的现象。


  1.2 钛合金简介:


  钛合金和钛在某种程度上性质类似,具有密度小强度高的特点,此外其机械性能十分优异,抗腐蚀能力较强。而且其热强度高,明显优于铝合金,同时在低温和超低温下其力学性能变化不大。


  2、钛的新工艺、新技术及新用途


  2.1 钛的制备方法


  虽然钛在自然界中含量相对丰富,但是因为其存在分散,且难以提取,所以钛也是一种稀有金属。目前来说钛的制备一共分为两大类 :热还原法和熔盐电解法。


  (1)热还原法制备钛


  热还原法是在一定温度下,利用Li、Na、Mg、Ca及其氢化物等强还原剂,把钛从钛的化合物如TiCl 4 、TiO 2 、K 2 TiF 6 等中还原出来。根据钛化合物的不同,可将热还原法制备钛的技术分为三大类 :


  ①钛的氯化物的氧化还原法,如Kroll法、Hunter法、Armstrong法和EMR法等 ;


  ②钛的氧化物的氧化还原法,如OS法、PRP工艺、MHR法等 ;


  ③钛酸盐的氧化还原法。


  目前只有Kroll法和Hunter法能够成功应用在工业生产中。Kroll法是利用金属镁将氯化物中的钛置换出来,Hunter法是利用金属钠将氯化物中的钛置换出来。此外,美国芝加哥国际钛粉公司开发的Armstrong法,其制备方法类似于Hunter法,也是利用还原剂钠对金属钛进行提纯。美国已经开始利用这一方法进行工厂里面的预生产。


  (2)熔盐电解法制备钛


  1959年,Kroll预言在未来5-10年内熔盐电解将会取代Kroll法成为生产钛的主流方法。多年来国内外的科研机构和实验室总共开发了十几种熔盐电解法制备钛的新技术,它们按原料可分为以下三类 :①钛酸盐的电解法 ;②钛的氯化物的电解法 ;③钛的氧化物的电解法,包括有FFC剑桥法、MER工艺、USTB法、QIT工艺、SOM法和离子液体电解法等。


  2.2 钛的新用途


  从20世纪40年代以来,钛的用途发展很快,被广泛应用于飞机、火箭、导弹、人造卫星、宇宙飞船、舰艇、军工、医疗以及石油化工等领域。最新的研究中发现,人体中含有一定的钛元素,钛元素会刺激吞噬细胞,可以加强免疫作用,因此不少实验室正致力于生物钛的开发和应用。


  3、钛合金的新工艺、新技术及新用途


  3.1 钛合金的制备方法


  钛合金传统的加工一般采用熔炼和铸造技术,最新的加工技术分为以下几种:


  (1)近净成型技术 ;


  (2)线摩擦焊接技术 ;


  (3)超塑性成型技术 ;


  (4)材料制备及加工过程的计算机模拟技术。


  近净成型技术包括激光成型、精密铸造、精密模锻、粉末冶金、喷射成型等方法。粉末冶金法是利用钛粉或钛合金粉作为原料,经过成型和烧结,从而制造钛零部件的新工艺。首先是生产粉末,一般采用机械合金化的方法,利用球磨机对原料进行强烈的撞击、研磨和搅拌。然后对已经形成粉末的合金进行压制成型,有两种压制方法,分别是加压成型和无压成型。这一步的目的是为了制得一定形状和尺寸的压胚,并且使其具有一定的密度和强度。然后在对制成的胚料进行放电等离子烧结,利用上、下模冲及通电电极将特定烧结电源和压制压力施加于烧结粉末,经放电活化、热塑变形和冷却完成制取高性能钛材料。然后对经过等离子烧结的钛合金进行后续的处理,一般是热处理或者塑性加工。


  3.2 钛合金的新用途


  钛合金早期广泛应用于航空航天领域,主要用在制作飞机发动机或者气压部件。后来随着技术的不断深入发展,钛合金已经进入寻常百姓的生活中,在工厂或者家用器件上也有钛合金的身影。现在个国家和机构都在争相研制新的钛合金,使其具有低成本高性能的特点,近些年钛合金的新发展主要集中在以下五个方面。


  (1)医用钛合金


  钛合金密度小且生物相容性好,是理想的医用材料,甚至可以植入人体,以前在医学领域中应用的钛合金含有钒和铝,会对人体造成危害。但是在近期,日本学者已经开发出了新型钛合金,具有良好的生物相容性,但是目前这种合金尚未大批量生产,相信在不久的将来,此类优质合金能够广泛的应用于日常生活中。


  (2)阻燃钛合金


  在一定压力、温度和空气流速下能够抗燃烧的钛基合金是阻然钛合金。美国,俄罗斯和中国都相继研发出了新的阻然钛合金,其中美国将这些阻然钛合金应用在发动机上,因为这些钛合金对燃烧不敏感,所以可以大大提高发动机的稳定性。


  (3)高强高韧β型


  β型钛合金具有强度高,焊接性好,冷热加工性能优良的特点。研究人员利用这一规律,制备出的β型钛合金的特点十分明显 :灵热加工性能良好,塑性好,焊接性能好。且通过固溶——时效处理之后其机械性能有较大提高。目前日本和俄罗斯均制备出了此类钛合金。


  (4)钛铝化合物


  钛铝化合物相比一般的钛合金来讲具有高温性能好,抗氧化抗蠕变性能好,且密度小于一般的钛合金。这些优异的特点注定了钛铝化合物会掀起新的合金热潮。目前美国已经合成了这种新的钛铝化合物合金,并且正在批量生产之中。


  (5)高温钛合金


  将快速凝固方法和粉末冶金法相结合,利用纤维或颗粒增强的复合材料制备出来的钛合金具有优异的高温力学特征。高温钛合金的使用温度极限远远高于普通钛合金。目前美国已经制备出了新型高温钛合金。


  (6)钛镍合金


  钛和镍组成的合金,被成为“记忆合金”,这种合金制成预先确定的形状,再经定型处理后,若受外力变形,只要稍微加热便可恢复原来的面貌。这种合金可用于仪器仪表、电子装置等各种领域。


  4、中国目前钛合金材料发展现状及竞争格局


  钛合金指的是多种用钛与其他金属制成的合金金属,近年来,我国频频发布政策鼓励钛合金材料的研发、生产及应用。在全球市场中,钛合金材料主要应用于航空工业、国防军工以及其他工业。其中,在航空工业的应用需求最大,约占50%,主要是用于飞机和发动机的制造。在我国钛材的需求结构中,钛加工材料主要应用于化工领域,而国内航空航天用钛材的比例仅为20%,说明我国航空用钛材市场还存在较大潜力。目前,在高端钛合金领域,我国能够批量生产军用航空钛合金棒丝材的企业较少,呈“双寡头”的竞争格局。


  1、政策鼓励钛合金材料的发展


  钛合金指的是多种用钛与其他金属制成的合金金属。世界上许多国家都认识到钛合金材料的重要性,相继对其进行研究开发,并得到了实际应用。近年来,我国也频频发布政策鼓励钛合金材料的研发、生产及应用。2019年,据《产业结构调整指导目录(2019征求意见稿)》披露的信息显示,将高性能超细、超粗、复合结构硬质合金材料及深加工产品、低模量钛合金材料、耐蚀钛合金材料、航空航天用钛合金紧固件等列为产业结构调整鼓励类项目。


  2、钛合金材料主要应用于航天、军工领域


  在全球市场中,钛合金材料主要应用于航空工业、国防军工以及其他工业。其中,在航空工业的应用需求最大,约占50%,主要是用于飞机和发动机的制造。


  在我国钛材的需求结构中,钛加工材料主要应用于化工领域,与全球相比最主要的差别在航空领域,全球范围内航空用钛材始终占据钛材总需求的53%左右,而国内航空航天用钛材的比例仅为20%,说明我国航空用钛材市场还存在较大潜力。


  3、国内高端钛合金市场呈“双寡头”竞争格局


  在国内钛合金市场中,目前能够批量生产军用航空钛合金棒丝材的企业主要是:西部超导、宝钛股份和湖南金天钛业科技有限公司。


  4、航空航天用钛材需求前景广阔


  2009-2017年,中国航空航天用钛材销量的年复合增长率为16%,同时考虑到国内目前航空航天用钛材占比远低于全球范围内航空航天用钛材占钛材总需求的50%的比例,假设未来几年年的复合增长率保持不变,至2025年,我国航空工业钛材需求量将达2.5万吨。


  5、结语


  钛拥有许多金属无法比拟的优点,随着社会的进步、科技的发展,钛及钛合金的应用将更加广泛,人类对钛和钛合金的需求将日益增大,而生产成本高是限制钛及钛合金推广使用的主要原因之一。因此,开发与应用低成本、大规模及生态环保的连续化生产工艺,才能使钛及钛合金得到更加广泛的应用。