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鈦及鈦合金新工藝、新技術(shù)、新用途及發(fā)展現(xiàn)狀與競(jìng)爭(zhēng)格局
1、鈦及鈦合金性質(zhì)簡(jiǎn)介
1.1 鈦簡(jiǎn)介：
鈦是一種新型材料，具有密度小、比強(qiáng)度高、耐熱和抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。它的重量?jī)H有鐵的一半，但是其力學(xué)性能例如錘擊、拉延等卻和銅不分上下。一般來(lái)講隨著溫度的降低，金屬的抗擊打性能會(huì)下降，但是鈦卻恰恰相反，溫度越低，鈦會(huì)變得越來(lái)越堅(jiān)硬，并且在達(dá)到臨界溫度時(shí)會(huì)出現(xiàn)超導(dǎo)的現(xiàn)象。
1.2 鈦合金簡(jiǎn)介：
鈦合金和鈦在某種程度上性質(zhì)類似，具有密度小強(qiáng)度高的特點(diǎn)，此外其機(jī)械性能十分優(yōu)異，抗腐蝕能力較強(qiáng)。而且其熱強(qiáng)度高，明顯優(yōu)于鋁合金，同時(shí)在低溫和超低溫下其力學(xué)性能變化不大。
2、鈦的新工藝、新技術(shù)及新用途
2.1 鈦的制備方法
雖然鈦在自然界中含量相對(duì)豐富，但是因?yàn)槠浯嬖诜稚ⅲ译y以提取，所以鈦也是一種稀有金屬。目前來(lái)說鈦的制備一共分為兩大類 ：熱還原法和熔鹽電解法。
(1)熱還原法制備鈦
熱還原法是在一定溫度下，利用Li、Na、Mg、Ca及其氫化物等強(qiáng)還原劑，把鈦從鈦的化合物如TiCl 4 、TiO 2 、K 2 TiF 6 等中還原出來(lái)。根據(jù)鈦化合物的不同，可將熱還原法制備鈦的技術(shù)分為三大類 ：
①鈦的氯化物的氧化還原法，如Kroll法、Hunter法、Armstrong法和EMR法等 ;
?、阝伒难趸锏难趸€原法，如OS法、PRP工藝、MHR法等 ;
?、垅佀猁}的氧化還原法。
目前只有Kroll法和Hunter法能夠成功應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中。Kroll法是利用金屬鎂將氯化物中的鈦置換出來(lái)，Hunter法是利用金屬鈉將氯化物中的鈦置換出來(lái)。此外，美國(guó)芝加哥國(guó)際鈦粉公司開發(fā)的Armstrong法，其制備方法類似于Hunter法，也是利用還原劑鈉對(duì)金屬鈦進(jìn)行提純。美國(guó)已經(jīng)開始利用這一方法進(jìn)行工廠里面的預(yù)生產(chǎn)。
(2)熔鹽電解法制備鈦
1959年，Kroll預(yù)言在未來(lái)5-10年內(nèi)熔鹽電解將會(huì)取代Kroll法成為生產(chǎn)鈦的主流方法。多年來(lái)國(guó)內(nèi)外的科研機(jī)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)室總共開發(fā)了十幾種熔鹽電解法制備鈦的新技術(shù)，它們按原料可分為以下三類 ：①鈦酸鹽的電解法 ;②鈦的氯化物的電解法 ;③鈦的氧化物的電解法，包括有FFC劍橋法、MER工藝、USTB法、QIT工藝、SOM法和離子液體電解法等。
2.2 鈦的新用途
從20世紀(jì)40年代以來(lái)，鈦的用途發(fā)展很快，被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、火箭、導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、宇宙飛船、艦艇、軍工、醫(yī)療以及石油化工等領(lǐng)域。最新的研究中發(fā)現(xiàn)，人體中含有一定的鈦元素，鈦元素會(huì)刺激吞噬細(xì)胞，可以加強(qiáng)免疫作用，因此不少實(shí)驗(yàn)室正致力于生物鈦的開發(fā)和應(yīng)用。
3、鈦合金的新工藝、新技術(shù)及新用途
3.1 鈦合金的制備方法
鈦合金傳統(tǒng)的加工一般采用熔煉和鑄造技術(shù)，最新的加工技術(shù)分為以下幾種：
(1)近凈成型技術(shù) ;
(2)線摩擦焊接技術(shù) ;
(3)超塑性成型技術(shù) ;
(4)材料制備及加工過程的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)。
近凈成型技術(shù)包括激光成型、精密鑄造、精密模鍛、粉末冶金、噴射成型等方法。粉末冶金法是利用鈦粉或鈦合金粉作為原料，經(jīng)過成型和燒結(jié)，從而制造鈦零部件的新工藝。首先是生產(chǎn)粉末，一般采用機(jī)械合金化的方法，利用球磨機(jī)對(duì)原料進(jìn)行強(qiáng)烈的撞擊、研磨和攪拌。然后對(duì)已經(jīng)形成粉末的合金進(jìn)行壓制成型，有兩種壓制方法，分別是加壓成型和無(wú)壓成型。這一步的目的是為了制得一定形狀和尺寸的壓胚，并且使其具有一定的密度和強(qiáng)度。然后在對(duì)制成的胚料進(jìn)行放電等離子燒結(jié)，利用上、下模沖及通電電極將特定燒結(jié)電源和壓制壓力施加于燒結(jié)粉末，經(jīng)放電活化、熱塑變形和冷卻完成制取高性能鈦材料。然后對(duì)經(jīng)過等離子燒結(jié)的鈦合金進(jìn)行后續(xù)的處理，一般是熱處理或者塑性加工。
3.2 鈦合金的新用途
鈦合金早期廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，主要用在制作飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)或者氣壓部件。后來(lái)隨著技術(shù)的不斷深入發(fā)展，鈦合金已經(jīng)進(jìn)入尋常百姓的生活中，在工廠或者家用器件上也有鈦合金的身影。現(xiàn)在個(gè)國(guó)家和機(jī)構(gòu)都在爭(zhēng)相研制新的鈦合金，使其具有低成本高性能的特點(diǎn)，近些年鈦合金的新發(fā)展主要集中在以下五個(gè)方面。
(1)醫(yī)用鈦合金
鈦合金密度小且生物相容性好，是理想的醫(yī)用材料，甚至可以植入人體，以前在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用的鈦合金含有釩和鋁，會(huì)對(duì)人體造成危害。但是在近期，日本學(xué)者已經(jīng)開發(fā)出了新型鈦合金，具有良好的生物相容性，但是目前這種合金尚未大批量生產(chǎn)，相信在不久的將來(lái)，此類優(yōu)質(zhì)合金能夠廣泛的應(yīng)用于日常生活中。
(2)阻燃鈦合金
在一定壓力、溫度和空氣流速下能夠抗燃燒的鈦基合金是阻然鈦合金。美國(guó)，俄羅斯和中國(guó)都相繼研發(fā)出了新的阻然鈦合金，其中美國(guó)將這些阻然鈦合金應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)上，因?yàn)檫@些鈦合金對(duì)燃燒不敏感，所以可以大大提高發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性。
(3)高強(qiáng)高韌β型
β型鈦合金具有強(qiáng)度高，焊接性好，冷熱加工性能優(yōu)良的特點(diǎn)。研究人員利用這一規(guī)律，制備出的β型鈦合金的特點(diǎn)十分明顯 ：靈熱加工性能良好，塑性好，焊接性能好。且通過固溶——時(shí)效處理之后其機(jī)械性能有較大提高。目前日本和俄羅斯均制備出了此類鈦合金。
(4)鈦鋁化合物
鈦鋁化合物相比一般的鈦合金來(lái)講具有高溫性能好，抗氧化抗蠕變性能好，且密度小于一般的鈦合金。這些優(yōu)異的特點(diǎn)注定了鈦鋁化合物會(huì)掀起新的合金熱潮。目前美國(guó)已經(jīng)合成了這種新的鈦鋁化合物合金，并且正在批量生產(chǎn)之中。
(5)高溫鈦合金
將快速凝固方法和粉末冶金法相結(jié)合，利用纖維或顆粒增強(qiáng)的復(fù)合材料制備出來(lái)的鈦合金具有優(yōu)異的高溫力學(xué)特征。高溫鈦合金的使用溫度極限遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通鈦合金。目前美國(guó)已經(jīng)制備出了新型高溫鈦合金。
(6)鈦鎳合金
鈦和鎳組成的合金，被成為“記憶合金”，這種合金制成預(yù)先確定的形狀，再經(jīng)定型處理后，若受外力變形，只要稍微加熱便可恢復(fù)原來(lái)的面貌。這種合金可用于儀器儀表、電子裝置等各種領(lǐng)域。
4、中國(guó)目前鈦合金材料發(fā)展現(xiàn)狀及競(jìng)爭(zhēng)格局
鈦合金指的是多種用鈦與其他金屬制成的合金金屬，近年來(lái)，我國(guó)頻頻發(fā)布政策鼓勵(lì)鈦合金材料的研發(fā)、生產(chǎn)及應(yīng)用。在全球市場(chǎng)中，鈦合金材料主要應(yīng)用于航空工業(yè)、國(guó)防軍工以及其他工業(yè)。其中，在航空工業(yè)的應(yīng)用需求最大，約占50%，主要是用于飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的制造。在我國(guó)鈦材的需求結(jié)構(gòu)中，鈦加工材料主要應(yīng)用于化工領(lǐng)域，而國(guó)內(nèi)航空航天用鈦材的比例僅為20%，說明我國(guó)航空用鈦材市場(chǎng)還存在較大潛力。目前，在高端鈦合金領(lǐng)域，我國(guó)能夠批量生產(chǎn)軍用航空鈦合金棒絲材的企業(yè)較少，呈“雙寡頭”的競(jìng)爭(zhēng)格局。
1、政策鼓勵(lì)鈦合金材料的發(fā)展
鈦合金指的是多種用鈦與其他金屬制成的合金金屬。世界上許多國(guó)家都認(rèn)識(shí)到鈦合金材料的重要性，相繼對(duì)其進(jìn)行研究開發(fā)，并得到了實(shí)際應(yīng)用。近年來(lái)，我國(guó)也頻頻發(fā)布政策鼓勵(lì)鈦合金材料的研發(fā)、生產(chǎn)及應(yīng)用。2019年，據(jù)《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄(2019征求意見稿)》披露的信息顯示，將高性能超細(xì)、超粗、復(fù)合結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金材料及深加工產(chǎn)品、低模量鈦合金材料、耐蝕鈦合金材料、航空航天用鈦合金緊固件等列為產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整鼓勵(lì)類項(xiàng)目。
2、鈦合金材料主要應(yīng)用于航天、軍工領(lǐng)域
在全球市場(chǎng)中，鈦合金材料主要應(yīng)用于航空工業(yè)、國(guó)防軍工以及其他工業(yè)。其中，在航空工業(yè)的應(yīng)用需求最大，約占50%，主要是用于飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的制造。
在我國(guó)鈦材的需求結(jié)構(gòu)中，鈦加工材料主要應(yīng)用于化工領(lǐng)域，與全球相比最主要的差別在航空領(lǐng)域，全球范圍內(nèi)航空用鈦材始終占據(jù)鈦材總需求的53%左右，而國(guó)內(nèi)航空航天用鈦材的比例僅為20%，說明我國(guó)航空用鈦材市場(chǎng)還存在較大潛力。
3、國(guó)內(nèi)高端鈦合金市場(chǎng)呈“雙寡頭”競(jìng)爭(zhēng)格局
在國(guó)內(nèi)鈦合金市場(chǎng)中，目前能夠批量生產(chǎn)軍用航空鈦合金棒絲材的企業(yè)主要是：西部超導(dǎo)、寶鈦股份和湖南金天鈦業(yè)科技有限公司。
4、航空航天用鈦材需求前景廣闊
2009-2017年，中國(guó)航空航天用鈦材銷量的年復(fù)合增長(zhǎng)率為16%，同時(shí)考慮到國(guó)內(nèi)目前航空航天用鈦材占比遠(yuǎn)低于全球范圍內(nèi)航空航天用鈦材占鈦材總需求的50%的比例，假設(shè)未來(lái)幾年年的復(fù)合增長(zhǎng)率保持不變，至2025年，我國(guó)航空工業(yè)鈦材需求量將達(dá)2.5萬(wàn)噸。
5、結(jié)語(yǔ)
鈦擁有許多金屬無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，隨著社會(huì)的進(jìn)步、科技的發(fā)展，鈦及鈦合金的應(yīng)用將更加廣泛，人類對(duì)鈦和鈦合金的需求將日益增大，而生產(chǎn)成本高是限制鈦及鈦合金推廣使用的主要原因之一。因此，開發(fā)與應(yīng)用低成本、大規(guī)模及生態(tài)環(huán)保的連續(xù)化生產(chǎn)工藝，才能使鈦及鈦合金得到更加廣泛的應(yīng)用。
