简介概要

钛金属和钛产业的发展

来源期刊：稀有金属2009年第6期

论文作者：王桂生许国栋

关键词：钛及钛合金; 发展历史; 主要应用; 研究方向; 产业建议; titanium and titanium alloys; development history; application; research direction; industry suggestion;

摘要：对钛的研究和产业发展状况进行了综述, 包括钛的发现、钛工业发展、钛的主要应用等, 通过研究, 对今后钛及钛合金的研究方向和钛产业发展提出了建议, 认为: 钛在更广阔的领域获得应用需解决两方面的问题: (1)提高钛在不同用途上特性, 如, 通过合金化、金属间化合物以及研制新型钛合金提高性能; (2)有效降低钛的生产成本, 如从海绵钛生产、材料设计和材料加工等环节降低成本.

稀有金属 2009,33(06),903-912

钛金属和钛产业的发展

王桂生

北京有色金属研究总院

摘要：

对钛的研究和产业发展状况进行了综述, 包括钛的发现、钛工业发展、钛的主要应用等, 通过研究, 对今后钛及钛合金的研究方向和钛产业发展提出了建议, 认为:钛在更广阔的领域获得应用需解决两方面的问题: (1) 提高钛在不同用途上特性, 如, 通过合金化、金属间化合物以及研制新型钛合金提高性能; (2) 有效降低钛的生产成本, 如从海绵钛生产、材料设计和材料加工等环节降低成本。

关键词：

钛及钛合金;发展历史;主要应用;研究方向;产业建议;

中图分类号： F426.32

收稿日期：2009-06-10

Development of Titanium and Its Industry

Abstract：

The titanium alloys research, its industry development and application was reviewed in this paper, was focused on (a) the discovery and extraction of titanium, (b) situation of titanium industry development and the main enterprises in USA, Commonwealth of the Independent States, Japan, China, and Europe, (c) titanium and titanium alloys application on aeronautics and astronautics, ship making, chemical industry, transport vehicles, buildings in land and ocean, and others fields.As a result of study, suggestions on titanium research and industry development are given.Making titanium and titanium alloys used in a wider range can be put into practice by two paths, (a) improving properties by titanium alloying, intermetallic compounds, and new alloys research, and (b) lowering the cost in production of titanium sponge, materials design, materials processing, and so on.

Keyword：

titanium and titanium alloys;development history;application;research direction;industry suggestion;

Received： 2009-06-10

钛作为金属材料, 虽然比铜、铁、铝出现的晚一些, 但由于其具有比强度高、耐蚀性强、生物相容性好、无磁性等优点, 在航空航天、舰船制造、化学工业、交通车辆、建筑装饰、海洋建筑、体育用品、生活用品等方面得到了广泛的应用, 被称为“太空金属”、 “海洋金属”、 “智能金属”等。从2007年开始, 我国钛工业取得快速发展, 生产量和消费量成倍增长, 令世界瞩目。在此背景下, 本文对国际上钛主要生产大国的发展经历和应用情况进行了综述, 以期对我国钛工业的发展提供一些借鉴。

1 钛的发现和发展历史

1.1 钛的发现和资源

1791年英国牧师W.Gregor在黑磁铁矿中发现了一种新的金属元素。 1795年德国化学家M.H.Klaproth在研究金红石时也发现了该元素, 并以希腊神Titans命名之。 1910年美国科学家M.A.Hunter首次用钠还原TiCI₄制取了纯钛。 1940年卢森堡科学家W.J.Kroll用镁还原TiCl₄制得了纯钛。从此, 镁还原法 (又称为克劳尔法) 和钠还原法 (又称为亨特法) 成为生产海绵钛的工业方法。美国在1948年用镁还原法制出2 t海绵钛, 从此开始了钛的工业化生产 ^[1] 。

钛在自然界分布很广, 地壳中的含量约为0.64%, 在金属元素中仅次于铝、铁和镁, 居第四位。根据美国地质学会的定义, 2001年全世界已探明的钛铁矿和金红石矿约为5.32×10⁸ t, 主要分布在澳大利亚、南非、印度、美国、加拿大、挪威、乌克兰等国家。全世界2000年共消费钛矿 (按TiO₂含量计) 约4.58×10⁶ t。按目前钛矿的年使用量计算, 今后200年内全世界不必担心钛资源的枯竭。日本没有经济性钛资源, 主要依赖从澳大利亚、南非等国进口, 而且日本对钛原料的放射性物质含量有严格要求, 因此选择余地小、价格高。中国尽管钛资源的储量为世界第一, 其中钛铁矿岩矿占总储量的93%, 而且钙、镁杂质含量高, 增加了选冶的技术难度 ^[2] 。钛铁矿分岩矿和砂矿两种, 岩矿主要产于中国、加拿大、美国、俄罗斯、挪威等, 砂矿主要产于澳大利亚、南非、印度、斯里兰卡和中国。

1.2 钛的发展历史

作为特殊材料利用的铜和铁, 从数千年前开始生产和应用; 被称作是新金属的铝和镁, 也有100年左右的历史。金属钛的工业生产只有60年的历史, 因此, 钛被日本钛协会形象地称为“婴儿金属”, 认为“钛正在从摇篮期向成长期迈进”, 形象地表达了钛从哺乳期向幼年期、少年期的成长过程。在60年的时间内, 钛作为优质轻型高强耐蚀结构材料、新型功能材料和重要的生物工程材料, 在世界工业舞台上大放异彩, 被誉为正在崛起的“第三金属”, 在不同的年代, 钛都有新的发明、发现、发展和应用 ^[3] 。

2 钛工业的发展史

2.1 近期钛工业的发展

衡量一个国家钛工业规模有两个重要指标: 海绵钛产量和钛材产量, 其中海绵钛产量反映原料生产能力, 钛材产量反映的是深加工能力。目前钛工业已形成中国、美国、独联体、日本和欧洲五大生产和消费主体。五大主体的排序各有先后, 2004年, 按照海绵钛产能大小的排序为: 美国、独联体、日本、中国和欧洲。按海绵钛生产技术和装备水平高低的排序为: 日本、美国、独联体、欧洲和中国。按钛材产能大小的排列为:美国、日本、独联体、欧洲和中国 ^[4,5,6,7] 。但从2007年开始, 中国海绵钛产量迅速提升, 跃居世界第一 (约4.5万 t) , 其次是日本 (约3.8万 t) , 俄罗斯 (约3.5万 t) , 哈萨克斯坦 (约2.5万 t) , 美国 (约2万 t) , 乌克兰 (约9 000 t) ; 而钛材的实际产量为: 美国 (约3.0万 t) 、俄罗斯 (约2.8万 t) 、中国 (约2.4万 t) 、日本 (约1.9万 t) 、欧洲 (约1.4万 t) ^[8,9,10,11] 。

2.2 钛的主要生产企业

钛的生产企业分为两种类型: 一类从海绵钛到加工材, 产品种类齐全的企业, 以美国和俄罗斯居多, 如美国的TIMET (钛金属公司) 、 ATI (国际金属公司) , 俄罗斯的VSMPO-AVISMA (上萨尔达) 等。另一类是, 只生产海绵钛、铸锭、加工材中单一产品的企业, 以日本、中国居多。日本方面, 则更侧重于海绵钛 (钛铸锭) 由专门的工厂生产, 利用钢铁企业生产钛成品。这样的产业结构, 降低了生产成本, 抵御风险能力强。缺点是, 钛生产设备调整时受钢铁产业策略影响, 难以确立钛产业自身发展的战略。世界主要钛生产企业及其产品种类见表1 ^[3] 。

2.3 钛产业的发展情况

2.3.1 中国

我国的钛工业有50多年的历史, 经历了创业期 (1954～1978年) 、成长期 (1979～2000年) 和崛起期 (2001年至今) 三个阶段。 20世纪50年代中期, 在北京开始了钛加工的研究工作; 60年代初期, 在沈阳开始了钛的半工业化生产; 60年代中期, 在遵义和宝鸡分别建成海绵钛和钛加工材生产厂, 标志着中国已成为世界钛工业国家的一员 ^[12] 。我国已形成了完整的钛工业体系, 生产能力和规模迅速提升。根据中国有色金属工业协会的统计 ^[13] , 截止到2008年底, 海绵钛的产能达7.1万 t, 同比增加10.9%; 钛锭的产能为6.9万 t, 同比增长43.3%。根据中国有色金属工业协会的预测 ^[14] , 到2010年我国钛材的产能、产量和消耗量将分别达到2万 t, 1.4万 t和1.6万 t, 并将进入世界前三名的排位。

主要企业有宝钛集团、宝钢特钢等, 先后通过了ISO9001, GJB, AS/EN质量体系等重要产品资质认证。宝钛集团还获得了波音、罗罗、空客、 Snecma、 Fortech、 Goodrich、庞巴迪等国际大公司的质量论证。标志着我国钛企业跨越了很高的技术门槛, 产品质量与管理水平向国际先进水平迈了一大步 ^[15] 。此外, 在建的还有黑龙江佳木斯钛产业园 (规划3万 t海绵钛生产能力) 、湖南湘投集团 (1万 t钛锭生产能力) 等企业。

2.3.2 美国

美国是世界上最大的钛生产和消费国, 主要有Timet、 RMI和ATI三个公司从事钛生产和加工, 产量约占钛加工材产量的90%, 另有11家公司生产钛锭, 30家公司生产钛锻件、轧制产品和铸件。 20世纪90年代, 美国引进日本的还蒸联合等技术生产海绵钛, 但质量仍不如日本。

Timet公司经过几年的努力兼并了欧洲的绝大部分钛加工材企业, 1998年与波音公司签定了10年20亿美元的供应合同, 开始加大航空钛材生产力度。 RMI主要从事航空级钛合金板材的生产和销售, 一直是波音公司的供应商。 1999年与欧洲空中客车签定了供货合同, 2001年开始为英国宇航系统公司供应钛材, 产品的应用领域包括航空航天、军工、能源和化工等。 ATI公司以钢铁和不锈钢的生产为主, 但它是美国第三大钛材生产商, 拥有多项航空、生物医学钛产品专利。公司于2006年投资2.25亿美元扩大钛生产能力, 主要提供航空发动机转动部件、飞机机架和其他需求旺盛的钛及钛合金产品 ^[16] 。

表1 世界主要钛生产企业及其产品种类

Table 1 Main enterprises for titanium production and their products

Country or region	Enterprise name	Titanium products
Country or region	Enterprise name	Sponge titanium	Casting ingot	Forged piece	Casting goods
USA	TIMET	●	●	●
	RTI		●	●
	ATI	●	●	●	●
CIS	VSMPO-AVISMA (Russia)	●	●	●
(Commonwealth of the	VILS (Russia)		●	●
independent states)	TMK (Kazahkstan)	●
	ZAPOROZHYE (Ukraine)	●
Japan	SUMITOMO	●	●
	TOHO	●	●
	KOBE steel		●	●
	SUMITOMO-Metal		●	●
	NIPPON steel			●
	DAIDO steel		●	●	●
China	BAOTI group		●	●	●
	Zunyi TITANIUM	●
	Fushun TITANIUM	●
	BAOSTEEL		●	●
Europe	TIMET UK (UK)		●	●	●
	DEUTSCHE TITAN GMBH (Germany)		●	●
	TITANIA S.P.A (Italy)			●
	VALTIMET (France)			●
	TIMET SAVOI (France)		●	●

2.3.3 独联体

独联体是世界上最大的钛生产基地和钛出口国家。冷战时期, 由于军备竞争的需要, 钛工业得到迅速发展, 加工材产量曾达到10万 t。冷战后, 军事工业用钛骤减, 钛工业陷入低谷, 海绵钛产量减少了60%, 钛加工材产量也随之下降。近年来, 随着国际钛市场的恢复和俄罗斯国家政局的逐渐稳定, 钛工业生产而得以恢复 ^[17] 。

VSMPO (上萨尔达冶金生产联合公司) 是俄罗斯唯一的钛加工材生产厂家, 以量大、生产成本低的特点影响着世界钛工业的生产。该公司的产品认证书多达120个, 其中包括来自主要的飞机制造商和它们的供货商。 2005年, VSMPO与Avisma完成合并重组, 按照新公司发展规划, 2010年前扩大海绵钛产量到44000 t, 出口量到35500 t。哈萨克斯坦UK-TMK是独联体最晚建成的海绵钛厂, 设备先进、技术优良, 出口航空用优质海绵钛。 2004年、 2005年和2006年的产量分别为13000, 17000和18000 t。乌克兰惟一的海绵钛生产厂投产于20世纪50年代中期的ZAPOROZHYE钛镁联合企业, 设计年生产能力为2万 t。由于缺乏铸锭和轧材的生产能力, 对外部市场依赖度大 ^[18] 。

2.3.4 日本

日本具有世界一流的海绵钛生产技术, 其氯耗、镁耗、电耗等指标均处于世界领先水平, 能生产99.999%的高纯海绵钛, 年产能力达50 t ^[19] 。 20世纪50年代初期, 海绵钛主要出口供美国军用; 70年代, 钛材开发采取引进、仿制的模式; 80年代, 材料发展强调创新, 开发出许多新型耐蚀、耐高温合金。近年来, 主要以低成本钛合金和特殊钛合金为发展方向 ^[20] 。

从事海绵钛生产的主要有住友 (SUMITOMO) 钛、东邦 (TOHO) 钛两家公司, 其中又以生产高品质海绵钛为主, 出口提供波音、空中客车生产飞机零部件。随着应用市场的蓬勃发展, 两大公司持续扩张产能, 到2010年, 住友钛计划扩增产能至34000 t, 东邦钛至28000 t ^[21] 。日本海绵钛的产量大大超过加工材, 其中有一半左右用于出口, 成为世界海绵钛供应基地。钛加工材生产企业主要有神户制钢 (KOBE Steel) 、住友金属 (SUMITOMO-Metal) 、新日铁 (NIPPON Steel) 等11家企业。

2.3.5 欧洲

目前西欧的钛加工企业为数不多, 英国的IMI公司、法国的SAVOI公司都被美国的Timet兼并、联合, 只有德国 DTG公司和意大利 Titania公司还独立生存, 其规模和产量已经不大。

3 钛的应用

钛具有十分优异的性能, 因而得到了广泛应用。其应用领域主要有: 航空航天、舰船制造、化工石化、交通运输、兵器、海洋、电力、建筑、冶金、医疗、运动器械、生活用品和轻工业等。美国和俄罗斯的大部分钛加工材是应用在航空航天领域, 约占80%左右, 与之相反的是, 日本和中国则是将80%应用于化工、一般民用工业及民生用品领域 ^[22] 。从世界用钛的需求来看, 2005年的结构比例是: 宇航占35%, 军用占12%, 工业占38%, 民用和其他占15%。

3.1 钛在航空航天上的应用

3.1.1 航空工业

航空工业是研制和应用钛及钛合金最早的部门, 飞机和发动机如果没有钛, 实际上就不可能制造出Ma2.7的超音速飞机。 20世纪60年代以后, 钛合金在发动机上的用量逐渐增加, 主要用于风扇叶片、压气机叶片、盘、轴和机匣。钛合金在飞机结构中主要用于骨架、蒙皮、机身隔框、起落架、防火壁、机翼、尾翼、纵梁、舱盖、倍加器、龙骨、速动制动闸、停机装置、紧固件、前机轮、拱形架、襟翼滑轨、复板、路标灯和信号板等。

多年来, 为了满足高性能航空发动机的需求, 各国十分重视高温钛合金的研发, 先后研制出了在350～600 ℃使用的高温钛合金 ^[23,24,25] 。如, 欧美有Ti64, Ti6242, Ti811, Ti1100, IMI679, IMI685, IMI829, IMI834等, 俄罗斯有BT6, BT3-1, BT8, BT9, BT18 (BT18y) , BT25 (BT25y) , BT8M, BT8-1, BT8M-1, BT36等, 中国有TC7, TC11, ZTC3, Ti-53311S, Ti-55, Ti-60, Ti-600等。 20世纪80年代以后, 欧美设计的各种先进军用战斗机和轰炸机中钛合金用量已经稳定在20%以上。美国F-14, F-15, F-18, F-117, B-1, B-2, F-22军用飞机的用钛比例分别为24%, 27%, 13%, 25%, 22%, 26%, 42%, 其中1架F-15军机用钛达30 t (最终制品约5 t) ^[26,27] 。 60年代中期美国研制成功的YF-12A/SR-71侦察机, 用钛量达95%, 可以称为“全钛飞机”。

以波音和空客为代表的民用客机和大型运输机中, 也大量使用了钛合金。一架波音747, 767, 777, 777ER, 787飞机用钛量分别是45, 50, 59, 68, 91 t。这些数字很好地诠释了钛作为“太空金属”的含义 ^[28] 。波音777是波音飞机的典型代表, 于90年代研制成功, 广泛采用了80年代中期以来开发的新材料, 其中共用了5种钛合金: Ti1023, Ti64ELI, Ti-15-3, B21S和Ti-6242。钛合金用量占飞机总重的9%。 A380是空中客车公司设计生产的世界最大的客机, 于2005年10月29日在德国法兰克福顺利完成全球首次机场兼容性认证测试。 A380在设计时便考虑到与目前机场设施的兼容性, 其起飞与降落距离均短于目前世界主要巨型客机。该机用钛量约为60 t, 占总重量的10%。图1是波音777和A380客机钛材使用部位示意图 ^[29,30] 。

中国政府于2007 年3月做出大飞机项目立项的决定, 并于2008年5月11日在上海成立了中国商用飞机有限公司。整个项目将投入500～600亿元, 主要用于大型运输机、大型客机和发动机的研制和生产。大飞机确定的国产化率目标是30%, 目标市场是立足国内, 面向国际, 在竞争力上全面超越目前市场上的主流机型空客A320和波音B737。

根据国际大型飞机的用钛情况, 有专家预测新飞机用钛量应在10%～15%左右。

3.1.2 航天工业

钛在航天工业中应用也做到了减轻发射重量、增加射程、节省费用, 是航天工业的热门材料。在火箭、导弹和航天工业中可用作压力容器、燃料贮箱、火箭发动机壳体、火箭喷嘴套管、人造卫星外壳、载人宇宙飞船船舱 (蒙皮及结构骨架) 、起落架、登月舱、推进系统等。航天用钛除了工业纯钛、 Ti64 (ELI) 、 Ti-5Al-2.5Sn (ELI) 外, 还使用了Ti-7Al-4Mo, Ti-3Al-2.5V, Ti-13V-11Cr-3Al, Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al及Ti/B-Al复合材料 ^[31] 。成功的应用实例有: (1) 贮存压缩气体的压力容器。 “徘徊者”卫星和助推器共用了14个钛容器, 共减轻重量272 kg。 (2) 贮存液体推进剂的压力容器。 “阿波罗”飞船上使用了50个左右的压力容器, 有85%是钛制的。大力神Ⅲ过渡级发动机, 改用钛合金推进剂贮箱后重量减轻35%。 (3) 固体燃料火箭发动机壳体。 “民兵”洲际导弹第二级火箭发动机采用了Ti64合金重量减轻30%～40%。 (4) 液体燃料火箭发动机壳体。 “阿波罗”登月舱下降发动机燃烧室的承压壳是由Ti64合金制成。 (5) 钛合金还广泛用于各种结构件。 “水星”号宇宙飞船的压力舱主要为钛材, 占座舱重量的80%。 “双子星座”号宇宙飞船所用钛合金牌号有7种, 使用钛件570 kg, 占结构重量的84%。 “阿波罗”号宇宙飞船的托架、夹具和紧固件均用钛制成, 共使用68 t钛材 ^[32] 。

图1 波音777和A380客机钛材使用部位示意图

Fig.1 Application of titanium alloys in Boeing 777 and A380 Airbus

3.2 钛在舰船制造上的应用

钛及钛合金广泛应用于核潜艇、深潜器、原子能破冰船、水翼船、气垫船、扫雷艇, 以及螺旋桨推进器、鞭状天线、海水管路、冷凝器、热交换器、声学装置、消防设备上, 主要合金有工业纯钛、 Ti64, Ti64ELI, Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo, Ti-3Al-2.5V, ПT-3B, ПT-7M等。

3.2.1 核潜艇

俄罗斯在建造钛合金核潜艇研究和制造技术上, 处于国际领先地位, 也是用钛合金最先建造耐压壳体的国家。高峰时期, 潜艇用钛合金厚板和管材的年产量曾达万吨, 占钛合金加工材年产量的30%～50%。从20世纪60年代起, 俄罗斯研制的核潜艇已有4代, 世界第一艘K162号全钛核潜艇于1968年12月下水, 己运行了30多年, 到过各大洋和海域, 经受了不同载荷和环境考核, 从未出现过任何事故。俄罗斯于1970年建造第一艘“ALFA” 级核潜艇, 70～80年代又相继造了6艘, 每艘用钛约3000 t ^[33] , 最大下潜深度914 m, 即轻又快, 机动性能良好。钛在船舶上使用的典型例子是俄罗斯台风级核潜艇 (图2) , 它拥有钛金属制造的外壳, 因军事需要, 采用双壳结构, 其双层外壳共用钛9000 t, 使其具有了无磁性、下潜深、航速快、噪音小、维修次数少等优点。艇长172.8 m, 最大宽度23.3 m, 高度42.7 m, 水上排水量23200 t, 下潜排水量33800 t, 潜行速度为每小时50 km, 最大下潜深度500 m, 持续潜航时间达到120 d。该艇于1977年开工建造, 1981年服役, 在俄罗斯军事防御工程中具有举足轻重的地位。

图2 台风级核潜艇

Fig.2 Typhoon class nuclear submarine

3.2.2 全钛船

1985年, 日本东邦钛公司与藤新造船所共同建造了“摩利支天II号”全钛制快艇, 一段时间内在美国很畅销。 1997年, 日生工业公司制造的“泰坦快速号”快艇下水就航, 船长约12 m, 船体形状是漂亮的三次元曲线, 可最大减少航行阻力。江藤造船所分别于1998年和1999年制造了“第二朝日丸”和“昭丸”号两艘全钛船, 优点是质量轻、速度快、发动机小、燃料费用少、二氧化碳排量少、不需要表面涂层、附着物易清理等, 缺点是材料成本高、加工制造技术难度大、保护要求严。试船的结果显示船速稳定性振动和噪声等性能都很好。

3.2.3 深潜器、救援艇, 及其他舰船

美国、日本、法国先后都建造深潜器, 采用钛和钛合金制造耐压壳体。其中, Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo合金用于制造美国Aivin号、 Sea-Cliff号深潜器的壳体; Ti-6Al-4V ELI合金用于法国SM97号、美国Aivin号的浮力球、日本“深海2000”号、美国海军深海救援艇 (DSRV) 的壳体、浮力球等 ^[34] 。

其他应用还有: 俄罗斯原子动力破冰船上使用的钛制蒸汽发动机、热交换器, 比不锈钢制品的使用寿命延长数十倍。钛合金声纳导流罩应用于库尔斯克号核潜艇、 “明斯克”航母、 “基辅”号航母, 以及我国购置的K877艇、 K636艇、 956舰上。各种舰船上钛合金螺旋桨的使用寿命超过铜合金桨的5倍以上。钛合金制各种泵、阀、管的使用寿命远远大于铜或不锈钢制品 ^[35] 。

3.3 钛在化学工业上的应用

钛材在化学和石化工业中应用, 有电解槽 (电极) 、反应器、浓缩器、分离器、热交换器、冷却器、吸收塔、连接配管、配件 (法兰盘、螺栓、螺母) 垫圈、泵、阀等。化学工业用钛量最大行业是氯碱制造, 占总用钛量的50%, 从其次是纯碱占20%, 塑料占17%, 有机化工占10%, 无机化工占3%。在用钛的各种化工设备中换热器最多, 占钛材用量的52%, 其次为阳极占24%、容器、管和泵阀占19%, 其他占有5%。下面以热交换器、钛金属阳极、湿氯气冷却器为例, 说明钛制设备的优点 ^[32] 。

热交换器: 传热效率高, 重量轻, 使用周期长, 结疤速度慢, 清洗时间短, 寿命长, 可使用25年。钛阳极: 使用寿命延长20倍以上, 生产能力增加1倍, 提高烧碱质量和氯气纯度, 可以节电15%, 节汽5%, 减少维修工作量和改善劳动条件。湿氯气冷却器: 钛在高温湿氯气的环境下极耐腐蚀, 腐蚀率为0.0025 mm·a^-1。使用钛冷却器, 能缩短冷却和干燥工艺过程, 降低氯气损失, 减少环境污染, 并为压缩气体稳定操作和达到高度干燥创造了条件。

湖南省湘澧盐矿将钛材应用于罐体、换热器、蒸发器、管道、泵、叶轮等方面, 实现了“三个降低、三个提高”, 即单位产品能耗下降79%, 设备维修费用减少90%, 维修时间减少75%; 产品的质量、产量和企业效益大幅度提高 ^[32] 。

3.4 钛在运输车辆上的应用

3.4.1 汽车

钛在汽车上应用很广泛 (图3) , 主要有: 连杆、曲轴、挡圈、气门、进气阀、排气阀、制动压力管道密封圈、轮圈螺杆、转向齿条和小齿轮、弹簧、消音器、排气装置、车轮的衬套及轴承、各种半轴、紧固件等。汽车产品采用钛合金制造零部件的最突出的优点是: 减轻质量、延长使用寿命、提高可靠性、节省燃油、不含铅钴等有害金属、耐腐蚀、抗高温能力大大提高 ^[36,37] 。

钛在汽车上的应用始于20世纪50年代, 即钛工业刚刚诞生不久。 1956年, 美国通用汽车公司装配了展览用“火鸟Ⅱ号”全钛车身, 从此拉开了汽车用钛的序幕。日本从60年代开始在日产汽车R382使用钛部件。 1992年, 在第29届国际汽车展览会 (东京) 上展出了日本制造的钛制车身和发动机。 1996年, 根据美国Timet公司开发的钛汽车排气系统, 克莱斯勒和通用公司制造出了钛排气系统样机。近年来, 随着汽车节能与环保标准的提高, 钛在汽车上的应用逐渐成为材料界与汽车界共同关注的话题, 这也是近年来钛的应用增长最快的领域 ^[38] 。

图3 钛合金在汽车上的应用示意图

Fig.3 Application of titanium alloys in cars

近年来, 美国、欧洲、日本都已制定了未来汽车的发展规划。美国自1993年开始制定并实施“PNGV (Partnership for a New Generation of Vehicles) 计划”, 美国众多名牌大学、科研机构乃至用于军事、航天的若干实验部门汇同美国的三大汽车公司 (克莱勒斯、福特、通用) 结成联盟, 大力加强新一代汽车的研究。计划对未来汽车在燃料利用率、承载能力、维修性和再利用性等方面提出了新的要求, 明确提出了在未来20年内, 家用汽车要减重40%的减重目标 ^[39] 。类似的计划还有欧洲的“明日汽车计划”、日本的“高效清洁能源汽车开发计划”, 中国政府也有相应的汽车行业振兴规划。毫无疑问, 钛将作为实现新型汽车计划最重要的候选材料走入人们的视野。

3.4.2 摩托车

钛在摩托车上主要用于排气管、消音器、套筒、悬挂弹簧、链轮、传动链条及螺钉等。日本本田公司的摩托车用钛零件研究始于1955年赛车发动机使用的Ti-4Al-4Mn吸排气阀。 1962年对RC112赛车用钛制连杆、阀弹簧护筒、挺杆、凸轮传动件等进行了已经, 但一部分没有达到实用。 1987年Ti-6Al-4V发动机连杆最先用于VFR750R型普通二轮摩托车上。 1997年钛制消音器首次出现在售后服务市场上, 此后各种钛制零部件就被广泛的应用到摩托车上 ^[40] , 见图4。普通摩托车车体部件的排气管和消音器是车体的大型构件, 材料使用量多, 与发动机零件相比, 更要求低成本化。据《中国有色金属报》报道, 2008年, 美国推出一款名为Ecosse的摩托车, 是世界首台采用全钛车架的摩托车, 车身仅重440磅。这辆豪华摩托车的售价为27.5万美元。

3.4.3 自行车

钛最早于80年代中期开始在自行车上应用, 车架主要由工业纯钛、 Ti-6Al-4V、 Ti-3Al-2.5V合金管材加工而成。美国Litespeed公司生产钛车架平均重量为1.5 kg。意大利Campagnolo公司利用钛及钛合金制造竞赛用自行车的多种零部件, 包括: 封装变速机用销、左旋螺母、无销曲柄轴、前后轮毂轴、左右脚蹬轴等。图5是日本Panasonic公司生产的钛自行车。近年来, 钛自行车在我国取得了很快的发展。 2004年“捷安特杯”全国自行车BMX冠军赛上所使用的钛合金自行车, 可以承受从几米高的地方摔下的冲力。我国是一个自行车的王国, 年产量为5000万辆。随着钛技术的进步和钛材成本的降低, 钛在自行车上的应用将有广阔的市场。

3.5 钛在建筑上的应用

3.5.1 建筑装饰

建筑用钛有近40年的历史, 在几百例建筑中得以应用。目前, 日本、美国、中国、英国、苏格兰、法国、德国、西班牙、荷兰、比利时、瑞士、瑞典、加拿大、秘鲁、新加坡和埃及等均有建筑物使用了钛。钛作为装饰材料主要有以下几个特点: (1) 轻量、强度好且不易生锈; (2) 可根据需要调整和控制色彩; (3) 与其他材料极易相配, 重点使用可提高附加值 ^[41] 。

日本于1973年建筑了世界首例钛屋顶 (Hayasuihime神庙) , 其后在日本真光明教堂神殿屋顶上用钛量达90～120 t ^[42] 。 1986-2003年, 在583个项目上用钛总量为2163 t (其中298项为屋顶, 用钛1413.6 t; 127项为幕墙, 用钛627.8 t) ^[43] 。目前, 日本国内建材用钛每年约200 t左右。新日铁公司以其卓越的冷轧、表面处理技术为基础, 生产质量高、设计别具匠心的钛建材。

美国Timet为了推动钛在建筑领域应用的进程, 不仅能提供各种各样的产品, 而且还提出了100年的质量保证。 Timet于1997年10月为西班牙毕尔巴鄂·古根海姆 (Bilbao Guggenheim) 博物馆的外壁提供外装饰钛板80 t, 成为欧美建筑用钛的先驱。法国阿布扎比机场屋顶选用了钛, 结构用钛量将达800 t, 该机场是世界上第一个机场用钛作为建筑物结构材料的应用范例。纽约Conde Nasta公司大楼的咖啡馆的内装也使用了5 t左右的钛材。

中国的杭州大剧院坐落在钱江新城南端, 总占地面积10万 m², 后屋盖金属幕墙采用了钛金属板, 使用工业纯钛板6000余块, 重160 t, 成为国内第一家大型建筑用钛最多的工程。国家大剧院总建筑面积21.75万 m², 中心建筑为独特的壳体造型, 壳体表面由18398块钛金属板和1226块超白玻璃巧妙拼接而成 (图6) 。钛包层总面积为36000 m², 使用钛材60 t。这两个工程的建成大大推动了钛在我国建筑业的应用 ^[32] 。

3.5.2 海洋建筑

海洋建筑面临的主要问题是海水腐蚀, 钛材由于具有优越的耐腐蚀性能成为海洋建筑的首选材料, 日本在海洋用钛方面成绩显著。东京湾横跨道路桥的12座桥桩采用了钛包覆钢板, 是最早利用钛进行防腐蚀处理的应用实例, 用钛量达80 t。该工程于1993年完工, 13年后的2006年对桥桩的腐蚀情况进行了检查, 发现和竣工时几乎没有变化, 充分说明了钛在海洋建筑中防腐效果非常优异, 见图7 ^[3] 。钛在海洋建筑中的使用实例还有: 日本梦舞大桥浮桥、神户机场联络桥、广岛高速公路猿猴川桥梁等, 用钛量分别为36, 30, 22 t。

3.6 钛在其他方面的应用

如今, 钛已被广泛应用于生活的方方面面, 并将在很大程度上改变我们的生活 ^{[44,45,46,47,48,49]} 。

图6 中国国家大剧院

Fig.6 China National Grand Theatre

兵器工业中, 钛被应用于: 坦克、战车、导弹、大小炮体、机枪、喷火器、头盔、防弹衣、防爆手套等。

冶金工业中, 钛被应用于: 耐腐蚀容器、电解槽、反应器、浓缩器、分离器、热交换器、冷却器、各种泵和阀、涡轮叶片、连接配管、配件等。

海洋工程中, 钛被用于: 海水淡化、海洋石油钻探、海洋热能转换电站。

运动器械方面, 钛被用于: 高尔夫球杆、球头、网球拍、击剑保护面罩、宝剑、短跑鞋钉、登山工具、滑雪板、滑雪鞋、滑雪杖、冰刀、潜水衣、钓具、帐篷杆等。

生活用品方面, 钛被用于: 眼镜架、手表、电脑、照相机、游戏机、手机、天线、乐器、厨房用具、工艺品等。

医疗器械方面, 钛被用于: 头颅骨、心脏盒、起搏器、人工关节、牙弓丝、血管支架、假肢、骨髓针、医疗工具、光催化剂等。

4 研究方向和产业建议

世界钛工业的发展虽然只经过了60多年, 却取得了巨大的成就, 为使钛及钛合金获得更快的发展, 在更广阔的领域得到应用, 提出如下研究方向和建议 ^[3,50,51] 。

4.1 提高钛在不同用途上特性

钛具有其他金属无法比拟显著特点, 也具备必要的加工性能。如果能通过一些方法, 将钛的性能再提高, 将大大扩大其用途。主要方法有: (1) 对钛合金来说, 可以通过调整其成分、加工方法、热处理工艺等条件, 以达到所要求的性能。 (2) 利用TiAl金属间化合物, 可以达到重量更轻、耐热更高、高温强度更高的目的, 从而使其在汽车增压器、飞机发动机上得到应用。 (3) 研究粒子分散钛合金和纤维强化钛合金。粒子分散钛合金就是将钛合金及金属间化合物基体中的TiC, TiB₂等的陶瓷粒子进行分散, 制成强度、耐热性高的粉末冶金材料。纤维强化钛合金是将钛合金中的B4C和SiC等陶瓷纤维进行复合定向提高他们的高温强度和疲劳强度, 以满足特殊的需要。

图7 东京湾横跨道路桥桩 (a) 和钛包覆钢管桩 (b)

Fig.7 Application of titanium alloys in ocean buildings

4.2 有效降低钛的生产成本

钛合金难以在更广阔的领域得到应用的原因之一是成本高, 为降低成本, 可以从海绵钛生产、材料设计及加工过程等三个环节来研究和设计。

(1) 海绵钛生产环节。一是, 研究新的冶炼方法, 提高冶炼过程的热效率, 节约能源。二是, 熔炼过程中, 可使用含杂质多的低级海绵钛和废弃料, 降低原材料成本。三是, 使用先进的设备, 如电子束冷床炉和等离子冷床炉进行熔炼。 (2) 材料设计环节。一是, 使用廉价的原材料 (合金元素) 或中间合金来设计合金。二是, 钛以外的材料以及高熔点金属、氮化物、氧化物等绝对不允许混入其中。三是, 设计有利于改善加工性能的合金体系, 节省加工成本。 (3) 材料加工环节。一是, 研究高效、短流程的加工技术, 如连铸连轧、直接轧制、钛带连续加工等。二是, 研究提高材料利用率的净成型技术, 如粉末冶金、超塑成型、激光成型、喷射成型等。三是, 研究有利于节省能源和资源的加工技术。