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钛在相关行业的应用
钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属,钛合金因具有比强
度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。世界上许多国家都认识到锨合金材料的重要性,相继对其进行研究开发,并得到了实际应用。
第一个实用的钛合金是1954年美国研制成功的Ti-6Al-4V合金,由于它的耐热性、强度、塑性、韧性、成形性、可焊性、耐蚀性和生物相容性均较好,而成为钛合金工业中的王牌合金,该合金使用量已占全部钛合金的75%~85%,其他许多钛合金都可以看做是Ti-6Al-4V合金的改型。钛及其合金不仅大量应用在航空、航天工业,而且在化工、石油、冶金、造纸、纺织,机械仪器、能源、医疗卫生等工业中也有着十分重要的应用,在民用工业中的应用也日渐增多。
航空、航天工业:20世纪50~60年代,主要是发展航空发动机用的高温
钛合金和机体用的结构钛合金;70年代开发出一批耐蚀钛合金;80年代以来,耐蚀钛合金和高强钛合金得到进一步发展,耐热钛合金的使用温度已从50年代的400℃提高到90年代的600~650℃,A2(Ti3Al)和r(TiAl)基合金的出现,使钛在发动机的使用部位正由发动机的冷端(风扇和压气机)向发动机的热端(涡轮)方向推进,结构钛合金向高强、高塑、高强高韧、高模量和高损伤容限方向发展。
钛在航空、航天工业应用举例表1所示
能源工业的应用:因为钛在多种强腐蚀性介质中具有很高的耐腐蚀性,所以,在能源工业中,它是重要的材料。它应用于制造原子能核反应堆的结构材料,海洋热能转换(OTEC)系统热交换器;地热盐水试验用热交换器,海水冷却表面冷凝器管。国外发电厂使用20年之久,从未发现有腐蚀破损;美国蒂梅特(TIMET)钛公司保证表面冷却管使用寿命可达40年。
化工工业的应用:钛耐腐蚀性很强是因为对氧的亲合力大,能在其表面上形成一层致密的氧化膜,可保护钛不受介质腐蚀。钛在大气、氯气或其它含氧的环境中,有很强的耐腐蚀性,对热盐、热的湿氯、热硝酸和热醋酸等腐蚀介质中也有很高的耐腐蚀性。如果在某种介质中,能连续溶解钛表面氧化膜时,则钛在这种介质中会被腐蚀。如热的盐酸、硫酸,在这些酸中加入氧化剂或某些金属离子时,则钛表面的氧化膜便会受到保护,故而增加了钛的稳定性。在氯碱工业中,用钛金属制作阳极板和利用钛制作湿氯气冷却器收到很好的经济效果。美国的研究表明:PH值和温度是影响钛在盐水中产生裂隙腐蚀快慢的重要参数,使用经验表明-Til2(ASTM的12号Ti)和Ti?Pd(ASTM的7号Ti)的抗缝隙腐蚀大大超过工业纯钛,Til2和Ti?Pd合金是氯碱工业中很好的耐缝隙腐蚀材料。
医疗行业的应用:钛无毒、质轻、强度高且具有优良的生物相容性,是非常理想的医用金属材料,可用作植人人体的植人物等。目前,在医学领域中广泛使用的仍是Ti-6Al-4v ELI合金,但后者会析出极微量的钒和铝离子,降低了其细胞适应性且有可能对人体造成危害,这一问题早已引起医学界的广泛关注。美国早在20世纪80年代中期便开始研制无铝、无钒、具有生物相容性的钛合金,将其用于矫形术。日本、英国等也在该方面做了大量的研究工作,并取得一些新的进展。例如,日本已开发出一系列具有优良生物相容性的α+β钛合金,这些合金的腐蚀强度、疲劳强度和抗腐蚀性能均优于Ti-6Al-4v ELI。与α+β钛合金相比,β钛合金具有更高的强度水乎,以及更好的切口性能和韧性,更适于作为植入物植入人体。在美国已有5种β钛合金被推荐至医学领域,即TMZFTM(TI-12Mo-^Zr-2Fe)、Ti-13Nb-13Zr、Timetal 21SRx(TI-15Mo-2.5Nb-0.2Si)、Tiadyne 1610(Ti-16Nb-9.5Hf)和Ti-15Mo。估计在不久的将来,此类具有高强度、低弹性模量以及优异成形性和抗腐蚀性能的庐钛合金很有可能取代目前医学领域中广泛使用的Ti-6Al-4V ELI合金。
石油化工工业的应用:钛在有机化合物中,除了温度较高的五种有机酸(甲酸、乙酸、草酸、三氯乙酸、和三氟乙酸)外,都具有非常好的稳定性。国外炼油厂钛正成功地使用酸性水汽提塔、原油架空冷凝器、中间吸收交流换热器、脱酸剂分馏塔,几家石油厂钛管长度已超过1百万英尺。钛还可以用来制作各种热交换器、反应器、高压容器和蒸馏塔等。见表2。
钛在石油化工和化学工业等部门的应用表2
海水淡化部门的应用:钛抗海水腐蚀的能力比其它所有金属都好,工业纯钛在一英里多深的海洋中停放多年后,没有产生任何腐蚀现象。虽然钛表面沉积了一层海洋附着物,但未出现点腐和裂隙腐蚀。钛在海水流速达120英尺/秒,腐蚀速度极小,有资料表明这种对于铜合金或铝合金危害却极大。故钛被认为是当今适于海水中使用最好的耐腐蚀材料之一。Ti一35和Ti一50A(分别相当于ASTM的1号钛和2号钛)在海水中不发生应力腐蚀。含少量氧的Ti一6AL一4V合金是在海水中工作的最佳高强度钛合金之一。因此,钛材料是海水淡化装置的理想材料。
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