钛——制造核潜艇的上乘材料

2018-07-03 12:24:17 作者：本网整理来源：钎焊分享至：

1789年英国化学家、矿物爱好者格雷戈尔牧师在英格兰末纳金地区发现黑磁铁矿中的氧化物内含有一种新的物质。6年后的1795年奥地利化学家克拉普罗特在金红石矿中也发现了这种物质，是一种新元素的氧化物，并把它比喻为古希腊神话大力神Titans（泰坦）。后来将这个元素的化学名称定为Titanium，中文名称为钛。虽然早在19世纪末就发现钛的氧化物，但始终没有发现纯的金属钛，直到1910年美国亨特用钠还原四氯化钛制得较纯的钛，“泰坦”元素才露出它的真面目。1932年卢森堡科学家克罗尔以钙还原四氯化钛制得钛，1940年又在氩保护下用镁还原四氯化钛制得，此工艺是上世纪70年代工业化制取钛的基础。

钛是一种银白色的金属，但在空气中钛及钛合金表面有一层薄薄的致密的氧化膜，所以看上去呈灰白色。钛及钛合金的基本特性：

密度小，强度高，比强度大

钛的密度4510kg/t，为钢的57%，不到铝密度的2倍，而抗拉强度比铝的大3倍。在常用的结构材料中，钛合金具有最大的比强度，是不锈钢的3.5倍，铝合金的1.3倍，镁合金的1.7倍。

抗腐蚀性强

钛在一些腐蚀介质中不会被腐蚀，对海水、湿氯、亚氯酸及次氯酸溶液、硝酸、铬酸、金属氯化物、硫化物、有机酸等都有强的抗腐蚀性能，这种性能得益于钛及钛合金表面有一层坚不可摧的保护性氧化物（TiO2）膜，是当钛遇到水或水气时形成的。

耐热性强

钛的耐热性比铝合金及不锈钢的高得多，即使耐热的铝合金的长期工作温度也不会超高250℃不锈钢的也不宜超过350℃可是钛合金的工作温度可达500℃是一个名副其实的耐热合金。

低温性能好

有一些钛合金如Ti-5Al-2.5Sn的强度随温度的降低而提高，但塑性虽有所降低，可是不多，在低温下仍有相当好的塑性与韧性，可用于制造低温结构与容器；无磁性：钛无磁性，是制造潜艇与扫雷艇的良好材料。

热导率小

钛的热导率小，约17W/（m·k）仅为铁的1/5，铝的1/12.5，Cu的1/15，这是一个不足之处。

强性模量低

仅108GN/mm2，约为Fe的55%，但为铝的1.5倍。作为结构材料使用时，弹性模量低是不足之处。

屈服强度接近抗拉强度

Ti-6Al-4V合金的屈服强度892N/mm2接近其抗拉强度960N/mm2，仅相差58N/mm2；在高温下易氧化与吸氢性强：钛同氢、氧的结合力强，特别是温度较高时，因此钛材焊接时应采用氩保护，管材与薄板应在真空炉内热处理，钛锻件应在微氧化气氛中热处理。

钛合金的另一些特性是

Ti-50%Ni原子合金在一定温度条件下有形状记忆功能。Nb-Ti合金在接近绝对零度时成为超导材料。Ti-50%Fe原子合金具有很大的吸氢能力，成为很有本事的贮氢材料。

由于钛及钛合金具有一系列的优良性能与特性，因此自上世纪60年代中期以来在舰船及海洋工程中获得了广泛的应用，受到一致的赞誉。核潜艇、深潜器、原子能破冰船、水翼船、气垫船和扫雷艇等舰船上都使用了钛合金螺旋桨推进器、潜艇鞭状天线、海水管路、冷凝器和热交换器、声学装置、消防设备等。主要应用的合金为工业纯钛（TAO-10）、Ti-6Al-4V（TC4）、Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo、Ti-3Al-2.5V（TA4），等等。

具有形状记忆特性的Ti-Ni合金作为管接头已在潜艇中获得应用。这种接头极难焊接，采用形状记忆合金使问题迎刃而解，非常适用于海水中工作。

钛在江河湖海水中具有非常优秀的抗腐蚀性能，特别对海水腐蚀有很强的耐受力，极为可贵。

可以毫不夸张地说，钛在所有天然水中的抗腐蚀性在所有金属材料中首屈一指。钛在高温水及水蒸气（＞300℃中会失去光泽，但是不会腐蚀。

钛在260℃海水中仍很抗腐蚀，钛管凝汽器在受污染的海水中工作25年后仍完好无损，仅稍有变色，没有腐蚀迹象。不过由于钛的海水中既不腐蚀又无毒性，会附着大量海洋生物，不易清除，成为一个麻烦的实际问题。工业纯钛很耐海水的缝隙腐蚀、点腐蚀和冲刷腐蚀，应力腐蚀和腐蚀疲劳敏感性也不大。在高速流动海水（如36.6m/s）中的冲蚀速度会有所上升。当海水中含有混砂等磨擦性颗料时，对钛的耐冲蚀性有一些影响，但比铜合金及铝合金的轻得多。在海水中钛也是最棒的抗空泡腐蚀材料。

太平洋深处底部存有数以百亿吨计的锰结核矿粒与小块，是一种非常宝贵的取之不尽的矿产，除锰外，还含十几种有用的与稀有的有色金属，但是如何把它们开采出来却是一个尚未圆满解决的世界性难题。美国的设想是：用深海船上的钛合金管把锰结核吸出来，每条深海船装有数百根Ti-6Al-4V（TC4）合金管，管的规格为：壁厚10mm，直径250mm。开采锰结构的深海船用真空泵将带锰结核的海水抽吸上来，这种泵须能承受5000m~6000m深的海水压力，并且要求有抗海水腐蚀与耐摩擦的超凡能力，钛合金是制造这种泵性价比最合适的材料。