1、引言
鈦?zhàn)鳛榫哂斜葟?qiáng)度高、耐蝕性強(qiáng)、生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)的新興金屬材料，雖然只是在20世紀(jì)50年代才開始發(fā)展，但仍在航空航天、艦船工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、體育用品、生活用品等方面有著廣泛應(yīng)用。鈦在地殼中的含量約為0.64％，密度為4.51g/cm3，屬于稀有難熔金屬，常溫下在空氣中十分穩(wěn)定，可在表面生成一層牢固的氧化膜，起防止氧化的作用。
然而，對(duì)鈦及鈦合金的應(yīng)用起步太晚，只有幾十年的時(shí)間，我國更是在上世紀(jì)50年代才開始進(jìn)行鈦工業(yè)的發(fā)展，也隨即開始了鈦的冶煉和加工技術(shù)研究。而后在研究基礎(chǔ)開始設(shè)計(jì)與建設(shè)海綿鈦試驗(yàn)生產(chǎn)車間，開始生產(chǎn)海綿鈦。在大量研制和試用過后產(chǎn)出了我國第l批海綿鈦，為鈦工業(yè)的發(fā)展提供了技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)保障。之后迅速發(fā)展，在21世紀(jì)初期我國的海綿鈦產(chǎn)量超躍日本、美國等國家躍居世界第一位，矚目世界。
鈦的應(yīng)用非常廣泛且已經(jīng)深入到日常生活中；目前，如在航空航天方面的應(yīng)用以及與生活密切相關(guān)的比如汽車、自行車等方面的應(yīng)用，這是鈦在21世紀(jì)為人類造福的價(jià)值所在。據(jù)統(tǒng)計(jì)，鈦在醫(yī)療方面的應(yīng)用正在不斷擴(kuò)大，有著廣闊的市場前景。有資料顯示：鈦制備的假肢的開發(fā)與應(yīng)用對(duì)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)作用，尤其是假肢與人造骨骼方向。圖1一1給出了上個(gè)世紀(jì)九十年代至本世紀(jì)初的全世界范圍內(nèi)的汽車用鈦量增長情況。
隨著生活的發(fā)展，人們對(duì)鈦的要求也是越來越高，特別是關(guān)于人們生命安全的兩個(gè)方面：醫(yī)療衛(wèi)生以及食品加工。無論是醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)還是食品加工方面，其中的有害細(xì)菌對(duì)人們生活造成巨大的危害，因而對(duì)抗菌材料的研究與應(yīng)用十分重要。因此，本實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)醫(yī)療衛(wèi)生以及食品加工方面的問題，希望通過研究能夠獲得具有抗菌作用的鈦合金材料，從而達(dá)到抗菌殺菌的目的。
2、 鈦及鈦合金
2.1 鈦的基本性質(zhì)
鈦的熔點(diǎn)為1667℃，屬于高熔點(diǎn)金屬；其密度為4.1519/cm3，僅為鐵的57％。鈦具有兩種同素異形體，分別是常溫下密排六方結(jié)構(gòu)的α相以及在885℃時(shí)轉(zhuǎn)變生辰的體心立方結(jié)構(gòu)β相；Ti-6Al-4V的相變點(diǎn)在990℃。鈦的比容與奧氏體不銹鋼相當(dāng)，但由于密度小，則熱容小，容易加熱，也容易冷卻。
鈦是一種非常活潑的金屬，在常溫下其表面容易生成一層TiO2薄膜。同時(shí)因?yàn)檫@個(gè)原因，鈦對(duì)于許多介質(zhì)(如酸、堿)均具有很高的耐蝕性，并在氧化膜發(fā)生破壞的同時(shí)發(fā)生“二次鈍化”，再次起到保護(hù)內(nèi)部材料的作用。常溫下，純Ti在硝酸(發(fā)煙硝酸除外)、硫酸(濃度低于10％)、鹽酸(濃度低于5％)以及磷酸中有較好的耐腐蝕性，且在海水中幾乎不被腐蝕。同時(shí)除去草酸和濃度大于10％的甲酸之外，Ti在有機(jī)酸中也具有很好的耐蝕性。表1.1列出了鈦在鹽類溶液中的耐蝕性。此外，鈦即使在超低溫環(huán)境下，其依然能夠保持很好的機(jī)械性能。對(duì)于鈦在食品加工和醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，主要是由于其的無毒性以及良好的生物相容性。
雖然純鈦的強(qiáng)度較低，但常用鈦合金的強(qiáng)度很高，如表1.2所示，且比重小，因此比強(qiáng)度很高，如Ti-6Al-4V合金。還有些鈦合金具有更高的強(qiáng)度，如Ti-15Mo-5Zr-3Al合金，σb=1470 MPa，σ0.2=1450 MPa，δ=14％；Ti-5Mo-5V-2Cr-3A1，σb=1450 MPa，σ0.2=1380 MPa，δ=15％。鈦合金適合用作彈簧材料，而且耐腐蝕。
2.2 鈦合金的分類
室溫條件下，鈦合金一般可分為α型，α+β型和β型三類鈦合金。
α型：α型鈦合金如Ti-5A1-2.5Sn，是在鈦中加入了穩(wěn)定a相的元素，如Al、Sn等元素，合金的組織為α相。該合金可焊性和耐蝕性較好，密度小，熱強(qiáng)度高且具有很好的超低溫性能；但加工性不好。
β型：β型鈦合金如Ti-13V-11Cr-3Al，是在鈦中加入穩(wěn)定β相元素如V、Cr、Mn等，合金組織主要是β相。該合金的強(qiáng)度高且加工性好，但組織穩(wěn)定性差。
α+β型：如Ti-6Al-4V(TC4)合金，在鈦中加入穩(wěn)定α、β相的元素，如Al、Sn、Cr、Mn等；合金的組織為α+β相。該合金綜合了具有上述兩類合金的優(yōu)點(diǎn)，且TC4具有良好的超低溫韌性，也可進(jìn)行熱處理強(qiáng)化。
選用Ti-6Al-4V(TC4)合金作為本次實(shí)驗(yàn)的基材。Ti-6Al-4V合金的基本特點(diǎn)如下：
(1)熔點(diǎn)高：1650℃；
(2)比重小，只有不銹鋼的56％；
(3)彈性模量、熱傳導(dǎo)、熱膨脹系數(shù)低；
(4)電阻高；
(5)比強(qiáng)度高；
其中強(qiáng)度高是其相對(duì)于其它材料最具優(yōu)勢(shì)的方面，其中Ti-6Al-4V合金的比強(qiáng)度就超過了高強(qiáng)度鋼；如表1.3所示。另外耐熱性好，在300~500℃時(shí)，其強(qiáng)度約為鋁合金的10。所以，Ti-6Al-4V合金是目前工業(yè)鈦合金中應(yīng)用最廣泛的一類鈦合金；且在醫(yī)療衛(wèi)生及食品加工方面的使用也越來越普及。所以選用Ti-6Al-4V合金為本次實(shí)驗(yàn)的基材。
3、鈦合金的應(yīng)用
隨著鈦工業(yè)進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期，其在航空航天、船舶行業(yè)、生物醫(yī)學(xué)和體育用品等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
3.1 航空航天用鈦
相比于其它結(jié)構(gòu)材料，鈦合金的性能更具優(yōu)勢(shì)。在飛機(jī)部件中，鈦是不可缺少的，其在航空航天上的應(yīng)用也占到了總量的絕大部分，對(duì)于Ti-6Al-4V，比如美國阿波羅宇宙飛船機(jī)體材料的5％用鈦合金Ti-6Al-4V和Ti-5Al-2.5Sn(約1.19 t)，每架F15戰(zhàn)斗機(jī)也會(huì)用到用鈦半成品30t(最終成品5t)。經(jīng)過幾十年的研究，我國從最初的“東方紅”衛(wèi)星到“神舟”飛船，均使用了大量的鈦合金材料。因此，自鈦合金被發(fā)現(xiàn)運(yùn)用以來，一直都是航空航天領(lǐng)域的重要制造材料。
3.2 體育用品用鈦
在體育用品方面，鈦及鈦合金的應(yīng)用范圍包括了羽毛球拍、網(wǎng)球拍以及競賽用自行車、汽車等各個(gè)項(xiàng)目器材[191。因此，每年在體育器材方面消耗的鈦合金比例也是相當(dāng)高的；同時(shí)，人們對(duì)生活質(zhì)量的要求越來越高，這樣的追求將會(huì)不斷刺激體育用品的發(fā)展，擴(kuò)大鈦合金的應(yīng)用范圍。
3.3 船舶行業(yè)用鈦
由于鈦合金對(duì)海水極為耐腐蝕，所以被廣泛應(yīng)用于船舶工業(yè)。如表1-4所示，為應(yīng)用于該方面的鈦合金及其應(yīng)用部位。
由表格可以看出，鈦合金材料在耐壓殼體、螺旋槳和槳軸、冷卻器、冷凝器、發(fā)動(dòng)機(jī)零部件、聲學(xué)裝置零部件等船用部件上的應(yīng)用十分廣泛。在我國進(jìn)行鈦合金研究與生產(chǎn)不久，就將其應(yīng)用在船舶上。幾十年來，該類鈦合金的研制與應(yīng)用有很大程度的提高。
3.4 醫(yī)療以及食品加工器械用鈦
由于鈦合金的無毒、極好的生物相容性和耐腐蝕性，所以其被廣泛應(yīng)用在醫(yī)療衛(wèi)生和食品加工器械上。目前，鈦在醫(yī)療衛(wèi)生方面廣泛使用，如純Ti和Ti-6Al-4V等合金。醫(yī)用鈦合金材料的應(yīng)用在我國起步較晚，無論是產(chǎn)品技術(shù)開發(fā)還是在臨床上的引用，目前均處于初級(jí)階段，遠(yuǎn)落后于國際水平。在這樣的一個(gè)現(xiàn)狀下，急需對(duì)鈦合金在這一方面的應(yīng)用做出大量努力。近年來，在國家?guī)椭拢覈纳镡伜辖甬a(chǎn)業(yè)已取得有效的進(jìn)步。
在食品加工行業(yè)，采用鈦合金的制品，會(huì)有效的抑制細(xì)菌的感染與傳播。然而，由于鈦的相對(duì)價(jià)格較高，目前不能完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料如不銹鋼在食品工業(yè)中的使用。但隨著技術(shù)的不斷更新，鈦及鈦合金產(chǎn)品的價(jià)格也會(huì)不斷降低，所以在食品加工方面會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景。
在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域以及食品加工業(yè)也會(huì)使用部分不銹鋼材料，即醫(yī)用不銹鋼以及食品級(jí)的不銹鋼材料，430、304、316L不銹鋼等。然而隨著鈦合金在這一領(lǐng)域的應(yīng)用，不銹鋼材料的應(yīng)用則越來越少，其主要原因是由于在生物相容性以及耐蝕性方面明顯不如鈦合金。相對(duì)于鈦合金材料，不銹鋼的優(yōu)勢(shì)在于其易于加工制造且價(jià)格便宜；而鈦合金的優(yōu)勢(shì)則在于其很好的生物相容性以及耐蝕性，生物界面結(jié)合牢固，在基材內(nèi)有極高的惰性和抗腐蝕性，質(zhì)量輕，比強(qiáng)度大，是植入材料的極佳選擇。然而相比于不銹鋼材料，鈦合金的耐磨損性能相對(duì)較低，且加工性能差，在一定程度上限制了其使用。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，
鈦合金多用于骨折固定以及人工關(guān)節(jié)；在食品加工業(yè)，鈦合金制成的反應(yīng)鍋爐以及餐桌上的餐具均得到廣泛的應(yīng)用。
4、鈦合金的研究現(xiàn)狀
4.1 國外鈦合金研究現(xiàn)狀
國外在很早便開始了鈦合金的研究與生產(chǎn)，其生產(chǎn)主要是美國、俄羅斯和日本三個(gè)國家。目前生產(chǎn)中的一些常規(guī)加工技術(shù)已完全實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制。國外近來在醫(yī)療衛(wèi)生方面發(fā)展非常迅速，一系列新型合金的成功研發(fā)，如Ti-5Al-3Mo-4Zr、Ti-6Al-7Nb等，進(jìn)一步發(fā)展了鈦合金在該領(lǐng)域的應(yīng)用。其優(yōu)良的生物相容性降低了因進(jìn)行多次手術(shù)而可能造成細(xì)菌感染的風(fēng)險(xiǎn)。此外，日本在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型方面研發(fā)出了多種新型鈦合金，如KST-19、橡膠鈦合金等。
4.2 國內(nèi)鈦合金研究現(xiàn)狀
鈦及鈦合金材料逐漸進(jìn)入人們?nèi)粘Ｉ畹闹饕蚴且驗(yàn)槿藗兩钏降奶岣咭约皩?duì)生活質(zhì)量的要求也不斷提升，在生活環(huán)境中，更加需要一些安全衛(wèi)生的產(chǎn)品來代替由傳統(tǒng)材料制備而成的產(chǎn)品器件。所以，由鈦及鈦合金材料制備而成的醫(yī)療器件、體育及各類生活用品比如眼鏡、洗衣機(jī)等得到廣泛應(yīng)用。目前，經(jīng)過幾十年的努力，我國在鈦及鈦合金產(chǎn)品的開發(fā)研究上取得了巨大的成就，某些類別的產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)到了國際的先進(jìn)水平，并制備了完善的產(chǎn)品研發(fā)與管理體系，為今后的進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
報(bào)道指出，雖說我國某些產(chǎn)品以達(dá)到國際的領(lǐng)先水平，甚至比國外的研究水平更甚一籌，但終究因?yàn)槲覈拟伄a(chǎn)業(yè)起步相對(duì)較晚，仍有很多方面與國外存在較大的差距。
主要體現(xiàn)在一下幾個(gè)方面：
①我國對(duì)于傳統(tǒng)鈦合金的一些性能挖掘開發(fā)方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國外。如對(duì)于TC4合金，國外鈦工業(yè)強(qiáng)國對(duì)其組織性能不斷研究，以期能夠充分利用到該合金的隱藏性能，最終擴(kuò)大其在市場上的應(yīng)用。而我國在這一方面做的就比較少。
②我國在鈦及鈦合金的應(yīng)用范圍及程度上遠(yuǎn)落不如國外。無論是軍事方面還是民用生活領(lǐng)域，鈦及鈦合金的運(yùn)用比例相對(duì)國外來說均有待提升。
③由于我國鈦工業(yè)起步較晚，對(duì)于鈦及鈦合金的一些新產(chǎn)品以及新技術(shù)的開發(fā)遠(yuǎn)不如國外鈦工業(yè)強(qiáng)國。
綜上所述，雖然我國是鈦資源最豐富的國家之一，但是鈦及鈦合金的開發(fā)與應(yīng)用卻遠(yuǎn)不如傳統(tǒng)的鈦工業(yè)強(qiáng)國。但經(jīng)過幾十年的努力，人們生活質(zhì)量的提高以及對(duì)生活要求的提升，我國的鈦合金市場不斷的擴(kuò)大。因此，在充分利用我國豐富的鈦資源的同時(shí)，也要不斷的學(xué)習(xí)國外鈦工業(yè)先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)，以提高鈦工業(yè)在我國的發(fā)展。
相關(guān)鏈接
