工业用钛及钛合金材料的应用现状

阚延勇 苏方正 徐曦荣 刘鸿彦 吴丕杰

南京宝色股份公司 （江苏南京 211178）

钛是从1950 年开始发展起来的一种重要的结构金属，钛合金因强度高、耐蚀性好、耐热性能优良等特点而被广泛应用于航空航天[1]、化工[2]、医疗[3]、汽车[4]等领域。自1954 年美国成功研制出实用的钛合金（Ti-6Al-4V）以来，其良好的耐热、强度、韧性得到体现。在20 世纪七八十年代，对钛合金的研究得到进一步发展。近年来，国内外钛合金发展迅速，但我国与发达国家仍有一定的差距。本研究介绍了钛及钛合金材料的特性和加工性能特点，总结了近几年其在工业领域的应用和取得的成果，同时比较了国内与国外钛及钛合金应用方面的差距，并对其应用进行了展望。

1 钛及钛合金的性能特点

钛及钛合金具有众多优良性能，如强度高、耐蚀性强，良好的高低温性能和加工性能。

1.1 钛及钛合金的特性

钛及钛合金特性包括：

（1）强度高，其抗拉强度为686～1 176 MPa，密度约为钢的60%。

（2）较高的硬度，钛合金退火后的洛氏硬度（HRC）为32～38。

（3）高温和低温性能优良，例如在高温条件下，钛合金与传统钢、铝等材料相比，其机械性能优越，耐热性尤为突出。新型耐热钛合金工作温度范围在550～600 ℃之间，不同温度条件下，钛合金的强度不同，低温下的强度高于常温下，且韧性较好。

（4）钛的抗腐蚀性强，在高达550 ℃以下的空气中，钛表面会形成一层薄且致密的氧化钛膜。氧化钛膜在某些介质（例如空气、海水等）中耐腐蚀性能高于大多数不锈钢，从而使钛在特殊工作环境中得到广泛应用。

1.2 钛及钛合金的加工性能

钛合金具有强度高、密度小、机械性能好、韧性和抗蚀性能佳等特点，在机械加工方面表现突出，但钛合金工艺性能较差。

1.2.1 切削加工性能

钛合金具有较高的强度和硬度，因此需要大功率的加工设备，模具和立柱需要具有较高的强度和硬度。钛合金的切削阻力是45 钢的2/3～3/4，但由于其作用面积较小，容易受损，因此必须考虑设备的易损性。

1.2.2 磨削加工性能

钛合金化学性质非常活泼，在高温工作状态下，易黏附磨料，阻碍砂轮，降低磨削性能，因此在磨削加工时必须保证合理的温度状态。此外，由于砂轮的磨损，散热条件变差，造成表层、工件局部烧伤，导致磨削裂纹。

1.2.3 挤压加工性能

挤压钛或钛合金时，为预防温度下降过快，必须保证挤压温度和挤压速率足够高，同时保证高温坯料与模具的接触时间足够短。所以，使用新型耐热模具材料成为必要。此外，尽可能采取保护措施，防止操作过程中的金属被气体污染。

1.2.4 锻造加工性能

锻造工艺参数的变化对钛合金影响非常大[5]。锻造温度、变形和冷却速率的变化会改变钛合金的组织和性能。近年来，为了保证锻件组织和性能的优异性，钛合金锻件广泛采用热锻、等温锻造等先进锻造技术[6]。

2 钛及钛合金工业运行情况

据中国有色金属工业协会钛锆铪分会统计，我国钛材用量最大的领域为化工行业，其次为航空航天行业。2022 年，化工领域用钛量为7.3 万t，占比50%；航空航天用钛量为3.3 万t，占比23%。医药、船舶领域用钛量相对较低，但增速都在30%以上[7]。冶金、电力、制盐、体育休闲、海洋工程等领域由于下游行业周期波动，用钛量均出现不同程度的下降。

2.1 产量

钛及钛合金的产量变化与整个工业领域用钛及钛合金的量息息相关。2020 年，受新冠病毒肺炎疫情影响，全球钛材料需求量大幅缩减，导致国际钛材产量大幅减少。以俄罗斯为例，钛加工材料年产量仅为2.6 万t，较2019 年下降23.5%。2020 年，我国钛工业表现突出，钛加工材料产量近10 万t，占世界钛加工材料产量的50%以上；2021 年和2022 年，我国钛工业材料产量连续两年突破10 万t，分别为13.59，15.10 万t，钛产品产量稳居世界第一。图1 为2013 年—2022 年中国钛加工材料产量变化情况。

图1 2013-2022 年中国钛加工材产量变化情况

2.2 产业结构

钛产业链主要分为有色金属和化学涂料，具体如表1 所示。

表1 钛产业链

以上两种产业链共享钛铁矿和金红石等资源。世界上超过90%的钛精矿用于钛白粉的制造，仅有5%的钛精矿用于海绵钛制造。

3 工业钛及钛合金的应用

随着中国工业向高精尖领域进军，钛及钛合金在国民经济中的地位越来越重要，广泛应用于航空航天、海洋工程、化学工业、石油工业等领域。因比强度高，耐蚀性、低温性能好，化学活性大等特点，同素异构转变温度为882 ℃，钛合金分为α，α+β，β3 类，工业纯钛分TA1，TA2，TA3，TA4，钛-钯合金TA9，TA10（钛-钼-镍合金）。作为活性金属，在清理和保护良好的情况下，钛具有良好的焊接性能。

3.1 航空航天

航空航天领域在工业体系中意义非凡。在人类迈向太空的过程中，钛及钛合金（轻质、耐高温）扮演着重要作用。钛及钛合金被称为“太空金属”，被各国广泛应用于制造飞机叶片、机身、飞机涡轮盘等结构部件。黄文君等[8]通过对航空领域用钛及钛合金材料发展进行研究，发现钛合金是航空发动机关键部件原料，且其高性能价值应用广泛。钛及钛合金在航空领域得到广泛应用，尤其是在航空发动机方面，其应用领域有鼓筒、压气机机匣、高压压气机转子、叶片等。现代涡轮发动机结构质量的30%左右采用钛合金材料制造。

3.2 海洋工程

在海洋工程中，钛及钛合金被称为“海洋金属”。在海水中，钛比其他金属的抗腐蚀性能优越，因此钛及钛合金是海上设备及装置的理想材料，特别适于制造轻型海工装备。钛及钛合金强度大、质量轻，在各种舰船中广泛应用。其应用主要集中在中国、俄罗斯、美国、日本等，且经过历代科研工作者研究，各国已经形成适应本国发展的船用钛合金体系。孙静等[9]总结了近年来钛及钛合金设备在海水中的腐蚀情况，发现腐蚀磨损是影响钛合金设备应用的主要因素。据报道，近年来我国由腐蚀造成的损失居高不下，大约为GDP 的5%，远高于美国的3.4%和日本的不足3%[10]。为了海洋工程的发展，必须把防止钛合金腐蚀磨损作为重要研究内容。

3.3 化学工业

除个别介质外，钛具有优异的稳定性。因此，钛也是优良的耐腐蚀材料之一。例如，使用钛阳极和钛湿氯冷却器在氯碱行业中进行电解，经济效益明显，被称为“氯碱工业的革命”。我国氯碱行业的钛阳极电解槽与常规石墨不同，其应用取得了显著成效，与阳极电解槽相比，每年可节省3 亿元以上，寿命可延长40 倍以上[11]。李伟等[12]对燃料电池中钛双极研究进展进行归纳，发现钛双极板表面改性技术的研究成果包含钛表面涂覆金属基涂层、碳基涂层和掺杂合金元素三大类，对钛双极板电池寿命的认识明显加深。因此对钛合金的研究不仅表现在传统技术上，还要加大对新型技术的创新。

3.4 石油工业

除甲酸、三氯乙酸、草酸、乙酸、三氟乙酸之外，对有机化合物而言，钛整体表现出极好的稳定性。因此，钛板是优良的结构材料，可用于压力容器等设备制造。陈雁等[13]利用卧式钛制反应器与传统搅拌槽反应器进行了微观物料混合的比较，结果表明钛制反应器比传统搅拌器混合效果明显。李献军等[14]通过分析钛及钛合金在油气开采中的应用，介绍了近几年宝鸡钛业股份有限公司钛材开发情况。图2 所示为石油工业中常用的卧式钛制反应器。经过分析压力容器产品损耗，发现钛-钢复合材料反应釜、塔器等设备强度性能优异，大大满足了客户对产品寿命的要求。

图2 卧式钛制反应器

4 结语

近些年我国钛及钛工业大跨步前进，并且在基础研究、对口专业领域等方面突破了国外钛工业大国（俄、美、日）的技术封锁，发展前景乐观。为进一步推动我国钛工业的高质量发展，针对我国钛工业提出如下几点建议：

（1）深入基础研究。实时跟进和积极开展金属钛提取新技术（例如钛及钛合金粉末近净成型技术、钛合金激光冲击强化技术及钛复合材料制备技术等）的研究，完善钛生产工艺和设备更新等，为我国钛工业体系打下坚实的基础。

（2）大力开发对口领域专用的钛及钛合金，例如口腔医疗领域专用的钛及钛合金、航空航天领域新型钛合金，实现专业对口系统化。

（3）把满足钛合金高端需求作为重点发展方向。美国、日本的钛材应用在航空航天领域分别占60%、10%以上，我国虽然稳步增加，但是与发达国家仍有差距。因此，在当前政策下，钛行业企业应该进行产业升级，牢牢把握钛合金高端需求。

（4）响应国家发展战略，发展新兴领域市场，延伸产业链，涉足新型加工领域，如口腔医疗和制药行业等。