钛合金在体育器材中的应用.doc

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钛合金在体育器材中的应用

发布时间:

2007-06-01|

钛（Ti）发现于1789年，1908年挪威和美国开始用硫酸法生产钛白，1910年在试验室中第一次用钠法制得海绵钛，1948年美国杜邦公司才用镁法成吨生产海绵钛，这标志着海绵钛即钛工业化生产的开始。

   钛及其合金具有密度小、比强度和比刚度高、抗腐蚀和疲劳、耐高温、可焊接等一系列优越性，是21世纪最有发展前途的轻合金结构材料之一。

   近年来，世界钛工业和钛材加工技术获得了飞速发展。

海绵钛、变形钛合金和铁合金加工材的生产和消费都达到了很高的水平，其应用领域几乎扩展到了所有的军事和民用工业部门。

   目前，钛合金主要用于航天航空和军事工业上。

据统计，钛在航天航空上的应用约占钛总产量的70%,主要用作发动机构件和机架构件。

在其他工业领域，钛合金主要用作电站冷却系统中的热交换器；油、气钻井用具及配件；化学化工部门中的防腐设备与器材；发电设备,以及环保与污染控制设备等。

另外，钛在体育运动器材方面有着巨大的应用潜力。

影响钛材广泛应用的主要问题仍是成本太高和新型的多用途的钛合金材料研制开发太少。

1. 钛合金及其特性

   1.1钛的性质

   钛的导热性能较差，其热导率比不锈钢的略低。

工业纯钛在250K时其热导率达到最大值（17.56W/（m﹒K）），约在580K时达最小值（16.89W/（m﹒K））。

   钛合金的化学活性高，在空气中加热时易产生氧化皮。

在加热和酸洗时容易吸氢并产生氢脆。

钛合金可进行压力加工、机械切削加工和焊接及其他接合加工。

钛合金具有耐海水或淡水腐蚀的优异性能。

   1.2钛合金及其分类

   按照亚稳定状态相组成进行钛合金分类的方法是一种比较科学的方法，可把铁合金大体分为六种类型:

a型、近a型、马氏体a+p型、近亚稳定p型、亚稳定R型。

表1是按照上述分类方法对现有工业钛合金所进行的分类。

   1.3钛合金的工艺特性

   钛合金结晶组织，物理和化学性质的特点使其具有与钢、铝合金和重金属合金工艺性能根本不同的综合工艺性能。

钛合金一般倾向于熔炼直径达900mm以上、重量达10～15t的圆断面大铸锭。

真空电弧熔炼的一个重要特点是将熔化、铸造和凝固过程结合为一个整体。

熔炼过热度大，易形成粗大的铸造组织，因此必须用大变形量来达到需要的性能水平。

2.钛合金的应用领域

（1）钛的最大用户是航空航天工业，主要用于飞机发动机、机架、起落架、火箭和导弹等。

21世纪以来，世界两个飞机制造公司——波音和空中客车都增加了飞机的产量，年民航飞机交货量近千架。

（2）在工业领域，钛是石油、化工、轻纺、冶金、电力等几乎所有工业领域都十分受欢迎的结构材料。

用于制造化学化工耐蚀反应器、电解用铁阳极、钛阴极板、氯碱生产用钛阳极、氧气冷却热交换器等，电镀行业中的钛网篮、吊挂装置、钛阳极等，发电厂用冷凝器、蒸汽涡轮发电机、涡轮叶片等，石油钻井设备和海下输油管等。

   （3）在汽车上，钛可用于制造发动机气门、承座、气门弹簧、连杆、紧固件等。

   （4）在体育休闲用品中，用钛制网球拍、羽毛球拍、高尔夫球头和球杆、赛车、自行车架、滑雪杆、冰刀、潜水衣、台球杆和钩鱼杆等。

   （5）在信息工程中，铁可用于制造计算机硬磁盘基片。

比铝有更高的强度，允许减少厚度，增加存储密度，提高盘速；更高的表面光洁度，允许减少读写磁头与存储盘之间的距离，提高存储密度；更高的损坏的容许极限和表面硬度；钛还具有非磁性特点，阻止了磁盘数据存储干扰；钛比铝更耐高温，可采用高温涂层处理。

估计随着信息产业的高速发展和市场的剧烈竞争，钛用于计算机会有较好的应用市场。

   （6）在医疗中，钛主要用作假牙、人体修复用关节、骨科用接骨板、髓内针以及人工心脏瓣膜支架、埋藏式心脏起搏器的外壳、颅脑外科的血管夹等。

从早期用于缝合细小血管用的针、心电图电极材料及眼科用器械到近来的心脏拉钩和心脏堵头均有钛的足迹。

   （7）在日用消费品中，钛用于制造眼镜架、手表壳、照相机外壳、炊具等。

装饰器如屋顶、栏杆、纪念碑等和钛工艺品。

   （8）在食品工业和制药工业中，钛用于制造容器、反应器和加热器等。

   （9）在核工业中，钛用来制造核废料和腐蚀性废料的储备皓。

   （10）在建筑业中，钛应用也越来越广泛。

西班牙比尔巴那建成的古根赫马博物馆大楼，使用了厚度为0.38mm的钛板3.5万m2。

   （11）在农业和畜牧业中，钛也能发挥一定的作用。

经试验证明，铁具有增强植物的光合，促进碳水化合物的合成等作用。

此外，钛还用于草地、药材和花卉的培植等方面。

预计钛饲料添加荆的应用前景很广。

   （12）钛还用于造船业，制造潜水艇、海上平台和海水淡化装置等。

3、钛在体育运动器材中的应用

   由于钛及其合金具有比强度高、耐蚀性好等特点已广泛用于各种体育器械。

用Ti-3Al-2.5V合金无缝管制作的高尔夫球棒、棒头，在美国和日本深受体育爱好者的欢迎。

此外，钛体育用品还有网球拍、滑雪杖、雪铲、登山冰杖、登山钉、雪橇、击剑防护面罩、钓鱼杆、鱼线以及用作田径赛跑鞋用的注射成型Ti-Fe系鞋底钉等。

   3.1基本情况

   钛及其合金因产品型号及微结构不同，可以轧制成拥有多种加工特性及力学特性的产品。

商品纯钛为六方密堆集结构（hcp），因其强度较低（一般屈服强度在30--70公斤力／英寸2之间），所以加工及可塑性性能好（但随强度增大而降低）。

最常用的钛合金Ti-6AI-4V主要为hcp结构，但因其强度较高（屈服强度约130公斤力／英寸2，因含氧量不同而略有变化），因而相当难加工，与商品级钛相比可塑性降低。

为此，开发了专门用于航空液压系统管件的Ti-3AI-2.5V，这种产品强度高，而且加工性能也好。

在冷处理应力消除之后，合金强度可保持ll5公斤力／英寸2，接近于Ti-6AI-4V水平。

Ti-3AI-2.5V合金已成为无缝钛管用材标准，它不仅用于航空工业，而且也成为体育运动和医用材料。

B-钛合金拥有体心立方结构（bcc），在退火后易于加工并拥有很好的延展性；但截止目前为止，在无缝钛管方面用量不大。

   TiSports（TST）是一个专门生产钛制医疗器械及体育用品的工厂，它位于美国华盛顿州Kennewick市。

它的产品包括轮椅、自行车架、高尔夫球杆及异型钛管。

TST主要用Ti-3A1-2.5V生产无缝钛管，无缝钛管以挤压法生产，并用皮尔格无缝钢管轧机缩小管径。

这一工艺可以采用大量的冷加工方法，从而使材料强度比退火产品提高40％。

小量的大尺寸Ti-3AI-2.5V管件也采用焊接工艺，而不供应无缝产品。

此外，在某些领域，如轮椅的扶手并不需要很高的强度，还采用了二级焊接。

   3.2产品

   1）.管件．

   TitaniumSportsTechnologies公司与TST签有专门协议，以具竞争力价格向其及时提供商品级（CP）钛、无缝的和焊接钛管。

TST拥有大量管件库存，这使它能在极短时间内向用户提供小批量产品。

TST进行大量管件采购用于转售、库存及生产需要，从而使管件用户显著降低成本，TST保持大量库存，约15万尺的CP、Ti-3AI-2.5V无缝和有缝钛管，以满足商用及运动业所需。

管件符合ASTMB338二级或九级标准，可直接提供并主要储存于冷加工、应力消除状态。

对各种管件可提供测试报告。

TST可为用户提供切割、弯曲、精修和管件成形等服务。

管件截面有方形、矩形、三角形、椭圆形、五、六、七、八边形、滴管形等从圆形到各种异型管件。

用户成型服务可与特种产品部联系。

TST管件外形加工采用专用轧制工艺、不用润滑剂从而避免沾污。

TST的成形工艺不用加工后退火，从而使异形管保持了清洁、无锈的金属表面。

   2）.轮椅

   TiSport用于制造轮椅的Ti-3AI-2.5V管件比钢轻一半，而其强度则是铝合金的三倍。

这种高强度、低密度的结合使设计、制造坚固、耐用、轻便的轮椅成为可能。

钛有出色的抗疲劳特性、使用寿命长、不受盐水腐蚀，因而无需涂漆。

钛的弹力刚性低，可用于制造弹簧用于吸收、阻尼冲击和振动：

这保证了在甚至崎岖不平的路上也可平滑行使。

钛的弹性质量及很好的疲劳强度使TiSport的轮椅设计得具有一定程度的柔韧性，而铝合金轮椅则往往由于加工硬化而造成疲劳和断裂。

   采用钛使TiSport的轮椅更符合用户个性，它产生的TiSportTiLiteTM型轮椅与假肢制造工艺一样可根据用户体型制造。

TiSpoot采用SolidWerks的CAD软件自动制造轮椅模型。

l0至l2种规格输入计算机程序生成一个计算机模型，其后软件将其转化为工厂用层板模型，后者为随后的轮椅制造提供依据。

此法使制出的轮椅符合用户的要求长达多年。

   钛的这些特性使顾客可较长时间维持生活自理，减少了对肢体的压迫、消除了若干体态不适，生活得更为轻松。

TiSport生产一系列钛轮椅，每种TiLite轮椅均拥有独特的优点。

轮椅的不能折叠部分设计得短而窄，因而用起来更灵活、易于搬运。

运动用轮椅在篮球场上更机动、灵活，机动轮椅可增设附加功能。

所有TiLite轮椅均已取得FDA许可，并可在美国、波多黎哥、加拿大、日本、以色列、澳大利亚、新西兰及部分欧洲地区买到。

   3）.自行车

   从1989年始，TST已经为国内外客商生产山地车和公路车的自行车架，这些厂商有：

Bontrager、Diamondback、Fugi、Marin、GTMongeose、Pro和Yeti。

TST独有的焊接卡具和零缝隙斜角技术使制成的车架在焊成后无需进一步调整。

车架校准度达到偏离中心线不超过O．O2英寸。

每付车架在制造过程中检验4次，在包装前还要经过27道质量检查。

每付车架的包装上都有27次检验数据，并在工厂存有档案。

这些措施保证了TST出产的车架的高质量。

   4）.其他产品

   TST生产的其他体育产品还有高尔夫球棒、游泳池的信号标、渔竿、摩托车的发动机架、帆布艇船桨及破冰锄手柄等。

在医疗器械方面，TST生产拐杖、手杖及盲人手杖。

在商业领域，TST生产一些加工部件及商用设施，包括复印机零件。

在复印机零件中包括有TST专有的轧制工艺制成的精密尺寸的方形管件。

这方面的需要是因为这些零件要抵御复印机内产生的硝酸造成的腐蚀。

   5）.未来设想

   TST打算运用其实践中的经验继续生产一些新的钛产品，并对现有产品加以改进。

计划扩大钛在潜水方面的应用，发挥钛在抗海水侵蚀方面的优势。

新一代轮椅将会更轻巧，儿童用轮椅及新型机动轮椅也在设计中。