工業用鈦及鈦合金材料的應用現狀

闞延勇 蘇方正 徐曦榮 劉鴻彥 吳丕杰

南京寶色股份公司 （江蘇南京 211178）

鈦是從1950 年開始發展起來的一種重要的結構金屬，鈦合金因強度高、耐蝕性好、耐熱性能優良等特點而被廣泛應用于航空航天[1]、化工[2]、醫療[3]、汽車[4]等領域。自1954 年美國成功研制出實用的鈦合金（Ti-6Al-4V）以來，其良好的耐熱、強度、韌性得到體現。在20 世紀七八十年代，對鈦合金的研究得到進一步發展。近年來，國內外鈦合金發展迅速，但我國與發達國家仍有一定的差距。本研究介紹了鈦及鈦合金材料的特性和加工性能特點，總結了近幾年其在工業領域的應用和取得的成果，同時比較了國內與國外鈦及鈦合金應用方面的差距，并對其應用進行了展望。

1 鈦及鈦合金的性能特點

鈦及鈦合金具有眾多優良性能，如強度高、耐蝕性強，良好的高低溫性能和加工性能。

1.1 鈦及鈦合金的特性

鈦及鈦合金特性包括：

（1）強度高，其抗拉強度為686～1 176 MPa，密度約為鋼的60%。

（2）較高的硬度，鈦合金退火后的洛氏硬度（HRC）為32～38。

（3）高溫和低溫性能優良，例如在高溫條件下，鈦合金與傳統鋼、鋁等材料相比，其機械性能優越，耐熱性尤為突出。新型耐熱鈦合金工作溫度范圍在550～600 ℃之間，不同溫度條件下，鈦合金的強度不同，低溫下的強度高于常溫下，且韌性較好。

（4）鈦的抗腐蝕性強，在高達550 ℃以下的空氣中，鈦表面會形成一層薄且致密的氧化鈦膜。氧化鈦膜在某些介質（例如空氣、海水等）中耐腐蝕性能高于大多數不銹鋼，從而使鈦在特殊工作環境中得到廣泛應用。

1.2 鈦及鈦合金的加工性能

鈦合金具有強度高、密度小、機械性能好、韌性和抗蝕性能佳等特點，在機械加工方面表現突出，但鈦合金工藝性能較差。

1.2.1 切削加工性能

鈦合金具有較高的強度和硬度，因此需要大功率的加工設備，模具和立柱需要具有較高的強度和硬度。鈦合金的切削阻力是45 鋼的2/3～3/4，但由于其作用面積較小，容易受損，因此必須考慮設備的易損性。

1.2.2 磨削加工性能

鈦合金化學性質非?；顫?，在高溫工作狀態下，易黏附磨料，阻礙砂輪，降低磨削性能，因此在磨削加工時必須保證合理的溫度狀態。此外，由于砂輪的磨損，散熱條件變差，造成表層、工件局部燒傷，導致磨削裂紋。

1.2.3 擠壓加工性能

擠壓鈦或鈦合金時，為預防溫度下降過快，必須保證擠壓溫度和擠壓速率足夠高，同時保證高溫坯料與模具的接觸時間足夠短。所以，使用新型耐熱模具材料成為必要。此外，盡可能采取保護措施，防止操作過程中的金屬被氣體污染。

1.2.4 鍛造加工性能

鍛造工藝參數的變化對鈦合金影響非常大[5]。鍛造溫度、變形和冷卻速率的變化會改變鈦合金的組織和性能。近年來，為了保證鍛件組織和性能的優異性，鈦合金鍛件廣泛采用熱鍛、等溫鍛造等先進鍛造技術[6]。

2 鈦及鈦合金工業運行情況

據中國有色金屬工業協會鈦鋯鉿分會統計，我國鈦材用量最大的領域為化工行業，其次為航空航天行業。2022 年，化工領域用鈦量為7.3 萬t，占比50%；航空航天用鈦量為3.3 萬t，占比23%。醫藥、船舶領域用鈦量相對較低，但增速都在30%以上[7]。冶金、電力、制鹽、體育休閑、海洋工程等領域由于下游行業周期波動，用鈦量均出現不同程度的下降。

2.1 產量

鈦及鈦合金的產量變化與整個工業領域用鈦及鈦合金的量息息相關。2020 年，受新冠病毒肺炎疫情影響，全球鈦材料需求量大幅縮減，導致國際鈦材產量大幅減少。以俄羅斯為例，鈦加工材料年產量僅為2.6 萬t，較2019 年下降23.5%。2020 年，我國鈦工業表現突出，鈦加工材料產量近10 萬t，占世界鈦加工材料產量的50%以上；2021 年和2022 年，我國鈦工業材料產量連續兩年突破10 萬t，分別為13.59，15.10 萬t，鈦產品產量穩居世界第一。圖1 為2013 年—2022 年中國鈦加工材料產量變化情況。

圖1 2013-2022 年中國鈦加工材產量變化情況

2.2 產業結構

鈦產業鏈主要分為有色金屬和化學涂料，具體如表1 所示。

表1 鈦產業鏈

以上兩種產業鏈共享鈦鐵礦和金紅石等資源。世界上超過90%的鈦精礦用于鈦白粉的制造，僅有5%的鈦精礦用于海綿鈦制造。

3 工業鈦及鈦合金的應用

隨著中國工業向高精尖領域進軍，鈦及鈦合金在國民經濟中的地位越來越重要，廣泛應用于航空航天、海洋工程、化學工業、石油工業等領域。因比強度高，耐蝕性、低溫性能好，化學活性大等特點，同素異構轉變溫度為882 ℃，鈦合金分為α，α+β，β3 類，工業純鈦分TA1，TA2，TA3，TA4，鈦-鈀合金TA9，TA10（鈦-鉬-鎳合金）。作為活性金屬，在清理和保護良好的情況下，鈦具有良好的焊接性能。

3.1 航空航天

航空航天領域在工業體系中意義非凡。在人類邁向太空的過程中，鈦及鈦合金（輕質、耐高溫）扮演著重要作用。鈦及鈦合金被稱為“太空金屬”，被各國廣泛應用于制造飛機葉片、機身、飛機渦輪盤等結構部件。黃文君等[8]通過對航空領域用鈦及鈦合金材料發展進行研究，發現鈦合金是航空發動機關鍵部件原料，且其高性能價值應用廣泛。鈦及鈦合金在航空領域得到廣泛應用，尤其是在航空發動機方面，其應用領域有鼓筒、壓氣機機匣、高壓壓氣機轉子、葉片等?，F代渦輪發動機結構質量的30%左右采用鈦合金材料制造。

3.2 海洋工程

在海洋工程中，鈦及鈦合金被稱為“海洋金屬”。在海水中，鈦比其他金屬的抗腐蝕性能優越，因此鈦及鈦合金是海上設備及裝置的理想材料，特別適于制造輕型海工裝備。鈦及鈦合金強度大、質量輕，在各種艦船中廣泛應用。其應用主要集中在中國、俄羅斯、美國、日本等，且經過歷代科研工作者研究，各國已經形成適應本國發展的船用鈦合金體系。孫靜等[9]總結了近年來鈦及鈦合金設備在海水中的腐蝕情況，發現腐蝕磨損是影響鈦合金設備應用的主要因素。據報道，近年來我國由腐蝕造成的損失居高不下，大約為GDP 的5%，遠高于美國的3.4%和日本的不足3%[10]。為了海洋工程的發展，必須把防止鈦合金腐蝕磨損作為重要研究內容。

3.3 化學工業

除個別介質外，鈦具有優異的穩定性。因此，鈦也是優良的耐腐蝕材料之一。例如，使用鈦陽極和鈦濕氯冷卻器在氯堿行業中進行電解，經濟效益明顯，被稱為“氯堿工業的革命”。我國氯堿行業的鈦陽極電解槽與常規石墨不同，其應用取得了顯著成效，與陽極電解槽相比，每年可節省3 億元以上，壽命可延長40 倍以上[11]。李偉等[12]對燃料電池中鈦雙極研究進展進行歸納，發現鈦雙極板表面改性技術的研究成果包含鈦表面涂覆金屬基涂層、碳基涂層和摻雜合金元素三大類，對鈦雙極板電池壽命的認識明顯加深。因此對鈦合金的研究不僅表現在傳統技術上，還要加大對新型技術的創新。

3.4 石油工業

除甲酸、三氯乙酸、草酸、乙酸、三氟乙酸之外，對有機化合物而言，鈦整體表現出極好的穩定性。因此，鈦板是優良的結構材料，可用于壓力容器等設備制造。陳雁等[13]利用臥式鈦制反應器與傳統攪拌槽反應器進行了微觀物料混合的比較，結果表明鈦制反應器比傳統攪拌器混合效果明顯。李獻軍等[14]通過分析鈦及鈦合金在油氣開采中的應用，介紹了近幾年寶雞鈦業股份有限公司鈦材開發情況。圖2 所示為石油工業中常用的臥式鈦制反應器。經過分析壓力容器產品損耗，發現鈦-鋼復合材料反應釜、塔器等設備強度性能優異，大大滿足了客戶對產品壽命的要求。

圖2 臥式鈦制反應器

4 結語

近些年我國鈦及鈦工業大跨步前進，并且在基礎研究、對口專業領域等方面突破了國外鈦工業大國（俄、美、日）的技術封鎖，發展前景樂觀。為進一步推動我國鈦工業的高質量發展，針對我國鈦工業提出如下幾點建議：

（1）深入基礎研究。實時跟進和積極開展金屬鈦提取新技術（例如鈦及鈦合金粉末近凈成型技術、鈦合金激光沖擊強化技術及鈦復合材料制備技術等）的研究，完善鈦生產工藝和設備更新等，為我國鈦工業體系打下堅實的基礎。

（2）大力開發對口領域專用的鈦及鈦合金，例如口腔醫療領域專用的鈦及鈦合金、航空航天領域新型鈦合金，實現專業對口系統化。

（3）把滿足鈦合金高端需求作為重點發展方向。美國、日本的鈦材應用在航空航天領域分別占60%、10%以上，我國雖然穩步增加，但是與發達國家仍有差距。因此，在當前政策下，鈦行業企業應該進行產業升級，牢牢把握鈦合金高端需求。

（4）響應國家發展戰略，發展新興領域市場，延伸產業鏈，涉足新型加工領域，如口腔醫療和制藥行業等。