1789 年英国化学家、矿物爱好者格雷戈尔(William Gregor)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(MartinHeinrich Klaproth)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(M·A·Hunter)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(W·J·Kroll)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。

    钛及钛合金的基本特性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。

    钛:制造核潜艇的上乘材料

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。

    俄罗斯钛合金潜艇技术国际领先苏联及后来的俄罗斯不但在研发钛及钛合金方面居世界领先水平,而且在建造钛合金潜艇技术方面也处于国际领先地位,还是用钛合金建造耐压壳体的先驱国家。高峰时期,潜艇钛合金厚板(>6。0mm)和管材的用量超过10kt,占全球钛加工材年产量的1/3~1/2。热交换器是潜水艇上的重要装备,是用导热性良好的钛合金制的;潜艇壳体钛材为钛合金厚板,要求材料有良好的韧性,以抵挡深水炸弹爆炸冲击波。潜艇钛合金厚板扁锭由上萨尔达冶金联合公司生产,再运到列宁格勒冶金厂(1991 年改为圣彼得堡冶金厂)轧制。俄罗斯的钛工业发展水平,以及钛合金在舰船制造工业的使用规模来看,都是全球的领头羊,远远领先世界其他国家。

    从 20 世纪60 年代起至2007 年,苏联-俄罗斯研制的钛合金核潜艇已有4 代,世界首艘K162号全钛核潜艇1968 年下水,已运行近50 年,到过所有的大洋与海域,经受了惊涛骇浪和不同环境考核,从未出过任何事故。苏联1970 年建造第一艘"ALFA"级核潜艇,70 及80 年代又造了6 艘,每艘钛材用量约3kt,最大下潜深度914m,又快又准。"ALFA"级核潜艇的技术参数见下表。

    上世纪80 年代苏联制造了6 艘用钛量达9000t 的"台风"级弹道导弹潜艇,第一艘1980 年开始建造,1984 年服役,排水量33800t,水下航速27knot(节,即1 海里/h,1 海里=1853。2m),它是世界上最大的核潜艇,双壳体结构,非耐压壳体由高强低磁钢建造,耐压壳体以钛合金打造,可携带20 枚战略导弹,第6 艘这种潜艇1989 年下水。据称,这批核潜艇原计划于21 世纪初期起陆续退役。

    2003 年俄罗斯"尤里·多尔戈鲁基"号潜艇服役,它是"北风之神"新系列全钛潜艇的首艘,是第四代新潜艇,其水下排水量虽比"台风"级潜艇的33800t 小,但却比"德尔塔"级的11740t大得多,同时它的各项性能均居全球现有同级别潜艇之首,其他的都只有望洋兴叹。

    美国1980 年服役的"俄亥俄"号导弹潜艇的水下航速为20knot,比苏联建造的"台风"级潜艇的27knot 小26%。

责任编辑：周娅

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