钛合金材料在航空化工冶金等领域的应用

钛的应用

我们现在在这工作的每一个人对钛都有一个初步的认识，都知道钛是一种比重轻，耐腐蚀，耐热性好等许多优良性能，被誉为“未来金属”“二十一世纪金属”是具有发展前途的新型结构材料。它有类是铝材的金属色泽，大家也解了一些钛材的有关知识。咱们先从海绵钛谈起，我国的钛矿储量是世界已探明储量的64%左右，从矿石工业类型上看，我国钛资源主要是原生钒钛磁铁矿岩矿，其次是外生钛铁矿沙矿，第三是金红石岩矿，第四是金红石沙矿，我国钛精矿产能只要分布在四川攀枝花，海南，广西，攀枝花是我国最大的钛精矿供应基地，占中国市场的90%以上。钛资源主要用来生产钛白，金属钛（海绵钛），含钛钢以及钛焊丝和涂料。海绵钛主要是通过镁还原和钠还原（蒸馏法）二种方法，其它方法还没有工业化生产。2008年底，中国海绵钛产量达到6万吨，居世界第一。钛加工材2.7万吨左右，宝钛2008年钛加工材1.1万吨。钛锭生产约5万吨。宝钛只占1/5多。在中国化工用钛是第一大户，占全国用钛量的44%左右，航空航天占17%左右，体育休闲领域的用钛量为16%，排行第三。（据2007年统计）。在美国欧洲，钛材主要用于航空航天领域，约占60%，在日本，钛材主要用于化工.电力等领域，约占50%。而在中国，主要应用于化工.体有休闲等领域，约占70%。国外主要钛材生产企业有美国钛金属，Timet,RTI国际金属公司，Allegheny，日本的神户制铁.住友钛和新日铁。俄罗斯的VSMPO-AVISMA。

钛棒是怎样加工出来的，以前我们没有接触钛的时候，对钛都有一种神秘的感觉。的确，钛是一种新兴的金属，在20世纪如果说到钛，我们无论老少很多人会感到很陌生，不要说全国，就是咱们宝鸡号称是中国钛城，知道钛的人也不是很多。所以把钛称作稀有金属，曾经成立的中国稀有稀土集团中就有宝钛集团和遵义钛业的身影，其实钛元素在地球上并不是一个稀缺元素，在所有元素中排行老十，之所以把它排入稀有金属，主要是冶炼困难，工艺复杂，造成生产成本高，所以市场售价就高。钛材的价格大约是不锈钢的十倍，是普通钢的100倍左右。一般的地方是用不起的，到现在为止也只是用在航天航空军工化工医疗等用得起或者非用不可的地方。中国民用市场在70年代中期才大量推广应用。现在随着钛金属应用越来越广泛，以及钛的产能逐年大幅提高，知道和认识钛的人越来越多了。现在钛的应用除了国防工业的飞机，火箭，导弹，潜艇以外，化工，医学，体育，汽车，建筑，日常生活都有钛及钛合金的应用。而且今后钛的事业这块蛋糕会越做越大，发展越来越快，应用越来越广泛。钛是个朝阳产业。所以我们大家都应该对我们的企业未来充满信心。    

为什么今天先讲钛的应用，原因是我们每天都在钛行业里工作，就应该知道我们所生产的产品都用在哪些地方，不然，亲戚朋友问到你们钛是干什么的，都用在什么地方，答不上来会很尴尬的。销售部门的人知道了这些就知道到哪去找市场，质量部门的人知道了这些，就知道钛材料的标准为什么要这样要求。钛元素是英国分析化学家格列高尔在1789年在英国的默纳陈河谷中发现的，虽然他兴趣极浓，但是并没有引起人们的重视，直到二十世纪四五十年代才开始开发钛的应用，到现在也只有50多年的历史，最开始那是1954年美国人第一次炼出了钛合金，也就是Ti—6AI—4V, 钛的最早的应用是从航空工业开始的，后来在研制火箭.导弹.人造卫星.和航天器材时就考虑到钛的许多优点，也成为这些领域使用的重要材料之一。到现在也已经广泛的应用在民用及日用产品上。遍及各个行业。下面从12个方面讲：

1、航空领域

钛材料过去和现在最大的用户都是航空业，现在无论是军用还是民用飞机都广泛使用钛及钛合金材料，而且用量直接影响到钛工业的兴衰，如果世界经济步入衰退，将会直接反应在世界的航空工业上，出行坐飞机的人少了，各国航空业萧条了，飞机订单就会少了，用钛量也就少了。2001年美国9.11事件发生之后，世界航空业曾有过短暂一段低潮时期，出现了短期的调整，结果钛行业也萎缩一段时间，目前美国爆发出次级债的风波，导致经济又处于一个动荡和缓慢衰退时期，世界经济也受到一定的影响，但目前还看不出对钛工业有多大地影响。钛在飞机上应用主要有以下几个地方。

（一）是发动机，每一个发动机用钛量占发动机总重量的20～30%，主要是压气机的部件，包括叶片.轮毂.入口导向阀.和外壳。

（二）是飞机骨架，这方面用钛的量也很大，因为钛合金的比强度高，做骨架钛是所有金属材料中的首选，大家知道我们国家也要制造大飞机，其中一个很重要的硬件就是大吨位的锻造机，目前世界上最大的钛合金模锻机是俄罗斯的有七点五万吨，现在在西安阎良已经立项，准备上八万吨的模锻机，第一期工程上四万吨的，投资1.95亿元，2009年年底投产，第二期工程上八万吨的，投资八点五亿元。这些模锻机锻的什么材料呢，就是钛合金材料的飞机骨架。尤其是机架的中段和后段。中段是机翼和机身连接段，是机架受力最大的部位，后段是发动机的安装部位同样是受力的重要部位。

（三）是起落架.支撑架等。飞机许多失事就是在起落之时，因为飞机起落时负荷和冲击力很大，所以对起落架的要求很高。选择钛合金既保证高强度耐冲击的性能要求，也比选用优质钢材重量轻。

（四）是机翼外皮和内部固定用的铆接件，有的飞机选择钛材料做机翼外皮，主要是一些军用飞机，一架飞机上的铆钉和紧固件上万个，我们国家生产冷热铆钉和紧固件的专业标准件厂就有三四个，他们的工厂就是只生产各个型号的螺栓螺帽，铆钉，绝大部分都是钛和钛合金材料的。。

那么一架飞机要用多少钛呢？举一个例子，大家都听说过美国的波音747飞机，一架这个飞机用钛达到35吨。俄罗斯的苏-27ck用钛达8吨，美国早期的F—15用钛7吨，占其机体总重量的25%，后期的F—15用钛量增加到8吨4，美国的F/A—22是世界上真正意义上的第四代战机，到2007年7月已经交付100架，这种机型是美国战斗机中使用钛合金与复合材料最多的一种机型，一架F/A—22机体钛合金使用毛胚量达到惊人的36吨。加工好的钛件占飞机总重量的41%。全球总共有多少架军用飞机和民用飞机没有见到统计资料，但是我们可以从这里知道航空业是钛行业的大买家。所以航空业兴，钛业也就兴。国外很多企业选择中国的钛产品，原因是我们的价格优势。

2、航天领域

钛和钛合金在火箭.导弹及宇宙飞船工业中，可用于高压容器，燃料贮箱，火箭发动机及导弹壳体。飞船舱蒙皮及结构骨架.主起落架.登月舱等。

目前世界上每年用于宇宙航行的钛已经达到一千吨以上。航天产品使用钛量接近于航空，美国航天飞机比普通军用及民用飞机用钛更多，美国哥伦比亚航天飞机的机身.发动机支架和发动机的压气机.垂直尾翼.升降舵辅助翼全部都是钛材料制做的。各个国家每年要发射许多火箭，用于把各种人造卫星送上天，火箭的发动机只是没有飞机那样大的骨架，发动机的压气机也是大量选择钛材料。据报道，国外的国际空间站上也广泛选用钛材料加工部件。“水星”号宇宙飞船的座舱用钛168公斤，占其总重量的80%，“阿波罗”飞船在托架.紧固体.夹具.机械舱.登月舱.液压罐等器件总共用钛1180Kg.全世界的导弹品种很多，数量很大，无论是一般导弹还是洲际导弹，每一个导弹不论大小也都有一个发动机，它的叶片和发动机机身都是钛材料的，它的燃料氧化剂箱也都是钛制的，这要用多少钛材料大家只能估计，因为那个国家也不会公布它有多少枚导弹的。

3、其他军工领域

在海洋的腐蚀环境下，军舰和潜艇都广泛的选用钛材料，例如潜艇的耐压壳体.船舵，轴托架，球阀.灭火泵.热交换器.冷却器，船壳声纳导流罩，动力装置的喷水推进系统的推进器和推进器轴，.舰船管道系统.铸件等。除了武器系统外很多地方都是钛材料做成的。据报道，俄罗斯生产的一种全钛潜艇，每艘用钛达3000～3500吨，这种潜艇可以使潜水深度翻一倍。可以在深达4500米的深海中航行。同时由于总重量下降就使速度大幅提高。其他舰船上的一些设备如冷凝器.蒸汽发生器.阀门.大型法兰.鱼雷发射器.鞭状天线.泵体等都使用钛材料制造。另外在炮筒.装甲车.工兵装备.新型战车等部分装置也有采用钛材料的。例如现在的迫击炮的底座就是钛合金的。

4、化工系统

在石油化工.化肥.酸碱.钠.氯气及海水淡化等工业中，钛及钛合金可用作制造热交换器.反应塔.蒸馏器.洗涤塔.合成器.高压釜.阀门.导管.泵.管道等。

从用量来讲，化工系统是钛行业在民用方面的一个大用户，2007年全国10家大型钛设备企业的产值就达13亿6千181万元，由于钛及钛合金在许多酸，碱，盐类介质中具有优异的耐蚀性，同时具有重量轻，比强度高等优点，因此在化工，石油，海洋工程等领域被广泛应用。虽然用钛材成本要高一些，但综合寿命周期，强度，环境影响这几方面，使用钛材还是划算一些，可以获得显著的经济效益。在化工领域主要有五个方面：

（1）纯碱工业

纯碱，学名是碳酸钠，它是基本的化工原料之一，市场需求量很大。采用氨碱法或者联合制碱法设备都会受到氯化钠和氯化铵等介质的强烈腐蚀，如果用钢或者不锈钢，就得经常更换设备，经常停产维修，损失很大，而用钛材5年以上完好无损，这个钛材用的很值。过去纯碱工业用于冷却结晶氯化铵母液的外冷器采用碳钢材料，寿命只有1～4年，而采用钛材每年腐蚀率只有0.001mm/年。至少可以用几十年以上。

（2）氯碱工业

氯碱工业就是用咱们吃的食盐通过电解生产出氢氧化钠和氯产品，如盐酸和次氯酸钠。氢氧化钠是造纸行业主要的原料，次氯酸钠被广泛的用在消毒的方面。过去一直用石墨电极作为电解用的不溶性阳极，在实际生产中出现了许多问题，比如，由于石墨不耐高温和盐水腐蚀，使得其使用寿命一般仅为4～9个月，也由于石墨阳极被腐蚀，造成极距逐渐增大，耗电量也就增大，另外由于石墨被腐蚀脱落，进入碱液，降低了碱液的质量。换成钛阳极后，耐高温盐水腐蚀，导电性能优良，极距变化很小，槽电压稳定，阳极使用寿命可以达到10年以上。而且碱液的质量有明显的提高。综合效益大幅提高。（钛阳极就是在钛管里穿入与内径一样大的纯铜棒，用轧制的办法再加工成各种形状，截成一定长度，再把一头用钛密封住就行了。）所以在这个行业里都在大量使用钛阳极。

（3）漂白粉行业

漂白粉是氯产品之一，漂白粉在纺织印染行业大量使用。生产漂白粉的设备由于要接触湿氯气，次氯酸根等强腐蚀介质，因而腐蚀问题十分严重，设备维修工作量很大，经常停产维修，一般企业的开工率很低，特别是反应塔的横臂和刮板，腐蚀十分严重。

使用了钛横臂和钛刮板后，运行情况良好，效果十分显著，取得了较好的经济效益，维修及更换设备的费用大幅降低，漂白粉产量明显增加。

（4）尿素工业

尿素是主要的化学肥料之一，是一种优质高效的氮肥。这几年国内外尿素生产规模很大，尿素合成塔的腐蚀问题很大，过去使用不锈钢材料制造合成塔，存在局部腐蚀问题，而且使用温度限制在190℃以内，超过这个温度腐蚀速度会成倍增加，这就限制了合成尿素的温度，是尿素的转化率很低，采用纯钛衬里的尿素合成塔，不但解决了腐蚀问题，而且还使合成尿素的转化率提高。在尿素生产的设备里气提塔，分解系统，往复式高压甲铵泵，减压阀等现在都用钛材料制造。

（5）其他化工

化工行业还有以内酰胺，顺丁烯二酸酐，丙烯，丙酮，对苯二甲酸，乙醛等很多的品种，生产设备也广泛用到钛材料，主要是用钛板和钛管生产装置中的反应釜，和连接管道。而且反应釜的使用寿命都是一定的 ，更新换代也很频繁，有的反应釜个头很大，一个都有几吨或者几十吨重，另外，在处理腐蚀性物质如硝酸.有机酸.盐酸.硫化氢等时还大量使用了钛容器.热交换器.罐.搅拌器.冷却器及管道系统，所以全国的钛行业的压力容器厂家多的很，每年要消耗大量的钛板和钛管。

5、钛设备在石油工业中的应用

石油通过精炼生产出汽油，柴油，煤油等产品，但是原油中含有硫化物，氯化物，对设备腐蚀十分严重，尤其是石油精炼设备如初馏塔，常压塔顶部，塔顶冷凝器采用钛材制造的上述设备取得良好的效果，基本上解决了设备的腐蚀问题。

炼油厂在催化裂化，工艺水处理，加氢精制，脱硫，不饱和分离，氢提纯，重整，管式蒸馏和聚合反应等工艺中广泛的使用了钛设备。

6、钛设备在冶金工业的应用

随着冶金工业的快速发展，钛材作为强度高，耐腐蚀的结构材料得到了推广和应用。在湿法冶金过程中，由于设备接触碱，酸及各种腐蚀性强的气体，烟尘，传统的铝合金，耐酸不锈钢等材料不能满足生产工艺的需要，限制了湿法冶金的发展。钛设备的使用，对于提高生产效率，解决湿法冶金常见的跑，冒，滴，漏等现象及减少环境污染等方面具有重要的意义。

（1）钛设备在电解镍生产中的应用

电解镍生产中，设备接触含酸量很高的溶液和活性离子，而钛的耐蚀性优异，因而成为制造电解镍设备的理想材料。

电解镍生产中的阴极母板与不锈钢母板相比具有更好的经济效果和优越的使用性能，如，沉积镍皮不易沾板，剥离容易，剥离率提高，钛母板的始极片平整，刚性好，电解时电流密度均匀等。另外电解镍生产设备中的加热器，泵，阀门等也大量使用了钛材料。

（2）钛设备在电解铜生产中的应用

电解铜生产设备阴极辊原来都是用钢阴极辊筒，由于电解液的腐蚀，导致辊筒表面出现点蚀，影响了铜箔的质量，而且定期打磨辊筒也浪费了人力财力。使用了钛辊筒后就解决了这些问题。另外，电解铜生产中的加热器，阴极母板等大部分都是钛材制造的。

（3）其他金属的湿法冶金

钛设备还用于钴，锌，铝，汞等冶炼，钨酸提纯等，冶金工业中主要设备有电解槽，反应器，洗涤塔，热交换器，搅拌器，蒸发装置，收尘装置等等，均取得了显著的效益。国外还有用钛泵输送氯化物，氯化钠，氯化钾，稀盐酸时，泵的寿命比铸铁泵或不锈钢泵提高5—20倍，液体损失减少五分之三，氯化车间的钛储槽能使用3—4年，而钢制储槽只能用2个月。

7、钛设备在电力工业的应用

火电站和核电站的凝汽器是发电机组的重要设备，主要是在沿海的电力工业，这些企业要利用海水降温凝汽，而海水中含有大量的泥沙，悬浮物质，海生物，和各种腐蚀性物质，在海水与河水交替变化的淡盐水中的情况更为严重。传统的凝汽器是用铜合金管，铜合金管在海水环境中被腐蚀的速率很高，经常遭到严重破坏，凝汽器运行一年左右就腐蚀泄露。我国早在上个世纪七十年代开始电站凝汽器用钛管的研究，宝钛集团承担了冷轧薄壁无缝钛管的研制任务，所提供的钛管在金山热电厂，镇海电厂等凝汽器中使用后，取得了显著的经济效益，钛管比铜管在这相同的环境下寿命提高了4—6倍，保证了电厂稳定安全生产。

8、钛设备在海洋工程的应用

目前，海洋工程用钛已经成为钛产品民用的一个重要领域。

（1）海洋油气开发

海上石油开采设备主要包括采油平台和附属设备，附属设备有原油冷却器，升油管，泵，阀，接头和夹具等。这些设备都与海水及原油中的硫化物，氨，氯等介质接触。由于钛在这些介质中具有优异的耐蚀性，所以早在70年代美国在其油田中就使用了钛制造的近海石油平台支柱，同时用钛制造了列管式换热器和板式换热器。美国在北海油田钻井平台上使用了100个钛热交换器。

钛钻探管的使用寿命较长，其重量仅为不锈钢的一半，而使用灵活性却是不锈钢的二倍， 使用寿命是不锈钢的10倍，在2000年就有美国的几家公司把钛钻探管应用于海上采油。

（2）海水淡化

早期的海水淡化装置使用铜合金，碳素钢等材料，因为这些材料不耐海水腐蚀，生产效率低，很快被耐海水腐蚀性能优异的钛材料所代替。在海水淡化中，钛的主要应用是淡化装置的加热传热管，日本一家公司为沙特建造日产淡水3万吨的蒸馏装置10台，用钛管3200吨，平均日产1万吨的装置需要用钛107吨，我国的天津，山东等地已建或在建海水淡化工程用钛量大约是250吨。

（3）造船业

钛及钛合金在船舶中的应用十分广泛，如船体结构件，深海调查船和海洋热能转换，海洋渔业。如现在沿海地区使用钛金属网进行人工养殖，钛金属网在海上基本上不被腐蚀，多年使用不用更换。用钛管制造的热交换器给海水加温，保证所养育的鱼所需的温度。在海洋热能转换领域，美国，日本的温差发电站的主要设备蒸发器，凝缩器及海水吸管，环路系统等都使用了钛制设备，均取得了良好的效果。

9、医学应用

医学上的钛的应用主要有两个方面一是制药，二是人体植入

（1）钛设备在制药工业的应用

在制药生产过程中，设备接触盐酸，硝酸，醋酸，硫酸及其盐类和有机溶剂等介质，设备腐蚀现象很严重。若经常停产维修，就会影响生产，况且设备的腐蚀会直接影响药品的质量。所以现在许多制药企业在制药设备中的气流干燥装置，管道，螺旋加料机，加热器，旋风分离器的设备都选用钛材料，一方面腐蚀速率仅为0.008—0.003mm/a,最重要的是保证了药品的质量不会因为设备的锈蚀而受到影响。

（2）钛材料在人体上的应用

因为钛具有较高的强度.较低的模量.以及良好的生物相容性，现在已经成为医疗上常用人体骨骼替代材料，用钛制造髋关节.肘关节，骨螺钉.膝关节.骨板.牙科植入件（也就是口腔医院讲的种植牙，价格很高），义齿支架，冠桥，和正牙丝，外科器械.心律调节器盒等。甚至现在发展到钛合金精铸假肢。有的小孩牙齿长得不整齐需要矫正，口腔医院就会用钛镍合金制成的记忆合金丝进行矫正，有的人血管在某个部位狭窄，医生就会建议植入钛材料做成的血管支架，现在人从头到脚都可以用钛材料更换部件，美国有一个68岁的彼德.霍顿心脏有严重的疾病，医生为了挽救他的生命，在他的心脏中安装了一个钛金属设备，帮助他的心脏泵输血液，他靠这个装置又活了七年半，成为人造心脏活的最长的一个人。但是，医用钛材在质量要求上是最严格最挑剔的，特别是金相上的要求可以说是最严格的，比军工要求还要高。既不能有低倍上的偏析，高倍的组织要求要很均匀。

10、体育用品

咱们在电视上看到有的高收入人群打高尔夫球，那个球杆上的击球的头部就是钛合金制造的，咱们附近的

亚钛用品厂就是专门生产高尔夫球杆上的击球盒，是铸造方法生产的。另外有全钛自行车，钛制羽毛球拍，网球拍，赛马比赛骑手的坐鞍等。

11、汽车制造行业

由于钛是一种质量轻，高强度，高弹性，耐蚀性好的材料，应用在汽车上可以起到减重，节能，减震，降噪，减少污染，延寿提高汽车安全性和舒适型的综合作用，是实现汽车轻量化的理想材料，只是由于钛材料的高价格而不能广泛的应用到普通汽车，现在只是用在高档车和赛车上，目前公认的汽车可用钛替代的零件主要有弹簧，连杆，气门，气门座，摇臂，排气管，消音器，门镜框，前挡板，后挡板，车门，门侧盖，紧固件，挂耳螺帽，车轮等。美国和日本相继在汽车上采用钛材料，早在1956年美国就制造出“火鸟2“型全钛汽车，日本的三菱和本田公司相继在一些高档车和赛车上应用钛材料替代钢材料，2006年奥迪美国公司就推出钛版2006奥迪车。

12、其他领域

最近美国一家摩托车公司推出一款全钛车架和全钛排气筒的高档摩托车，车身重199.5公斤，发动机是V2型，全球限量只有十台，每台价格是27.5万美元。在美洲女性佩戴的首饰有COI钛金手链，钛金戒指，钛金耳环，钛金项坠，钛金钻石戒指，现在国内生产的钛金首饰也相当精美。文化方面用钛现在不是太多，只是在一些数码相机，笔记本电脑等高端产品的外壳有采用钛材料的。另外在建筑的屋顶上使用钛材料的已经不少了，除了日本外，咱们中国已经在国家大剧院首开先例了。另外，在日用方面也有不少的新东西，有钛拐杖，钛茶叶盒，钛餐具，还有钛制外壳的手表，中国神五飞船上的杨立伟就是佩带着钛合金手表遨游太空21小时23分钟。神六上的两位宇航员戴的则是重量仅为94克采用钛金属材料制作的手表，大大提高了表面硬度和耐腐蚀性能，比钛合金手表又上升了一个新的高度。这个工艺没有报道过，但很有可能使用离子氮化的办法。