一、 钛和钛合金的种类及特点 1.1 钛的起源及特点 钛是 20 世纪 50 年代发展起来的一种重要的结构金属， 钛合金因 具有比强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。 世界上许多国家都认识到钛合金材料的重要性， 相继对其进行研究开 发，并得到了广泛应用。 钛是一种新型金属，钛的性能与所含碳、氮、氢、氧等杂质 含量有关，最纯的碘化钛杂质含量不超过 0.1%，但其强度低、塑 性高。99.5%工业纯钛的性能为：密度ρ =4.5g/立方厘米，熔点为 1725℃，导热系数λ =15.24W/(m.K)，抗拉强度σ b=539MPa，伸长 率δ =25%，断面收缩率ψ =25%，弹性模量 E=1.078×105MPa，硬 度 HB195。钛是同素异构体，熔点为 1668℃，在低于 882℃时呈 密排六方晶格结构，称为α 钛；在 882℃以上呈体心立方晶格结 构，称为β 钛。 1.2 钛合金的种类及特点 1.2.1 钛合金的种类 钛是同素异构体，熔点为 1668℃，在低于 882℃时呈密排六 方晶格结构，称为α 钛；在 882℃以上呈体心立方晶格结构，称 为β 钛。钛合金是以钛为基础加入其他元素组成的合金，利用钛 的上述两种结构的不同特点，添加适当的合金元素，使其相变温
度 及 相 分 含 量 逐 渐 改 变 而 得 到 不 同 组 织 的 钛 合 金 （ titanium alloys）。室温下，钛合金有三种基体组织，钛合金也就分为以 下三类：α 合金,(α +β )合金和β 合金。中国分别以 TA、TC、TB 表示，另外钛铝金属间化合物（TixAl，此处 x=1）作为一种特殊的 钛合金也被广泛的应用。 1.2.1.1α 钛合金 它是α 相固溶体组成的单相合金，不论是在一般温度下还是 在较高的实际应用温度下，均是α 相，组织稳定，耐磨性高于纯 钛，抗氧化能力强。在 500℃～600℃的温度下，仍保持其强度和 抗蠕变性能，但不能进行热处理强化，室温强度不高。 1.2.1.2β 钛合金 它是β 相固溶体组成的单相合金，未热处理即具有较高的强 度，淬火、时效后合金得到进 一步强化，室温强度可达 1372～ 1666 MPa；但热稳定性较差，不宜在高温下使用。 1.2.1.3α +β 钛合金 它是双相合金，具有良好的综合性能，组织稳定性好，有良 好的韧性、塑性和高温变形性能，能较好地进行热压力加工，能 进行淬火、时效使合金强化。热处理后的强度约比退火状态提高 50%～100%；高温强度高，可在 400℃～500℃的温度下长期工作， 其热稳定性次于α 钛合金。
三种钛合金中最常用的是α 钛合金和α +β 钛合金； 钛合金 α 的切削加工性最好，α +β 钛合金次之，β 钛合金最差。α 钛合金 代号为 TA，β 钛合金代号为 TB，α +β 钛合金代号为 TC。 1.2.2 钛及钛合金的特点 钛及钛合金因其具备密度小、比强度高、热强度高、抗蚀性好、 低温性能好、化学活性大、导热系数小、弹性模量小、吸气性能 优良等特点。 1.2.2.1 比强度高 钛合金的密度一般在 4.51g/立方厘米左右，仅为钢的 60%， 纯钛的强度才接近普通钢的强度，一些高强度钛合金超过了许多 合金结构钢的强度。 因此钛合金的比强度(强度/密度)远大于其他 金属结构材料，见表 7-1，可制出单位强度高、刚性好、质轻的 零、部件。目前飞机的发动机构件、骨架、蒙皮、紧固件及起落 架等都使用钛合金。
1.2.2.2 热强度高
使用温度比铝合金高几百度，在中等温度下仍能保持所要求 的强度,可在 450～500℃的温度下长期工作这两类钛合金在 150℃～500℃范围内仍有很高的比强度，而铝合金在 150℃时比 强度明显下降。钛合金的工作温度可达 500℃，铝合金则在 200℃ 以下。 1.2.2.3 抗蚀性好 钛合金在潮湿的大气和海水介质中工作，其抗蚀性远优于不 锈钢；对点蚀、酸蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强；对碱、氯化物、 氯的有机物品、硝酸、硫酸等有优良的抗腐蚀能力。但钛对具有 还原性氧及铬盐介质的抗蚀性差。 1.2.2.4 低温性能好 钛合金在低温和超低温下，仍能保持其力学性能。低温性能 好,间隙元素极低的钛合金,如 TA7,在-253℃下还能保持一定的 塑性。因此，钛合金也是一种重要的低温结构材料。 1.2.2.5 化学活性大 钛的化学活性大，与大气中 O、N、H、CO、CO2、水蒸气、氨 气等产生强烈的化学反应。含碳量大于 0.2%时，会在钛合金中形 成硬质 TiC；温度较高时，与 N 作用也会形成 TiN 硬质表层；在 600℃以上时，钛吸收氧形成硬度很高的硬化层；氢含量上升，也 会形成脆化层。吸收气体而产生的硬脆表层深度可达 0.1～0.15
mm，硬化程度为 20%～30%。钛的化学亲和性也大，易与摩擦表面 产生粘附现象。 1.2.2.6 导热系数小、弹性模量小 钛的导热系数λ =15.24W/（m.K）约为镍的 1/4，铁的 1/5， 铝的 1/14， 而各种钛合金的导热系数比钛的导热系数约下降 50%。 钛合金的弹性模量约为钢的 1/2，故其刚性差、易变形，不宜制 作细长杆和薄壁件，切削时加工表面的回弹量很大，约为不锈钢 的 2～3 倍，造成刀具后刀面的剧烈摩擦、粘附、粘结磨损。 1.2.3 钛合金的种类 目前， 世界上已研制出的钛合金有数百种， 最著名的合金有 20～ 30 种，如 Ti-6Al-4V、Ti-5Al-2.5Sn、Ti-2Al-2.5Zr、Ti-32Mo、 Ti-Mo-Ni、 Ti-Pd、 SP-700、 Ti-6242、 Ti-1023、 Ti-10-5-3、 Ti-1023、 BT9、BT20、IMI829、IMI834 等。 1.3 钛材的主要类型及用途 根据加工生产的需要，钛材主要具有以下几种类型：钛棒、 钛板、钛丝、钛带、钛管、钛锭等。 1.3.1 钛棒的主要用途 钛棒主要用于机械设备、电镀设备、医用、各种精密机件等行 业。 1.3.2 钛板的主要用途
钛板主要用于电子、化工、钟表、眼镜、首饰、体育用品、机 械设备、电镀设备、环保设备、高尔夫球及精密加工等行业。 1.3.3 钛丝的主要用途 钛丝主要用于军工、医用、体育用品、眼镜、耳环、头饰、电 镀挂具、焊丝等行业。钛丝按产品用途可分为两类：结构件丝，主 要用于结构件和紧固件的丝材：焊丝，主要用于电极材料和焊接材 料的丝材。利用钛丝的耐腐蚀性能高，换热性能好，抗阻尼性能强、 无磁性、无毒、弹性模量低、耐高、低温等特性，广泛用于各种机 械、电器、空调，过滤器等场合 1.3.4 钛管的主要用途 钛管主要用于环保设备、冷却管、钛发热管、电镀设备、戒指及 各种精密电器用管等行业。 1.3.5 钛带的主要用途 钛带主要用于在核电厂，食品加工厂，炼油厂换热器，船用零件 和医疗假肢等。 1.3.6 钛锭的主要用途 钛锭主要终于各种钛材、合金钛材及锻件、铸件的制作等。
二、 钛及钛合金的用途及应用领域 2.1 钛及钛合金的主要用途及国内钛及钛合金产业状况
钛及钛合金因其具备密度小、比强度高、弹性模量低、导热系数 小、抗拉强度与屈强度接近、无磁性无毒、耐热性能好、耐低温性能 好、吸气性能和耐腐蚀性能优良等特点，已成为全球新兴的优质耐蚀 轻型结构材料、新型功能材料和重要的生物工程材料，广泛应用于航 空航天、兵器、化学、冶金、舰船工业、海洋开发和医疗卫生、记忆 合金和超导储存材料， 其它还用于如制盐、 眼镜架、 钟表等民用制品， 被誉为继铁、铝之后的“第三金属”“未来金属”和“全能金属” 、 。 钛材的应用量已经成为衡量一个国家综合国力强弱的重要指标。 中国 于 1956 年开始钛和钛合金研究；60 年代中期开始钛材的工业化 生产并研制成 TB2 合金。经过近 60 年的研究发展，目前我国钛材 工业化程度相当成熟，国内拥有钛及钛合金生产企业二十余家， 2011 年度产能近 10 万吨，钛材加工企业 200 多家，钛设备生产企 业 300 多家。 2.2 钛及钛合金的应用领域 作为全球新兴的优质耐蚀轻型结构材料、 新型功能材料和重要的 生物工程材料，太及钛合金已广泛应用于航空航天、兵器、化学、冶 金、舰船工业、海洋开发和医疗卫生、记忆合金和超导储存材料，其 它还用于如制盐、眼镜架、钟表等民用制品。 2.2.1钛及钛合金在航天工业及军工领域的应用 钛及钛合金因其具备密度小、比强度高、弹性模量低、导热系数 小、抗拉强度与屈强度接近、无磁性无毒、耐热性能好、耐低温性能 好、吸气性能和耐腐蚀性能优良等特点，已成为目前国际航空工业
及军工产业发展必不可少的材料，据统计因航天工业及军工产业 的发展的需要，钛工业以平均每年约 15%的增长速度发展。目前 世界钛合金加工材年产量已达30万余吨,钛合金牌号近40种。 使用 最广泛的钛合金是Ti-6Al-4V(TC4),Ti-5Al-2.5Sn(TA7)和工业纯 钛（TA1、TA2和TA3）。 2.2.1.1 钛及钛合金在航空航天产业中的应用 钛及钛合金主要应用喷气发动机部件、机身部件、火箭、人造卫 星、导弹等部件，我国将航空航天、大型飞机、登月作为“国家中长 期科技专项规划” 重大专项项目， 钛工业的发展是其重要的组成部分。 钛及其合金的比强度（强度与重量比）在金属结构材料中是很高 的，它的强度与钢材相当,但其重量仅为钢材的57%。另外,钛及其合 金的耐热性很强,在500℃的大气中仍能保持良好的强度和稳定性,短 时间工作温度甚至还可更高些。而铝在150℃、不锈钢在310℃就失去 原有的机械性能。当飞机、导弹、火箭高速飞行时，其发动机和表面 温度相当高，铝合金已不能胜任，这时,采用钛合金是十分合适的。 正是由于钛及其合金具有强度大、 重量轻、 耐热性强的综合优良性能， 在飞机制造中用它来代替其它金属时，不仅可延长飞机使用寿命，而 且可以减轻其重量，从而大大提高其飞行性能。所以，钛是航空工业 和宇宙工业中最有前途的结构材料之一。 在飞机制造工业上，要求制造所用的材料，既质轻，又强度大。 一般是用比强度（材料的强度和比重的比值）来表示它，这个比值越 大越好， 而钛正符合这个要求。 钛的比强度是目前使用材料中最大的，
是不锈钢的3倍，是铝合金的1.3倍。所以，在飞机制造工业上，很重 视钛这个材料。随着航空工业的发展，飞机的飞行速度越来越快。速 度越快、 飞机跟空气摩擦产生的飞机表面温度就越高， 当速度达到2.2 倍音速的时候，铝合金已经不能胜任，而用钢又太重，只有采用钛合 金来制造，所以有人说，如果没有钛合金作为制造材料，就不能发展 2.5倍音速以上的超音速飞机。 火箭、人造卫星和宇宙飞船在宇宙航行中，飞行速度比飞机要快 得多，并且工作环境变化更大，所以对材料的要求也更高、更严格。 比如，用火箭把载人的宇宙飞船运到月球上去，要经历从高温到超低 温的过程。在返回地面的时候，又从超低温进入高温，当飞船进入大 气层的时候，飞船表面温度上升到540℃-650℃。制造宇宙飞船的材 料， 必须适应这样剧烈的温度变化， 而钛合金能满足这些要求。 从1957 年开始，钛材料大量在宇宙航行上使用，主要用来作火箭的发动机壳 体，人造卫星的外壳、紧固件、燃料储箱、压力容器等；还有飞船的 船舱、骨架、内外蒙皮等。在宇宙航行上，使用了钛以后，可以大大 减轻飞行器的重量。从经济效果来看，由于结构重量的减轻，能够大 量节省燃料，同时可以大大降低火箭和导弹的建造和发射费用。 2.2.1.2 钛及钛合金在国防军工领域的应用 在美国F-22先进战斗机上大约有54个精铸件， 大多是关键性强度 高的铸件。最著名的是所谓前、后“体侧”(Side-of-body)、铸件， 即机翼与机身的接头件，这是飞机上最大的铸件，经切削加工且分别 重87和58公斤。每一机翼上有14个较小的铸件，多是用其它方式不能
有效生产的零件。如无油舱隔，又如方向舵驱动器的壳体。 F-22的 阻拦钩的整流罩原来是由6-4-Ti薄板超塑成形，新近改成Ti-62-42 合金，使成本下降50%以上，改进了强度性能，降低了重量，提高了 对发动机喷管偶而出现的燃气冲刷的热稳定性。 F-22上的锻压器中 大约2/3为Ti-6-4ELI，最大的锻件是中、后机身隔框，其中4个中机 身隔框是目前最大锻件的代表，5个后机身框架锻件是分段组成的， 由上中央的H形框与两个T形框组成。 机身的很大一部分为焊接件， 前后梁结构是由腹板加强的Ti-6-4型板与框架经电子束焊接而成， 包 含3556厘米长的周向及纵向焊缝， 是航空航天工业的最复杂的结构焊 接之一。 发动机舱门由钎焊的蜂窝芯子与壁型板组成，面板为 6-4-Ti， 芯子为Ti-3-2.5， 两者之间的连接采用 “液体界面扩散” (LID) 钎焊技术，利用Ni-Ti共晶温度低的特点来减少型板的热暴露。 Ti-3-2.5的成形性好、强度低，也用在液压管道中。 美国的Froes博士曾发表文章报道了美国军用车辆及战车中用低 成本钛代替均质装甲钢(RHA)的情况。 用Ti-6Al-4V合金制作了M2战车 的指挥舱及顶部防护装甲、M1A2主战坦克上的两个部件及XM777 155mm超轻型便携式榴弹炮的架尾和反冲气缸。而且美国一直把研究 重点放在未来的战车系统上， 最近则集中在对可以满足预期冲击破坏 性能的新型装甲材料的研究上。人们对钛装甲的研究颇多，主要目的 有2个，一是扩大钛装甲在遭受破坏威胁时的防弹性能数据；利用单 一电子束冷炉床技术生产钛合金，研究各种低成本的形变热处理工 艺，与此同时，还对战车用厚装甲的焊接和焊接修补进行了研究。
2.2.2钛及钛合金在民用行业中的应用 钛及钛合金除了在航天工业及军工领域被广泛的使用外， 在民用 行业中也得到了广泛的应用，如化工、冶金、医疗、体用用品等。 2.2.2.1 钛及钛合金在化工产业中应用 钛具有高耐腐蚀性的特点，广泛利用于各种化工行业防腐设备 中，如石油精炼设备、换热器等；运用行业有(1)在含硫和含盐高的 原油炼制中，钛制设备是比较理想的。国外在常压蒸馏装置、污水处 理设备、 脱硫分离塔的冷凝器和汽提塔的散热器等许多工序都成功选 用钛制设备多年。我国也已在该系统中采用铸钛海水泵、催化裂化分 馏中的钛制冷凝器、深冷分离钛冷凝器和多孔钛板等，都已正常操作 运行十年以上。(2)氯化烃是石油化工的最大品种之一。由于涉及到 氯化反应， 不锈钢设备已难胜任。 国外已用钛材制造二氯甲烷精馏塔， 三氯乙烷换热器、冷凝塔和分馏塔，三氯乙烯冷凝塔，过氯乙烯换热 器和多氯化物盘管加热器等。我国在氯乙烯生产中，冷却塔、废水汽 提塔和废水贮罐的塔板支承架、接管、法兰密封面，采用了Ti-0.2Pd 的衬里，已使用近十年未见腐蚀。而钛管道、接头和气体分布器等都 已采用钛材多年。(3)苯酚是石油化工的重要原料，以炼油气中的丙 烯和苯为原料，从异丙苯、过氧化异丙苯得到苯酚和丙酮，是一项新 工艺。国外在十几年前就采用钛设备，我国此项工艺尚在开发之中。 旧工艺用苯磺化碱溶液生产苯酚，我国已采用钛制中和反应釜、钛盘 管冷却器和离子氮化钛的搅拌器轴套，效果很好。(4)在乙烯氧化成 乙醛、乙醛氧化成乙酸和丙烯氧化合成丙酮的装置中，除原料和产品
有一定腐蚀性外，主要腐蚀介质是催化剂，不锈钢在其中腐蚀很快， 唯有钛具有良好耐蚀性。 早在1963年美国就在乙烯氧化制乙醛生产中 应用钛获得成功。 我国第一套乙烯氧化制乙醛装置已于1976年投入使 用，至今钛设备的运行情况良好。国外衬钛反应器高达9.6m、直径为 3m，还有换热器、催化剂再生塔、乙醛溶液冷却器等11台钛设备。我 国在80年代以后， 上海和吉林都分别引进国外的乙烯氧化制乙醛的成 套设备， 其中许多设备和泵阀等都用钛制造， 较之不锈钢有明显优点， 使用效果十分满意。丙烯氧化制丙酮的定型设计，钛设备有12台，一 座年产3万吨丙酮的工厂，钛设备达40t。(5)乙醛氧化制乙酸是我国 的通用工艺，现已采用钛材作为高沸物再沸器，一级品醋酸塔再沸器 和冷凝冷却器等多种设备。国外在精馏塔、分馏塔和蒸馏塔等都采用 了钛设备。尤其在低级烷烃氧化制乙酸时副产品较多，甲酸含量达 8％，腐蚀性极强，此时用钛代替不锈钢，效果十分理想。(6)对苯二 甲酸是合成涤纶的原料，工业上用对二甲苯氧化法制取。不论高温氧 化还是低温氧化均存在乙酸和溴化物的高温腐蚀，在温度高于135℃ 的介质中，316L不锈钢经过几十小时即发生点蚀。故设计规范规定在 135℃以上必须使用钛材。北京石化总厂引进全套钛设备，包括氧化 反应釜、溶剂脱水塔、加热器、冷凝器、再沸器等16台。南京扬子石 化公司引进年产45万吨对苯二甲酸装置,有56台钛设备和大量钛管道 阀门。 上海石化总厂引进的氧化反应釜高32m， 上直径4m， 下直径5.3m， 容积为505m，设备自重达175t。使用钛材效果很好，推广应用前景光 明。(7)尿素是优质化肥，又是石油化工的原料。自1963年第一台衬
钛尿素合成塔投产以来，目前已有近万台设备在全世界运行，实践表 明衬钛合成塔无明显腐蚀。而316L不锈钢的折算腐蚀速度为 4.1-4.5mm/a。因此钛材比不锈钢具有更好的经济效益。除了衬钛尿 素合成塔外，国内从70年代以来，先后使用了C02汽提塔、换热器、 混合器和泵阀等。钛在石油化工中应用广泛，实例不胜枚举 。 2.2.2.2钛及钛合金在海水淡化中应用 原海水淡化设备导热管主要用铜合金管， 由于铜合金管存在很多 不足， 现已被可靠性高且免于维护的钛管所替代。 主要原因在于： (1) 钛管的壁厚，导热管壁厚由使用条件，管板材料、扩管作业的施工能 力、 管端的焊接技术等来决定， 由于导热管直径小， 对强度要求不高， 因此实际使用中采用壁厚较薄的管材，一般，铜合金管等壁厚为 0.9mm-1.2mm；用钛管代替，在腐蚀性小的地方，可用壁厚为0.3mm 的薄壁焊管。（2)钛管的导热性，由于导热管的材质不同，热导率也 不同，如钛为17W／(m·k)，铝黄铜为lOOW/（m·k），90/10白铜为 47W（m·k），70/30白铜为29W/(m·k)，因此，可通过壁厚的变化控 制导热管的导热效果。在以上材料中，钛的热导率最小．如使用薄壁 钛焊管，导热性虽然比铝黄铜差，但与90/10白铜相当，比70/30白铜 的要好。(3)钛管的经济性，钛管的单位质量价格比铜合金贵2-6倍， 但从性价比上考虑，钛管价格可与铜合金管抗衡，由于钛的密度低， 壁厚相同时，同等长度的钛管质量只是铜合金管的50％，当钛管壁厚 为铜合金管的50％时，相同传热面积的钛管质量仅为铜合金管的 1/4．按目前的价格水平，采用薄壁钛焊管的整体价格与铝铜管相同，
比白铜管还便宜．可见，钛管在价格方面是有竞争力的。 2.2.2.3钛及钛合金在能源领域的应用 钛在煤炭、电力(核电和火电)、油气和太阳能等工业中得到了应 用。 (1)煤矸石的利用是变废为宝的创举。 煤矸石是采煤中的废弃物， 估计全国已有数亿吨之巨。 我国从1972年就开始利用煤矸石生产氯化 铝或硫酸铝。在更新工艺中，不锈钢浓缩器的腐蚀相当严重，我国自 制钛反应釜、搅拌器和盘管加热器(氯化铝用)和浓缩加热器（硫酸铝 用）已有十年以上的运转实践。 (2)滨海电站凝汽器用薄壁钛管。 60年代之前均采用铝黄铜或B30 白铜管，随着海水污染日趋严重，使用寿命明显下降。早在60年代英 国就已使用全钛凝汽器，70年代日本推出薄壁(0.3-0.5mm)焊接钛管 的凝汽器，成本大幅度下降。直至1987年，工业发达国家已有30％采 用钛凝汽器。由于核电站对于安全运行可靠性要求特别高，所以尤其 重视钛凝汽器的使用，大部分采用薄壁焊接钛管和无缝钛管。我国在 70年代后期开始试验国产钛管。1983年以来，先后在浙江台州电厂、 上海金山热电厂、浙江镇海电厂等9个电厂采用18台全钛凝汽器，共 用钛管700t，使用效果十分理想。 （3）油气钻采中，英国在深600m、262℃的含5％H2S和25％NaCl 中，使用了钛制钻采设备。前苏联采用了钛泵、钛阀和钛制冲洗盐水 设备。我国在天然气井口为解决600—700atm的高温H2S、C02和水蒸 汽的腐蚀，使用了Ti的阀板、阀座和阀杆，长期使用效果甚好。
(4)海上油气开采要长期承受海水腐蚀和应力腐蚀。国外广泛采 用Ti作为石油平台支柱、绳索支架、海水循环加压系统的高压泵、提 升管及联结器等。因为Ti不仅耐海水腐蚀，而且具有高韧性、高屈服 强度和高疲劳极限。最近国外选择钛的预应力采油管接头，这种接头 组装简便快捷、重量轻，并保持弹性密封性，钛是最佳的优选材料。 我国的海洋石油工业正进入大规模开发阶段， 当前平台的结构件和关 键部件及设备均从国外进口，国内材料很少应用。但可以预期，钛将 会在这里找到广阔的市场。 (5)核电站放射性废物蒸发器的操作温度高于130℃， 浓缩时还有 产生沉积物而发生缝隙腐蚀的可能性。因此，蒸发器的最佳材料应是 Ti-6Al-4V，在承受高压的情况下可以选用Ti-15Al-2.5Sn。 (6)汽轮机透平叶片原用0Crl3不锈钢， 由于在沉积物中有缝隙腐 蚀和点蚀问题，疲劳寿命下降。钛合金是最理想的材料。前苏联开发 出了Ti-5Al-2.5Sn蒸汽透平长叶片， 并已推广应用于生产。 近年来美、 日等国倾向于使用Ti-6Al-4V。 (7)电站锅炉水的脱盐装置，不论电渗析淡化还是蒸馏法除盐， 钛设备和钛阳极均是理想的材料。 在凝聚沉降法除去水中胶体杂质系 统中也成功地使用了钛制溶解槽和加热器。 2.2.2.4钛及钛合金在真空制盐中的应用 钛及其合金具有优异的抗海水及耐氯化物溶液腐蚀及流体冲刷 的性能。随着对钛材性能及应用认识的加深，钛材及其合金也逐步推 广应用在真空制盐工业上。 高温浓盐卤水对真空制盐用碳钢设备的严
重腐蚀直接影响了设备能力的发挥及生产的正常运行。 腐蚀造成设备 频繁维修，大量的跑冒滴漏，成了一个急待解决的生产关键和技术课 题。正确选用适合于制盐工业的耐蚀材料也急迫地提上了议事日程。 蒸发罐凡和料液接触部份，Ⅰ效均采用Til2换热管及Til2钢复合板， Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ效均采用TA2。换热管及钛钢复合板。仅此两套制盐装置， 蒸发罐便使用Til2及TA2，管约44吨，Til2及TA2,板约10吨，Til2及 钛同钢的复合板达360吨，使真空制盐工业一跃成为使用钛及钛钢复 合板的大户之一。 2.2.2.5钛及钛合金在建材行业中的应用 在日本，1986-1999年用的钛建材总计为2001t,目前的市场规模 已成长为200t/a。具体用在建筑物的部位是屋顶63%、外壁31%、纪念 碑及其它占6%。建材用钛基本上100%为工业纯钛，数年来采用的理由 分别为耐蚀性占60-80%，意匠性占25-60%，钛印象占15-50%（重复计 件的结果）。从钛的高耐蚀性看，考虑到维修费用的循环成本（LCC） 并不比其它金属高，在苛刻的环境下多用在海滨、火山地带的建筑物 上，尤其是作为防止酸性雨对策是有效的。另外，钛比其它金属的热 膨胀系数低，轻量，更适合用作建材。 钛还有其它特性，采用的理由多为意匠性、钛印象，而建筑物又 较重视艺术性、及环境的调和性等。因此，钛历来均是用在飞机、热 交换器等功能材料为开发重点，本文主要叙述了「轧制成形时的袋波 控制」及「根据需要的各种表面处理」。 （1）袋波（pocket wave，以下简称“PW”）的抑制，一般金属
屋顶的接合多采用焊接与组装相结合的工艺， 即通过轧制成形将带状 板的两边缘弯曲加工成易接合的各种形状（大多为L字型）。但轧制 成形中带状板的宽幅中心未成形部（波部）形成了被称为PW的波状凹 凸部。这是因为在边缘的弯曲部及其附近，沿宽度方向的拉伸变形产 生纵向收缩变形，在波部由于压缩力的作用产生了纵向弹性弯曲的 “挠度”的缘故。PW控制是控制来自弯曲部的变形扩展（即使变形局 部化），钢板的屈服强度高，即比例极限（σ e）高，加工硬化小， 也可进一步说，屈服拉伸率越大，其PW越小。据报告，钛晶粒的微细 化，σ e增高的过程中出现了屈服现象，对PW的控制是有效的，短时 间退火可能的连续退火酸洗有利于获得微细晶粒。 分批式真空退火可 通过在接着的平整道次轧制适度实施，在0.2%屈服强度时（σ 0.2） 提高了，PW得到控制。这相当于采用毛面辊实施平整道次的无光精轧 法。将带状钛板的边缘预先加工成波浪边，吸收轧制成形的弯曲加工 过程中产生纵向收缩的方法也是非常有效的。 （2）表面处理的开发，随着钛建材的需求增加，作为意匠性的表 面防刺眼性 （不晃眼） 即要求表面的光泽较低， ， 有比较柔和的色泽。 针对此，钛板的生产商开发了各种表面处理法。为了提高防刺眼性， 将钛板的表面加工成微细凹凸状。方法有机械法和化学法，或者将二 者相结合。以前开发的方法主要有：精整、压花、无光精轧、酸洗、 无光精轧+酸洗的组合、氧化铝喷丸处理以及着色材的研制等。 2.2.2.6 钛及钛合金在体育用品中应用 自从1990年3月， 日本JOY公司首次在世界上销售钛制球头的高尔
夫球棒以来，揭开了钛制高尔夫球棒的序幕。JOY公司与川铁合作、 水野与三菱材料合作，才得以使钛高尔夫球棒产品化。川铁的棒头采 用的是Ti-6Al-4V合金，三菱材料棒头的上面与击球面使用的是 Ti-6Al-4V合金，底部与颈部使用的是纯钛。因为该球头的强度、耐 蚀性能、铸造性、成本等较好外，重要的是其镜面抛光的深度与其颜 色的高级感、以及其表面硬度较高，即便是有小的划伤，其光泽也能 长时间的保持，因此很适合作高尔夫球头。从这点来看，Ti-6Al-4V 合金作为高尔夫球球材具有良好的综合性能。网球技术的完美演进， 离不开现代科学技术的推波助澜。 网球球拍的革新紧跟材料技术的发 展。20世纪70年代末80年代初，碳纤维、玻璃纤维、陶瓷、硼等物质 取代了铝和钢。现今，钛合金等高科技复合材料以及纳米技术已经渐 成主流。高性能的球拍已成为各种新技术的结晶，电脑辅助设计、模 拟分析等高新技术手段在球拍的设计和生产过程中起到了举足轻重 的作用。这些变化直接推动了网球技术的发展，促进了竞技水平的不 断提高。 2.2.2.7钛及钛合金在汽车中的应用 钛材作为汽车部件材料使用时，其特征如下：抗拉强度和屈服强 度大、 疲劳强度大、 密度小、 弹性模量约是钢的一半、 热膨胀系数低， 约是不锈钢及铝材的一半、非磁性、热导率低、容易产生烧结、对环 境无污染等。另外在汽车行业用钛后，可极大减轻汽车重量，降低其 燃料消耗，保护环境和降低噪音。 （1）发动机阀
近年来，各汽车公司纷纷进行发动机阀用廉价钛材的开发，并有 一部分已达到批量化。钛材的制造成本中占材料1/3以上的价格是海 绵钛，若用等外海绵钛生产加工材，这样价格自然就会降低。在这种 情况下开发了廉价的Ti-6Al-4V基合金。 （2）排气管及消音器 到目前为止，排气管及消音器多采用普通钢、不锈钢、铝合金、 FRP等。这些部件属车体的大型构造部件，容易实现车的轻量化、对 降低燃料费用、发动机的输出功率及提高行驶安全性均是重要的。同 时因与排气直接接触，在400℃以上的高温下，比起铝合金来钛的耐 热性更优良，且比强度比钢高，也容易实现轻量化。 （3）汽车零件用新合金的开发及应用 前面介绍的均是已开发的钛合金在汽车零件上的使用。另一方 面，低成本钛合金的开发也较为活跃，其中之一就是Super-TIX系列 合金的开发。其强度与延性的平衡状态如图8所示。Super-TIX系列包 括Ti-Al-Fe及Ti-Fe-O-N二大合金系，Ti-Al-Fe合金群多是在已知的 合金中不使用V和Mo，采用廉价的Fe来代替，适合在温度上升过程中 的用途。如Super-TIX51F就是指Ti-5Al-1Fe，其拉伸强度达1000MPa， 与Ti-6Al-4V相当。而Ti-Fe-O-N系合金则不能在太高的温度区使用， 但因采用了廉价的Fe及氧及氮，其热加工性能优良。此合金系的代表 合金为Ti-1%Fe-0.35%O-0.01%N(Super-TIX800)，其拉伸强度约为 800MPa，具有优良的热加工性及冷加工性。 类似上述Super-TIX系列是专门为航空以外用途设计的合金,还
有β 钛合金Ti-4.5Fe-6.8Mo-1.5Al (TIMETAL@LCB)，该合金的杨氏莫 量低，强度高，正在探讨应用在悬簧上，于2001年已用在德国的国民 牌汽车Loup FSI上。 2.2.2.8钛及钛合金在医疗保健器材中的应用 钛具有极好的生物相容性，可耐受人体苛刻的生理环境(人体pH 值为7.4)，因而长期以来一直用于人体臀部及膝部关节的移植。实践 证明，人体对钛无排异反应，也不产生凝血现象。面对医学界的需求 并根据钛材的特点，近十几年，特别是近几年来，许多科研院所的专 家教授都在致力于钛制人工心脏装置的研制和开发工作， 这样既可挽 救诸多心脏病患者的生命，也可带来可观的经济效益。左心室助推装 置(1eft ventricular assist systems，以下简称LVAS)由于左心室 在心脏功能中起主要作用，晚期心脏病患者也是左心室首先衰竭，由 此建立起了LVAS概念。LVAS通过搭桥技术可替代左心室正常工作，心 脏其它部件照常运行。代心装置—A bioCor钛制人工心脏可模拟人体 心脏正常节律，将血液泵注到肺部和身体其它部位。无需皮下埋管， 但必须摘除人体心脏。 有望于2000年年底前开始临床试验。 除此而外， A biomed公司正着手开发的BVS5000二心室康复系统尤为引人关注。 该系统可全面承担人体心脏的正常工作，通过搭桥手术，使病体心脏 得以充分的休息、愈合直至全面康复。了解了近年来钛制人工心脏的 发展过程及各类产品的性能特点后，选用哪一种装置最为合适，众家 各抒己见。概括起来主要有以下几点； (1)需要进一步作临床观察以明确利弊；
(2)采用LVAS的心脏病人经过一段时间休息，有利其恢复正常功 能，因而代心装置不可取； (3)人体心脏具有极佳的控制系统，可使血流量恰好符合人体所 需的水平，而代心装置则无此功能； (4)如果冠心病偶尔波及到右心室也无妨，带有LVAS的患者仍可 存活。 总之，无论采用哪一类产品，使用钛材是必然趋势。如果FDA经 过探讨， 能够批准将钛制人工心脏作为长期性或永久性植入件植入人 体，不仅可使不适合接受异体心脏移植的病人得以康复，还会带来每 年20亿美元的收益。 由此可见，钛制人工心脏市场前景可观。 2.2.2.9钛及钛合金在离子膜烧碱工业中的应用 钛及其合金具有重量轻、比强度高、综合机械性能好的特点，它 有比铬、 镍及不锈钢更强的钝化性， 形成的钝化膜化学稳定性非常高， 受到机械损伤后，在一定的氧化性气氛下还能够自愈，修复如初。因 此钛在很多活性介质中是极其耐腐蚀的，尤其在氧化性介质及含氯、 氯化物。氯酸盐等介质中耐蚀性最佳。在我国，钛于70年代初开始应 用于氯碱工业，取得了显著的经济效益，被誉为氯碱工业防腐蚀的一 次大革命。 离子膜生产烧碱具有产品质量好。碱中含盐低、原料及能耗省， 环境污染小、生产强度大、自动化水平高等优点，是目前世界公认的 技术最先进。在离子膜烧碱生产装置中，钛主要用在盐水二次精制，
电解及脱氯、氯气处理等系统的设备及管道上。 2.2.2.10钛及钛合金在湿法冶金中的应用 钛作为一种新兴的耐蚀材料，在我国的冶金行业，特别是湿法冶 金行业使用不过20多年的历史，然而却获得了极大的成功，并取得了 显著的社会效益及经济效益。从七十年代初，云南冶炼厂、上海冶炼 厂、葫芦岛锌厂等有色冶金行业率先在电解铜、电解镍及铅锌冶炼中 使用钛材，解决了严重困扰企业生产及发展的腐蚀问题，揭开了我国 湿法冶金行业使用钛材的序幕，钛及钛设备在这些企业成功的应用， 也大大地促进了我国钛工业民用推广的使用。自80年代后，国内许多 湿法冶金企业都在技术改造中， 大量地选用钛材， 金川有色金属公司、 沈阳冶炼厂、铜陵有色金属公司、大冶有色金属公司等企业近十年来 的用钛量高达上百吨，这些新技术、新装备的使用，使我国有色湿法 冶金行业的装备更接近世界先进水平。 钛作为电铜、电镍行业中种板应用的主要优点是： （1） 钛表面的氧化膜保护了钛不被电解液腐蚀，且又不污染电 解液。 （2）剥离极其容易，减轻了劳动强度。 （3）成品率提高了30%以上。 （4）电铜结晶组织致密，表面光滑。 （5）不易断路烧板。 （6） 使用寿命在30年以上。 2.2.2.11其它产业
钛金属应用的产业尚有计算机硬盘 、手机、手表、自行车、轮 椅、工艺品等不胜枚举。
三、钛及钛合金的市场分析及预测 3.1 市场供应现状 由于钛及钛材的优良特性及海绵钛的价格下降， 钛材性价比逐渐 提高，钛材对传统金属材料的替代趋势显著。中国经济持续健康、快 速发展以及国家实行国产大飞机项目等因素为钛及钛合金加工材市 场提供了广阔的发展空间，预计 5 年内中国的钛材消费量将达到 100,000-120,000 吨，长期看将保持稳定增长态势。 3.1.1 国际市场供应现状 世界的钛加工主要集中在美、日、俄等国，生产企业主要有俄罗 斯 的 上 萨 尔 达 冶 金 联 合 体 fvSMP0) ， 美 国 的 Timet 、 RTI 和 AlleghengTeledyne 公司，日本的住友、神户制钢和新日铁公司。另 外，法国、英国、德国和意大利以及中国也有钛加工企业。海绵钛只 有美国、哈萨克斯坦、俄罗斯、日本及中国等国生产，有 50 多家海 绵钛厂。2011 年，全世界海绵钛的产量为 26.7 万吨，钛铸锭的熔炼 能力约为 28.3 万吨，钛加工材的生产能力约为 30 万吨。2011 年主 要钛材生产地区的钛加工材产量约 23 万吨，比 2010 年增长约 13％。 美国是目前世界上钛加工材产量最多的国家，Timet、RMI 和 AlleghengTeledyne 三大公司的钛加工材产量占全美的 90％。Timet 通过前几年的兼并和联合，现己控制了欧洲大部分钛加工企业，业务
扩展到世界各地，并是波音公司最大的钛加工材供应商。RMI 也是波 音的主要供应商。AllegengTeledyne 公司己成为世界上最大的、最 多样化的特种金属材料制造商，拥有世界上最大的电子束冷床炉。 日本住友、神户制钢和新日铁三大公司轧制品贸易占日本的 80％。 进入 2000 年以来日本钛加工材尤其是民用品汽车等市场活跃。 一直致力于民用市场开发的日本钛市场也比其它国家更早地开始复 苏。与俄罗斯的专业化钛加工厂不同，日本的钛工业多以钢铁联合生 产的方式运作，在生产不锈钢的生产线上生产钛材，这种模式可以降 低生产成本。 近年来， 日本钢管公司(NKK)己与美国活性金属公司(RMI) 联合组成了一个合伙公司，成为世界上第二大钛生产厂家，生产一种 专门用于航空、 航天工业的新型钛合金， 并被允许在美国和欧洲销售。 原独联体国家(俄罗斯、乌克兰、哈萨克斯坦)是世界上最主要的 钛生产基地和钛出口国家之一， 其在钛生产和应用的基础研究开发方 面拥有丰富的经验。原独联体国家的海绵钛生产企业有俄罗斯的 AVISMA 厂、哈萨克斯坦的 UST 厂和乌克兰的查波罗什镁一钛联合企 业。钛材生产企业主要有俄罗斯的 VSMPO、VILS 和 STUPINO。VSMPO 是世界上最大的钛材生产企业，可以说，它的发展代表着独联体钛材 市场的发展，产品大部分用于潜水艇和军用飞机，曾与波音、法国宇 航公司签订供货协议，其产量的 70％以上出口美国、英国、日本等 国。 欧洲钛加工企业主要有 IMI(英国)、CEzUS(法国)、valtimetf 法 国)、DIG(德国)和 Tilania(意大利)，前三家已被美国 Timet 兼并和
联合，后两家仍独立存在，但其规模和产量都较小。 3.1.2 国内市场供应现状 我国可以说是世界上最有发展潜力的钛生产国，钛资源极为丰 富，居世界第一位。据资料显示，目前已探明拥有的钛资源储量为 8.7 亿吨，占世界总储量的 64％。 我国的钛工业经过近 50 年的发展，2011 年海绵钛和钛加工材的 产量分别达到 61778 吨和 50962 吨。已形成从钛矿采选、海绵钛制 取到钛的熔炼、钛材加工、钛部件与钛设备制造的完整工业体系，成 为继美、日、俄之后有完整钛工业体系的国家之一。经过多年发展， 中国基本形成了以下三个产业集中的地域： 即以宝钛集团有限公司和 西北有色金属研究院为代表的西北地区，该地区的特点是，钛加工材 的能力大、 专业技术水平高， 产品规格全， 代表了中国钛加工的水平； 以沈阳金驰钛业有限公司和抚顺欣兴特钢为主的东北地区， 该地区的 特点是，中小企业多，社会协作度高，特别是钛设备制造能力强；以 上海宝钢特殊钢分公司和南京宝色钛业有限公司为代表的华东地区， 该地区的特点是钢钛结合，靠近市场，很有发展潜力。 目前国内主要钛加工材生产企业有：宝鸡钛业股份有限公司、沈 阳有色金属加工厂、宝钢集团上海五钢有限公司、上海三厂薄板有限 责任公司、上海有色金属研究所、抚顺欣兴特钢板材公司、长城特殊 钢公司第三钢厂等。 宝鸡钛业股份有限公司是目前国内专业化程度最 高、加工设备最系统化、产品规格最多的钛加工企业。 近几年，在我国经济快速增长的有利条件下，钛工业有了长足的
发展，特别是 2011 年，我国钛工业取得了历史性突破，进入了一个 新的发展阶段，钛加工材产量达到 50962 吨，较 2010 年增长了 7851 吨，增长率高达 18.21％。 3.1.2.1 国内钛锭生产企业情况 据统计，目前国内钛锭生产企业 20 多家，钛材加工企业 200 多 家，钛设备生产企业 300 多家。钛材生产企业主要分布在宝鸡地区、 江浙沪地区和沈阳-北京地区。根据对 22 家钛锭生产企业的统计， 2011 年国内钛锭产能达到 96200 t/a，实际生产 61778 t；根据对 30 家主要钛材生产企业的统计，2011 年国内共生产钛加工材 50962t； 根据宝钛集团等 8 家企业的统计，2011 年中国主要钛设备生产企业 产值达 143185 万元，用钛材 3636t。2011 年国内钛锭生产企业产量 如下表： 2011 年中国主要钛锭生产企业产量统计，t
厂 家 产 量 产能 25000 10000 8000 5000 5000 4800 6000 5000 3700 3000 3500 2000 2000 宝鸡钛业股份有限公司 宝钢股份特殊钢分公司 西 部 材 料 20000 6000 7000 3500 1500 1200 3400 1200 1400 2500 3200 1000 1800
北京中北钛业有限公司 湖南湘投金天科技集团 沈阳鑫通科技贸易公司 攀 长 钢 宝鸡力兴钛业 东港东方高新有限公司 西部超导 浙江五环钛业 北京 621 所 北京宏大钛科贸有限公司
河北德林钛业有限公司 遵 义 钛 厂
1800 523 1078 574 1600 1200 703 300 300 61778
2000 2000 1500 1400 1200 1400 2000 700 1000 96200
南京宝泰特种材料公司 洛阳 725 所 沈阳大吉实业有限公司 宝鸡富士特钛业 东方钽业钛业分公司 沈阳北方钛业有限公司 浙江建国钛业 合 计
从表中可以看出，钛锭产能前三家企业占国内钛锭总产能的 44.7%，实际产量占了 53.42%；私企中产能最大的宝鸡力兴钛业钛锭 产能为 5000t/a，占国内钛锭总产能的 5.2%，产量不足国内总产量的 2%。国内企业生产钛锭的设备大部分采用的是真空自耗电弧炉，规格 有多种，最大的为 12t；部分企业采用的是真空自耗凝壳炉，规格较 小；这两种炉较落后，在国外钛锭生产企业都采用的是冷床炉。近年 来，宝钛集团从德国引进了 1 台电子束冷床炉，宝钢特钢从国外引进 了 1 台电子书冷床炉、等离子冷床炉 3 台，但由于技术原因，目前这 两个企业冷床炉的生产一直不稳定。据了解，10t 规格电弧炉的售价 大约是 1000 万美元/台，电子束冷床炉的售价大约是 1350 万美元/ 台。 3.1.2.2 国内钛材生产企业产能、产量情况 国内部分企业有熔炼炉，大部分企业是通过购买钛锭进行再加工 的。钛产业链如下图所示：
图 1.钛产业链
从国内的生产结构看，板材占据了钛材生产总量的大部，2011 年 板材总产量 30028t，占总产量 50962t 的 58.9%，其次是管材和棒材， 分别占钛材总产量的 18.2%和 16.2，丝材仅占钛材总产量的 0.4。锻 件和铸件总和占钛材总产量的 5.3%。 国内主要钛材生产企业产能和 2011 年产量见表二和表三。
表二 国内主要钛材生产企业产能 厂家 宝钛集团△ 宝钢特钢△ 西部材料△ 西部超导材料△ 攀长钢△ 抚顺欣兴特钢△ 天津银泽 上海桦夏 产能/t 钛锭 25000 10000 8000 6000 ▲ ▲ ▲ ▲ 板材 5000 ▲ 3000 1000 3000 1000 棒材 3000 丝材 管材 3600 铸件 锻件 3000-4000 钛带 5000
云南钛业△ 浙江申吉钛业 宝鸡力兴集团 北京中北钛业△ 北京宏大钛科贸 宁夏东方钽业△ 湖南湘投金天△ 南京宝泰 北京百慕航材△ 洛阳 725 所△ 沈阳铸造所△ 江苏五环管业 常熟锐钛金属 江苏宏宝集团 张家港华裕钛业 常熟旋力精密 海龙（张家港） 东港东方高新 浙江建国钛业 山东远大 宝鸡三立公司 宝鸡富士特钛业 2000 ▲ ▲ 5000 1500 500 1000 ▲ 1000 ▲ 600 1000 ▲ 2000 2000 5000 1500 1000 6000 10000 1500 ▲ 1200 5000 棒锻 12000 ▲ ▲ 5000 10000
19000
10000
注：标△为国企。标▲为公司主业。 表三 国内主要钛材生产企业 2011 年