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鈦及鈦合金新工藝、新技術、新用途及發(fā)展現(xiàn)狀與競爭格局
1、鈦及鈦合金性質(zhì)簡介
1.1 鈦簡介：
鈦是一種新型材料，具有密度小、比強度高、耐熱和抗腐蝕等優(yōu)點。它的重量僅有鐵的一半，但是其力學性能例如錘擊、拉延等卻和銅不分上下。一般來講隨著溫度的降低，金屬的抗擊打性能會下降，但是鈦卻恰恰相反，溫度越低，鈦會變得越來越堅硬，并且在達到臨界溫度時會出現(xiàn)超導的現(xiàn)象。
1.2 鈦合金簡介：
鈦合金和鈦在某種程度上性質(zhì)類似，具有密度小強度高的特點，此外其機械性能十分優(yōu)異，抗腐蝕能力較強。而且其熱強度高，明顯優(yōu)于鋁合金，同時在低溫和超低溫下其力學性能變化不大。
2、鈦的新工藝、新技術及新用途
2.1 鈦的制備方法
雖然鈦在自然界中含量相對豐富，但是因為其存在分散，且難以提取，所以鈦也是一種稀有金屬。目前來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。根據(jù)鈦化合物的不同，可將熱還原法制備鈦的技術分為三大類 ：
①鈦的氯化物的氧化還原法，如Kroll法、Hunter法、Armstrong法和EMR法等 ;
②鈦的氧化物的氧化還原法，如OS法、PRP工藝、MHR法等 ;
③鈦酸鹽的氧化還原法。
目前只有Kroll法和Hunter法能夠成功應用在工業(yè)生產(chǎn)中。Kroll法是利用金屬鎂將氯化物中的鈦置換出來，Hunter法是利用金屬鈉將氯化物中的鈦置換出來。此外，美國芝加哥國際鈦粉公司開發(fā)的Armstrong法，其制備方法類似于Hunter法，也是利用還原劑鈉對金屬鈦進行提純。美國已經(jīng)開始利用這一方法進行工廠里面的預生產(chǎn)。
(2)熔鹽電解法制備鈦
1959年，Kroll預言在未來5-10年內(nèi)熔鹽電解將會取代Kroll法成為生產(chǎn)鈦的主流方法。多年來國內(nèi)外的科研機構和實驗室總共開發(fā)了十幾種熔鹽電解法制備鈦的新技術，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40年代以來，鈦的用途發(fā)展很快，被廣泛應用于飛機、火箭、導彈、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，鈦元素會刺激吞噬細胞，可以加強免疫作用，因此不少實驗室正致力于生物鈦的開發(fā)和應用。
3、鈦合金的新工藝、新技術及新用途
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，最新的加工技術分為以下幾種：
(1)近凈成型技術 ;
(2)線摩擦焊接技術 ;
(3)超塑性成型技術 ;
(4)材料制備及加工過程的計算機模擬技術。
近凈成型技術包括激光成型、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，從而制造鈦零部件的新工藝。首先是生產(chǎn)粉末，一般采用機械合金化的方法，利用球磨機對原料進行強烈的撞擊、研磨和攪拌。然后對已經(jīng)形成粉末的合金進行壓制成型，有兩種壓制方法，分別是加壓成型和無壓成型。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度。然后在對制成的胚料進行放電等離子燒結，利用上、下模沖及通電電極將特定燒結電源和壓制壓力施加于燒結粉末，經(jīng)放電活化、熱塑變形和冷卻完成制取高性能鈦材料。然后對經(jīng)過等離子燒結的鈦合金進行后續(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
鈦合金早期廣泛應用于航空航天領域，主要用在制作飛機發(fā)動機或者氣壓部件。后來隨著技術的不斷深入發(fā)展，鈦合金已經(jīng)進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)在個國家和機構都在爭相研制新的鈦合金，使其具有低成本高性能的特點，近些年鈦合金的新發(fā)展主要集中在以下五個方面。
(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)學領域中應用的鈦合金含有釩和鋁，會對人體造成危害。但是在近期，日本學者已經(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，此類優(yōu)質(zhì)合金能夠廣泛的應用于日常生活中。
(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，俄羅斯和中國都相繼研發(fā)出了新的阻然鈦合金，其中美國將這些阻然鈦合金應用在發(fā)動機上，因為這些鈦合金對燃燒不敏感，所以可以大大提高發(fā)動機的穩(wěn)定性。
(3)高強高韌β型
β型鈦合金具有強度高，焊接性好，冷熱加工性能優(yōu)良的特點。研究人員利用這一規(guī)律，制備出的β型鈦合金的特點十分明顯 ：靈熱加工性能良好，塑性好，焊接性能好。且通過固溶——時效處理之后其機械性能有較大提高。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)異的特點注定了鈦鋁化合物會掀起新的合金熱潮。目前美國已經(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合，利用纖維或顆粒增強的復合材料制備出來的鈦合金具有優(yōu)異的高溫力學特征。高溫鈦合金的使用溫度極限遠遠高于普通鈦合金。目前美國已經(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原來的面貌。這種合金可用于儀器儀表、電子裝置等各種領域。
4、中國目前鈦合金材料發(fā)展現(xiàn)狀及競爭格局
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，我國頻頻發(fā)布政策鼓勵鈦合金材料的研發(fā)、生產(chǎn)及應用。在全球市場中，鈦合金材料主要應用于航空工業(yè)、國防軍工以及其他工業(yè)。其中，在航空工業(yè)的應用需求最大，約占50%，主要是用于飛機和發(fā)動機的制造。在我國鈦材的需求結構中，鈦加工材料主要應用于化工領域，而國內(nèi)航空航天用鈦材的比例僅為20%，說明我國航空用鈦材市場還存在較大潛力。目前，在高端鈦合金領域，我國能夠批量生產(chǎn)軍用航空鈦合金棒絲材的企業(yè)較少，呈“雙寡頭”的競爭格局。
1、政策鼓勵鈦合金材料的發(fā)展
鈦合金指的是多種用鈦與其他金屬制成的合金金屬。世界上許多國家都認識到鈦合金材料的重要性，相繼對其進行研究開發(fā)，并得到了實際應用。近年來，我國也頻頻發(fā)布政策鼓勵鈦合金材料的研發(fā)、生產(chǎn)及應用。2019年，據(jù)《產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整指導目錄(2019征求意見稿)》披露的信息顯示，將高性能超細、超粗、復合結構硬質(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)結構調(diào)整鼓勵類項目。
2、鈦合金材料主要應用于航天、軍工領域
在全球市場中，鈦合金材料主要應用于航空工業(yè)、國防軍工以及其他工業(yè)。其中，在航空工業(yè)的應用需求最大，約占50%，主要是用于飛機和發(fā)動機的制造。
在我國鈦材的需求結構中，鈦加工材料主要應用于化工領域，與全球相比最主要的差別在航空領域，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，而國內(nèi)航空航天用鈦材的比例僅為20%，說明我國航空用鈦材市場還存在較大潛力。
3、國內(nèi)高端鈦合金市場呈“雙寡頭”競爭格局
在國內(nèi)鈦合金市場中，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、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，中國航空航天用鈦材銷量的年復合增長率為16%，同時考慮到國內(nèi)目前航空航天用鈦材占比遠低于全球范圍內(nèi)航空航天用鈦材占鈦材總需求的50%的比例，假設未來幾年年的復合增長率保持不變，至2025年，我國航空工業(yè)鈦材需求量將達2.5萬噸。
5、結語
鈦擁有許多金屬無法比擬的優(yōu)點，隨著社會的進步、科技的發(fā)展，鈦及鈦合金的應用將更加廣泛，人類對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用。
