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钛的新应用及市场前景

发布时间: 2017-08-19 14:46:49   来源: 利泰金属    浏览次数:

 钛在建筑、汽车、计算机等新兴市场中的应用,并对钛的新市场的发展前景进行了展望。从长远来看,未来钛新应用市场前景光明。

自从人类1790年发现钛元素,1951年进入工业化生产以来,钛逐渐显示出它独特的优越性能。它不仅具有金属结构材料的优越性能,而且在许多工艺介质中具有优异的耐腐蚀性能。钛的应用可以获得明显的技术进步和经济效益。钛的蕴藏量是铜的十倍,是继铁、铝之后的“第三金属”,被称为“空间金属”。

由于钛所具有的一系列优良性能,资源又很丰富,钛的工业生产问世后,立即受到普遍高度重视。钛的应用首先是从军工和航空工业开始的。早在1951年美国就将钛材用于飞机上,前苏联、英国的钛材也主要用在军事和航空领域。钛材最早用于航空,航空市场一直是钛最主要的市场,目前仍占世界钛市场总量的50%。上世纪70年代后,钛的优良性能逐步在民用工业中得到普遍认识,在冶金、化工、电力等民用工业上的应用逐年增加,用量也稳步增长。

钛的新应用

近年来,钛在建筑、汽车、计算机、装甲、油气开采、体育休闲用品等新应用领域不断出现,并形成一定的规模。

1、建筑用钛

钛在许多建筑应用领域中是一种优异的可选择材料,如在外部包覆、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。建筑用钛具有杰出的耐蚀性、高强度、轻重量和耐久性,比其它任何金属的使用寿命都长,且不需要怎么维修。因此从设计和开发来说,尤其是从寿命周期考虑,钛是最实用的。

许多新的项目已列在规划之中。如巴黎航空站已计划在两个大的世界级建筑项目中使用钛。钛还被选择用作北京国家大剧院(见图1)和阿布扎比国际机场建筑用椭圆形顶的材料,其中国家大剧院仅蒙皮材料估计就使用400吨钛材;阿布扎比机场预计在屋顶、结构材料上的钛材用量将达800吨。在该机场的建设中,钛首次在结构建筑中获得应用。为满足工程需要,阿布扎比机场将使用航空级钛合金厚板做结构架,另外,机场外部还将用钛嵌板和玻璃包覆。

钛在欧美建筑的应用中相对较新,但在日本的应用已有多年了,有百余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。

2、汽车应用

汽车零部件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。

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,使汽车减轻重量8.1千克,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弹簧减轻60%-70%的重量,在一个典型的、美国造的、可乘坐5-6人的家用车中,通常使用4个钛卷弹簧,每辆车就可减轻10千克左右的重量。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了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。

3、钛在计算机上的应用

因钛具有质量轻、无金属过敏性、可循环利用等诸多优良特性,因此钛在个人电脑、手机等领域中的应用日益增多。钛在计算机上的使用主要是用做计算机外壳和硬盘盘片。

(1)钛计算机外壳

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。ThinkPad电脑A系列(如A20p)和T系列(如T20)的机壳均使用了钛基复合材料,不但提高了机壳的强度和抗震性能,而且可使电脑更薄、更轻。

日本富士通公司率先采用纯钛(99.5%)制造的小型A5尺寸、890克轻量笔记本电脑外壳。1999年该公司已在笔记本电脑(INTERTOP CX300)的外壳上使用钛合金。

钛比主要作为计算机外壳材料的金属镁的拉伸强度高出许多(镁为44.4GPa,钛为106.3GPa),钛的导热率(17W/m.K)也只有镁(159W/m.K)的十分之一,所以钛作为外壳材料在实现薄壁化的同时又能保持强度,抑制来自硬件等的热量扩散,防止底面的发热。尤其是因钛表面耐蚀性优良,表面的涂层处理等变得较为简单。

(2)计算机硬盘盘片

硬盘盘片大多采用铝合金制造,前不久又出现了“玻璃硬盘”,因这种盘片具有更大的平滑性和更高的坚固性,且在高转速时也具有更高的稳定性。计算机硬盘盘片用钛合金(主要是Ti-3Al-2.5V)比通用的铝合金和玻璃硬盘有更多的优越性,如强度高,可减少盘片厚度,提高存储密度和转速,表面光洁度高,可减少读写磁头与磁盘的距离,提高存储密度;钛盘片还具有损坏容许极限高、表面硬度高等特点。

目前,由美国Timet公司投资500万美元建成了一个钛盘片内部组织机构,1998年已小规模地在微机驱动部件上进行新开发,硬盘用钛会给Timet公司带来很大益处。目前市场上使用较普遍的钛硬盘的规格为:直径95mm;厚度0.635mm(或0.8mm);表面硬度14700MPa;杨氏模量660GPa;最高工作温度700℃;平直度<10μm;粗糙度Ra<0.8nm。盘片采用的生产技术多为精密冷轧钛或钛合金,盘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,盘片表面也可喷镀一层氮化钛或硼化钛硬涂层。

计算机硬盘盘片的市场很大,发展迅速。1998年世界盘片产量约为4.5亿张。分析家预测,硬盘生产量以每年10%-15%的速度增长。据估计,随着信息产业的高速发展和市场的激烈竞争,钛用于计算机会有较好的市场。

4、军事工业

除军用飞机外,军事战车和火炮是钛主要的军事应用,其前景十分看好。军用车辆急需减轻重量,当前军队中绝大多数军车已达到其设计重量极限。而任何新技术应用于现有的车辆上,都要求除去相当的重量,并不能影响冲击防护性能,因此钛是最佳的选择。钛在地面军用车辆中的应用有M1主战坦克、M2战车和Bradley战车等(见图5)。试验表明,Ti-6A1-4V合金和新型TIMETAL Ti-62S合金优于常规的均质装甲钢(RHA)材料。钛、铝、和RHA钢的一些性能比较列于表2中。

钛与常规的轧制均匀装甲钢材料相比具有高比强度、极好的射击和多次射击性能、可焊性和机加性以及极强的耐腐蚀性,可减轻25%-60%的重量,提高装甲车的战斗能力和机动性,并减少寿命周期成本。低成本多用途的TIMETAL 62S合金与常规Ti-6Al-4V合金相比还可节省15%-20%的费用,因此它是美国军队装甲应用的首选,比如用在Bradley战斗车指挥舱的舱口处。

在M2战车上,钛主要用于指挥舱盖和顶部防护装甲的改进,指挥舱盖每个重68千克,待改进M2战车总计1000辆,1997年已对首批的580辆进行了改装。

在火炮系统中,两种155毫米轻型牵引榴弹炮使用了大量的钛合金。XM777 155mm超轻型便携式榴弹炮的架尾和反冲击气缸是用钛制成的。美国RMI公司从2001年开始为英国宇航系统公司研制的XM—777型155mm榴弹炮提供钛材。榴弹炮从2003年开始交货,到2010年将要制造821门,该项目将为RTI赢得1亿美元的收入。

尽管钛合金性能优良,但因价格原因而不能广泛用于国防领域,随着低成本钛合金研究力度的加大,钛还将用于M113装甲运输车的改造,若将50%的M113进行改进,大约要用钛80000吨。钛在未来军事领域的应用还将深入到海运装备中,海军舰船上每年大约需要更换9.7万米热交换器用的铜镍合金管,如果改用钛管,可延长使用寿命,节省大量维修费用。

5、体育用品

钛在体育用品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。

钛高尔夫球杆明显占优势,钛的比重小,强度大,可以把球头做得更大,而不会增加球杆的总重量。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。美国在高尔夫球等民用品方面的用钛量增长很快,1996年美国高尔夫市场钛的消耗达4500吨。

钛制网球拍市场需求量近来呈上升势头。钛网由于深埋球拍的框架内,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、高耐蚀性、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、鱼竿等体育休闲用品上的应用也不胜枚举,其用量相当可观。

6、食品器械

钛在食品器械的应用中表现出高耐蚀性、轻重量、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、低商品寿命成本的优点,且安装简便,容易检修。食品的保存与加工多采用加盐法,在此方面,钛比其它金属材料更加优异。且在食品加工工艺中,防止了来自材料的污染或通过腐蚀而进入到制品中的微生物污染,钛的耐腐蚀性能可说是独一无二的。特别是粘附性之低可与特氟纶相比,加之钛加工技术的可行性,实现了深层的卫生状态,使净洗作业变得简单,且提高了效率。制品不受污染,味道纯正。因此,钛在酿造、食品加工装置材料的使用中成为安全、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数据的整理工作正在进行。事实上,食品工业对钛并不熟知,因此应进行大规模的市场促销活动,以增加钛在食品行业中的用量。

新应用市场前景展望

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,以摆脱完全依赖于传统工业的被动局面。

最具钛新应用潜力的市场是汽车行业,全世界汽车的钛用量在1995年仅有100吨,而2002年达到1100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天航空工业中的用量。现在,美国每年可生产1500-1600万辆汽车,若每辆车上使用1千克的钛部件,则美国每年的汽车用钛量将达到1.5万吨以上。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,如阿尔法罗密欧汽车的钛制零部件。

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2300吨。军用装甲目前年用钛量为400t,到2006年增至1300吨。钛高尔夫球杆市场在经历大幅调整后,目前仍是钛民用领域的一大支柱,年销售量为1200吨左右。

钛在建筑、汽车、能源、军用装甲板等新领域市场已较前大幅度增加,其总消费量在2001年约为6000吨,到2004年翻了一番,达到1.2万吨。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。

总之,我们相信随着钛新应用的不断开发与发展,钛新用量的不断上升,未来钛的新应用市场的发展前景光明。

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