钛与气体反应可产生妙用 钛设备作用分析
  钛对液体和固体产生不了反应,结合不了,王水也奈何不了它,然而,钛对气体却十分投缘,喜欢跟氮、氧、氢、二氧化碳、水蒸气、甲烷等许多气体相结合。钛的这个特性能产生妙用,为我们所用。
  想必大家都欣赏过节日夜晚五光十色的焰火吧?这里就有钛的一份功劳!当钛粉和氧气迅速结合而燃烧的时候,能够产生强烈的高温和光辉。焰火不但可以在节日里增强欢乐的气氛,而且可以作为军事上的信号弹,用来指示目标或传达命令。在弧光灯中加进适量的钛的化合物,可以增加它的亮度。利用钛对空气的强大吸收力,可以除去空气,造成真空。比如说,利用钛制成的真空泵,可以把空气抽到只剩下十万万万分之一。在冶金工业中,加少量的钛到钢或其他金属里,“吃掉”里面的气体和杂质,能够起到很好的脱氧除氮的作用,还能消除硫的有害影响,从而改善钢和其他合金的机械性能,提高它们的抗蚀能力。
  工业纯钛是按照杂质元素的含量划分等级的
  钛有许多明显优越的特性:密度小(4.5kg/m3)、熔点高(1660℃)、耐腐蚀性强、比强度高、塑性好,还可以通过合金化及热处理的办法制造出力学性能高的各种合金,是较为理想的航天工程结构材料。含一定量的氧、氮、碳、硅、铁及其他元素杂质的α相钛。具有优良的冲压工艺性能,好的焊接性能,对热处理及组织类型不敏感,在令人满意的塑性条件下具有一定的强度。
  工业纯钛是按照杂质元素的含量划分等级的。它的强度主要取决于间隙元素氧、氮的含量。它在海水中具有高的抗腐蚀性能,但在无机酸中较差。一般用于制造在-253~350℃温度下工作的、受力不大的各种板材零件或锻件,也可制造铆钉线材和管材。应用举例:工业上除采用工业纯钛制造零件以外,大量使用的是钛合金。它在航空、航天、化工、造船等工业部门获得日益广泛的应用,制造燃气轮机部件,制作假体装置等生物材料。
  钛合金的密度一般在4.5g/cm3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。


    钛合金是一种新型结构材料,它具有优异的综合性能,如密度小(4.5gcm-3),比强度和比断裂韧性高,疲劳强度和抗裂纹扩展能力好,低温韧性良好,抗蚀性能优异,某些钛合金的最高工作温度为550/C,预期可达700/C。因此它在航空、航天、化工、造船等工业部门获得日益广泛的应用,发展迅猛。轻合金、钢等的(σ0.2/密度)与温度的关系,钛合金的比强高于其他轻金属、钢和镍合金,并且这一优势可以保持到500/C左右,因此某些钛合金适于制造燃气轮机部件。我公司生产钛棒、钛板:TC4、TA0、TA1、TA2、TC3
    钛产量中约80%用于航空和宇航工业。例如美国的B-1轰炸机的机体结构材料中,钛合金约占21%,主要用于制造机身、机翼、蒙皮和承力构件。F-15战斗机的机体结构材料,钛合金用量达7000kg,约占结构重量的34%。波音757客机的结构件,钛合金约占5%,用量达3640kg。麦克唐纳道格拉斯/公司生产的DC10飞机,钛合金用量达5500kg,占结构重量的10%以上。在化学和一般工程领域的钛用量:美国约占其产量的15%,欧洲约占40%。由于钛及其合金的优异抗蚀性能,良好的力学性能,以及合格的组织相容性,使它用于制作假体装置等生物材料
    钛的应用
    钛在军工中的应用
    钛是二战后欲40年代末至50年代开始与工业化生产并逐步发展起来的一种高性能的重要结构材料。起最早的应用,就是为军事航空工业提供高性能材料。随着各国军事工业的发展,钛的应用领域被不断拓宽。至今,钛已在航空航天、核能、舰船、兵器等诸多领域获得越来越多的应用,成为重要的战略金属材料。其应用水平也成为衡量一个国家武器装备先进程度,反映一个国家的军事水平和军事实力的重要指标。
    钛在军事工业上使用,主要是基于钛及钛合金具有的优异性能:(1)减轻结构质量,提高结构效率。先进的战技性能要求飞机具有比较低的结构质量系数(即机体结构质量/飞机正常起飞质量),钛合金的密度小,比强度高,代替结构钢和高温合金,能大幅度减轻结构质量。(2)钛合金的耐热性符合高温要求。目前经合金化后的热强钛合金最高使用温度可达500°C~600°C,结构钛合金的使用温度也可达300°C~400°C,常用的TI-64V能在350°C下长期工作,在飞机的高温部未(如后机身等)可取代高温使用性能不能满足要求的铝合金,TC11能在500°C下长期工作,在发动机的压气机部件可取代高温合金和不锈钢。(3)可与复合材料结构匹配。为减轻结构质量和满足隐身要求,先进飞机大量使用复合材料,钛与复合材料的强度、刚度匹配较好,能获得很好的减重效果,同时,由于二者的电位比较接近,不易产生电偶腐蚀。(4)优异的耐腐蚀性。钛在中性和氧化性气氛及众多恶劣环境中具有比其它金属材料更优异的耐蚀性能,受环境条件制约的程度小。


    除上述特性外,钛还具有高韧性、高弹性、无磁等诸多优点。这些都为钛在军事工业中的应用提供了可选择的条件。
    1.1钛的生产及军工用钛概况
    自1948年美国开始海绵钛的工业化生产、1951年生产出钛加工以来,钛首先用于飞机上。1954年钛用于J57航空发动机,该发动机装于B-52战略轰炸机上。其后的一段时期,美国生产的钛材基本上用于军事工业,尤其以航空为主。60年代以后,才逐步扩大民用领域的用钛比例。现在,美国军工用钛的比例已远低于包括民用航空在内的饿民用比例。但由于钛的总产量比以前有大幅度增加,实际上军工用钛的数量则比以前高得多。
    1.2钛在飞机上的应用
    钛合金是当代飞机和发射极的主要结构材料之一,美国在80年代以后设计的各种先进军用战斗机和轰炸机中,钛的饿用量已在20%以上。如第三代F-15战斗机的钛合金用量占27%,而第四代F-22H战斗机的饿钛合金用量占41%。
    1.2.1F-22战斗机
    F-22战斗机是美国洛克西德公司、波音公司和通用动力公司设计的战术战斗机,是目前世界上具有代表性的第四代战斗机。它首次将隐身、高机动性和敏捷性、不加力超音速巡航等特性融于一体,将作为美国空军2000年以后的主力制空机种。
    在选材方面,主要考虑的因素有:(1)非常规机动带来的减重要求;(2)超音速巡航导致的抗持续加温要求;(3)有隐身引出的主力制空机种。
    可以看出,设想的钛合金用量不利为15.9%,而进入工程制造和发展阶段,钛合金的饿比例已提高到41%。
    F-22主要使用了两种钛合金:Ti-62222(Ti-6AL-2Sn-2Zr-2Cr-2Mo)和Ti-6AL-4V。Ti-6AL-4V有锻态和铸态两种产品形式,Ti-6AL-4VELI合金在β退火条件下使用,另外,还使用了Ti-6AL-4V液态导管;Ti-62222仅拥锻态产品形式。在F-22的后机身段,钛的结构质量达55%,多为耐热钛合金,其中也采用了Ti-6AL-4VELI怀曼.戈登公司提供了发动机舱隔框。隔框为整体式Ti-6AL-4V锻件。该锻件长工3.8m,宽1.7m,重1590kg,投影面积大于5平方米。复杂的中机身段30%为钛,有4个锻造的钛合金整体式承力框,其中最大的重2770kg,投影面积5.5.平方米,也是由怀曼.戈登公司提供。机翼结构中钛占42%,住翼梁是由钛合金锻件切削而成。F-22中一个创新点是用钛合金制造主承力结构的复杂零件,采用热等静压技术,用一个复杂形状的铸件代替多零件的组装件,如复翼、襟复翼、方向舵制动器壳体、机体上连接机翼与机身的侧向接头及进气口框架。


 
    F-22的发动机上还采用了美国新发展的阻燃钛合金alloyC,E用于高压压气机机匣、加力燃烧室筒体及尾喷管上。
    1.2.2F/A-18舰载飞机
    对于舰载飞机,要求使用的材料:(1)有良好的综合性能,即具有高的疲劳强度和断裂韧性;(2)具有防盐雾、潮湿及霉菌的能力;(3)隐身性。
    在F/A-18中,钛合金主要用于飞机的承力框纵梁、翼根和尾部结构等关键部位。所用钛合金主要有Ti-6AL-4V和Ti-15-3(Ti-15Mo-3Al-3Sn-3Cr)。机身和机翼接头均采用β退火的Ti-6AL-4V,而制动器扭力管用Ti-6AL-4V铸件。另外,为降低成本,提高材料利用率,在着陆拦阻钩支架接头及发动机安装架还采用了热等静压的Ti-6AL-4V粉治金制造。
    1.2.3其它
    联合攻击战斗(JSF)是一种低成本、多用途战术攻击战斗机,将取代美国空军现役的F-16C和A-10、海军的F/A-18E/F、海军路战队的F/A-18和AV-8B等机型,与F-22g一起构成新一代战斗机的高、低搭配。目前,波音公司和洛克西德公司.马丁公司已分别完成了X-32和X-35验证机的研制工作。JSF定单已超过3000架,估计其总用钛量可达55000t。将来JSF的定单可能达到6000架。
    V-22是美国贝尔直升机公司为海军路战队研制的运输型倾转旋翼机,具有直升机能垂直起降、悬停等飞机与远航程的优点,又增强了固定翼飞机高速飞行与远航的优点,有MV-22突击运输型、HV-22战搜索和救援型、CV-22远程作战型和SV-22反潜型等多种型号。V-22倾转悬翼机是能与喷气发动机或直升机的发明相媲美的技术。其中风档密封框架、发动机短舱主结构、主放火强等使用了钛合金,而作为转子系统、发动机主要支承件的传动接头,则由Howmet公司用一个整体钛铸件取代了原有的43个元件和536个紧固件。
    1.3.钛在战车上的应用
    随着反装甲威胁的日益增加,防护装甲也越来专项厚,战车的质量在最近十年中增加了15%-20%,严重影响其运输能力及机动性。用钛合金替代轧制均质装甲钢是件重的有效途径。
 
    在美国,钛合金已用杂M1“艾布拉母斯”主战坦克、M2“布莱德雷”战车上。针对M1主战坦克
    主战坦克,美国陆军研部件究了许多可应用钛合金的部件,例如设计了钛坦克炮塔轻4t。美国还开展了用钛合金取代扎制均质钢制造坦克其它部件的技术项目。在该项目的第一个阶段中,生产和鉴定了两组部件,每组包括7个部件:回转炮塔板,核、生物和化学武器对抗系统护盖,炮手主瞄准具罩,发动机顶盖,炮塔枢轴架,指挥舱盖和车长执成像观察仪罩,上述钛合金部件可是M1主战坦克减重475kg,在第二个阶段中,选择了回转炮塔板和炮手主瞄准具罩交付生产。通用动力地面系统公司已承包制造这两种部件。该改进计划始于1996年10月,在随后5年中将改进580辆M1A2主战坦克。在实施该改进计划的过程中,还有可能采用其它的钛合金部件,例如铸造钛合金炮塔座圈。用Ti-6Al-4V替代装甲钢,在不降低坦克的防护水平的情况下,可达到减重的目的。在M1主战坦克上,还将继续考虑钛伯替代伯。M2战车上,钛主要用于指挥舱盖和顶部攻击装甲的改进。M2的指挥舱盖是美国陆军首次应用低成本钛合金的部件,该舱盖原来采用锻造铝合金的制成,现在已用锻造Ti-6Al-4V合金制造,指挥舱盖每个重68kg,要用100mm-127mm厚的钛板加工而成,总计哟1000辆M2战车要改装,1997年已开始第一批,改装了580辆,顶部攻击装甲用80mm厚的肽板,已改装了91辆。改用钛合金材料后,减轻重量35%,并大大增加了防弹能力。加强M2战车装甲的一个措施是,在某些特定部位采用锻造钛合金附加装假以防大口径弹药的攻击。
    M113装甲人员运输车也采用钛合金附加装甲,以提高装甲的防弹能力,但相对于装甲钢,钛还是太贵,如果氏钛价格能降至能接受的水平,M113装甲输送车即可用钛改进防护水平。若将50%的M113用钛改进,大约要用80000t,如侧面保护的附加装甲要用32mm厚的钛板,重1026kg,而前斜装甲则需58.8mm厚的钛板,重751kg。
    火炮系统中,两种155mm轻型牵引榴弹跑大量使用了钛合金。美国联合防务有限公司发展的装甲火炮系统,采用了钛合金附加霜家。在未来“十字军战士”155mm自行榴弹跑中,有许多部件要使用钛合金。
    美国海军路战队正在寻求减轻先进两栖突击车质量的各种方案。一种方案是采用轻型装甲。另一方案是用钛合金氏钢制造负重轮,平衡臂,负重齿轮箱等部件。尽管钛合金性能优良,但因为价格高而不能广泛应哟内于国防领域。
    近年,美国对低成本钛合金的研究力度加大,并开发了一些军用低成本钛合金,如Timet以Fe-Mo代替Al-Mo中间合金制造而成Timetal62S,RMI放宽氧含量控制水平,制成富氧的Ti-6Al-4V-0.250,它们的机械性能和抗弹能力等指标等于或超过Ti-6Al-4V的相应值,查成本却较低。在未来的战车和为炮系统中,美国陆军将用低成本钛合金取代扎制均质装甲钢的铝合金制造装甲和零部件。低成本钛合金在海军和空军装备中也将有很大的应用潜力。因海水腐蚀,海军舰船上每年大约需要换97km热交换器用的饿铜镍合金管,用钛合金制造该管,可延长使用寿命,大量节省维修和维护费用,美国空军也对低成本钛合金具有极大兴趣。
    随着冷战结束及军备和军费削减,军用飞机产量也降到几十年来的低点。钛的消费量随之减少,然而,海湾战争、阿富汗战争以及其后潜在威胁唤起了对空中优势的新一轮需求。因此军用飞机未来是增长的,以下是对2003-2001个型飞机生产的初步预测。
    C-17至2008年,空军已敲定180架采购单,预测自2004年起产量稳定在15架/a。按计划至少应当需要222架,而且商业运输和军事出口还可能是该数字有所增加。
    F-15预测还需83架,美国本土10架,40架K型机为韩国制造,另外出口33架。
    F/A-18预计制造416架,以确保海军拥有足够装备至少10个航母编队的新型战斗机。在联合攻击战斗机服役前,E/F机型可能会替换全部现有机型。
    欧洲斗士将于2002年交付首批飞机,在预测见内将制造409架。
    F-22将于2003年早些时候开始交货。由于成本问题,总的饿交货计划尚未确定,但在此期间内第三方先已预计订购185架。
    F-35目前正进入系统设计和发展时期,将制造14架飞行样机和8架非飞行样机。预计2010年生产60架,因此对未来10年钛工业影响是最小的。
    综上所述未来8年预计制造的飞机将吵过2003架,平均每年296架,较前8年同比增加43%,假如上述计划完全实现并交货及时,则目前预测是准确的,即2003-2006年制造飞机将超过200架/a,2007-2010年超过300架/a,据此,从2003年到2010年,钛用于军用飞机的消费量是增长的。到2010年时,军用飞机用钛量可望增加到约5000t,比2003年预测消费量增加33% .

    宝鸡丞德鑫钛金属材料有限公司位于风景秀丽的中国钛谷—陕西省宝鸡市高新技术产业开发区,公司注册资本人民币3000万元。主要生产钛、镍、钨、钼、锆、复合板 等金属材料及深加工制品为主的金属加工企业,从事国际、国内贸易,公司技术力量雄厚,设备先进精良,拥有成熟的生产工艺及装备,完善的质量保证体系,可以按照客户的要求定制生产各种规格的产品,同时进行稀贵金属材料的研制和开发,产品广泛应用于石油化工、真空制盐、食品机械、航空航天、医药机械、军工、轻工业、重工业、炊具工业、造船工业、电力工业、机床、电解行业、造纸行业、汽车、低温工程、电极制造、镀膜等国民经济各个领域,创造了良好的社会经济效益,是一家以生产、加工、销售为一体的综合性企业,为公司和客户创造更大的利润空间。竭诚为新老客户提供优质的产品及最佳的服务。
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