1、引言
鈦作為具有比強度高、耐蝕性強、生物相容性好等優(yōu)點的新興金屬材料，雖然只是在20世紀50年代才開始發(fā)展，但仍在航空航天、艦船工業(yè)、化學工業(yè)、體育用品、生活用品等方面有著廣泛應用。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，對鈦及鈦合金的應用起步太晚，只有幾十年的時間，我國更是在上世紀50年代才開始進行鈦工業(yè)的發(fā)展，也隨即開始了鈦的冶煉和加工技術研究。而后在研究基礎開始設計與建設海綿鈦試驗生產車間，開始生產海綿鈦。在大量研制和試用過后產出了我國第l批海綿鈦，為鈦工業(yè)的發(fā)展提供了技術與經驗保障。之后迅速發(fā)展，在21世紀初期我國的海綿鈦產量超躍日本、美國等國家躍居世界第一位，矚目世界。
鈦的應用非常廣泛且已經深入到日常生活中；目前，如在航空航天方面的應用以及與生活密切相關的比如汽車、自行車等方面的應用，這是鈦在21世紀為人類造福的價值所在。據統(tǒng)計，鈦在醫(yī)療方面的應用正在不斷擴大，有著廣闊的市場前景。有資料顯示：鈦制備的假肢的開發(fā)與應用對現(xiàn)代醫(yī)學的發(fā)展起到了巨大的推動作用，尤其是假肢與人造骨骼方向。圖1一1給出了上個世紀九十年代至本世紀初的全世界范圍內的汽車用鈦量增長情況。
隨著生活的發(fā)展，人們對鈦的要求也是越來越高，特別是關于人們生命安全的兩個方面：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，其中的有害細菌對人們生活造成巨大的危害，因而對抗菌材料的研究與應用十分重要。因此，本實驗主要針對醫(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，從而達到抗菌殺菌的目的。
2、 鈦及鈦合金
2.1 鈦的基本性質
鈦的熔點為1667℃，屬于高熔點金屬；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構的α相以及在885℃時轉變生辰的體心立方結構β相；Ti-6Al-4V的相變點在990℃。鈦的比容與奧氏體不銹鋼相當，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。同時因為這個原因，鈦對于許多介質(如酸、堿)均具有很高的耐蝕性，并在氧化膜發(fā)生破壞的同時發(fā)生“二次鈍化”，再次起到保護內部材料的作用。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。同時除去草酸和濃度大于10％的甲酸之外，Ti在有機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械性能。對于鈦在食品加工和醫(yī)療衛(wèi)生領域的廣泛應用，主要是由于其的無毒性以及良好的生物相容性。
雖然純鈦的強度較低，但常用鈦合金的強度很高，如表1.2所示，且比重小，因此比強度很高，如Ti-6Al-4V合金。還有些鈦合金具有更高的強度，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，且TC4具有良好的超低溫韌性，也可進行熱處理強化。
選用Ti-6Al-4V(TC4)合金作為本次實驗的基材。Ti-6Al-4V合金的基本特點如下：
(1)熔點高：1650℃；
(2)比重小，只有不銹鋼的56％；
(3)彈性模量、熱傳導、熱膨脹系數低；
(4)電阻高；
(5)比強度高；
其中強度高是其相對于其它材料最具優(yōu)勢的方面，其中Ti-6Al-4V合金的比強度就超過了高強度鋼；如表1.3所示。另外耐熱性好，在300~500℃時，其強度約為鋁合金的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合金為本次實驗的基材。
3、鈦合金的應用
隨著鈦工業(yè)進入一個新的發(fā)展時期，其在航空航天、船舶行業(yè)、生物醫(yī)學和體育用品等領域得到廣泛應用。
3.1 航空航天用鈦
相比于其它結構材料，鈦合金的性能更具優(yōu)勢。在飛機部件中，鈦是不可缺少的，其在航空航天上的應用也占到了總量的絕大部分，對于Ti-6Al-4V，比如美國阿波羅宇宙飛船機體材料的5％用鈦合金Ti-6Al-4V和Ti-5Al-2.5Sn(約1.19 t)，每架F15戰(zhàn)斗機也會用到用鈦半成品30t(最終成品5t)。經過幾十年的研究，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)運用以來，一直都是航空航天領域的重要制造材料。
3.2 體育用品用鈦
在體育用品方面，鈦及鈦合金的應用范圍包括了羽毛球拍、網球拍以及競賽用自行車、汽車等各個項目器材[191。因此，每年在體育器材方面消耗的鈦合金比例也是相當高的；同時，人們對生活質量的要求越來越高，這樣的追求將會不斷刺激體育用品的發(fā)展，擴大鈦合金的應用范圍。
3.3 船舶行業(yè)用鈦
由于鈦合金對海水極為耐腐蝕，所以被廣泛應用于船舶工業(yè)。如表1-4所示，為應用于該方面的鈦合金及其應用部位。
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)動機零部件、聲學裝置零部件等船用部件上的應用十分廣泛。在我國進行鈦合金研究與生產不久，就將其應用在船舶上。幾十年來，該類鈦合金的研制與應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)用鈦合金材料的應用在我國起步較晚，無論是產品技術開發(fā)還是在臨床上的引用，目前均處于初級階段，遠落后于國際水平。在這樣的一個現(xiàn)狀下，急需對鈦合金在這一方面的應用做出大量努力。近年來，在國家?guī)椭拢覈纳镡伜辖甬a業(yè)已取得有效的進步。
在食品加工行業(yè)，采用鈦合金的制品，會有效的抑制細菌的感染與傳播。然而，由于鈦的相對價格較高，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。但隨著技術的不斷更新，鈦及鈦合金產品的價格也會不斷降低，所以在食品加工方面會有廣闊的應用前景。
在醫(yī)學領域以及食品加工業(yè)也會使用部分不銹鋼材料，即醫(yī)用不銹鋼以及食品級的不銹鋼材料，430、304、316L不銹鋼等。然而隨著鈦合金在這一領域的應用，不銹鋼材料的應用則越來越少，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。相對于鈦合金材料，不銹鋼的優(yōu)勢在于其易于加工制造且價格便宜；而鈦合金的優(yōu)勢則在于其很好的生物相容性以及耐蝕性，生物界面結合牢固，在基材內有極高的惰性和抗腐蝕性，質量輕，比強度大，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較低，且加工性能差，在一定程度上限制了其使用。在醫(yī)學領域，
鈦合金多用于骨折固定以及人工關節(jié)；在食品加工業(yè)，鈦合金制成的反應鍋爐以及餐桌上的餐具均得到廣泛的應用。
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，其生產主要是美國、俄羅斯和日本三個國家。目前生產中的一些常規(guī)加工技術已完全實現(xiàn)了自動化控制。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，進一步發(fā)展了鈦合金在該領域的應用。其優(yōu)良的生物相容性降低了因進行多次手術而可能造成細菌感染的風險。此外，日本在人工神經網絡模型方面研發(fā)出了多種新型鈦合金，如KST-19、橡膠鈦合金等。
4.2 國內鈦合金研究現(xiàn)狀
鈦及鈦合金材料逐漸進入人們日常生活的主要原因是因為人們生活水平的提高以及對生活質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)生的產品來代替由傳統(tǒng)材料制備而成的產品器件。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、洗衣機等得到廣泛應用。目前，經過幾十年的努力，我國在鈦及鈦合金產品的開發(fā)研究上取得了巨大的成就，某些類別的產品已經達到了國際的先進水平，并制備了完善的產品研發(fā)與管理體系，為今后的進一步發(fā)展奠定了基礎。
報道指出，雖說我國某些產品以達到國際的領先水平，甚至比國外的研究水平更甚一籌，但終究因為我國的鈦產業(yè)起步相對較晚，仍有很多方面與國外存在較大的差距。
主要體現(xiàn)在一下幾個方面：
①我國對于傳統(tǒng)鈦合金的一些性能挖掘開發(fā)方面遠遠落后于國外。如對于TC4合金，國外鈦工業(yè)強國對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，最終擴大其在市場上的應用。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用范圍及程度上遠落不如國外。無論是軍事方面還是民用生活領域，鈦及鈦合金的運用比例相對國外來說均有待提升。
③由于我國鈦工業(yè)起步較晚，對于鈦及鈦合金的一些新產品以及新技術的開發(fā)遠不如國外鈦工業(yè)強國。
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)與應用卻遠不如傳統(tǒng)的鈦工業(yè)強國。但經過幾十年的努力，人們生活質量的提高以及對生活要求的提升，我國的鈦合金市場不斷的擴大。因此，在充分利用我國豐富的鈦資源的同時，也要不斷的學習國外鈦工業(yè)先進生產技術，以提高鈦工業(yè)在我國的發(fā)展。
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