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詳細介紹
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(xué)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(dǎo)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**鋁合金，同時在低溫和超低溫下其力學(xué)性能變化不大。
2 鈦的新工藝、新技術(shù)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(shù)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(yīng)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(yù)生產(chǎn)。
（2）熔鹽電解法制備鈦
1959年，Kroll預(yù)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(gòu)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(shù)，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(jì)40年代以來，鈦的用途發(fā)展很快，被廣泛應(yīng)用于飛機、火箭、導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、宇宙飛船、艦艇、**、**以及石油化工等領(lǐng)域。**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(yīng)用。
3 鈦合金的新工藝、新技術(shù)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(shù)，**的加工技術(shù)分為以下幾種：
（1）近凈成型技術(shù) ；（2）線摩擦焊接技術(shù) ；（3）超塑性成型技術(shù) ；（4）材料制備及加工過程的計算機模擬技術(shù)。
近凈成型技術(shù)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(jié)，從而制造鈦零部件的新工藝。**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(jié)，利用上、下模沖及通電電極將特定燒結(jié)電源和壓制壓力施加于燒結(jié)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(jié)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(yīng)用于航空航天領(lǐng)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(shù)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(gòu)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）**鈦合金。
鈦合金密度小且生物相容性好，是理想的**材料，甚至可以植入人體，以前在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)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(xué)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(yīng)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(yīng)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(jié)合，利用纖維或顆粒增強的復(fù)合材料制備出來的鈦合金具有優(yōu)異的高溫力學(xué)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(yù)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(fù)原來的面貌。這種合金可用于儀器儀表、電子裝置等各種領(lǐng)域。
4 結(jié)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(yīng)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(yīng)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(yīng)用。
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(xué)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(dǎo)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**鋁合金，同時在低溫和超低溫下其力學(xué)性能變化不大。
2 鈦的新工藝、新技術(shù)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(shù)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(yīng)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(yù)生產(chǎn)。
（2）熔鹽電解法制備鈦
1959年，Kroll預(yù)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(gòu)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(shù)，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(jì)40年代以來，鈦的用途發(fā)展很快，被廣泛應(yīng)用于飛機、火箭、導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、宇宙飛船、艦艇、**、**以及石油化工等領(lǐng)域。**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(yīng)用。
3 鈦合金的新工藝、新技術(shù)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(shù)，**的加工技術(shù)分為以下幾種：
（1）近凈成型技術(shù) ；（2）線摩擦焊接技術(shù) ；（3）超塑性成型技術(shù) ；（4）材料制備及加工過程的計算機模擬技術(shù)。
近凈成型技術(shù)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(jié)，從而制造鈦零部件的新工藝。**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(jié)，利用上、下模沖及通電電極將特定燒結(jié)電源和壓制壓力施加于燒結(jié)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(jié)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(yīng)用于航空航天領(lǐng)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(shù)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(gòu)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）**鈦合金。
鈦合金密度小且生物相容性好，是理想的**材料，甚至可以植入人體，以前在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)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(xué)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(yīng)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(yīng)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(jié)合，利用纖維或顆粒增強的復(fù)合材料制備出來的鈦合金具有優(yōu)異的高溫力學(xué)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(yù)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(fù)原來的面貌。這種合金可用于儀器儀表、電子裝置等各種領(lǐng)域。
4 結(jié)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(yīng)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(yīng)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(yīng)用。
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