1789 年英國(guó)化學(xué)家、礦物愛好者格雷戈?duì)?William Gregor)牧師在英格蘭末納金地區(qū)發(fā)現(xiàn)黑磁鐵礦中的氧化物內(nèi)含有一種新的物質(zhì)。6 年后的1795 年奧地利化學(xué)家克拉普羅特(MartinHeinrich Klaproth)在金紅石礦中也發(fā)現(xiàn)了這種物質(zhì),是一種新元素的氧化物,并把它比喻為古希臘神話大力神Titans(泰坦)。后來將這個(gè)元素的化學(xué)名稱定為Titanium,中文名稱為鈦。雖然早在19 世紀(jì)末就發(fā)現(xiàn)鈦的氧化物,但始終沒有發(fā)現(xiàn)純的金屬鈦,直到1910 年美國(guó)亨特(M·A·Hunter)用鈉還原四氯化鈦制得較純的鈦,"泰坦"元素才露出它的真面目。1932 年盧森堡科學(xué)家克羅爾(W·J·Kroll)以鈣還原四氯化鈦制得鈦,1940 年又在氬保護(hù)下用鎂還原四氯化鈦制得,此工藝是上世紀(jì)70 年代工業(yè)化制取鈦的基礎(chǔ)。

    鈦及鈦合金的基本特性鈦是一種銀白色的金屬,但在空氣中鈦及鈦合金表面有一層薄薄的致密的氧化膜,所以看上去呈灰白色。

    鈦及鈦合金的基本特性:

    ---密度小,強(qiáng)度高,比強(qiáng)度大:鈦的密度4510kg/t,為鋼的57%,不到鋁密度的2 倍,而抗拉強(qiáng)度比鋁的大3 倍。在常用的結(jié)構(gòu)材料中,鈦合金具有最大的比強(qiáng)度,是不銹鋼的3。5 倍,鋁合金的1。3 倍,鎂合金的1。7 倍;

    ---抗腐蝕性強(qiáng):鈦在一些腐蝕介質(zhì)中不會(huì)被腐蝕,對(duì)海水、濕氯、亞氯酸及次氯酸溶液、硝酸、鉻酸、金屬氯化物、硫化物、有機(jī)酸等都有強(qiáng)的抗腐蝕性能,這種性能得益于鈦及鈦合金表面有一層堅(jiān)不可摧的保護(hù)性氧化物(TiO2)膜,是當(dāng)鈦遇到水或水氣時(shí)形成的;

    ---耐熱性強(qiáng):鈦的耐熱性比鋁合金及不銹鋼的高得多,即使耐熱的鋁合金的長(zhǎng)期工作溫度也不會(huì)超高250℃不銹鋼的也不宜超過350℃可是鈦合金的工作溫度可達(dá)500℃是一個(gè)名副其實(shí)的耐熱合金;

    ---低溫性能好:有一些鈦合金如Ti-5Al-2。5Sn 的強(qiáng)度隨溫度的降低而提高,但塑性雖有所降低,可是不多,在低溫下仍有相當(dāng)好的塑性與韌性,可用于制造低溫結(jié)構(gòu)與容器;

    ---無磁性:鈦無磁性,是制造潛艇與掃雷艇的良好材料;

    ---熱導(dǎo)率小:鈦的熱導(dǎo)率小,約17W/(m·k)僅為鐵的1/5,鋁的1/12。5,Cu 的1/15,這是一個(gè)不足之處;強(qiáng)性模量低:僅108GN/mm2,約為Fe 的55%,但為鋁的1。5 倍。

    作為結(jié)構(gòu)材料使用時(shí),彈性模量低是不足之處;

    ---屈服強(qiáng)度接近抗拉強(qiáng)度:Ti-6Al-4V 合金的屈服強(qiáng)度892N/mm2 接近其抗拉強(qiáng)度960N/mm2,僅相差58N/mm2;在高溫下易氧化與吸氫性強(qiáng):鈦同氫、氧的結(jié)合力強(qiáng),特別是溫度較高時(shí),因此鈦材焊接時(shí)應(yīng)采用氬保護(hù),管材與薄板應(yīng)在真空爐內(nèi)熱處理,鈦鍛件應(yīng)在微氧化氣氛中熱處理;

    ---鈦合金的另一些特性是:Ti-50%Ni 原子合金在一定溫度條件下有形狀記憶功能。Nb-Ti 合金在接近絕對(duì)零度時(shí)成為超導(dǎo)材料。Ti-50%Fe 原子合金具有很大的吸氫能力,成為很有本事的貯氫材料。

    鈦:制造核潛艇的上乘材料

由于鈦及鈦合金具有一系列的優(yōu)良性能與特性,因此自上世紀(jì)60 年代中期以來在艦船及海洋工程中獲得了廣泛的應(yīng)用,受到一致的贊譽(yù)。核潛艇、深潛器、原子能破冰船、水翼船、氣墊船和掃雷艇等艦船上都使用了鈦合金螺旋槳推進(jìn)器、潛艇鞭狀天線、海水管路、冷凝器和熱交換器、聲學(xué)裝置、消防設(shè)備等。主要應(yīng)用的合金為工業(yè)純鈦(TAO-10)、Ti-6Al-4V(TC4)、Ti-6Al-2Nb-1Ta-0。8Mo、Ti-3Al-2。5V(TA4),等等。

    具有形狀記憶特性的Ti-Ni 合金作為管接頭已在潛艇中獲得應(yīng)用。這種接頭極難焊接,采用形狀記憶合金使問題迎刃而解,非常適用于海水中工作。

    鈦在江河湖海水中具有非常優(yōu)秀的抗腐蝕性能,特別對(duì)海水腐蝕有很強(qiáng)的耐受力,極為可貴。

    可以毫不夸張地說,鈦在所有天然水中的抗腐蝕性在所有金屬材料中首屈一指。鈦在高溫水及水蒸氣(>300℃中會(huì)失去光澤,但是不會(huì)腐蝕。

    鈦在260℃海水中仍很抗腐蝕,鈦管凝汽器在受污染的海水中工作25 年后仍完好無損,僅稍有變色,沒有腐蝕跡象。不過由于鈦的海水中既不腐蝕又無毒性,會(huì)附著大量海洋生物,不易清除,成為一個(gè)麻煩的實(shí)際問題。工業(yè)純鈦很耐海水的縫隙腐蝕、點(diǎn)腐蝕和沖刷腐蝕,應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞敏感性也不大。在高速流動(dòng)海水(如36。6m/s)中的沖蝕速度會(huì)有所上升。當(dāng)海水中含有混砂等磨擦性顆料時(shí),對(duì)鈦的耐沖蝕性有一些影響,但比銅合金及鋁合金的輕得多。在海水中鈦也是最棒的抗空泡腐蝕材料。

    太平洋深處底部存有數(shù)以百億噸計(jì)的錳結(jié)核礦粒與小塊,是一種非常寶貴的取之不盡的礦產(chǎn),除錳外,還含十幾種有用的與稀有的有色金屬,但是如何把它們開采出來卻是一個(gè)尚未圓滿解決的世界性難題。美國(guó)的設(shè)想是:用深海船上的鈦合金管把錳結(jié)核吸出來,每條深海船裝有數(shù)百根Ti-6Al-4V(TC4)合金管,管的規(guī)格為:壁厚10mm,直徑250mm。開采錳結(jié)構(gòu)的深海船用真空泵將帶錳結(jié)核的海水抽吸上來,這種泵須能承受5000m~6000m 深的海水壓力,并且要求有抗海水腐蝕與耐摩擦的超凡能力,鈦合金是制造這種泵性價(jià)比最合適的材料。

    俄羅斯鈦合金潛艇技術(shù)國(guó)際領(lǐng)先蘇聯(lián)及后來的俄羅斯不但在研發(fā)鈦及鈦合金方面居世界領(lǐng)先水平,而且在建造鈦合金潛艇技術(shù)方面也處于國(guó)際領(lǐng)先地位,還是用鈦合金建造耐壓殼體的先驅(qū)國(guó)家。高峰時(shí)期,潛艇鈦合金厚板(>6。0mm)和管材的用量超過10kt,占全球鈦加工材年產(chǎn)量的1/3~1/2。熱交換器是潛水艇上的重要裝備,是用導(dǎo)熱性良好的鈦合金制的;潛艇殼體鈦材為鈦合金厚板,要求材料有良好的韌性,以抵擋深水炸彈爆炸沖擊波。潛艇鈦合金厚板扁錠由上薩爾達(dá)冶金聯(lián)合公司生產(chǎn),再運(yùn)到列寧格勒冶金廠(1991 年改為圣彼得堡冶金廠)軋制。俄羅斯的鈦工業(yè)發(fā)展水平,以及鈦合金在艦船制造工業(yè)的使用規(guī)模來看,都是全球的領(lǐng)頭羊,遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先世界其他國(guó)家。

    從 20 世紀(jì)60 年代起至2007 年,蘇聯(lián)-俄羅斯研制的鈦合金核潛艇已有4 代,世界首艘K162號(hào)全鈦核潛艇1968 年下水,已運(yùn)行近50 年,到過所有的大洋與海域,經(jīng)受了驚濤駭浪和不同環(huán)境考核,從未出過任何事故。蘇聯(lián)1970 年建造第一艘"ALFA"級(jí)核潛艇,70 及80 年代又造了6 艘,每艘鈦材用量約3kt,最大下潛深度914m,又快又準(zhǔn)。"ALFA"級(jí)核潛艇的技術(shù)參數(shù)見下表。

    上世紀(jì)80 年代蘇聯(lián)制造了6 艘用鈦量達(dá)9000t 的"臺(tái)風(fēng)"級(jí)彈道導(dǎo)彈潛艇,第一艘1980 年開始建造,1984 年服役,排水量33800t,水下航速27knot(節(jié),即1 海里/h,1 海里=1853。2m),它是世界上最大的核潛艇,雙殼體結(jié)構(gòu),非耐壓殼體由高強(qiáng)低磁鋼建造,耐壓殼體以鈦合金打造,可攜帶20 枚戰(zhàn)略導(dǎo)彈,第6 艘這種潛艇1989 年下水。據(jù)稱,這批核潛艇原計(jì)劃于21 世紀(jì)初期起陸續(xù)退役。

    2003 年俄羅斯"尤里·多爾戈魯基"號(hào)潛艇服役,它是"北風(fēng)之神"新系列全鈦潛艇的首艘,是第四代新潛艇,其水下排水量雖比"臺(tái)風(fēng)"級(jí)潛艇的33800t 小,但卻比"德爾塔"級(jí)的11740t大得多,同時(shí)它的各項(xiàng)性能均居全球現(xiàn)有同級(jí)別潛艇之首,其他的都只有望洋興嘆。

    美國(guó)1980 年服役的"俄亥俄"號(hào)導(dǎo)彈潛艇的水下航速為20knot,比蘇聯(lián)建造的"臺(tái)風(fēng)"級(jí)潛艇的27knot 小26%。

責(zé)任編輯：周婭

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