一、鈦合金在海洋工程上的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景展望

  ㈠、引言

  占地球表面積約71% 的海洋中蘊(yùn)藏著豐富的資源， 開發(fā)海洋、利用海洋，讓海洋成為我們巨大財(cái)富的源泉， 這已成為人們多年來努力的方向之一。但是，由于海水中含有大約3.5% 的含鹽量，因此， 海水具有腐蝕性。此外， 海洋中的某些生物污染也加速了海水的腐蝕。

  鈦是一種物理性能優(yōu)良、化學(xué)性能穩(wěn)定的材料。鈦及其合金強(qiáng)度高、比重小， 耐海水腐蝕和海洋氣氛腐蝕， 可以很好地滿足人們?cè)诤Ｑ蠊こ谭矫鎽?yīng)用的要求。經(jīng)過鈦業(yè)界人士和海洋工程應(yīng)用研究人員多年的努力， 鈦已經(jīng)在海洋油氣開發(fā)、海港建筑、沿海發(fā)電站、海水淡化、船舶、海洋漁業(yè)及海洋熱能轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域取得了**的應(yīng)用?，F(xiàn)在， 海洋工程用鈦已成為鈦民用應(yīng)用的主要領(lǐng)域之一。

  ㈡、應(yīng)用現(xiàn)狀

  2.1 海洋油氣開發(fā)

  石油是一個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)命脈。據(jù)估計(jì)， 世界可開采的石油資源儲(chǔ)量為3000億噸， 其中海底石油儲(chǔ)量約為1300 億噸。海底石油的開發(fā)， 開始于20 世紀(jì)初。它的發(fā)展經(jīng)歷了從近海到遠(yuǎn)海、從淺海到深海的過程。受技術(shù)條件和材料發(fā)展的限制， *初只能開采從海岸直接向淺海延伸的石油、天然氣礦藏。20 世紀(jì)80 年代以來， 在能源危機(jī)和技術(shù)進(jìn)步的刺激下， 近海石油勘探與開發(fā)飛速發(fā)展， 海洋石油開發(fā)迅速向大陸架挺進(jìn)， 逐漸形成了嶄新的近海石油工業(yè)部門。海上鉆井平臺(tái)是實(shí)施海底油氣勘探和開采的工作基地， 它標(biāo)志著海底油氣開發(fā)技術(shù)的水平。海上石油開采設(shè)備主要包括采油平臺(tái)和附屬設(shè)備， 附屬設(shè)備有原油冷卻器、升油管、泵、閥、接頭和夾具等。這些設(shè)備均與海水及原油中的硫化物、氨、氯等介質(zhì)接觸。由于鈦在這些介質(zhì)中具有優(yōu)異的耐蝕性， 所以美國(guó)在上世紀(jì)70 年代初就在其油田中使用了鈦制造的近海石油平臺(tái)支柱， 同時(shí)用鈦制造了列管式換熱器和板式換熱器。鈦列管式換熱器利用海水作為冷卻介質(zhì)， 把從油井里抽出的高溫汽/ 油混合物冷卻。鈦板式換熱器也是利用海水作為冷卻介質(zhì)， 把碳鋼換熱器內(nèi)冷卻原油的淡水冷卻。美國(guó)在北海油田鉆井平臺(tái)上大約使用了100 個(gè)鈦熱交換器。位于英國(guó)蘇格蘭阿伯丁的亨廷油田服務(wù)公司訂購(gòu)的鈦制部件據(jù)說是世界上**個(gè)鈦制高壓立管式豎井， 用于美國(guó)大陸石油公司（Conoco） 挪威的Heidrum 工程項(xiàng)目中。

  石油鈦合金鈦鉆探管的使用壽命較長(zhǎng)，其重量*為不銹鋼的一半， 而使用靈活性卻是不銹鋼的二倍， 使用壽命為鋼的10 倍。這些優(yōu)異的性能使得鈦成為一種用于鉆探難度較大的近圓形、且深度深的油井的**材料。包含有鈦鉆探管的組合鉆具可以極大地減少鉆探時(shí)間、降低鉆探總成本。美國(guó)的GrantPrideco 公司、RTI 能源系統(tǒng)公司及Torch 鉆探服務(wù)公司在2000 年**將鈦鉆探管用于工業(yè)應(yīng)用。GrantPrideco 公司和RTI 能源系統(tǒng)公司共同生產(chǎn)和供應(yīng)的鈦鉆探管還配有GrantPrideco 抗疲勞公司提供的鋼工具接頭。這種接頭的重量輕、使用靈活性好，且可以使鈦鉆探管堅(jiān)固結(jié)實(shí)。

  海水管道系統(tǒng)是海底石油開采不可缺少的部分， 由于鈦對(duì)海水具有很高的耐蝕性， 其使用壽命為鋼系的10 倍，因此， 鈦管系的成本與Cu-Ni 系統(tǒng)相比是合算的。美國(guó)活性金屬公司與精密管技術(shù)公司合辦了一個(gè)鈦管技術(shù)公司， 生產(chǎn)一種大口徑鈦合金管。這種管子所使用的合金是Ti-3Al-2.5V 合金， 口徑為650mm, 壁厚為22 ～ 25mm, 長(zhǎng)度為350m, 一根管子重達(dá)80 ～ 90t, 計(jì)劃用于海底石油開采。美國(guó)另一家公司利用長(zhǎng)度為15m、外徑為600mm、壁厚為25mm 的無縫鈦合金管通過擠壓方法制成了近500m 長(zhǎng)的豎井管， 已經(jīng)用于一個(gè)近海鉆井平臺(tái)。據(jù)稱， 這種豎井管的重量可以減輕一半， 從而**降低壓載成本， 另外， 還具有很高的斷裂韌性和較長(zhǎng)的疲勞壽命。

  據(jù)資料報(bào)道， 在美國(guó)北海油田開發(fā)項(xiàng)目中， 船上浮體裝置和海底固定裝置的用鈦量比以前有所增加。24 臺(tái)船上浮體裝置和64 臺(tái)海底固定裝置對(duì)鈦材的需求量為：安全保護(hù)裝置50 ～ 100t,連接裝置50 ～ 100t, 通用升降設(shè)備400 ～ 1000t, 鉆桿1400 ～ 4200t。海上石油開采平臺(tái)生物污染引起的結(jié)構(gòu)件腐蝕是相當(dāng)嚴(yán)重的， 美國(guó)一家公司在開采平臺(tái)上使用了鈦管制成的長(zhǎng)套管， 對(duì)平臺(tái)上的部位進(jìn)行保護(hù)。

  在過去幾年里， 鈦合金部件在石油鉆探和海濱生產(chǎn)作業(yè)中的應(yīng)用明顯增加。鈦合金部件使得石油鉆探可以進(jìn)入更深的水域和更深的油井， 包括更高的溫度和腐蝕嚴(yán)重（ 即多鹽） 的生產(chǎn)環(huán)境。

  對(duì)于這類應(yīng)用， 從綜合性能來考慮，TC4 鈦棒（Ti-6Al-4V） 基合金是*適用的， 且成本**。海水管道系統(tǒng)是海底石油開采不可缺少的部分， 由于鈦對(duì)海水具有很高的耐蝕性， 其使用壽命為鋼系的10 倍， 因此， 鈦管系的成本與Cu-Ni 系統(tǒng)相比是合算的。美國(guó)活性金屬公司與精密管技術(shù)公司合辦了一個(gè)鈦管技術(shù)公司， 生產(chǎn)一種大口徑鈦合金管。這種管子所使用的合金是TA18（Ti-3Al-2.5V） 合金， 口徑為650mm, 壁厚為22 ～ 25mm, 長(zhǎng)度為350m, 一根管子重達(dá)80 ～ 90t, 計(jì)劃用于海底石油開采。美國(guó)另一家公司利用長(zhǎng)度為15m、外徑為600mm、壁厚為25mm 的無縫鈦合金管通過擠壓方法制成了近500m 長(zhǎng)的豎井管， 已經(jīng)用于一個(gè)近海鉆井平臺(tái)。據(jù)稱， 這種豎井管的重量可以減輕一半， 從而**降低壓載成本， 另外， 還具有很高的斷裂韌性和較長(zhǎng)的疲勞壽命。

  實(shí)踐證明，Ti-6Al-4V（Gr.5_TC4） 合金是鉆井管的**材料， 作為鉆井應(yīng)用，屈服強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度是*重要的， 因此，兩種特別低間隙元素的Gr.5 合金適用于比較關(guān)鍵的動(dòng)態(tài)提升裝置。當(dāng)使用溫度超過75 ～ 80℃時(shí)， 為了防止縫隙腐蝕或應(yīng)力腐蝕， 使用含釕的Gr29 合金。

  *常用的部件包括海濱鉆井提升裝置、鉆探管、錐形應(yīng)力接頭（TSJ） 和鈦/ 鋼混合提升裝置。

  鈦泵、閥、接頭、緊固件、夾具和零配件等小型鈦部件在石油開采平臺(tái)上已經(jīng)**使用。國(guó)外海上石油勘探測(cè)井儀器外殼上也大量使用了鈦合金。

  2.2 海港建筑

  鈦材表面有一層厚度不超過10nm的氧化膜， 它在腐蝕環(huán)境中非常穩(wěn)定，對(duì)空氣、海水及海洋環(huán)境具有優(yōu)異的耐蝕性， 是目前*能適應(yīng)各種海洋環(huán)境的原材料。日本大力進(jìn)行海洋開發(fā)， 如本洲到四國(guó)的大橋、東京灣橫跨道路、關(guān)西機(jī)場(chǎng)、浮式儲(chǔ)油基地等。日本建設(shè)省和鋼鐵俱樂部在大井川洋面進(jìn)行的暴露試驗(yàn)以及運(yùn)輸省和鋼管樁協(xié)會(huì)在波崎漂沙棧橋上的各種防腐暴露試驗(yàn)等的調(diào)查報(bào)告也都顯示了鈦是*合適的材料。鈦除了具有優(yōu)異的防腐性能外， 還具有海水環(huán)境下溶出離子極少， 無毒性， 不必?fù)?dān)心污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。日本還建造了一個(gè)超大型浮式海洋建筑物， 在海水沖刷處使用了鈦鋼復(fù)合材；在東京灣橫跨公路的建設(shè)中使用了鈦材做橋墩的防濺軀干， 每個(gè)橋墩的用鈦量為0.9t。已經(jīng)使用或計(jì)劃中的大型浮式海洋建筑有機(jī)場(chǎng)、港灣物流基地、體育設(shè)施等等。

  2.3 沿海發(fā)電站

  海水的綜合利用是海洋工程中的重要項(xiàng)目之一， 沿海發(fā)電站凝汽器是利用海水量較大的設(shè)備。沿海電站用鈦主要是凝汽器用鈦。由于冷凝器是用海水做冷卻水的， 而海水中含有大量的泥砂、懸浮物質(zhì)、海生物和各種腐蝕性物質(zhì)，在海水與河水交替變化的淡鹽水中的情況更為嚴(yán)重。傳統(tǒng)的凝汽器是用銅合金管， 這種銅合金管在海水中因各種腐蝕， 經(jīng)常遭到嚴(yán)重破壞。鈦在海水， 特別是污染海水中具有良好的耐蝕性， 耐海水的高速?zèng)_刷腐蝕性能尤為突出。

  2.4 海水淡化裝置

  “水是生命之源”。目前， 水資源缺乏成為困擾全世界的問題。世界上約25% 的人口沒有充足的飲用水資源。世界上的陸地河流、地下水資源已遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了工業(yè)發(fā)展的需要， 因此， 將來海水淡化將是人類解決淡水資源的有效的方法。

  從國(guó)內(nèi)外海水淡化的發(fā)展來看， 主要由兩種方法：蒸餾法和反滲透法。前者是將海水加熱使其汽化， 然后將蒸汽冷凝而獲得淡水。后者是將海水加壓，使其中的淡水透過一種特殊的膜而將鹽分截留獲得淡水。早期的海水淡化裝置使用銅合金、碳素鋼等材料， 因這些材料不耐海水腐蝕， 生產(chǎn)效率低， 很快被耐海水腐蝕性能優(yōu)異的鈦所代替。在海水淡化中， 鈦的主要應(yīng)用是淡化裝置的加熱器傳熱管。海水淡化裝置的主要生產(chǎn)國(guó)是美國(guó)和日本。到2004 年， 全世界已建和在建海水淡化裝置已有15000多臺(tái)， 日產(chǎn)淡水約3200 萬噸。日本公司為沙特建造日產(chǎn)淡水3 萬噸的蒸餾法裝置10 臺(tái)， 用鈦管3200 噸， 平均日產(chǎn)1 萬噸的裝置， 需用鈦107 噸。

  我國(guó)的天津、山東等地均建有或在建海水淡化裝置。如天津市海水淡化的初步規(guī)劃是到2007 年日產(chǎn)淡水量達(dá)50萬噸， 到2010 年達(dá)到70 萬噸。預(yù)計(jì)天津和山東的海水淡化工程用鈦量大約是250 噸。

  2.5 船舶

  鈦及其合金在海水及海洋氣氛中耐腐蝕， 且比重輕、強(qiáng)度高、抗沖擊、無磁、透聲、膨脹系數(shù)小， 被認(rèn)為是良好的船舶材料。近年來， 鈦在船舶上的應(yīng)用備受人們的關(guān)注。各國(guó)海軍和船舶工業(yè)對(duì)鈦在船舶上的應(yīng)用研究也十分重視， 研制出了許多牌號(hào)的船用鈦合金。鈦及其合金在船舶中的應(yīng)用十分**， 如船體結(jié)構(gòu)件、深海調(diào)查船及潛艇耐壓殼體、管道、閥、船舵、軸托架、配件、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置中的推進(jìn)器和推進(jìn)器軸、熱交換器、冷卻器、船殼聲吶導(dǎo)流罩等等。

  鈦在艦船殼體上**應(yīng)用是前蘇聯(lián)的α 級(jí)潛水艇。隨后， 鈦被用于人工或者無人駕駛的深海研究及深海援助潛水艇。一般的結(jié)構(gòu)件用工業(yè)純鈦， 壓力容器用Ti-6Al-4V 合金。據(jù)資料報(bào)道，船體結(jié)構(gòu)用鈦不但可以減輕船體自身重量， 增加有效載入重量， 而且可以減少維護(hù)、延長(zhǎng)船舶的使用壽命。鋁合金、軟鋼等船體結(jié)構(gòu)材， 一般10 年就要維護(hù)， 而鈦材幾乎不需要維護(hù)修理， 壽命也可從一般的20 年左右延長(zhǎng)到30 ～ 40年。

  日本在深海調(diào)查船用鈦合金方面的研究卓有成效， 在“深海6500”可容納3 名操作員的耐壓倉中幾乎全部都使用了鈦合金材料。這是三菱重工業(yè)神戶造船廠長(zhǎng)時(shí)間努力的結(jié)果。潛艇用鈦量較大， 如一艘下潛深度900m 的核潛艇的用鈦量高達(dá)3500t。

  2.6 海洋漁業(yè)

  據(jù)報(bào)道， 日本漁業(yè)已經(jīng)由撈魚向魚類養(yǎng)殖業(yè)轉(zhuǎn)變， 獅魚、比目魚、鰻魚等已實(shí)現(xiàn)人工養(yǎng)殖。在人工養(yǎng)殖技術(shù)中，大量使用了鈦金屬網(wǎng)和維持一定海水溫度的鈦管式熱交換器。我國(guó)福建沿海一帶地區(qū)實(shí)現(xiàn)了人工養(yǎng)殖石斑魚， 所用的鈦板式養(yǎng)殖筐對(duì)養(yǎng)殖石斑魚帶來了極好的效益。

  2.7 海洋熱能轉(zhuǎn)換

  海洋中蘊(yùn)藏著巨大的能量， 如潮汐能、波浪能、溫差能、海流能和鹽差能等等。隨著世界能源的日益緊缺， 人們對(duì)海洋能源進(jìn)行開發(fā)和利用的興趣會(huì)更大。已研究和開發(fā)了溫差發(fā)電和潮汐發(fā)電項(xiàng)目。溫差發(fā)電的原理是利用海洋表面溫度較高的海水將氨或者氟里昂汽化來驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電， 再用海洋深層的低溫海水將汽化的氨或者氟里昂冷卻， 構(gòu)成一個(gè)不斷循環(huán)的熱機(jī)系統(tǒng)。

  溫差發(fā)電的主要設(shè)備是蒸發(fā)器、凝縮器及海水吸管、環(huán)路等， 要求設(shè)備不*要耐腐蝕， 而且還要耐氨和氟的腐蝕， 鈦及其合金不但具有良好的耐海水腐蝕性能， 而且還耐氨和氟的腐蝕， 所以鈦是*理想的材料。

  美國(guó)、日本的溫差發(fā)電站上都使用了鈦管式蒸發(fā)器和凝縮器， 取得了良好的效果。

  ㈢、前景展望

  海洋工程作為新興的鈦的民用市場(chǎng)， 近年來發(fā)展很快。隨著世界能源危機(jī)的進(jìn)一步加劇， 世界各國(guó)將投入大量的人力和物力開采海底石油資源和其它礦物資源；全球性淡水日益缺乏的趨勢(shì)中， 各個(gè)沿海國(guó)家都將利用海水來制取淡水；況且， 各**大國(guó)的海軍裝備競(jìng)爭(zhēng)日益激烈等等， 這些都離不開鈦及鈦合金材料。因此， 鈦及其合金在海洋工程上的應(yīng)用會(huì)越來越**。預(yù)計(jì)海洋工程用鈦有望成為鈦材的一個(gè)較大的應(yīng)用市場(chǎng)。

  二、鈦合金民用健康產(chǎn)品市場(chǎng)情況

  1、目前市場(chǎng)情況

  目前，國(guó)內(nèi)外餐具、炊具材料**使用的是鐵、鋁、不銹鋼這些材料，在使用中對(duì)人體都或多或少會(huì)產(chǎn)生一些不利于健康的因素：

  ①鐵鍋：到了菜里的鐵，是三價(jià)鐵，人體是不能吸收，人體只能吸收二價(jià)鐵。

  ②鋁鍋：在高溫酸、堿條件下會(huì)有鋁溶出，引發(fā)鋁中毒，是不安全的。國(guó)際衛(wèi)生組織明文禁止鋁鍋接觸含有鹽類的食品使用。

  ③不粘鍋：大部分是采用“特富龍”

  涂料，美國(guó)**指控它是致*物質(zhì)。特富龍?jiān)诟邷叵拢瑫?huì)釋放出十幾種有害氣體，導(dǎo)致一些呼吸道敏感的動(dòng)物死亡。

  但這些氣體對(duì)人體的**作用還沒有確定。

  ④搪瓷餐具：涂在搪瓷制品外層的實(shí)際上是一層琺瑯質(zhì)，含有硅酸鋁一類物質(zhì)。因?yàn)榉吹呐鲎材Σ?，極易造成破損，使硅酸鋁一類物質(zhì)便會(huì)轉(zhuǎn)移到食物中去。

  ⑤陶鍋、砂鍋：潛在危害主要有兩方面：一是土砂鍋的釉質(zhì)，二是“偽紫砂”。“偽紫砂”添加鐵紅粉、二氧化錳等化學(xué)顏料配制加工而成，用化工制劑進(jìn)行增色制造而成，而非真正紫砂。

  2、鈦健康產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)

  鈦健康產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)是在鈦金屬表面生有一層牢固的氧化鈦化合物薄膜，化學(xué)性質(zhì)極其穩(wěn)定，甚至酸中的“王水”都奈何不了它。鈦鍋在烹飪時(shí)不與食材發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。所以能烹飪出食材的原汁原味，純鈦鍋是**可以用來煎中藥的金屬鍋。

  在美國(guó)和日本，人們稱鈦鍋是美味鍋，原汁原味的美味就是健康元素。

  鈦鍋的熱功能優(yōu)異：能低溫、快速、低油脂的烹飪出綠色佳肴，**限度的保留食材的營(yíng)養(yǎng)成分和口感。高營(yíng)養(yǎng)的綠色食品是健康元素。

  鈦制餐具、炊具的使用優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

  ⑴強(qiáng)防腐蝕性：比不銹鋼更耐腐蝕，即使盛裝腐蝕性*強(qiáng)的“王水”（濃硫酸與濃硝酸的混合物）也毫無銹跡，長(zhǎng)時(shí)間烹煮和存放酸性和堿性的食物也不會(huì)產(chǎn)生金屬異味，還可以用來煲中藥。

  其它金屬的鍋具無法做到這一點(diǎn)。

  ⑵高硬度：比不銹鋼的硬度高很多，耐磨、耐刮，半永久使用。

  ⑶重量輕：太太使用很輕松，重量只有鐵鍋的一半，使用輕便。

  ⑷無需保養(yǎng)：丈夫使用很放心 高溫?zé)粔?，摔不壞，無需保養(yǎng)。

  ⑸**性：具有天然的光觸媒**效果，在自然光線下具有天然的**作用，衛(wèi)生、無細(xì)菌污染。

  ⑹不粘效果：良好的不粘效果，和鐵鍋相當(dāng)，但不能完全不粘。

  ⑺節(jié)能：省時(shí)節(jié)能，傳熱速度是鐵鍋的7 倍，是復(fù)合底鋼鍋和合金鍋的數(shù)十倍，炒菜節(jié)省能源。

  ⑻生物親合性：是人體親和金屬長(zhǎng)時(shí)間接觸也不會(huì)過敏，醫(yī)療上已取代不銹鋼作為“人骨”植入人體內(nèi)。

  ⑼使用范圍：可以使用火爐和陶磁爐⑽健康性：99.75％高純度的鈦金屬制成無涂層，是*健康安全的金屬鍋具。

  ⑾表面不粘性：電解研磨更加**徹底，不存在機(jī)械拋光遺留的有害粉塵顆粒，電解研磨的鈦鍋呈現(xiàn)細(xì)微的凹凸表面，可以提升傳熱速度和不粘性。

  ⑿眾人眼中的形象：在公眾眼中鈦是用來做航天飛機(jī)、核反應(yīng)堆、首飾、眼睛架高爾夫球棍等奢侈品。

  鈦金屬擁有這樣**的特性，同時(shí)鈦也是非常難以加工的金屬。對(duì)鈦加工技術(shù)和加工手段的了解和認(rèn)識(shí)制約了相關(guān)企業(yè)進(jìn)入這一領(lǐng)域，到目前，國(guó)內(nèi)鈦制餐具、炊具還是一塊處女地，正在等待有識(shí)之士的開發(fā)。本項(xiàng)目技術(shù)生產(chǎn)的鈦制餐具、炊具克服了純鈦金屬難展現(xiàn)藝術(shù)性的難度和美感的刻板印象，并有著鮮艷的顏色， 讓科技與生活工藝完美結(jié)合。使千家萬戶真正體會(huì)到“要健康，用鈦鍋！”

  三、鈦合金建筑裝飾材料應(yīng)用介紹

  金屬材料用于建筑，特別是屋頂，首先應(yīng)用的是銅，依次開發(fā)使用的是表面處理過的鋼板、鋁、不銹鋼和鈦。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，人們對(duì)城市建筑物的要求，特別對(duì)建筑物的美觀性要求越來越高。

  近年來建筑師追求使用比傳統(tǒng)材料更高級(jí)的新型建筑材料。鈦金屬具有許多非常優(yōu)異性能，完全滿足對(duì)建筑材料的許多特殊性能要求，因而倍受建筑師和建筑業(yè)的青睞。

  日本是首先將鈦應(yīng)用于建筑物的國(guó)家，也是在建筑物上應(yīng)用鈦*多的國(guó)家。

  其主要是應(yīng)用于建筑物的屋頂，以及大廈幕墻、港口、橋梁、隧道、外壁、門牌、欄桿、管道等。英國(guó)、法國(guó)、美國(guó)、西班牙、荷蘭、加拿大、比利時(shí)、瑞士均有建筑物使用鈦金屬作屋頂和幕墻的范例，瑞典、新加坡和埃及等國(guó)家也在一些新建筑上開始使用鈦金屬。1997 年西班牙畢爾巴鄂市的古根海姆博物館就是采用鈦金屬板構(gòu)造出去曲面的建筑造型。阿布扎比機(jī)場(chǎng)也選用了鈦，且用量幾百噸，該機(jī)場(chǎng)是世界上**將鈦?zhàn)鳛榻ㄖY(jié)構(gòu)材料使用的機(jī)場(chǎng)。

  我國(guó)**提出應(yīng)用鈦金屬的建筑是國(guó)家大劇院，**應(yīng)用的是杭州大劇院。

  應(yīng)用鈦金屬的建筑還有中國(guó)有色工程設(shè)計(jì)研究總院大門廳、杭州臨平東來**閣、上海馬戲雜技場(chǎng)屋頂和大連圣亞極地世界等。用于城市雕塑的有陜西省寶雞市河濱公園內(nèi)的鈦雕塑“海豚與人”、河北省邢臺(tái)市中心廣場(chǎng)的鈦雕塑“乾坤球”、陜西省寶雞市步行街的鈦雕塑“雄雞報(bào)曉”等。

  我國(guó)鈦金屬生產(chǎn)技術(shù)基本成熟，生產(chǎn)設(shè)計(jì)規(guī)模很大，但銷售市場(chǎng)不大，經(jīng)濟(jì)效益不理想，主要是缺少客戶滿意的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能好的產(chǎn)品。我國(guó)目前的建筑用鈦現(xiàn)狀如下：

  1、產(chǎn)品單一：作為結(jié)構(gòu)材料，沒有足夠的品種以供使用者選擇。作為表面裝飾材料，目前我國(guó)沒有形成較大的鈦表面處理規(guī)模生產(chǎn)企業(yè)，加工還停留在手工作坊生產(chǎn)方式階段，這不利于大面積使用鈦?zhàn)鳛檠b飾用材。

  2、品位低：沒有較***的產(chǎn)品，更沒有鈦及相關(guān)復(fù)合材料的大量供應(yīng)，只能生產(chǎn)一些模型、城雕、工藝品等，沒有品位較高的表面裝飾材料及其生產(chǎn)手段。

  3、價(jià)格高：由于沒有穩(wěn)定的***的產(chǎn)品，不可能有大面積的**應(yīng)用，導(dǎo)致使用量小、價(jià)格高，更不利于推廣使用。

  4、設(shè)計(jì)者因素：我國(guó)沒有類似職業(yè)培訓(xùn)制度，新材料發(fā)明后沒有在建筑設(shè)計(jì)師思維中儲(chǔ)存下來，導(dǎo)致在建筑原創(chuàng)設(shè)計(jì)圖很少把鈦金屬設(shè)計(jì)進(jìn)去，用途就顯然少了。

  近年來隨著全球海洋化的進(jìn)展以及鈦原材料價(jià)格不斷下跌，鈦在建筑、裝飾領(lǐng)域的需求量和應(yīng)用范圍正在不斷拓展，預(yù)計(jì)今后幾年在建筑、裝飾行業(yè)鈦材需求量將達(dá)5000 噸以上，海洋工程和海島建設(shè)鈦材需求量將達(dá)5000 噸以上，造船工業(yè)用鈦量將達(dá)5000 噸以上。

  而我國(guó)現(xiàn)在還沒有一家專業(yè)從事建筑裝飾用鈦材生產(chǎn)企業(yè)，只是將工業(yè)用材料簡(jiǎn)單的應(yīng)用于民用領(lǐng)域，與市場(chǎng)和行業(yè)需求差距較大，急需建立專業(yè)化生產(chǎn)線，滿足這一領(lǐng)域的各項(xiàng)專業(yè)化需求。

  鈦是目前能大量生產(chǎn)的、價(jià)格**的、幾乎完全不被海水腐蝕的金屬。作為建筑材料，鈦材的反射率較小，并呈現(xiàn)淡銀灰色，擁有迷人的金屬自然光澤。

  寶雞鈦產(chǎn)業(yè)研究院將生產(chǎn)建筑裝飾用鈦材，主要是應(yīng)用于建筑物的屋頂，其次是大廈的幕墻、港灣設(shè)施、橋梁、海底隧道、外壁、裝飾物、小配件類、立柱裝飾、外裝、紀(jì)念碑、標(biāo)牌、門牌、欄桿、管道、防蝕被覆等。項(xiàng)目利用國(guó)內(nèi)現(xiàn)有鈦板、鈦卷帶為原料，采用整形拋光、壓花技術(shù)，使板材表面光亮，色澤一致并具有金屬花紋；采用大面積板材陽極氧化著色技術(shù)，為板材表面著色，形成多彩顏色，滿足建筑、裝飾類材料的需求。

  四、航空用鈦合金研究進(jìn)展

  鈦元素分布比較**，其含量超過地殼質(zhì)量的0.4%，全球探明儲(chǔ)量約34 億噸，在所有元素中含量居第10 位（氧、硅、鋁、鐵、鈣、鈉、鉀、鎂、氫、鈦）。

  美國(guó)科學(xué)家在1910 年采用“鈉法”（鈉還原TiCl4）*早獲得金屬鈦，但是鈦工業(yè)并沒有隨著鈦的發(fā)現(xiàn)立即得以發(fā)展。

  直到第二次世界大戰(zhàn)后的1948 年，盧森堡科學(xué)家發(fā)明的“鎂法”（鎂還原TiCl4）在美國(guó)用于生產(chǎn)之后鈦工業(yè)才開始起步。

  鈦比鋼密度小40%，而鈦的強(qiáng)度和鋼的相當(dāng)，這可以提高結(jié)構(gòu)效率。同時(shí)，鈦的耐熱性、耐蝕性、彈性、抗彈性和成形加工性良好。由于鈦具備上述特性，從一出現(xiàn)鈦合金就應(yīng)用于航空工業(yè)。1953 年，美國(guó)道格拉斯公司出產(chǎn)的DC-T 機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)防火壁和短艙上**使用鈦材，開始鈦合金應(yīng)用于航空的歷史。

  航天飛機(jī)是*主要的、應(yīng)用范圍*廣的航空器。鈦是飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)材料，也是航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇、壓氣機(jī)輪盤和葉片等重要構(gòu)件的**材料，被譽(yù)為“太空金屬”。飛機(jī)越先進(jìn)，鈦用量越多，如美國(guó) F22 第四代機(jī)用鈦含量為41%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），其F119 發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦含量為39%，是目前用鈦含量**的飛機(jī)。鈦合金研究起源于航空，航空工業(yè)的發(fā)展也促進(jìn)了鈦合金的發(fā)展。航空用鈦合金的研究一直是鈦合金領(lǐng)域中*重要、*活躍的一個(gè)分支，但其發(fā)展也極其艱辛，如人們花費(fèi)十幾年的精力克服航空發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦合金的“熱障”問題。

  本文從合金基體相組成角度對(duì)鈦合金進(jìn)行歸類。以飛機(jī)為航空器的**，著重介紹鈦合金在航空發(fā)動(dòng)機(jī)、飛機(jī)機(jī)身、航空緊固件等方面的應(yīng)用研究情況。**，分析航空用鈦合金發(fā)展過程中存在的問題。

  1 鈦合金的分類

  美、英、俄、法、日等國(guó)鈦合金的分類多為廠家自定，名目繁多。某些公司直接采用元素的化學(xué)符號(hào)和數(shù)字代替所加合金元素及其含量命名，如Ti-6Al-4V（相當(dāng)于我國(guó)的TC4），各國(guó)牌號(hào)對(duì)照及化學(xué)成分如表1 所列 。按相組成鈦合金可分為：密排六方結(jié)構(gòu)（HCP）的α 型鈦合金（包括近α 型合金）—即國(guó)內(nèi)牌號(hào)TA、兩相混合的α+β 型鈦合金—即國(guó)內(nèi)牌號(hào) TC 和體心立方結(jié)構(gòu)（BCC）的β 型鈦合金（包括近β型合金）—即國(guó)內(nèi)牌號(hào)為 TB 。

  1.1 α 型鈦合金

  退火狀態(tài)以α 鈦為基體的單相固溶體合金為α 型鈦合金， 它主要含Al、Sn 等元素。Al 能增加合金的抗拉和蠕變強(qiáng)度，減小鈦合金的密度，提高比強(qiáng)度，是鈦合金中重要的合金元素。為了**限度地發(fā)揮鋁的固溶強(qiáng)化作用，避免因過量Al 引起合金脆化，高溫鈦合金的合金化工作應(yīng)遵循ROSENBERG 提出的當(dāng)量經(jīng)驗(yàn)公式，只有這樣才能保證合金在提高耐熱強(qiáng)度的同時(shí)保持良好的熱穩(wěn)定性。α 鈦合金中的這些元素通過在相變溫度下抑制相變或者提高相變溫度而起到穩(wěn)定作用。與β 型鈦合金相比，α 型合金具有良好的抗蠕變性能，強(qiáng)度、可焊性以及韌性，是高溫下使用的**合金 。同時(shí)，α 型合金不存在冷脆性，它也適合在低溫環(huán)境中使用，擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍。α 型合金鍛造性較差，容易產(chǎn)生鍛造缺陷，可通過減少每道次加工率和頻繁熱處理來控制鍛造缺陷。α 基體為穩(wěn)定相，對(duì)于給定成分合金而言，其性能變化主要是晶粒大小的變化 ，因?yàn)榍?qiáng)度和抗蠕變強(qiáng)度均與晶粒大小、變形時(shí)儲(chǔ)存的能量有關(guān)。α 型鈦合金不能通過熱處理來提**度，退火后強(qiáng)度基本無變化或少有變化。有些合金含有較多的 Al、Sn、Zr 及少量的β 穩(wěn)定元素（一般小于2%）。盡管這些合金中含有β 相，但基體主要由α 相組成，在熱處理敏感性和加工性能上都與α 型合金很接近，被稱為近α 型鈦合金。近α 型合金是在人們認(rèn)識(shí)到采用固溶合金元素強(qiáng)化α 基體可以得到高的蠕變強(qiáng)度基礎(chǔ)上開發(fā)的，大多數(shù)近α型合金因具有較好的熱穩(wěn)定性，現(xiàn)在已成為高溫鈦合金的重要合金種類。它的強(qiáng)化機(jī)制是β 相中原子擴(kuò)散快，易于發(fā)生蠕變，β 穩(wěn)定元素還有抑制α 相脆化的作用（即延緩α 中形成有序相的過程）。

  常見的α 型鈦合金（包括近α 型合金） 有Ti811（Ti-8Al-1Mo-1V）、Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V、Ti-679（Ti-2.25Al-11Sn-5Zr-1Mo-0.25Si）、BT18（Ti-7.7Al-11Zr-0.6Mo-1Nb-0.3Si） 和Ti6242S（Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si）等，其成分和性能如表2所列。

  1.2 α+β 型鈦合金

  為提高鈦合金的強(qiáng)度和韌性，人們研制出α+β 型鈦合金。與其他鈦合金相比，α+β 合金中同時(shí)加入α 穩(wěn)定元素和β 穩(wěn)定元素，使α 和β 相得到強(qiáng)化。α+β 合金具有優(yōu)良的綜合性能，如其室溫強(qiáng)度高于α 合金的，熱加工工藝性能良好，可以進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，因此適用于航空結(jié)構(gòu)件。α+β 型鈦合金退火組織為α+β 相，β 相含量一般為5%~40%。但其組織不夠穩(wěn)定，使用溫度**只能到500℃，焊接性能和耐熱性低于α 型鈦合金。

  α+β 型鈦合金主要有TC4（Ti-6 A l - 4 V ） 、T C 6 （ T i - 6 A l - 1 . 5 C r -2.5Mo-0.5Fe-0.3Si）、TC11（Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si）、TC17（Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr）、TC19（Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo）和TC21（Ti-6.2Al-2.8Mo-2Nb-2Sn-2.1Zr-1.3Cr）等。其中TC11 合金也被稱為近β 合金。

  ZHOU 提出了一種TC11 合金加工工藝，先將合金在低于β- 轉(zhuǎn)變溫度15°下進(jìn)行熱處理，隨后快速水冷，再經(jīng)過高溫和低溫增韌強(qiáng)化熱處理，獲得一種新的顯微組織。這種新組織基體由15%等軸α 晶粒、50%~60% 層狀α 晶粒和已轉(zhuǎn)變完成的β 晶粒組成。其研究結(jié)果顯示該合金表現(xiàn)出較高的抗疲勞性能，較長(zhǎng)的蠕變疲勞壽命，高韌性和優(yōu)良的高溫服役性能，并且不降低塑性和熱穩(wěn)定性。

  并且對(duì)該新工藝和強(qiáng)韌化機(jī)理的實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行了討論。該加工工藝實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵問題就是對(duì)溫度的準(zhǔn)確控制。

  這種TC11 鈦合金加工工藝已應(yīng)用于生產(chǎn)可靠的航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)盤、旋轉(zhuǎn)子和其他部件。

  1.3 β 型鈦合金

  β 穩(wěn)定元素含量足夠高，且固溶處理后快速冷卻β 相保留至室溫得到的合金稱為β 型鈦合金。按照穩(wěn)定狀態(tài)組織類型分類，β 鈦合金可分為穩(wěn)定型β 鈦合金，亞穩(wěn)型β 鈦合金，如圖1所示。在圖1 中，MS 為馬氏體相變溫度線，βC 為亞穩(wěn)型合金的β 穩(wěn)定元素**含量，βS 為穩(wěn)定型合金β 穩(wěn)定元素**含量。

  圖1 β穩(wěn)定劑含量和鈦合金相組成的關(guān)系

  β 合金在固溶狀態(tài)下冷成形性能良好，而且淬透性和熱處理響應(yīng)性也優(yōu)良。

  常用的熱處理方法是先固溶處理，然后在 450~650℃時(shí)效，合金原β 基體上會(huì)析出細(xì)小的α 相，形成彌散分布的第二相，這就是β 合金的強(qiáng)化機(jī)理。由于β 鈦合金比其他類型鈦合金在時(shí)效時(shí)析出更多的α 相，含有更多的α-β相界面阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng) ，因此β 鈦合金的室溫強(qiáng)度**。

  金屬材料在變形和斷裂過程中吸收能量的能力稱為韌性，材料吸收的能量越多，韌性也就越好。斷裂韌性是表示材料韌性的指標(biāo)，反映材料對(duì)裂紋和其他尖銳缺陷擴(kuò)展的抵抗能力。通常來說，鈦合金的斷裂韌性和強(qiáng)度呈反比趨勢(shì)，即強(qiáng)度提高的同時(shí)斷裂韌性下降。研究β 鈦合金在航空航天工業(yè)的應(yīng)用，需要設(shè)計(jì)同時(shí)具備良好強(qiáng)度和斷裂韌性的顯微組織以及加工工藝和熱處理制度。合金成分和顯微組織是決定β 鈦合金斷裂韌性的兩個(gè)主要因素。合金成分決定合金中β 相的數(shù)量，也決定合金的類型和斷裂韌性。顯微組織的形態(tài)、數(shù)量、體積同樣影響合金斷裂韌性的高低。付艷艷等認(rèn)為β 鈦合金的β 穩(wěn)定元素和中型元素Zr 可以提高合金的強(qiáng)度，降低斷裂韌性。細(xì)小的β 晶粒并不能有效提高時(shí)效態(tài)β 鈦合金的強(qiáng)度，會(huì)降低Ti-15-3 合金的斷裂韌性，但對(duì)β-C和Ti-1023 合金的斷裂韌性無明顯影響。

  時(shí)效態(tài)β 鈦合金的強(qiáng)度主要取決于時(shí)效析出的次生α 相的含量和尺寸，在含有同樣初生α 相的情況下，細(xì)小的次生α 相可以**提高合金的強(qiáng)度。

  初生α 相的粗化以及初生相從球狀轉(zhuǎn)變?yōu)槠瑺顣?huì)導(dǎo)致β 鈦合金塑性降低，斷裂韌性提高。β 鈦合金的雙態(tài)組織具有良好的強(qiáng)度、塑性和韌性的匹配。

  β 鈦合金之所以得到**的應(yīng)用，也是因?yàn)槠鋾r(shí)效后具有其他類型的鈦合金無法比擬的**度和高塑性優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，β 鈦合金所具有的可熱處理強(qiáng)化性和深淬透能力使得它逐漸代替α+β兩相鈦合金成為用于飛機(jī)機(jī)身和機(jī)翼的**結(jié)構(gòu)材料，在航空航天工業(yè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。

  2 航空用鈦合金的發(fā)展及應(yīng)用

  20 世紀(jì)50 年代，**飛機(jī)進(jìn)入超音速時(shí)代，原有的鋁、鋼結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足新的需求，鈦合金恰恰在這個(gè)時(shí)候進(jìn)入了工業(yè)性發(fā)展階段。鈦合金因密度小、比強(qiáng)度高、耐蝕、耐高溫、無磁、可焊、使用溫度范圍寬（269~600℃）等優(yōu)異性能，而且能夠進(jìn)行各種零件成形、焊接和機(jī)械加工，在航空領(lǐng)域很快得到**應(yīng)用。20 世紀(jì)50 年代初期的**飛機(jī)上開始使用工業(yè)純鈦制造后機(jī)身的隔熱板、機(jī)尾罩、減速板等受力較小的結(jié)構(gòu)件。20 世紀(jì)60 年代，鈦合金進(jìn)一步應(yīng)用到飛機(jī)襟翼滑軋、承力隔框、中翼盒形梁、起落架梁等主要受力結(jié)構(gòu)件中。到20 世紀(jì)70 年代，鈦合金在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用，又從戰(zhàn)斗機(jī)擴(kuò)大到**大型轟炸機(jī)和運(yùn)輸機(jī)，而且在民用飛機(jī)上也開始大量采用鈦合金結(jié)構(gòu)。

  進(jìn)入20 世紀(jì)80 年代后，民用飛機(jī)用鈦逐步增加，并已超過**飛機(jī)用鈦。飛機(jī)越先進(jìn)，鈦用量越多。表3~5 所列分別為美國(guó)第3 代、第4 代戰(zhàn)斗機(jī)及先進(jìn)轟炸機(jī)、運(yùn)輸機(jī)用鈦材的質(zhì)量分?jǐn)?shù) 、一般飛機(jī)使用的鈦合金種類和空客飛機(jī)鈦合金和復(fù)合材料的用量。由表5 可知，空客A380 飛機(jī)上的鈦材使用量已達(dá)10%，鈦材已經(jīng)成為現(xiàn)代飛機(jī)不可缺少的結(jié)構(gòu)材料。根據(jù)用途不同，可將航空用鈦合金分為飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦合金、飛機(jī)機(jī)身用鈦合金和航空緊固件用鈦合金。近年來，人們對(duì)航空用鈦合金在上述 3 個(gè)方面的應(yīng)用進(jìn)行了深入研究。

  2.1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦合金

  發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的心臟。發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇、高壓壓氣機(jī)盤件和葉片等轉(zhuǎn)動(dòng)部件，不*要承受很大的應(yīng)力，而且要有一定的耐熱性。這樣的工況條件對(duì)鋁來說溫度太高；對(duì)鋼來說密度太大。鈦是**的選擇，鈦在300~650℃溫度下具有良好的抗高溫強(qiáng)度、抗蠕變性和抗氧化性能。同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要性能指標(biāo)是推重比，即發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的推力與其質(zhì)量之比。*早發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比為2~3，現(xiàn)在能夠達(dá)到10。推重比越高，發(fā)動(dòng)機(jī)性能越好。使用鈦合金替代原鎳基高溫合金可使發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量降低，**提高飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比。鈦在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上的用量越來越多。在國(guó)外先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，高溫鈦合金用量已占發(fā)動(dòng)機(jī)總質(zhì)量的25%~40%，如第3 代發(fā)動(dòng)機(jī)F100 的鈦合金用量為25%，第4 代發(fā)動(dòng)機(jī)F119 的鈦合金用量為40% 。

  航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件要求鈦合金在室溫至較高的溫度范圍內(nèi)具有很好的瞬時(shí)強(qiáng)度、耐熱性能、持久強(qiáng)度、高溫蠕變抗力、組織穩(wěn)定性。β 型和近β 型鈦合金盡管在室溫至300℃左右具有高的拉伸強(qiáng)度，但在更高的溫度下，合金的蠕變抗力和耐熱穩(wěn)定性急劇下降，所以β 型鈦合金很少用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)。α 型和近α 型鈦合金具有良好的蠕變、持久性能和焊接性，適合于在高溫環(huán)境下使用。

  α+β 型鈦合金不*具有良好的熱加工性能，而且在中高溫環(huán)境下還具有良好的綜合性能。因此，α 型、近α 型和α+β 型鈦合金被**應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)。表6 所列為世界各國(guó)研制的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦合金。

  目前，航空發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫鈦合金的**工作溫度已由350℃提高到600℃，能夠滿足先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)材料的需求。經(jīng)過世界各國(guó)鈦合金研究者半