世界钛新兴应用市场

2014年09月29日 8:58 5872次浏览 来源:   分类: 钛应用

  汽车工业
  随着现代交通工具的发展,世界汽车产量与日俱增。与此同时,美国、日本等国家先后颁布了一系列生态法规,对燃油利用率、CO2排放、汽车减重、汽车安全性、可靠性等提出了更高要求。许多发达国家知名汽车制造商都积极研究开发汽车工业用钛。
  钛在新型汽车上的应用主要在发动机元件和底盘部件。在发动机系统,钛可制作阀门、阀簧、阀簧承座和连杆。钛连杆对减轻发动机重量最有效,能极大地提高燃油利用率,减少排气量。与钢制连杆相比,重量减轻15~20%。用钛制作发动机气门,不仅可减重、延长使用寿命,而且可以提高汽车的可靠性,接省燃油。与钢制气门相比重量减轻30~40%,极限转速可提高20%。钛制发动机气门座形状简单,易于机械加工制作,不必进行表面处理,与钢制气门座相比,能减重10~12g。用钛制造的弹簧,在弹性功相同时高度仅为钢弹簧的40%,重量可减轻60~70%。如大众汽车公司在Lupo FSI普通轿车上配备了由Timet公司发明的钛合金弹簧,可使汽车减重82kg。钛在排气系统用量较大,用钛及钛合金制作的排气系统不但可以大大延长使用寿命,提高可靠性,外形美观,同时提高燃料效率。与钢制排气系统相比,可减重约40%。钛消音器比不锈钢制造的轻很多。日本本田等四家公司采用了钛制消音器用于大型汽车和中型汽车上,汽车速度更快、操作灵活且节约燃料。2006年日本用于赛车排气系统的Gr.2达到1500t。
  此外,钛材还可以用于车体框架,这种框架不仅具有高的比强度、良好的韧性,而且给驾驶者足够的安全感。
  总之,汽车工业作为国民经济的支柱产业,最近几年发展迅速。在当前汽车市场,豪华车、跑车和赛车需求逐年增加,钛制零部件的使用也逐年增加。钛在汽车工业大量应用的主要问题是成本问题,为此,业内人士还专门开发了汽车用的低成本钛合金,如Ti-6Al-1.7Fe-0.1Si。虽然钛的价格较高,但在一些高档车上用钛材,能提升性能、降低维修费用和提高使用寿命。随着低成本合金的研制及加工技术的进步,钛材将在汽车领域占重要地位。2009年,中国汽车产销量已达1300余万辆,若每辆汽车用钛1kg,钛材用量可达13000多吨,可见,汽车用钛市场潜力巨大,前景广阔。
  海洋工程
  海洋工程用材料,除要求耐海洋腐蚀环境外,还要求高性能、高功能、安全可靠性、实用性及低成本等。下面分别从舰船、海水淡化、海洋设施、海洋勘探等几方面进行描述。
  在舰船应用领域,严酷的工作环境需要性能优良的材料。舰船及其某些设备部件如船体、热交换器、泵、阀、管线等长期浸泡在海水中,极易受到海水腐蚀。钛材可以解决由于腐蚀/冲蚀引起的海底管道泄露和海洋生物引起的舰船故障等问题,它不但具有优异的耐海水腐蚀性能,而且可以减轻舰船重量,减少维修费用,延长使用寿命。从渡船、垂钓船、海军军舰到深海潜水艇,都大量使用了钛材。其主要应用领域包括板/框架和壳体、管式换热器、供水系统、蒸汽冷凝器、表面冷凝器管道系统、冷却水系统、油污处理系统、甲板排水系统、船舱底部、导航系统、栏杆、舰船推进系统、深海潜水艇的压力容器、军舰主要结构件、舰船的耐压部件等等。
  在海水淡化方面,最近几年,美国、日本和中国在海水淡化装置中用钛量也大幅增加。日本一家公司为沙特阿建造的海水淡化装置用钛管3200吨。中国天津和山东的海水淡化工程用钛量约为250吨。
  海洋设施用钛也有所增加,已经实施或计划用钛的大型浮式海洋结构物有机场、港湾物流基地、原油和天然气贮存基地、桥梁、体育娱乐设施等。
  在海洋勘探方面,海上采油设备如采油平台、原油冷却器、升油管、泵、阀、接头、夹具等均与海水及原油中的硫化物、氨、氯等介质接触,由钛制造的设备或零部件已广泛用于海洋勘探。
  另外,海水综合利用是海洋工程重要的项目之一,沿海发电站凝汽器是利用海水量较大的设备,用钛材后凝汽器的使用寿命延长,换热效率提高,安全性提高。中国已大量采用钛材代替其它材料制造海滨电站冷凝器,至今已有超过30多个电厂的大约百台机组采用了全钛冷凝器和钛管冷凝器。
  展望未来,海洋工程作为新兴的钛的民用市场,最近几年发展很快。在能源紧缺的情况下,从近海到深海,世界许多国家都在开发海洋,利用海洋,而钛优异的性能可以很好地满足人们在海洋工程方面应用的要求,因而应用领域十分广泛,预计海洋工程用钛有望成为钛材的一个较大的应用市场。
  医学领域
  钛的比强度大,与人体相容性好,是医学植入的理想材料。
  在骨科固定植入物方面, 中国天津一家医疗器械公司用钛材制作的接骨板、骨螺钉等经多家医院临床试验,无不良反应,效果良好。由北京有色金属研究总院和宝钛集团等单位联合研制的Ti-6Al-7Nb和Ti-5Al-2.5Fe合金,经生物学临床实验研究表明,合金具有良好的生物相容性,并能和骨组织形成良好的结合,其作为骨科固定植入物,临床使用可靠。国内多家骨科器械生产厂家和医院合作,制成的髋关节、膝关节、肘关节、肩关节及指关节等均已用于临床。
  美国一家公司研制了一种新型β合金,这种合金具有较高的强度和疲劳性能,特别适合作为外科整形结构材料使用。
  美国Synthes 技术中心研制了一种Ti-15Moβ 合金,用该合金制作的颚骨固定板和螺钉与传统的Ti-6Al-4V合金相比,反向弯曲、疲劳和扭转性能好,缺口敏感性好,耐蚀性优异,相容性好。Daido 钢铁公司研制了一种新型经济适用的医用β钛合金。该合金具有中等杨氏模量、无毒,不会引起过敏,与其它医用合金相比,冷成性性好,可用于医学结构材料。
  日本的生物医学钛合金研究重点集中在β 合金,开发出了低弹性模量、高强高韧性、低成本、易加工成型、抗腐蚀的第3代新型生物医用钛合金,如Ti-35Zr-10Nb,Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr等。
  在外科器械方面,使用钛材,可使显微器械具有良好的端头,比不锈钢端头更不易磨损。钛合金的密度低,可使显微器械的重量轻,减轻了外科医生在长时间手术过程中的疲劳和不舒服。钛无磁性,是制造微型持针器和手术钳、镊的最适合材料。
  中国科技人员研制的钛制可返转婴幼儿胸骨、肋骨牵开器经国内100多家医院在矫治先天性心脏病手术中临床应用,获得满意的效果。宝钛集团职工医院研制的钛制小切口腹部手术显露器械,在手术中节省空间,节省时间,便于操作,进行了10余例腹部手术,伤口全部甲级愈合,获得满意的效果。
  钛在牙科植入中的应用一直比较受重视。钛的热传导率,对牙髓有保护作用,是制作人造牙冠和桥的理想材料,也可制作义齿基拖。TiNi形状记忆合金具有超弹性,用它制作的卡环弹性好,不易发生永久变形。美国一家公司研究了一种利用电子束熔炼的Ti-6Al-4V ELI快速按牙齿原型制作植入钛牙齿的新技术。传统的钛牙齿是用普通机械加工方法制作的,可能出现连接螺钉疲劳。新工艺采用CT扫描牙齿,CAD设计,医学模仿制作与原型一样的单个牙齿,固定到现有的牙槽中,使用状况良好,有助于避免牙齿的疲劳损坏和松动。
  心血管方面,用0.5mm厚Ti-6Al-4V合金薄板制成的瓣架,具有一定的可塑性和较好的弹性,且表面光滑、重量轻。西北有色金属研究院研制的钛合金毛细管材料,可以满足人体血管、周围血管和非血管介入类金属支架、导丝等植入物的要求。
  总之,钛由于具有优良的性能和生物相容性,在医疗领域的应用越来越广泛。据OECD统计,2010年全球生物材料产业市场销售额预计将达到4000亿美元,其中钛材占其中相当大的份额。中国植入性医疗器械在过去10年的平均复合增长率保持在15~30%,预计未来10年仍将高于10%的速率增长[16]。因此,随着人们对钛优异性能的了解、钛成本的降低、加工工艺的进步及医学水平的发展,预计医学用钛量增长明显。
   建筑
  建筑用材从寿命周期考虑钛是最实用的。应用领域包括建筑物外部、顶部、内部包覆材料、悬墙、房屋顶盖、城市雕塑等。
  建筑行业由于新开工项目的带动而成为钛新兴民用市场最大的亮点。中国国家大剧院最引人注目的就是全部采用钛金属板制作的曲面屋顶。据业内人士称,这个穹顶使用钛材约100吨。
  日本是建筑用钛的先驱。钛在建筑领域应用在日本已有近40年的历史,有上百的建筑都使用了钛,在许多重污染地区、都市和海滨地区的腐蚀问题都得到了圆满的解决。
  选用钛材作为建筑装饰材料是由于它具有较好的耐蚀性和漂亮的外观颜色。钛在建筑装饰方面应用的实例很多。宝钛集团为一家公园制作的钛雕塑“海豚与人”,用钛量约1t;采用纯钛、钛合金和钛钢复合材料为宝鸡市制作的城市雕塑“雄鸡报晓”,用钛量2t多。
  总之,建筑用钛是最近几年发展较快的钛民用市场之一。它基本不需要维修保养,节省了维修费用。但钛的高价格阻碍了其在建筑领域的广泛应用。随着时代的发展和人们生活水平的提高,钛在建筑领域的应用必将会有大的进展。
  计算机
  钛具有重量轻、无金属过敏性,可循环利用等优良特性,因此,在计算机上的应用日益增多。钛在计算机上的主要应用为计算机外壳和硬盘盘片。
  钛比传统的计算机外壳材料金属镁的拉伸强度高出许多,导热率仅为镁的1/10。用钛作计算机外壳,在保证强度水平的情况下,壁可以较薄,且可以防止硬件热量扩散造成的底面发热。
  IBM公司的ThinkpadA系列和T系列的笔记本电脑外壳使用了钛材,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。
  计算机硬盘用钛合金(主要是Ti-3Al-2.5V)比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。此外,钛还可以用于计算机鼠标的指示器和显卡。
  最近几年,计算机工业发展迅速,普及很快。随着信息产业的高速发展和市场的剧烈竞争,钛用于计算机将会有较好的应用市场。
  体育用品
  钛自行车特别适合作竞技用车,赛车用自行车的重量减轻1g,即可争取千分之一秒的时间。美国Litespeed钛部件公司制造的自行车架平均重量为1.5kg,不但重量轻,而且使用更灵活,寿命更长。
  日本一家自行车公司采用钛材生产的小型超轻量折叠自行车的重量仅为6.5kg。钛在自行车上应用部位除了车架外,还有车链和盘形制动旋翼。
  受自行车用钛的启发,钛开始用于轮椅制造业。最近几年,钛制造的轮椅或轮椅部件有增长的趋势。中国上海有色金属研究所开发的轮椅车架用的Ti-3Al-2.5V无缝管,在国内外十分畅销。用钛合金制造的折叠硬座轮椅,结合国内外各种类型轮椅的优点,安全可靠,轻巧方便,重量仅为一般轮椅重量的1/3。
  登山用具要容易携带、安全耐用。而比重轻、比强度大的钛材,作为优秀的登山用具材料,日益广泛使用。登山杖、棍、鞋底钉及其它登山工具以及与登山密不可分的滑雪用具如滑动板、滑雪操纵杆等也可以用钛制造。
  此外,钛也可用于网球、羽毛球球拍、高尔夫球棒、球头,台球杆、击剑面罩等。
  总之,随着社会的发展,人们的生活水平也发生了质的变化。除专业竞技运动员外,更多的普通群众也开始热衷于运动健身,享受运动带来的快乐,且对运动用具的要求也越来越高。高品质的钛体育用品给更多的人们带来了高品质的生活享受。随着人们对钛体育用品的了解和认识,更多的人或家庭会拥有或者准备拥有钛制造的运动用具,因此,未来钛体育用品市场潜力巨大。
   消费品
  手机:钛用于手机主要是用作外壳。用钛做外壳的手机外观漂亮、手感好。着名手机制造商诺基亚和明基都生产出钛金属外壳手机。
  眼镜架:用来制作眼镜架的材料需要重量轻,韧性好,这样在稍微用力拉或压时,在镜片中心不会出现变位变形,否则,戴眼镜者会有不适感。
  钛眼镜架质轻、强度高、耐蚀性好,又不发生皮肤过敏。随着人们生活水平的提高及制作水平的提高,钛眼镜架的需求将会成倍增加。
  此外,近年钛手表、首饰、宝剑、笔筒、钛版画、鱼杆等用钛量也比较可观。
       地热工业
  地热工业环境温度高且含有大量氧化性氯化物,这种热、氧化性氯化条件可引起不锈钢或镍基合金出现局部侵蚀,使用钛材,就可以很好地解决这类问题。国外在表面直接暴露在超咸地热盐水中的设备和关键元件,包括阀、计量表、管道、涡轮机元件、扩张管、汽水分离装置、冷凝器、叶轮、轴等都选用了钛材。
  美国Salton海地热盐井中,已有超过450吨的Gr.29钛合金热轧无缝管被用于盐水生产和再注入中。由于这种Gr.29钛合金管线寿命可以达到15年以上,减少了维修成本,因而,它很经济地替代了厚钢和挤压Ti-38644/Pd管在地热工业的应用。菲律宾一家公司在其高温(<330℃)、高酸性(PH>2.3)地热盐水井发电项目中也使用了Gr.29钛合金管线,取得了显着的效益。
  总之,最近几年,由于能源紧缺,许多国家和地区都致力于地热开发综合利用。从性能、维修、成本和安全等多种因素综合考虑,钛是地热开发比较理想的材料。随着低成本新合金的出现及加工技术的不断发展,钛在地热工业的应用必将会增加。

责任编辑:淮金

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