鈦是從1950年開始發(fā)展起來的一種重要的結(jié)構(gòu)金屬，鈦合金因強度高、耐蝕性好、耐熱性能優(yōu)良等特點而被廣泛應(yīng)用于航空航天[1]、化工[2]、醫(yī)療[3]、汽車[4]等領(lǐng)域。自1954年美國成功研制出實用的鈦合金（Ti-6Al-4V）以來，其良好的耐熱、強度、韌性得到體現(xiàn)。在20世紀七八十年代，對鈦合金的研究得到進一步發(fā)展。近年來，國內(nèi)外鈦合金發(fā)展迅速，但我國與發(fā)達國家仍有一定的差距。本研究介紹了鈦及鈦合金材料的特性和加工性能特點，總結(jié)了近幾年其在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用和取得的成果，同時比較了國內(nèi)與國外鈦及鈦合金應(yīng)用方面的差距，并對其應(yīng)用進行了展望。

1、鈦及鈦合金的性能特點

鈦及鈦合金具有眾多優(yōu)良性能，如強度高、耐蝕性強，良好的高低溫性能和加工性能。

1.1鈦及鈦合金的特性

鈦及鈦合金特性包括：

（1）強度高，其抗拉強度為686~1176MPa，密度約為鋼的60%。

（2）較高的硬度，鈦合金退火后的洛氏硬度（HRC）為32~38。

（3）高溫和低溫性能優(yōu)良，例如在高溫條件下，鈦合金與傳統(tǒng)鋼、鋁等材料相比，其機械性能優(yōu)越，耐熱性尤為突出。新型耐熱鈦合金工作溫度范圍在550~600℃之間，不同溫度條件下，鈦合金的強度不同，低溫下的強度高于常溫下，且韌性較好。

（4）鈦的抗腐蝕性強，在高達550℃以下的空氣中，鈦表面會形成一層薄且致密的氧化鈦膜。氧化鈦膜在某些介質(zhì)（例如空氣、海水等）中耐腐蝕性能高于大多數(shù)不銹鋼，從而使鈦在特殊工作環(huán)境中得到廣泛應(yīng)用。

1.2鈦及鈦合金的加工性能

鈦合金具有強度高、密度小、機械性能好、韌性和抗蝕性能佳等特點，在機械加工方面表現(xiàn)突出，但鈦合金工藝性能較差。

1.2.1切削加工性能

鈦合金具有較高的強度和硬度，因此需要大功率的加工設(shè)備，模具和立柱需要具有較高的強度和硬度。鈦合金的切削阻力是45鋼的2/3~3/4，但由于其作用面積較小，容易受損，因此必須考慮設(shè)備的易損性。

1.2.2磨削加工性能

鈦合金化學性質(zhì)非常活潑，在高溫工作狀態(tài)下，易黏附磨料，阻礙砂輪，降低磨削性能，因此在磨削加工時必須保證合理的溫度狀態(tài)。此外，由于砂輪的磨損，散熱條件變差，造成表層、工件局部燒傷，導致磨削裂紋。

1.2.3擠壓加工性能

擠壓鈦或鈦合金時，為預防溫度下降過快，必須保證擠壓溫度和擠壓速率足夠高，同時保證高溫坯料與模具的接觸時間足夠短。所以，使用新型耐熱模具材料成為必要。此外，盡可能采取保護措施，防止操作過程中的金屬被氣體污染。

1.2.4鍛造加工性能

鍛造工藝參數(shù)的變化對鈦合金影響非常大[5]。鍛造溫度、變形和冷卻速率的變化會改變鈦合金的組織和性能。近年來，為了保證鍛件組織和性能的優(yōu)異性，鈦合金鍛件廣泛采用熱鍛、等溫鍛造等先進鍛造技術(shù)[6]。

2、鈦及鈦合金工業(yè)運行情況

據(jù)中國有色金屬工業(yè)協(xié)會鈦鋯鉿分會統(tǒng)計，我國鈦材用量最大的領(lǐng)域為化工行業(yè)，其次為航空航天行業(yè)。2022年，化工領(lǐng)域用鈦量為7.3萬t，占比50%；航空航天用鈦量為3.3萬t，占比23%。醫(yī)藥、船舶領(lǐng)域用鈦量相對較低，但增速都在30%以上[7]。冶金、電力、制鹽、體育休閑、海洋工程等領(lǐng)域由于下游行業(yè)周期波動，用鈦量均出現(xiàn)不同程度的下降。

2.1產(chǎn)量

鈦及鈦合金的產(chǎn)量變化與整個工業(yè)領(lǐng)域用鈦及鈦合金的量息息相關(guān)。2020年，受新冠病毒肺炎疫情影響，全球鈦材料需求量大幅縮減，導致國際鈦材產(chǎn)量大幅減少。以俄羅斯為例，鈦加工材料年產(chǎn)量僅為2.6萬t，較2019年下降23.5%。2020年，我國鈦工業(yè)表現(xiàn)突出，鈦加工材料產(chǎn)量近10萬t，占世界鈦加工材料產(chǎn)量的50%以上；2021年和2022年，我國鈦工業(yè)材料產(chǎn)量連續(xù)兩年突破10萬t，分別為13.59，15.10萬t，鈦產(chǎn)品產(chǎn)量穩(wěn)居世界第一。圖1為2013年—2022年中國鈦加工材料產(chǎn)量變化情況。

2.2產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)

鈦產(chǎn)業(yè)鏈主要分為有色金屬和化學涂料，具體如表1所示。

以上兩種產(chǎn)業(yè)鏈共享鈦鐵礦和金紅石等資源。世界上超過90%的鈦精礦用于鈦白粉的制造，僅有5%的鈦精礦用于海綿鈦制造。

3、工業(yè)鈦及鈦合金的應(yīng)用

隨著中國工業(yè)向高精尖領(lǐng)域進軍，鈦及鈦合金在國民經(jīng)濟中的地位越來越重要，廣泛應(yīng)用于航空航天、海洋工程、化學工業(yè)、石油工業(yè)等領(lǐng)域。因比強度高，耐蝕性、低溫性能好，化學活性大等特點，同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度為882℃，鈦合金分為α，α+β，β3類，工業(yè)純鈦分TA1，TA2，TA3，TA4，鈦-鈀合金TA9，TA10（鈦-鉬-鎳合金）。作為活性金屬，在清理和保護良好的情況下，鈦具有良好的焊接性能。

3.1航空航天

航空航天領(lǐng)域在工業(yè)體系中意義非凡。在人類邁向太空的過程中，鈦及鈦合金（輕質(zhì)、耐高溫）扮演著重要作用。鈦及鈦合金被稱為“太空金屬”，被各國廣泛應(yīng)用于制造飛機葉片、機身、飛機渦輪盤等結(jié)構(gòu)部件。黃文君等[8]通過對航空領(lǐng)域用鈦及鈦合金材料發(fā)展進行研究，發(fā)現(xiàn)鈦合金是航空發(fā)動機關(guān)鍵部件原料，且其高性能價值應(yīng)用廣泛。鈦及鈦合金在航空領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，尤其是在航空發(fā)動機方面，其應(yīng)用領(lǐng)域有鼓筒、壓氣機機匣、高壓壓氣機轉(zhuǎn)子、葉片等?，F(xiàn)代渦輪發(fā)動機結(jié)構(gòu)質(zhì)量的30%左右采用鈦合金材料制造。

3.2海洋工程

在海洋工程中，鈦及鈦合金被稱為“海洋金屬”。在海水中，鈦比其他金屬的抗腐蝕性能優(yōu)越，因此鈦及鈦合金是海上設(shè)備及裝置的理想材料，特別適于制造輕型海工裝備。鈦及鈦合金強度大、質(zhì)量輕，在各種艦船中廣泛應(yīng)用。其應(yīng)用主要集中在中國、俄羅斯、美國、日本等，且經(jīng)過歷代科研工作者研究，各國已經(jīng)形成適應(yīng)本國發(fā)展的船用鈦合金體系。孫靜等[9]總結(jié)了近年來鈦及鈦合金設(shè)備在海水中的腐蝕情況，發(fā)現(xiàn)腐蝕磨損是影響鈦合金設(shè)備應(yīng)用的主要因素。據(jù)報道，近年來我國由腐蝕造成的損失居高不下，大約為GDP的5％，遠高于美國的3.4％和日本的不足3％[10]。為了海洋工程的發(fā)展，必須把防止鈦合金腐蝕磨損作為重要研究內(nèi)容。

3.3化學工業(yè)

除個別介質(zhì)外，鈦具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。因此，鈦也是優(yōu)良的耐腐蝕材料之一。例如，使用鈦陽極和鈦濕氯冷卻器在氯堿行業(yè)中進行電解，經(jīng)濟效益明顯，被稱為“氯堿工業(yè)的革命”。我國氯堿行業(yè)的鈦陽極電解槽與常規(guī)石墨不同，其應(yīng)用取得了顯著成效，與陽極電解槽相比，每年可節(jié)省3億元以上，壽命可延長40倍以上[11]。李偉等[12]對燃料電池中鈦雙極研究進展進行歸納，發(fā)現(xiàn)鈦雙極板表面改性技術(shù)的研究成果包含鈦表面涂覆金屬基涂層、碳基涂層和摻雜合金元素三大類，對鈦雙極板電池壽命的認識明顯加深。因此對鈦合金的研究不僅表現(xiàn)在傳統(tǒng)技術(shù)上，還要加大對新型技術(shù)的創(chuàng)新。

3.4石油工業(yè)

除甲酸、三氯乙酸、草酸、乙酸、三氟乙酸之外，對有機化合物而言，鈦整體表現(xiàn)出極好的穩(wěn)定性。因此，鈦板是優(yōu)良的結(jié)構(gòu)材料，可用于壓力容器等設(shè)備制造。陳雁等[13]利用臥式鈦制反應(yīng)器與傳統(tǒng)攪拌槽反應(yīng)器進行了微觀物料混合的比較，結(jié)果表明鈦制反應(yīng)器比傳統(tǒng)攪拌器混合效果明顯。李獻軍等[14]通過分析鈦及鈦合金在油氣開采中的應(yīng)用，介紹了近幾年寶雞鈦業(yè)股份有限公司鈦材開發(fā)情況。圖2所示為石油工業(yè)中常用的臥式鈦制反應(yīng)器。經(jīng)過分析壓力容器產(chǎn)品損耗，發(fā)現(xiàn)鈦-鋼復合材料反應(yīng)釜、塔器等設(shè)備強度性能優(yōu)異，大大滿足了客戶對產(chǎn)品壽命的要求。

4、結(jié)語

近些年我國鈦及鈦工業(yè)大跨步前進，并且在基礎(chǔ)研究、對口專業(yè)領(lǐng)域等方面突破了國外鈦工業(yè)大國（俄、美、日）的技術(shù)封鎖，發(fā)展前景樂觀。為進一步推動我國鈦工業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展，針對我國鈦工業(yè)提出如下幾點建議：

（1）深入基礎(chǔ)研究。實時跟進和積極開展金屬鈦提取新技術(shù)（例如鈦及鈦合金粉末近凈成型技術(shù)、鈦合金激光沖擊強化技術(shù)及鈦復合材料制備技術(shù)等）的研究，完善鈦生產(chǎn)工藝和設(shè)備更新等，為我國鈦工業(yè)體系打下堅實的基礎(chǔ)。

（2）大力開發(fā)對口領(lǐng)域?qū)Ｓ玫拟伡扳伜辖?，例如口腔醫(yī)療領(lǐng)域?qū)Ｓ玫拟伡扳伜辖稹⒑娇蘸教祛I(lǐng)域新型鈦合金，實現(xiàn)專業(yè)對口系統(tǒng)化。

（3）把滿足鈦合金高端需求作為重點發(fā)展方向。美國、日本的鈦材應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域分別占60%、10%以上，我國雖然穩(wěn)步增加，但是與發(fā)達國家仍有差距。因此，在當前政策下，鈦行業(yè)企業(yè)應(yīng)該進行產(chǎn)業(yè)升級，牢牢把握鈦合金高端需求。

（4）響應(yīng)國家發(fā)展戰(zhàn)略，發(fā)展新興領(lǐng)域市場，延伸產(chǎn)業(yè)鏈，涉足新型加工領(lǐng)域，如口腔醫(yī)療和制藥行業(yè)等。

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