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4行業(yè)新聞

鈦合金到底是一種什么樣的材料


我們?cè)谝恍╇娨暪?jié)目或者網(wǎng)絡(luò)上,經(jīng)常能看到介紹建造航母有多么的燒錢,這是因?yàn)楹侥傅慕ㄔ煨枰婕暗胶芏嗉夹g(shù)領(lǐng)域和相關(guān)的材料,所以說(shuō)建造航母光有錢還不夠,還需要有強(qiáng)大的工業(yè)基礎(chǔ)和材料研發(fā)能力。


曾經(jīng)有報(bào)道說(shuō)航母甲板上一顆鉚釘就能換一輛轎車,可見有多燒錢,這種鉚釘也不是普通的鉚釘,它是用鈦合金材料制成的鉚釘,這種昂貴的鈦合金鉚釘并不是滿甲板都是,也只有在起落戰(zhàn)斗機(jī)的地方才有。


因?yàn)閼?zhàn)斗機(jī)在起飛時(shí)會(huì)噴出超過(guò)1000攝氏度的高溫,這就需要對(duì)甲板有耐高溫的要求,而對(duì)耐高溫材料的焊接技術(shù)又不成熟,所以甲板之間的拼裝就需要靠鈦合金鉚釘來(lái)完成。


鈦合金是以鈦為基礎(chǔ)加入了其它元素組成的合金,鈦合金材料具有質(zhì)量輕,強(qiáng)度大,彈性小,耐高溫和耐腐蝕等特點(diǎn),主要用于航空發(fā)動(dòng)機(jī),火箭,導(dǎo)彈的部件,(普通工業(yè)也會(huì)用到鈦,鈦的等級(jí)也有很多,不同行業(yè)根據(jù)要求會(huì)選擇合適等級(jí)的鈦。)


鈦合金是比較年輕的一種金屬,從被研發(fā)出來(lái)到現(xiàn)在也就六,七十年的歷史,進(jìn)入20世紀(jì)后傳統(tǒng)的鋼鐵和鋁已經(jīng)不能滿足航天航空,航海等領(lǐng)域的需求,在1954年由美國(guó)公司研發(fā)出了鈦合金材料。


每當(dāng)說(shuō)起一個(gè)產(chǎn)品的材料采用了鈦合金時(shí),就會(huì)吸引很多人的眼球,因?yàn)殁伜辖疬@種材料特別的貴,在很多人眼中鈦合金都是高檔金屬材料的代名詞,這么金貴的材料一般都是用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上,它還是一些尖端武器裝備的最理想材料。


但事實(shí)上,組成鈦合金這種材料的主要金屬鈦并不稀有,在地球上鈦元素的含量占到地殼總質(zhì)量的0.45%,僅次于鐵,鋁,鎂等金屬元素,目前已知的鈦礦物種類就超過(guò)了140多種,儲(chǔ)量也是很豐富的。


在自然界中鈦存在于鈦鐵礦和金紅石等礦物中,純鈦呈銀灰色,同時(shí)它也是一種輕質(zhì)金屬,鈦的密度只有4.54克每立方厘米,熔點(diǎn)在1668攝氏度,具有可塑性。


而真正讓鈦備受追捧的還是它本身具有的特性,作為一種輕質(zhì)金屬,在所有元素中,鈦的重量與強(qiáng)度的比例最高,重量比鋼輕44%,但機(jī)械強(qiáng)度卻與鋼差不多,比鋁強(qiáng)3倍,鈦擁有極強(qiáng)的抗腐蝕能力,與鋁相似的是鈦在常溫下表面也會(huì)覆蓋一層致密的氧化膜。


其無(wú)毒,無(wú)磁的特點(diǎn)也很適合于工業(yè)生產(chǎn),液態(tài)鈦幾乎可以與所有金屬相溶,因此可以與多種金屬形成合金,通過(guò)加入一定比例的其它金屬元素,可以讓冶煉出來(lái)的鈦合金在保證重量輕,強(qiáng)度大,耐腐蝕特性的同時(shí),還擁有更大的強(qiáng)度或者更強(qiáng)的耐高溫度性能,甚至還擁有記憶能力,鈦是與人體最相容的一種金屬,在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也有使用,比如心臟支架,骨科鈦板等,日常生活中一些眼鏡框,手表框,還有一些體育用品也會(huì)廣泛使用鈦合金。


有人就疑惑了,鈦這種金屬也不稀有,而儲(chǔ)量又那么多,為什么鈦合金還那么貴重呢?


這就會(huì)涉及到金屬的冶煉技術(shù),鈦合金對(duì)冶煉環(huán)境及其苛刻,鈦在高溫條件下化學(xué)活性小,所以冶煉鈦合金必須要在高溫下進(jìn)行,一般情況下鈦合金冶煉溫度要在800攝氏度以上,并且還要在真空的環(huán)境下操作,這個(gè)冶煉環(huán)境相對(duì)于鋼鐵等金屬要高很多,正所謂物以稀為貴,久而久之鈦合金就成了所謂的稀有金屬,這就導(dǎo)致了它的價(jià)格居高不下。


雖然鈦合金的產(chǎn)量低價(jià)格貴,但并不代表用得少,特別是各國(guó)在一些尖端武器裝備和國(guó)之重器上對(duì)鈦合金的使用也是很豪放的,據(jù)透露,中國(guó)殲-20使用的鈦合金大約占機(jī)身重量的20%,這些鈦合金主要用于機(jī)身的結(jié)構(gòu)材料。


目前鈦合金材料在航空航天工業(yè)中應(yīng)用是最多的,所以也將鈦合金叫作“空間金屬”,它重量輕,強(qiáng)度大又耐高溫,特別適合制造航空航天器,很多以前使用鋁合金的部件都改用了鈦合金。


隨著技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)在飛機(jī)的最高航速時(shí)是音速的3倍以上,這么快的超音速飛行,會(huì)使飛機(jī)與空氣摩擦而產(chǎn)生大量的熱,一般當(dāng)飛行速度達(dá)到音速2倍以下時(shí)機(jī)身用鋁合金就可以了,當(dāng)飛行速度達(dá)到音速的2倍以上時(shí),鋁合金就經(jīng)受不住了,就必須采用耐高溫和性能更好的鈦合金,當(dāng)飛行速度超過(guò)音速的3倍時(shí),機(jī)身就要使用更多的鈦合金。


一些攻擊核潛艇的內(nèi)壓艇殼,魚雷艙等部件都是用鈦合金打造,鈦合金材料無(wú)磁,耐腐蝕,強(qiáng)度極高,可以有效的抵抗炸彈的沖擊波,還有就是能夠下潛得更深,例如我國(guó)“蛟龍?zhí)枴陛d人艙就使用了鈦合金材料,能夠下潛到7000多米的深海,這就相當(dāng)于每平方米要承受7000噸的壓力,壓力大得驚人啊。


現(xiàn)在各國(guó)除了在航空,火箭發(fā)動(dòng)機(jī),潛艇,戰(zhàn)機(jī)等高精尖設(shè)備上大量使用鈦合金外,在常規(guī)或者單兵裝備上也廣泛使用鈦合金,例如榴彈炮,防彈頭盔等。


目前世界上鈦合金技術(shù)最強(qiáng),應(yīng)用最多的就是美俄中,而中國(guó)的鈦礦儲(chǔ)量世界第一,約占世界總儲(chǔ)量的28.9%,其中鈦鐵礦儲(chǔ)量約為7.2億噸,占全球鈦礦的92%,金紅石儲(chǔ)量約為4700萬(wàn)噸,二者合計(jì)儲(chǔ)量約7.67億噸,這應(yīng)該就是所說(shuō)的家里有礦,對(duì)于鈦合金的冶煉和加工也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化,所以說(shuō)鈦合金在中國(guó)各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用已經(jīng)不存在原理和技術(shù)問(wèn)題了,相信未來(lái)鈦合金這種“空間金屬”不再只是航空航天領(lǐng)域才會(huì)使用。

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