钛是从1950年开始(shi)发展起(qi)来(lai)的一种(zhong)重要的结(jie)构(gou)金属，钛(tai)合金(jin)因强(qiang)度高、耐蚀性(xing)好(hao)、耐热(re)性能(neng)优良等特点(dian)而被(bei)广(guang)泛应(ying)用于航空(kong)航(hang)天(tian)[1]、化(hua)工(gong)[2]、医(yi)疗(liao)[3]、汽车(che)[4]等(deng)领域(yu)。自1954年美国(guo)成(cheng)功研制出(chu)实(shi)用的钛(tai)合(he)金（Ti-6Al-4V）以来(lai)，其良好的(de)耐热、强度、韧(ren)性得到体(ti)现。在20世(shi)纪(ji)七(qi)八(ba)十(shi)年代，对(dui)钛合金的(de)研(yan)究(jiu)得到(dao)进(jin)一步发展。近年来，国内(nei)外(wai)钛合(he)金发展(zhan)迅(xun)速，但我(wo)国与发达国(guo)家仍(reng)有一(yi)定(ding)的差(cha)距(ju)。本研(yan)究介(jie)绍了(le)钛及钛合(he)金材(cai)料(liao)的特性(xing)和加工(gong)性能特点(dian)，总(zong)结了(le)近(jin)几(ji)年(nian)其(qi)在(zai)工业领域(yu)的(de)应(ying)用(yong)和取(qu)得的成(cheng)果(guo)，同(tong)时比较(jiao)了(le)国(guo)内(nei)与(yu)国外钛(tai)及(ji)钛(tai)合(he)金应用(yong)方(fang)面(mian)的(de)差(cha)距(ju)，并对其(qi)应用进行(xing)了(le)展望。
1、钛及(ji)钛(tai)合(he)金(jin)的(de)性(xing)能特(te)点
钛及(ji)钛(tai)合金具有(you)众(zhong)多(duo)优(you)良性能，如强度高(gao)、耐蚀性强，良(liang)好(hao)的高(gao)低(di)温性能(neng)和(he)加(jia)工性能(neng)。
1.1钛及(ji)钛合金(jin)的特性
钛(tai)及钛合金(jin)特性(xing)包(bao)括(kuo)：
（1）强度(du)高，其(qi)抗(kang)拉(la)强度(du)为(wei)686~1176MPa，密度约(yue)为(wei)钢(gang)的60%。
（2）较高(gao)的(de)硬度(du)，钛(tai)合(he)金(jin)退(tui)火(huo)后的(de)洛氏硬度（HRC）为32~38。
（3）高(gao)温(wen)和(he)低(di)温性(xing)能优(you)良(liang)，例(li)如(ru)在(zai)高(gao)温条(tiao)件(jian)下(xia)，钛(tai)合金与(yu)传(chuan)统钢(gang)、铝(lv)等(deng)材料(liao)相(xiang)比，其(qi)机械性(xing)能(neng)优越(yue)，耐(nai)热性尤(you)为(wei)突出(chu)。新(xin)型耐热钛(tai)合(he)金(jin)工作(zuo)温(wen)度范围(wei)在(zai)550~600℃之间，不同(tong)温度(du)条件(jian)下，钛(tai)合(he)金的(de)强度(du)不(bu)同(tong)，低温下的(de)强度高(gao)于(yu)常温(wen)下(xia)，且韧性较好。
（4）钛(tai)的抗腐蚀性强(qiang)，在高(gao)达(da)550℃以下的空(kong)气(qi)中，钛(tai)表(biao)面会(hui)形成一(yi)层(ceng)薄(bao)且致密(mi)的(de)氧(yang)化钛膜(mo)。氧(yang)化钛膜在某(mou)些介(jie)质(zhi)（例如空(kong)气(qi)、海水等(deng)）中(zhong)耐(nai)腐(fu)蚀(shi)性能(neng)高于大多数(shu)不(bu)锈(xiu)钢，从而使(shi)钛在特(te)殊(shu)工(gong)作环境(jing)中(zhong)得到广泛(fan)应(ying)用。
1.2钛及(ji)钛合(he)金(jin)的(de)加工(gong)性能(neng)
钛合(he)金(jin)具有(you)强(qiang)度高(gao)、密度(du)小(xiao)、机(ji)械(xie)性(xing)能(neng)好(hao)、韧(ren)性和抗(kang)蚀(shi)性(xing)能佳等特点，在机械加(jia)工方面(mian)表现(xian)突(tu)出，但钛合金工艺(yi)性(xing)能较差(cha)。
1.2.1切(qie)削加(jia)工性能
钛合金具(ju)有较高的(de)强(qiang)度(du)和硬度(du)，因(yin)此(ci)需(xu)要大(da)功率的(de)加(jia)工设(she)备，模具和立柱(zhu)需(xu)要(yao)具有较(jiao)高的(de)强度和硬(ying)度。钛(tai)合(he)金(jin)的(de)切削阻力(li)是(shi)45钢的2/3~3/4，但由于(yu)其(qi)作用(yong)面积(ji)较小，容易(yi)受损，因此(ci)必(bi)须考虑设(she)备的(de)易损(sun)性(xing)。
1.2.2磨(mo)削(xue)加工(gong)性能
钛(tai)合(he)金(jin)化学(xue)性质(zhi)非常(chang)活(huo)泼，在高(gao)温(wen)工(gong)作(zuo)状(zhuang)态下，易(yi)黏附(fu)磨料，阻碍砂轮(lun)，降低磨削(xue)性能，因此(ci)在(zai)磨(mo)削(xue)加工时必须(xu)保(bao)证合理(li)的(de)温度状态(tai)。此(ci)外(wai)，由于砂轮的(de)磨(mo)损，散热条件变差(cha)，造成表(biao)层、工(gong)件(jian)局(ju)部(bu)烧伤(shang)，导(dao)致(zhi)磨(mo)削裂(lie)纹(wen)。
1.2.3挤(ji)压(ya)加(jia)工性能(neng)
挤压(ya)钛或钛合(he)金时，为预防(fang)温度(du)下(xia)降(jiang)过快，必须保证挤压温(wen)度和挤(ji)压速率(lv)足(zu)够高，同时(shi)保(bao)证(zheng)高(gao)温(wen)坯料与模(mo)具(ju)的接(jie)触(chu)时间(jian)足(zu)够短。所(suo)以(yi)，使用(yong)新(xin)型耐热(re)模(mo)具(ju)材(cai)料成为(wei)必要(yao)。此(ci)外(wai)，尽(jin)可(ke)能采(cai)取(qu)保护(hu)措(cuo)施(shi)，防(fang)止(zhi)操(cao)作过(guo)程(cheng)中(zhong)的金属被气(qi)体污(wu)染。
1.2.4锻(duan)造加(jia)工性能(neng)
锻(duan)造(zao)工艺(yi)参(can)数的变(bian)化(hua)对钛合金影响非常(chang)大[5]。锻造(zao)温(wen)度、变形(xing)和冷(leng)却(que)速(su)率的(de)变化会(hui)改变(bian)钛(tai)合金的(de)组(zu)织和(he)性能。近(jin)年来，为(wei)了(le)保证锻件(jian)组织(zhi)和性能(neng)的优(you)异性(xing)，钛(tai)合(he)金(jin)锻(duan)件(jian)广(guang)泛(fan)采(cai)用(yong)热锻、等(deng)温锻(duan)造(zao)等(deng)先(xian)进(jin)锻造技(ji)术[6]。
2、钛(tai)及钛(tai)合(he)金(jin)工业(ye)运行情况
据(ju)中国有色(se)金属工业(ye)协(xie)会钛(tai)锆铪(ha)分会(hui)统计(ji)，我(wo)国钛(tai)材(cai)用(yong)量最大(da)的领(ling)域(yu)为化(hua)工(gong)行业，其次为航(hang)空(kong)航天(tian)行(xing)业。2022年(nian)，化(hua)工领(ling)域用钛(tai)量(liang)为7.3万t，占比50%；航(hang)空(kong)航(hang)天用钛量为(wei)3.3万(wan)t，占(zhan)比(bi)23%。医药、船(chuan)舶(bo)领(ling)域(yu)用钛量相(xiang)对较(jiao)低，但增(zeng)速都在(zai)30%以(yi)上(shang)[7]。冶金(jin)、电(dian)力(li)、制盐、体育(yu)休(xiu)闲(xian)、海(hai)洋工程(cheng)等领(ling)域(yu)由(you)于下游(you)行(xing)业周(zhou)期(qi)波(bo)动，用钛量(liang)均(jun)出(chu)现不(bu)同程度(du)的下(xia)降。
2.1产量
钛(tai)及钛(tai)合(he)金的(de)产(chan)量(liang)变化(hua)与(yu)整(zheng)个工业(ye)领(ling)域(yu)用钛(tai)及钛合金的量息息(xi)相关。2020年，受新(xin)冠病毒(du)肺(fei)炎疫情影(ying)响(xiang)，全(quan)球(qiu)钛(tai)材料(liao)需(xu)求(qiu)量大(da)幅(fu)缩(suo)减(jian)，导致(zhi)国(guo)际钛(tai)材产(chan)量(liang)大(da)幅(fu)减少。以(yi)俄罗(luo)斯(si)为例，钛加(jia)工(gong)材料年(nian)产量仅(jin)为(wei)2.6万t，较2019年(nian)下(xia)降(jiang)23.5%。2020年，我国(guo)钛工(gong)业(ye)表(biao)现突(tu)出(chu)，钛加工材(cai)料(liao)产量近(jin)10万(wan)t，占(zhan)世界(jie)钛加(jia)工(gong)材料(liao)产量的50%以上；2021年(nian)和(he)2022年(nian)，我国(guo)钛(tai)工(gong)业(ye)材料(liao)产(chan)量连(lian)续两年(nian)突(tu)破10万t，分别(bie)为(wei)13.59，15.10万t，钛产品产(chan)量(liang)稳(wen)居世(shi)界(jie)第(di)一(yi)。图1为(wei)2013年(nian)—2022年(nian)中(zhong)国钛(tai)加工(gong)材料(liao)产(chan)量变化情况。
2.2产业(ye)结(jie)构(gou)
钛(tai)产业(ye)链主要分(fen)为有(you)色(se)金(jin)属(shu)和化(hua)学涂料，具体如表(biao)1所(suo)示(shi)。
以(yi)上(shang)两(liang)种产(chan)业链(lian)共享钛(tai)铁(tie)矿(kuang)和金红(hong)石(shi)等资源(yuan)。世(shi)界(jie)上超过90%的钛(tai)精(jing)矿用(yong)于(yu)钛白(bai)粉的制(zhi)造(zao)，仅有5%的钛(tai)精矿用于海绵钛制造(zao)。
3、工业钛及钛合(he)金的(de)应(ying)用
随(sui)着中(zhong)国工(gong)业(ye)向(xiang)高精(jing)尖(jian)领域进军(jun)，钛及(ji)钛(tai)合金(jin)在国(guo)民(min)经济(ji)中的(de)地位越来(lai)越(yue)重(zhong)要(yao)，广泛(fan)应(ying)用(yong)于航空航天、海(hai)洋工程、化(hua)学(xue)工(gong)业、石(shi)油(you)工(gong)业(ye)等(deng)领域(yu)。因比强度(du)高，耐蚀性(xing)、低温性(xing)能(neng)好，化(hua)学活(huo)性(xing)大等(deng)特(te)点，同(tong)素异构(gou)转(zhuan)变(bian)温度(du)为882℃，钛(tai)合(he)金(jin)分为α，α+β，β3类，工(gong)业纯钛(tai)分(fen)TA1，TA2，TA3，TA4，钛-钯(ba)合(he)金(jin)TA9，TA10（钛-钼-镍(nie)合(he)金）。作(zuo)为活(huo)性(xing)金属(shu)，在清理(li)和(he)保(bao)护良(liang)好(hao)的(de)情况下(xia)，钛具有良(liang)好的(de)焊(han)接(jie)性(xing)能(neng)。
3.1航空航(hang)天
航空航天(tian)领(ling)域在工(gong)业(ye)体系中意义非凡(fan)。在(zai)人(ren)类迈(mai)向太空(kong)的(de)过程(cheng)中，钛(tai)及钛(tai)合金（轻质(zhi)、耐(nai)高温(wen)）扮(ban)演(yan)着(zhe)重要(yao)作用(yong)。钛(tai)及钛(tai)合金被称为“太(tai)空(kong)金属(shu)”，被各(ge)国广泛(fan)应用(yong)于制(zhi)造飞机(ji)叶(ye)片(pian)、机身(shen)、飞(fei)机(ji)涡轮(lun)盘(pan)等(deng)结(jie)构(gou)部(bu)件。黄(huang)文君等(deng)[8]通(tong)过对(dui)航(hang)空领域(yu)用(yong)钛及钛(tai)合(he)金材(cai)料(liao)发展进行(xing)研(yan)究(jiu)，发现(xian)钛(tai)合(he)金(jin)是(shi)航(hang)空(kong)发(fa)动机关键部件(jian)原料，且其高性(xing)能价(jia)值(zhi)应(ying)用(yong)广(guang)泛(fan)。钛及钛(tai)合金在航(hang)空(kong)领(ling)域得到广泛(fan)应(ying)用，尤其(qi)是(shi)在(zai)航(hang)空发动机方面(mian)，其(qi)应(ying)用领域(yu)有鼓筒(tong)、压(ya)气(qi)机机匣(xia)、高(gao)压(ya)压(ya)气机转子(zi)、叶片(pian)等。现(xian)代(dai)涡(wo)轮(lun)发(fa)动机(ji)结构(gou)质(zhi)量的(de)30%左(zuo)右采用钛合金(jin)材料制(zhi)造。
3.2海(hai)洋工(gong)程(cheng)
在(zai)海洋(yang)工程(cheng)中(zhong)，钛(tai)及(ji)钛合(he)金(jin)被称(cheng)为“海(hai)洋金属(shu)”。在海水中，钛比(bi)其(qi)他金(jin)属(shu)的(de)抗(kang)腐(fu)蚀性(xing)能优(you)越，因(yin)此(ci)钛(tai)及(ji)钛合(he)金是海上设备(bei)及装(zhuang)置(zhi)的理想材料(liao)，特(te)别(bie)适(shi)于(yu)制(zhi)造轻型(xing)海(hai)工装(zhuang)备(bei)。钛(tai)及钛合(he)金(jin)强(qiang)度(du)大、质(zhi)量轻，在各(ge)种(zhong)舰船(chuan)中广泛(fan)应用。其(qi)应用(yong)主(zhu)要(yao)集(ji)中在(zai)中国、俄(e)罗(luo)斯、美国(guo)、日(ri)本(ben)等，且经(jing)过(guo)历(li)代科研工作者(zhe)研究(jiu)，各(ge)国(guo)已(yi)经(jing)形成(cheng)适(shi)应(ying)本国发展的船(chuan)用(yong)钛合(he)金(jin)体系(xi)。孙(sun)静(jing)等[9]总结了(le)近年来(lai)钛及(ji)钛(tai)合(he)金设(she)备在海(hai)水中的腐(fu)蚀情(qing)况，发现(xian)腐蚀磨损是影响(xiang)钛合(he)金设(she)备(bei)应用的主(zhu)要因(yin)素。据(ju)报道(dao)，近年(nian)来我国由腐蚀造(zao)成的损失居(ju)高不下(xia)，大约为GDP的(de)5％，远(yuan)高于美(mei)国(guo)的(de)3.4％和(he)日本的不(bu)足3％[10]。为(wei)了海洋工(gong)程(cheng)的发展(zhan)，必(bi)须把防(fang)止(zhi)钛合(he)金(jin)腐(fu)蚀(shi)磨损作(zuo)为重要(yao)研究内容(rong)。
3.3化(hua)学(xue)工业
除个(ge)别(bie)介(jie)质(zhi)外，钛(tai)具有优异(yi)的(de)稳(wen)定性。因此(ci)，钛也是优(you)良(liang)的(de)耐腐(fu)蚀(shi)材(cai)料之一(yi)。例如(ru)，使(shi)用(yong)钛阳极(ji)和(he)钛湿(shi)氯(lv)冷却器在(zai)氯碱(jian)行业(ye)中(zhong)进行(xing)电解，经(jing)济(ji)效(xiao)益明(ming)显，被(bei)称为“氯(lv)碱(jian)工业的(de)革(ge)命(ming)”。我国氯(lv)碱行业的(de)钛阳极电(dian)解(jie)槽(cao)与(yu)常(chang)规石(shi)墨(mo)不(bu)同(tong)，其(qi)应用(yong)取得了(le)显(xian)著成(cheng)效(xiao)，与(yu)阳极电解槽(cao)相比，每(mei)年可节(jie)省(sheng)3亿(yi)元以(yi)上(shang)，寿命可延(yan)长(zhang)40倍以(yi)上[11]。李(li)伟(wei)等[12]对(dui)燃料电(dian)池(chi)中(zhong)钛双极研究(jiu)进展(zhan)进行(xing)归(gui)纳(na)，发现(xian)钛双极(ji)板表面(mian)改(gai)性技(ji)术的研究(jiu)成果包含(han)钛(tai)表面(mian)涂(tu)覆(fu)金属(shu)基(ji)涂(tu)层、碳基涂(tu)层和(he)掺(can)杂(za)合(he)金(jin)元素(su)三(san)大类，对(dui)钛双极(ji)板电池寿命(ming)的认(ren)识明显加深。因(yin)此(ci)对钛(tai)合金(jin)的研究(jiu)不(bu)仅表(biao)现(xian)在传(chuan)统技(ji)术(shu)上，还(hai)要加大对(dui)新型(xing)技(ji)术(shu)的创新(xin)。
3.4石油(you)工业
除甲(jia)酸、三(san)氯(lv)乙(yi)酸、草(cao)酸、乙酸(suan)、三氟乙酸(suan)之(zhi)外(wai)，对(dui)有机(ji)化合物而言(yan)，钛(tai)整(zheng)体(ti)表(biao)现出(chu)极好(hao)的稳定性(xing)。因此(ci)，钛(tai)板(ban)是优(you)良(liang)的结构(gou)材料(liao)，可(ke)用(yong)于(yu)压(ya)力容器(qi)等设备制(zhi)造。陈雁等[13]利(li)用卧式钛(tai)制反(fan)应(ying)器(qi)与(yu)传统搅(jiao)拌(ban)槽(cao)反(fan)应器进(jin)行(xing)了微(wei)观(guan)物料(liao)混合的(de)比较，结果(guo)表明(ming)钛制反应(ying)器比传(chuan)统(tong)搅(jiao)拌(ban)器(qi)混合效(xiao)果(guo)明显。李献(xian)军(jun)等[14]通(tong)过(guo)分析钛(tai)及(ji)钛(tai)合(he)金(jin)在(zai)油(you)气(qi)开(kai)采中的应(ying)用，介绍(shao)了(le)近几(ji)年宝(bao)鸡钛(tai)业股份(fen)有(you)限(xian)公(gong)司钛(tai)材(cai)开发情(qing)况(kuang)。图(tu)2所示为(wei)石油工(gong)业(ye)中(zhong)常(chang)用的卧式(shi)钛制反(fan)应(ying)器。经(jing)过分(fen)析(xi)压(ya)力容(rong)器(qi)产(chan)品(pin)损(sun)耗(hao)，发(fa)现钛-钢(gang)复(fu)合(he)材(cai)料(liao)反应釜(fu)、塔器等设(she)备强度性(xing)能优异，大大(da)满(man)足了客户对产(chan)品(pin)寿(shou)命(ming)的要求(qiu)。
4、结语(yu)
近些(xie)年我(wo)国(guo)钛(tai)及钛(tai)工(gong)业(ye)大(da)跨步(bu)前进，并(bing)且(qie)在基础研(yan)究、对口专业领域(yu)等方面突破(po)了国外钛(tai)工业(ye)大国(guo)（俄、美、日）的技术封(feng)锁，发展(zhan)前(qian)景(jing)乐观(guan)。为进一(yi)步(bu)推动我国钛工业(ye)的高(gao)质量发展，针(zhen)对(dui)我国(guo)钛(tai)工(gong)业(ye)提出如(ru)下(xia)几点(dian)建(jian)议：
（1）深入基(ji)础(chu)研(yan)究。实时(shi)跟(gen)进(jin)和积极开(kai)展(zhan)金(jin)属钛提(ti)取新技(ji)术(shu)（例如(ru)钛(tai)及(ji)钛合(he)金粉(fen)末近(jin)净成型技(ji)术(shu)、钛(tai)合(he)金激(ji)光冲(chong)击(ji)强化(hua)技术及钛(tai)复合材(cai)料制备技术等）的(de)研究(jiu)，完(wan)善(shan)钛(tai)生(sheng)产(chan)工(gong)艺(yi)和(he)设(she)备(bei)更新等，为(wei)我(wo)国钛(tai)工业(ye)体系打下(xia)坚实的基础(chu)。
（2）大力(li)开发(fa)对口(kou)领(ling)域(yu)专用的钛及钛(tai)合(he)金，例(li)如口腔医(yi)疗(liao)领(ling)域(yu)专用的(de)钛(tai)及钛合金、航(hang)空(kong)航天(tian)领(ling)域新型(xing)钛合金，实(shi)现(xian)专(zhuan)业(ye)对口(kou)系统(tong)化(hua)。
（3）把满(man)足(zu)钛合(he)金高(gao)端需(xu)求(qiu)作为(wei)重点(dian)发(fa)展方(fang)向(xiang)。美国(guo)、日本(ben)的钛(tai)材(cai)应(ying)用(yong)在(zai)航(hang)空航(hang)天领域(yu)分(fen)别(bie)占(zhan)60%、10%以上(shang)，我(wo)国(guo)虽然(ran)稳(wen)步增(zeng)加，但是与发(fa)达国家(jia)仍(reng)有(you)差距。因此，在(zai)当前(qian)政(zheng)策(ce)下，钛(tai)行(xing)业(ye)企(qi)业(ye)应(ying)该进行产业升级，牢牢(lao)把(ba)握(wo)钛(tai)合(he)金高(gao)端需求。
（4）响应(ying)国家(jia)发展(zhan)战(zhan)略，发(fa)展新(xin)兴(xing)领域市(shi)场，延(yan)伸(shen)产业(ye)链，涉(she)足(zu)新型加(jia)工(gong)领域(yu)，如口腔医疗和制药行业(ye)等。
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相(xiang)关(guan)链(lian)接
