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钛的特性及其应用
1前言
钛是一种稀有的战略资源，广泛应用于国防、航天、航空和国民经济的许多领域。人们长期的试验和工业生产实践证明，钛及钛合金是被公认的替代钢、不锈钢、铜及其合金、铅、镍、锌、石墨、岩石等金属与非金属材料、有效解决设备腐蚀问题的理想的金属结构材料。采用钛设备的主要原因有三点：一是钛具有金属结构材料的优良性能，二是钛在许多工艺介质中具有优异的耐腐蚀性能，三是应用钛可以获得明显的技术进步和经济效益。
攀枝花是中国的钒钛之都，攀西地区钒钛资源的远景储量超100亿吨，占世界的45%，占中国的93%，居全球之首，其中钛资源储量为8.7亿吨，占世界钛储量的35.2%，占全国钛资源储量的90.5%，储量位列世界第一。攀钢集团是全球唯一拥有从矿石处理到钛材生产完整钛产业链的企业，宣传钛的特性、推广钛产品对国家和企业的发展均具有重大的意义。
2 钛的特性及应用
纯钛是银白色的金属，在金属分类中被划归为稀有轻金属。钛在元素周期表中属ⅣB族元素，原子序数为22，原子量为47.9，原子半径为0.145nm。钛的熔点为1660±10℃，其有两种同素异构体，相变点为890~ 920℃，在转变温度以下为密排六方的α-Ti，在转变温度以上直到熔点之间为体心立方的β-Ti。
钛在化学、物理和机械性能方面有其自己的特点。与其他金属相比，钛的密度小、比强度高，弹性模量低（常温时为103.4GPa）, 屈强比高，导热系数小（为0.1507J），热膨胀系数低，无磁性、无毒，耐高、低温，耐腐蚀、与氧的亲和力极强。概括起来，钛主要有如下十大性能和三大功能。 2.1钛的十大性能
2.1.1密度小，比强度高
金属钛的密度为4.51g/cm3，在常用金属中，只有A1为2.6 g/cm3，比钛轻，而低碳钢为7.86 g/cm3, 0Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Ti等不锈钢为7.9 g/cm3，铜为8.96 g/cm3,镍为8.9 g/cm3，都比钛重。可以看出，在相同公称尺寸条件下，使用钛材制造的设备重量约为铜的50%,钢的57%，所以钛是一种轻型金属材料。
工业设备大量采用的纯钛牌号为TA2、TA1,钛合金牌号为TA 10 ( Ti-0.3Mo-0.8Ni)，有特殊要求的设备采用了TC4 (Ti-6A1-4V)，它们的比强度(抗拉强度/密度)分别为117.5 (TA2中值)、107.5 (TA10最低值)、198.4 (TC4最低值)，分别是低碳钢的2.3倍、2.1倍和3.8倍，是不锈钢的1.8倍、1.6倍和3倍。所以钛又是一种轻型高强度的金属结构材料。正因为钛的比强度高，才在航空、宇航、导弹、兵器等尖端技术发展中被大量采用。在一般工业中，如高速旋转的发电机护环，蒸汽涡轮机的大叶片、高档自行车、跳高用的撑杆等都使用了钛及钛合金。近几年被称为高尔夫新式“神奇武器’—头大体轻的钛制球杆大量进人美、日、欧洲市场，尽管一根高质量的钛制球杆售价高达500美元，每年仍然售出数百根。1996年的高尔夫
球杆订单中，钛制球杆占了2/3，总价值约10亿美元。
2.1.2弹性模量低
钛的弹性模量在常温下为106.4GPa，是钢的57%，这说明钛抗正应变的能力低于钢。所以钛在承受外压力、压杆稳定和挠度变形等条件下使用受到限制，不宜做刚性结构件。但是，在钛长管束换热器上，采用折流板设计，克服了刚性差的缺点，即使在发生振动条件下也有良好的使用效果。
钛的弹性模量随着温度的升高而下降，600℃时下降为69.6 GPa。在环境温度高于300℃条件下使用时，钛的弹性模量有较大幅度下降。所以，在较高温度下选用钛设备时，在设计上取环境温度上限的E值为宜。
2.1.3导热系数小
金属钛的传热机制主要是电子导热，其次是晶格导热。实际测试的结果为：钛的导热系数为15.07W/(m·K)，是低碳钢的1/5，铜的1/25，与不锈钢相近。钛的导热性差，可以在不需要导热好的条件下使用。如果要求容器内温度稳定，不受外界温度影响，就应使用钛制外壳；钛制岩钉既轻导热性又差，是登山运动员选择的理想材料。；钛金属的导热性虽然差，但却制造了钛制列管式换热器、板式换热器、盘管换热器、蛇管换热器等设备，替代导热性好的铜设备、钢设备并显示出更佳的换热效果，原因主要有以下六点:
(1)钛在许多化学介质中具有优异的耐腐蚀性能，使用钛设备运行稳定，寿命长并强化了生产，这就补偿了其导热性差的缺点；
(2)钛的屈强比高于铜和钢，在设计上可以把钛材、钛管减薄使用，这有利于热传导，因此，获得比钢、铜设备要好的换热效果；
(3)钛设备在较高温度下使用时，由于钛的导热性差，在壳壁中容易形成高的温度梯度，导致设备产生较大的热应力或热疲劳应力，但是钛的线膨胀系数仅为低碳钢的2/3，不足不锈钢的50%，这样低的线膨胀系数对上述缺点有所补偿；
(4)钛在化学介质中抗污染能力强，其表面不易结垢或垢层较薄，这就使钛表面很难形成绝缘传热膜层，获得较好的传热效果；
(5)蒸汽冷凝模拟试验证明了在钛表面冷凝仍属于膜状冷凝范围，但和钢、铜比较，钛表面有促进滴状凝结的倾向，这对热传导很有利；
(6)介质在管束内流速试验证明了钛管束允许较高的流速，而铜合金(如B10、B30)管束在2m/s以上将发生“马蹄形”冲击磨蚀。钛允许介质流速大，可以强化换热效率。
综合利用钛在上述六个方面的优势，可以看出钛的导热性差得到改善，钛制换热器的换热效果高于钢和铜设备。所以，钛制换热器得到了广泛地推广使用。
2.1.4抗拉强度与其屈服强度接近
钛的这一性能说明其屈服比(抗拉强度/屈服强度)高，表示了金属钛材在成型时塑性变形差，内部有较大的应力。由于钛的屈服极限与弹性模量比值大，使钛的回弹能力大，在冷成型时是不锈钢回弹能力的2~3倍。由于冷成型时钛的硬度和强度呈增加趋势，所以钛不适于冷态冲压加工，应该热成型。当钛厚度小于3mm时也可以冷成型，但往往需要热校形，以避免冷校形时引起应力开裂。可以看出钛的回弹力大和屈强比高对钛加工成型是重要的影响因
素。为此，要重视钛的塑性与温度的关系。
同其它金属材料一样，塑性随温度增高而增加。但是钛有些反常，在低于200~300℃时，钛的延伸率连续增加，温度再增高，其延伸率反而降低，强度有上升趋势。直到400~500℃，延伸率才明显增加。钛的这一特性使我们找到加工成型的最佳条件，也就是常说的温热加工成型，既可以避免由于钛的回弹力大和屈强比高引起的应力及应力开裂，又可以避免钛在400℃以上的吸氢而引起氢脆的现象。这也是一般工业中选用钛设备时规定环境温度最好不超过315℃的原因之一。
2.1.5无磁性、无毒
是无磁性金属，在很大的磁场中也不会被磁化。这一特性可使钛应用在磁控设备中，钛制舰艇外壳可以避免磁性雷的爆炸;由于钛制骨头、钛制心脏启博器不受雷雨天气的影响，又与人体组织及血液有良好的相容性，所以被医疗界采用。另外钛设备也是制药行业理想的设备。
2.1.6抗阻尼性能
金属钛受到机械振动、电振动后，与钢、铜金属相比，其自身振动衰减时间最长。利用钛的这一性能可制做音叉、医学上的超声粉碎机振动元件和高级音响扬声器的振动薄膜等。这一性能也是在设计钛列管式换热器管束中间隔板的间距时，为了防止由于管束的振幅大引起的机械磨损或相互碰撞而破裂，要选择合理的依据之一。
2.1.7耐热性能
为了满足航空、宇航工业的需求，采用固溶强化创新的α或近α型合金、以金属间化合物为基的合金和β稳定型合金，研制开发出了质轻、热强性高的钛合金，可在500℃以下长期使用，其物理、机械性能和工艺性能稳定。所以，飞机的飞行速度马赫数高于2.7以上，其发动机的盘、叶片、后机身、导向器、进气机匣等部件都采用了耐热钛合金。
2.1.8耐低温性能
钛合金TA7 (Ti-5AI-2.5Sn), TC4(Ti-6A1-4V)和Ti-2.5Zr-1.5Mo等为代表的低温钛合金，其强度随温度的降低而提高，但塑性变化却不大，可在-196℃~-253℃低温下保持较好的延性及韧性，避免了金属冷脆性，是低温容器、贮箱等设备的理想材料。
2.1.9吸气性能
钛是一种化学性质非常活泼的金属，其在较高温度下可与许多元素和化合物发生反应。钛吸气主要是指与碳、氢、氮、氧发生反应，使钛的性能变坏。掌握钛的吸气性能对铁的加热、机械加工、加工成型、特别是焊接和使用，具有重要意义。
(1) 钛与氧的亲合力强。
加热初始，氧进人钛表面晶格中形成一层致密的氧化膜，这层氧化膜可阻止氧进一步向基体扩散。当加热到500℃以上时，钛的氧化膜成为多孔状变厚并容易剥落，氧通过膜中小孔不断地向基体扩散，在钛内部形成一层硬脆表面，使钛的塑性降低，给加工成型造成困难。500℃以上时钛的表面氧化膜颜色由蔚蓝色转变成紫色，直到灰白色。
钛的焊接要在保护性气氛中进行。如果需要较高温度时，则要在钛表面涂上涂料，采用惰性气体保护或在真空条件下进行操作等，即为了防止钛吸氧应采取一系列技术工艺措施。
(2)钛在400℃以上大量吸氢，会引起氢脆。
一般认为，钛基体中的含氢量超过0.009% ~0.015%时，就会沿着晶界或晶界向晶内方向析出针状、薄片状或块状等氢化物的沉淀相，类似钛基体中的微裂纹，在应力作用下扩展直到破裂。当钛表面膜中有氢化物时，在流动介质的冲刷下氧化膜容易脱落。
钛设备在实际应用中，因为环境中的化学反应使氢含量不断增加，钛表面氧化膜被破坏而不能自愈，钛表面有铁粒的存在等，也曾发生过钛设备过量吸氢引起氢脆而报废的事故。为了防止钛吸氢，一般情况下要避开以下工况条件：温度大于315℃、p H<3的非氧化性酸；pH = 3的有机酸；pH > 12的碱溶液；含H2S的中性溶液；含氟离子和碘离子的盐溶液等。铁的存在加速了钛吸氢过程，所以在钛加工成型及设备焊接时，要严格防止铁的污染。
(3)钛在纯氧中，当温度达到500~550℃时就会发生激烈的反应而燃烧或爆炸。
在氧含量大于47%的环境中，钛受到冲击和摩擦也容易着火。在气-液两相的纯氧中，钛的着火发生在气相中。
(4)钛在溴中可以自燃。
(5)钛在干氯气中，由于缺少新生氧的来源，使钛与氯发生激烈的放热反应，这对钛来说是一种崩溃性的反应，一直到钛或干氮消耗完为止，在反应过程中会引起钛的着火甚至爆炸。一般认为：环境中有大于1.5%的水分就可以保证钛的钝化，防止着火和爆炸。
(6)钛在发烟硝酸中的应用。
当水分大于2%时可以防止钛的自燃倾向；当水分小于1%、NO2大于6%时，由于钛与NO2的激烈反应使钛着火。在实际应用中发生过因摩擦而使钛阀爆炸事故。
钛的吸气性能说明了钛是具有良好吸气的材料，在一定条件下可以利用这一性能。如超高真空泵，把各种气体捕集在钛泵内，不污染环境，这种钛泵用于空间模拟试验、电子工业、原子能工业和高纯金属制备等领域，效果良好；钛的吸气氧化皮掺在烟花中，可放出更亮的光彩；利用钛的吸氮特点，采用氮化工艺技术，制成金黄色的仿金装饰品；利用钛的吸碳特点，又可以制成乌黑色的装饰品；利用钛吸氢脆化特征，可采用氢化工艺把金属钛制成钛粉等。
2.1.10耐腐蚀性能
钛是一种非常活泼的金属，其平衡电位很低，在介质中的热力学腐蚀倾向大。但实际上钛在许多介质中很稳定，如钛在氧化性、中性和弱还原性等介质中是耐腐蚀的。这是因为钛和氧有很大的亲合力，在空气中或含氧的介质中，钛表面生成一层致密的、附着力强、惰性大的氧化膜，保护了钛基体不被腐蚀，即使由于机械磨损也会很快自愈或重新再生。这表明了钛是具有强烈钝化倾向的金属。介质温度在315℃以下时钛的氧化膜始终保持这一特性，这是各国一般工业中使用钛材的基础保障。在强氧化性、强还原性、无水和无氧的有机酸等介质中，钛的氧化膜容易溶解，一旦破损也不能自愈和重新修复，失去保护作用。介质的温度越高，氧化膜的溶解破坏越厉害，钛腐蚀越快。这就是在某些化学介质中不能扩大使用钛的原因。如果在对钛有腐蚀的介质中加人无机缓蚀剂，如CU 2+、 Hg 2+、Pt2+等贵金属离子、Ti +、达到临界浓度的Fe3+,硝酸、重铬酸钾、高锰酸钾等无机化合物，都可有效防止或减缓钛的腐蚀。一些有机缓蚀剂，如硝酸苯、甲基红等对钛也有一定的缓蚀作用。
为了提高钛的耐蚀性，研究出氧化、电镀、等离子喷涂、离子氮化、离子注人和激光处理等表面处理技术，对钛的氧化膜起到了增强保护性作用，获得了所希望的耐腐蚀效果。针对在硫酸、盐酸、甲按溶液、高温湿氯气和高温氯化物等生产中对金属材料的要求，开发出Ti-Mo、Ti-Pd、Ti-Mo-Ni等一系列耐蚀钛合金。钛铸件使用了Ti-32Mo合金，对常发生缝隙腐蚀或点蚀的环境使用了Ti-0.3 M o-0.8N i合金或钛设备的局部使用了Ti-0.2Pd合金，均获得了很好的使用效果。 2.2钛的三大功能
功能材料是以物理性能为主的工程材料，即在电、磁、声、光、热等方面具有特殊的性质，或在其作用下表现出特殊功能的材料。对钛及钛合金的研究发现，其有记忆、超导、储氢等三种特殊功能具有应用前途。
2.2.1记忆功能
钛-镍合金在一定环境温度下具有单向、双向和全方位的记忆效应，被公认是最佳记忆合金。在工程上做管接头用于美国F-4战斗机的油压系统；石油联合企业的输油管路系统；直径0.5mm丝做成的直径500mm抛物面网状天线用于宇航飞行器上；在医学工程上用于制做衍症治疗的止蠢器；制成螺钉用于骨折愈合等。上述应用均获得了明显效果。
2.2.2超导功能
铌-钛合金在温度低于临界温度时，呈现出零电阻和完全抗磁性。制成的导线可通过任意大的电流而不会发热，没有能耗，是输送能量的最佳材料。
2.2.3贮氢功能
钛-铁合金具有吸氢的特性，可以把大量的氢安全的贮存起来，在一定环境中又把氢放出来。这在氢气分离、氢气净化、氢气贮存及运输、制造以氢为能源的热泵和蓄电池等方面应用很有前途。氢被认为是一种代替石油的“干净”能源。所以人们对钛-铁合金吸氢与放氢的应用研究非常重视。
3 结语
钛的特性及其应用日益受到人们的重视，在许多工业部门中已经得到了不同程度的应用。到目前为止，还没有发现一种万能的耐蚀材料，而钛则被公认为是控制腐蚀的理想的金属结构材料，所以应用领域在不断扩大，一般工业的用钛量在不断增加。钛已成为企业采用新工艺、新技术，和生产设备大型化、自动化、安全可靠、长期运行的不可缺少的金属材料之一。使用钛获得的明显的经济效益更加吸引企业在改造、扩建和新建规模项目中选用钛材。推广使用钛材将为提高我国的科技水平、增强国家经济实力和提高企业产品在市场竟争中的活力做出贡献。