鈦及鈦合金在航空航天，石油化工，船舶、海洋工程，生物醫(yī)療，體育器械，生活，建筑，汽車的應(yīng)用
分類：行業(yè)資訊 發(fā)布時間：2023-02-05 瀏覽量：1308
鈦金屬和鈦合金應(yīng)用
鈦是20世紀50年代發(fā)展起來的一種重要的結(jié)構(gòu)金屬，鈦合金具有密度低、比強度高、耐蝕性好、導(dǎo)熱率低、無毒無磁、可焊接、生物相容性好、表面可裝飾性強等特性，廣泛應(yīng)用于航空、航天、化工、石油、電力、醫(yī)療、建筑、體育用品等領(lǐng)域。世界上許多國家都已經(jīng)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(yīng)用。
鈦和鈦合金的應(yīng)用領(lǐng)域
2011年，全球商業(yè)航空的消費比例達到46%，軍用鈦材比例為9%(主要為軍用航空)，整個航空領(lǐng)域消耗鈦材比例超50%；工業(yè)消耗鈦材比例為43%，新興市場消費鈦材比例為2%。
鈦制品需求結(jié)構(gòu)在地區(qū)上存在明顯差異。在擁有發(fā)達的航空航天和軍工國防工業(yè)的北美和歐盟地區(qū)，尤其是美國，大約50%以上的鈦制品需求來自于航空航天和軍工國防領(lǐng)域。而在日本，來自化工等行業(yè)的工業(yè)用鈦占據(jù)了需求的主導(dǎo)地位。據(jù)日本鈦協(xié)會統(tǒng)計，航空航天只占到日本鈦需求的2%-3%。與日本的情況頗為類似，我國鈦制品需求大部分來自化工和能源領(lǐng)域，航空航天只占到10%。雖說中國已成為全球最大的鈦金屬生產(chǎn)國和消費國之一，不過大部分生產(chǎn)一直局限于等級較低的鈦，用于自行車架、高爾夫球桿或化工行業(yè)使用的防腐管材。 但是近年來航空航天用鈦量在亞洲地區(qū)出現(xiàn)明顯增長，可見，鈦市場的前景比較光明。
全球鈦消費結(jié)構(gòu)中國鈦消費結(jié)構(gòu)
1.航空航天領(lǐng)域
航空航天領(lǐng)域用鈦大國集中在西方國家，尤其是美國，60%的鈦材都應(yīng)用到這個領(lǐng)域。亞洲國家，日本和中國在此領(lǐng)域中鈦的投入量均在10%左右。但是近年來隨著亞洲航空航天的飛速發(fā)展，鈦在航空航天領(lǐng)域的消費量將會隨之增長。從全球角度來看，航空業(yè)對鈦市場起著決定性的作用，從歷史上看，鈦行業(yè)大的周期輪回都和航空業(yè)的冷暖密切相關(guān)。
2011年，全球鈦材產(chǎn)量達到14.8萬噸，其中商用航空用鈦材約6.4萬噸，未來全球經(jīng)濟增長對航空運輸?shù)男枨罅恳廊痪薮?，預(yù)計未來20年新增飛機需求約在3萬架左右，同時，新型飛機對鈦的需求量高于老式飛機，預(yù)計20年內(nèi)商用飛機對鈦材的平均需求量將達到40噸/架；據(jù)此推算，未來20年全球商用航空領(lǐng)域新增鈦材需求約120萬噸，年復(fù)合增長率約17%，平均每年新增6萬噸鈦材需求，民用航空用鈦材領(lǐng)域?qū)⒊尸F(xiàn)快速增長。軍用航空領(lǐng)域也將出現(xiàn)新的機會；由于全球地緣政治形勢緊張，全球各國軍費開支增加，軍用航空領(lǐng)域也有望出現(xiàn)新的需求。
2.民用客機
鈦合金在飛機的主要用途如下：
(1)減輕結(jié)構(gòu)重量、提高結(jié)構(gòu)效率：先進的戰(zhàn)技性能(如超音速飛機)要求飛機具有比較低的結(jié)構(gòu)重量系數(shù)(即：機體結(jié)構(gòu)重量/飛機正常起飛重量)，而鈦合金具有強度接近中強鋼但密度小的特點，代替結(jié)構(gòu)鋼和高溫合金，能大幅度減輕結(jié)構(gòu)重量，同時也能節(jié)省費用；以發(fā)動機為例，有統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，飛機發(fā)動機的質(zhì)量每降低一公斤，使用費用可降低約220-440美元。
(2)符合高溫部位的使用要求：鈦合金具有耐熱性好的特點，如常用的Ti-6Al-4V能在350℃下長期工作，因此在飛機的高溫部位(如后機身等)可取代因高溫使用性能不能滿足要求的鋁合金；TC11能在500℃下長期工作，在發(fā)動機的壓氣機部位可取代高溫合金和不銹鋼。
(3)符合與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)相匹配的要求：為減輕結(jié)構(gòu)重量和滿足隱身要求，先進飛機大量使用復(fù)合材料，鈦合金與復(fù)合材料的強度、剛度匹配較好，能獲得很好的減重效果。同時，由于二者電位比較接近，不易產(chǎn)生電偶腐蝕，因此相應(yīng)部位的結(jié)構(gòu)件和緊固件宜采用鈦合金。
(4)符合高抗蝕性和長壽命的要求：鈦合金具有較高的疲勞壽命和優(yōu)良的耐腐蝕性能，可以提高結(jié)構(gòu)的抗腐蝕能力和壽命，滿足先進飛機、發(fā)動機高可靠性和長壽命的要求。
3.軍事飛機
軍用武器的開發(fā)與采購不斷向著輕便、靈活方向發(fā)展，為了滿足戰(zhàn)斗機對戰(zhàn)斗性能要求，除了采用先進的設(shè)計技術(shù)外，還必須采用額性能優(yōu)良的材料以及先進的工藝制造技術(shù)。大量選用鈦合金、提高先進鈦合金應(yīng)用水平就是重要措施之一。自20世紀60年代以來，國外軍用飛機的鈦量逐年增加，當前歐美設(shè)計的各種先進軍用戰(zhàn)斗機和轟炸機中鈦合金用量已經(jīng)穩(wěn)定在20%以上，并且新機型的用鈦量占比正在大幅提升。
4.汽車行業(yè)
降低燃油消耗、減少有害廢棄物（CO2、NOX 等）排放已經(jīng)成為汽車行業(yè)技術(shù)進步的主要動力和方向之一。研究表明，輕量化是實現(xiàn)節(jié)省燃料、減少污染的有效措施。汽車的質(zhì)量每降低10%，燃料消耗可節(jié)省8%-10%，廢氣排放可減少10%。在駕駛方面，汽車輕量化后加速性能提高，車輛控制穩(wěn)定性、噪音、振動方面也都有改善。從碰撞安全性考慮，汽車輕量化后，碰撞時慣性小，制動距離減少。
汽車輕量化的首選途徑就是用高比強度的輕質(zhì)材料，如鋁、鎂、鈦等替代傳統(tǒng)的汽車材料（鋼鐵）。2009年全球汽車用鈦量已達3000噸。鈦在賽車上的應(yīng)用已有許多年的歷史目前賽車幾乎都使用了鈦材，日本汽車用鈦已超過600噸，隨著全球汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車用鈦還在快速增加。
汽車使用鈦的優(yōu)點有：減輕重量，降低燃料消耗；改善動力傳輸效果，降低噪音；減少振動，減輕部件載荷；提高車的持久性及環(huán)境保護。
5.醫(yī)療行業(yè)
鈦制骨釘鈦在醫(yī)療領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。鈦與人體骨骼接近，對人體組織具有良好的生物相容性、無毒副作用。人體植入物是與人的生命和健康密切相關(guān)的特殊的功能材料。同其它金屬材料相比較，使用鈦及鈦合金的優(yōu)勢主要有以下幾點：1 質(zhì)輕；2 彈性模量低；3無磁性；4 無毒性；5 抗腐蝕性；6 強度高、韌性好。外科植入物中的鈦合金用量正以每年5%-7%的速度增長。采用鈦及鈦合金制造的股骨頭、髖關(guān)節(jié)、肱骨、顱骨、膝關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、掌指關(guān)節(jié)、頜骨以及心辨膜、腎辨膜、血管擴張器、夾板、假體、緊固螺釘?shù)壬习俜N金屬件移植到人體中，取得了良好的效果，被醫(yī)學(xué)界給予了很高的評價。
6.化工行業(yè)
鈦具有優(yōu)良的耐腐蝕性能、力學(xué)性能和工藝性能，被廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟許多部門。特別是在化工生產(chǎn)中，用鈦代替不銹鋼、鎳基合金和其它稀有金屬作為耐腐蝕材料。這對增加產(chǎn)量，提高產(chǎn)品質(zhì)量，延長設(shè)備使用壽命，減少消耗，降低能耗，降低成本，防止污染，改善勞動條件和提高勞動生產(chǎn)率等方面都有十分重要的意義。
鈦金屬已成為化工裝備中主要的防腐蝕材料之一，并在化工裝置中已確立了他的耐腐蝕地位。作為化工設(shè)備中的理想材料，鈦也愈來愈引起工程技術(shù)人員的重視。
經(jīng)過多年的推廣，鈦及其合金已作為一種優(yōu)異的耐腐蝕結(jié)構(gòu)材料在化工生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。目前鈦設(shè)備的應(yīng)用已從最初的純堿與燒堿工業(yè)擴展到氯酸鹽、氯化銨、尿素、有機合成、染料、無機鹽、農(nóng)藥、合成纖維、化肥、和精細化工等行業(yè)，設(shè)備種類已從小型、單一化發(fā)展到大型、多樣化。
換熱器調(diào)查結(jié)果表明鈦換熱器占57%，鈦陽極占20%，鈦容器占16%，其他占7%。在化學(xué)工業(yè)中以“兩堿”為主，化工設(shè)備中鈦換熱器用量最大。
近年來，我國鈦材的生產(chǎn)技術(shù)提高迅速，航空航天用鈦，軍事用鈦，汽車用鈦等增長都很迅速，尤其是航空航天領(lǐng)域，有趕超化工用鈦的趨勢?？傮w而言，化工用鈦的技術(shù)含量小，產(chǎn)品附加值低，化工用鈦比例不可避免會逐步下降。
7.海洋工程
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和陸地資源日趨枯竭，人類開發(fā)利用海洋已經(jīng)提到日程上來了。鈦對于海水有優(yōu)異的耐蝕性能，大量運用于海水淡化、艦船、海洋熱能開發(fā)和海底資源開采等領(lǐng)域。
破冰船早在20世紀60年代，我國就已經(jīng)開始了對鈦及鈦合金在船舶及海洋工程裝備上的應(yīng)用研究，并做了大量工作，已基本形成了牌號較多、性能各異、品種規(guī)格齊全的船用鈦合金體系。由于鈦及鈦合金自身所具備的特性，使其在艦船以及海工裝備的應(yīng)用上具有得天獨厚的優(yōu)勢，因而被廣泛應(yīng)用于核潛艇、深潛器、原子能破冰船、水翼船、氣墊船、掃雷艇以及螺旋槳推進器、海水管路、冷凝器、熱交換器等。
在艦船應(yīng)用方面，目前我國艦船用鈦量非常少，占船舶總重量的比例不超過1%，艦船及海工裝備用鈦及鈦合金領(lǐng)域發(fā)展?jié)摿薮?。此外，在海水淡化以及濱海電站方面，由于我國目前海水淡化以及濱海電站市場需求巨大，在進一步降低鈦合金成本以及提高產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性的情況下，鈦的市場應(yīng)用前景將非常廣闊。
8.日常生活
鈦在日常生活中的應(yīng)用非常廣泛，可謂無處不在，例如高爾夫球頭、自行車車架、網(wǎng)球拍、輪椅、眼鏡架等都會應(yīng)用到鈦。
鈦以其輕質(zhì)、強度高的特性在體育用品中的應(yīng)用，從最早的網(wǎng)球拍、羽毛球拍逐步擴展到了高爾夫球頭、球桿以及賽車等。2008年我國體育休閑占總消費量的13%，其中僅高爾夫球頭和球桿的用鈦量就超過了1000噸。鈦合金做成的自行車車架也頗受歡迎，目前有近50價公司生產(chǎn)鈦自行車，美國早已是最大的鈦自行車生產(chǎn)商和消費國。鈦輕質(zhì)的特點也應(yīng)用到眼鏡架中，而且鈦又不易與皮膚發(fā)生過敏，并且鈦表面經(jīng)陽極處理可有絢麗色彩，因此從20世紀80年代初就開始應(yīng)用于鏡架中。
鈦材高爾夫球頭
近幾年，鈦在人類日常生活中的應(yīng)用在不斷擴展，且發(fā)展速度很快，應(yīng)用技術(shù)也更趨成熟、完善。在鈦的日常生活品應(yīng)用方面，美國和日本走在前面。
