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钛的新应用

[ 信息提供:118ss | 时间:2013-03-06 | 作者: | 浏览:2774次 ]

钛的新应用

 

近年来,钛在建筑、汽车、电脑、体育和食品等领域的新应用不断出现,并形成一定的规模。 

 

1 建筑应用 

钛是建筑领域的一种优异可选择材料,例如外部包覆、悬墙、屋顶包覆、蒸馏塔外层、顶盖、内部包覆、灯具以及艺术雕塑品和纪念碑等。钛建筑物具有耐蚀性、高强度、轻量和耐久性,比其他任何金属的使用寿命都长,且不需要怎么维修。

许多专项已列在用钛规划之中,例如巴黎航空站已计划在两个世界级建筑物上使用钛。钛还被选择用作北京大歌剧院和阿布扎比国际机场建筑物材料。北京歌剧院仅蒙皮材料估计就使用400t钛材;阿布扎比机场预计在屋顶结构上的钛材用量将达800t,并用航空级钛合金厚板做结构架。 

钛在西方建筑应用中相对较新,但在日本获得应用已有多年,有上百个建筑物都使用了钛,使许多重污染地区、都市和滨海地区的腐蚀问题得到了圆满的解决。 

  美国佛罗里达州奥兰多市最近要建造一座跨铁路的校园人行桥,要求桥的结构全部用美国的钛制造,包括拉条和紧固件,以演示钛在桥梁中的使用性能,提高各界对钛新用途的认识。

2 汽车应用 

    汽车中使用钛可使汽车重量大大减轻,降低燃料消耗,提高汽车工作效率,改善环境和降低噪音。据资料介绍,每降低10%的车体重量就可以减少10%废气排放量及节省7%的燃料消耗,因此汽车的轻量化将会起到“节能,环保”的双重功效。钛在汽车中的具体应用部位列于表1。 

表1   钛在汽车上的具体应用部件

部件名称parts

可用材料material

阀门valve

Ti-6Al-4V;Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo;Ti-33.5Al-1Nb-0.5Cr-0.5Si

阀座valve seat

Ti-6Al-4V; Ti-5Al-2Cr-1Fe 

连杆connecting rod

Ti-6Al-4V;  Ti-4Al-2Sn-4Mn;  Ti-7Al-4Mo 

曲轴crank shaft

Ti-5Al-2Cr-Fe;  Ti-3Al-2.5V 

悬簧spring

Timetal LCB (Ti-4.5Fe-6.8Mo-1.5Al) 

欧洲雪佛莱(Chevrolet)汽车公司高性能的2001 Corvette Z06型汽车上使用了钛回气管,使汽车减轻8.1公斤,并明显地提高了耐蚀性。2001 Corvette Z06型汽车,预计将生产6500辆。 

用钛制成的弹簧可比钢的减轻60~70%,在一个典型的美国造的可乘坐5~6人的家用车中,通过使用4个钛卷弹簧,每辆车就可减轻10公斤左右。美国钛金属公司(Timet)与德国大众汽车公司于2001年1月宣布,大众Lupo FSI的2001年型号车将使用钛悬簧,大众汽车公司预计生产3500辆该型号车。这些是最近在汽车中大量使用钛的例子。 

使用钛制排气系统和悬挂弹簧可为设计者提供了两种最大减轻重量的方法,近来的这些突破已吸引了许多赛车、豪华小汽车、小型厢式载重车和卡车的生产商。随着经济的发展和汽车制造商提高燃料经济性的需求,会有更多的工程设计人员将选择钛用做汽车零件,钛最终将在汽车生产工业中占有重要的地位,汽车将会代表未来钛金属的一个主要应用市场。 

与钢弹簧相比,钛弹簧具有轻量、体积小和共振频率高等优点,其密度和弹性模量只有钢簧的一半,而强度几乎与钢弹簧一样,在实际应用中可将钛簧设计得比钢簧直径小、圈数少。 高强度的β钛合金, 如Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr和Timetal LCB (Ti-6.8Mo-4.5Fe-1.5Al) 合金是制造弹簧的最佳选择。

3 电脑应用 

钛在电脑上主要用作电脑外壳和硬碟碟片。 

(1) 电脑外壳 

    美国IBM公司于2000年5月宣布其新型ThinkPad笔记本电脑外壳使用钛基复合材料, 提高了机壳的强度和抗震性能,使电脑更薄、更轻。 

日本富士通公司率先采用纯钛制造的小型A5尺寸、890克轻量笔记本电脑外壳已商品化。 1999年该公司已在笔记本电脑「INTERTOP CX300」的外壳上使用钛合金;2001年1月市场上已出售日本阿波罗公司用钛生产的仅有2.6厘米的薄壁笔记本电脑Power book G4。 

作为电脑外壳材料,钛比镁的拉伸强度高出许多,导热率也只有镁的1/10,所以钛作为外壳材料在实现薄壁化的同时又能保持强度,抑制热量扩散, 防止底面发热。 

(2) 电脑硬碟碟片 

    电脑硬碟碟片用钛合金(主要是Ti-3Al-2.5V)比通用的铝合金和玻璃硬碟有更多的优越性,如强度高,可减少碟片厚度,提高存储密度和转速;表面光洁度高,可减少读写磁头与磁片的距离,提高存储密度;钛碟片还具有容损极限高、表面硬度高等特点。 

    美国Timet公司投资500万美元建成了一个钛碟片研发机构,1998年已小规模地在微机驱动部件上进行了新开发,硬碟用钛给Timet公司带来很大受益。目前市场上使用较普遍的钛硬碟的规格为:直径95毫米; 厚度0.635毫米(或0.8毫米); 表面硬度14,700MPa;  杨氏模量660GPa(TiN); 最高工作温度700℃; 平直度< 10μm; 粗糙度Ra<0.8nm。碟片采用的生产技术多为精密冷轧钛或钛合金, 碟片表面可通过等离子氮化、等离子渗碳或等离子碳氮共渗进行硬化处理,碟片表面也可喷镀一层氮化钛或硼化钛硬涂层。 

电脑硬碟碟片的市场很大,发展迅速。 1998年世界碟片产量约为4.5亿张。分析家预测,硬碟生产量将以每年10%~15%的速度增长。据估计,随着资讯产业的高速发展和市场的剧烈竞争,钛用于电脑会有较好的应用市场。 

4 体育器械应用

钛在体育器械中的应用也相当广泛,如高尔夫球棒和球头、网球拍、登山鞋、滑雪鞋、冰球冰刀、自行车架、短跑运动鞋鞋钉等。 

在广泛的试验中,高尔夫球手用钛球头比用标准加大的钢球头的击中率平均可提高20%,而且击球距离有所提高。美国高尔夫球用钛量增长很快,1996年美国高尔夫市场钛的消耗达4,500吨。 

钛制网球拍市场需求量近来呈上升势头.钛网由于深埋入球拍的框架内,增强了球拍的打击力,受到玩家的好评。现在,日本几乎所有的网球拍生产厂家都在出售钛制球拍,它占到球拍市场约一半的份额。 

因钛眼镜架的轻量、高强度、良好耐蚀性、又不发生金属过敏等优点,日本眼镜架的半数以上是钛镜架。如果钛镜架市场在不远的将来扩大到中国、东南亚等地区,那么目前的钛镜架需求将会成倍增加。 

现在自行车运动在全世界得到广泛开展,钛自行车特别适合高档次自行车运动的要求,因此钛自行车的销量也在逐步增大。 

除此之外,钛在手表、首饰、滑雪用具、鱼杆等体育休闲用品上的应用也不胜枚举,其用量相当可观。 

 

5 食品器械应用

钛在食品器械应用中表现出高耐蚀性、轻量、生物相容性、低粘附性、高清洁性与杀菌性,钛制食品设备具有高效率、长寿命、低维修成本,且安装简便,容易检修。在食品加工工艺中,钛的耐腐蚀性能可说是独一无二,制品不受污染,味道纯正。因此,钛在酿造、食品加工装置中成为安全、卫生的材料。 

    目前, 食品器械产业市场被不锈钢所垄断,世界上每年有数百万吨的不锈钢在与食品相关的领域得以使用。为了拓展钛在食品相关领域的应用,研究人员对于食品用钛的耐蚀性和香、味的变化等功能试验及资料的整理工作正在进行。 

6 前景展望 

目前航空工业的兴衰对钛工业仍起着决定性的作用。 9.11恐怖事件对航空业的打击加强了人们开拓新市场的认识, 使人们再次意识到了开发航空业以外钛市场的重要性,以摆脱完全依赖于航空工业的被动局面。 

目前钛最具新应用潜力是汽车行业,全世界汽车的钛用量在1995年仅有100吨,而2002年达到1,100吨。汽车用钛是一个非常庞大的市场。一旦钛在汽车工业中得到广泛的应用,那钛材的用量将远远超过目前航太航空工业中的用量。现在美国每年可生产1,500万~1,600万辆汽车,若每辆车上使用1公斤的钛部件,则美国每年的汽车用钛量将达到15,000吨以上。  

汽车制造商批量使用钛制零部件标志着世界钛工业今后将逐步摆脱航空业的束缚,向更广阔的应用领域拓展。 

另外,近海石油和天然气生产用钛量在2000年为500吨,到2006年增长到2,300吨。军用装甲2000年用钛量为400吨,到2006年增至1,300吨。高尔夫球市场在经历了大幅调整后目前仍是钛民用领域的一大支柱。 

钛在建筑、汽车、能源、兵工装甲等新领域市场已较前大幅度增加,其总消费量在2001年约为6,000吨,到2004年翻了一翻,达到12,000吨。据预测,到2013年,新应用领域用钛将占全部用钛量的20%,那时钛市场受制于航空业的局面将会改变。