1、鈦及鈦合金性質簡介

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超導的現象。

1.2 鈦合金簡介

      鈦合金和鈦在某種程度上性質類似，具有密度小強度高的特點，此外其機械性能十分優異，抗腐蝕能力較強。而且其熱強度高，明顯優于鋁合金，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TiCl4 、TiO2 、K2TiF6等中還原出來。根據鈦化合物的不同，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生產中。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。美國已經開始利用這一方法進行工廠里面的預生產。

(2)熔鹽電解法制備鈦

     1959年，Kroll預言在未來5-10年內熔鹽電解將會取代Kroll法成為生產鈦的主流方法。多年來國內外的科研機構和實驗室總共開發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，鈦的用途發展很快，被廣泛應用于飛機、火箭、導彈、人造衛星、宇宙飛船、艦艇、軍工、醫療以及石油化工等領域。最新的研究中發現，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，經過成型和燒結，從而制造鈦零部件的新工藝。首先是生產粉末，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。然后對經過等離子燒結的鈦合金進行后續的處理，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動機或者氣壓部件。后來隨著技術的不斷深入發展，鈦合金已經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。現在各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展主要集中在以下五個方面。

(1)醫用鈦合金

     鈦合金密度小且生物相容性好，是理想的醫用材料，甚至可以植入人體，以前在醫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，日本學者已經開發出了新型鈦合金，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，相信在不久的將來，此類優質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燃鈦合金。美國，俄羅斯和中國都相繼研發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動機的穩定性。

(3)高強高韌β型

     β型鈦合金具有強度高，焊接性好，冷熱加工性能優良的特點。研究人員利用這一規律，制備出的β型鈦合金的特點十分明顯 ：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。目前美國已經合成了這種新的鈦鋁化合物合金，并且正在批量生產之中。

(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，被稱為“記憶合金”，這種合金制成預先確定的形狀，再經定型處理后，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展現狀及競爭格局

     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，我國頻頻發布政策鼓勵鈦合金材料的研發、生產及應用。在全球市場中，鈦合金材料主要應用于航空工業、國防軍工以及其他工業。其中，在航空工業的應用需求最大，約占50%，主要是用于飛機和發動機的制造。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，我國能夠批量生產軍用航空鈦合金棒絲材的企業較少，呈“雙寡頭”的競爭格局。

1、政策鼓勵鈦合金材料的發展

      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，并得到了實際應用。近年來，我國也頻頻發布政策鼓勵鈦合金材料的研發、生產及應用。2019年，據《產業結構調整指導目錄(2019征求意見稿)》披露的信息顯示，將高性能超細、超粗、復合結構硬質合金材料及深加工產品、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業結構調整鼓勵類項目。

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、國防軍工以及其他工業。其中，在航空工業的應用需求最大，約占50%，主要是用于飛機和發動機的制造。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，全球范圍內航空用鈦材始終占據鈦材總需求的53%左右，而國內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、國內高端鈦合金市場呈“雙寡頭”競爭格局

     在國內鈦合金市場中，目前能夠批量生產軍用航空鈦合金棒絲材的企業主要是：西部超導、寶鈦股份和湖南金天鈦業科技有限公司。

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%，同時考慮到國內目前航空航天用鈦材占比遠低于全球范圍內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點，隨著社會的進步、科技的發展，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，開發與應用低成本、大規模及生態環保的連續化生產工藝，才能使鈦及鈦合金得到更加廣泛的應用。