本科生課程論文1

1、7/7上海大學本科生課程論文論文題目：鈦合金在多領域的應用與發(fā)展課程名稱： 課程號：學生姓名： 學生學號：所在學院：材料科學與工程學院日期：2015.05.24摘要：鈦合金因具有強度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點而被廣泛用于各個領域。世界上許多國家都認識到鈦合金材料的重要性，相繼對其進行研究開發(fā)，并得到了實際應用。本文綜述了鈦合金在航空航天飛行器、熱氫處理、發(fā)動機、高溫鈦合金、生物醫(yī)用材料等方面的應用與發(fā)展。關鍵詞：鈦合金；航空；氫；發(fā)動機；生物醫(yī)用材料鈦合金在航空方面的應用與發(fā)展鈦合金具有比強度高、耐腐蝕性好、耐高溫等優(yōu)點。從20世紀50年代開始,鈦合金在航空航天領域中得到了迅速的發(fā)展。鈦合金

2、是當代飛機和發(fā)動機的主要結構材料之一,可以減輕飛機的重量,提高結構效率。在飛機用材中鈦的比例,客機波音777為7%,運輸機C-17為10.3%,戰(zhàn)斗機F-4為8%,F-15為25.8%,F-22為39%。高性能航空發(fā)動機的發(fā)展需求牽引著高溫鈦合金的發(fā)展,鈦合金的使用溫度逐步提高,從20世紀50年代以Ti-6Al-4V合金為代表的350 ,經(jīng)過IMI679和IMI829提高到了以IMI834合金為代表的600。目前,代表國際先進的高溫鈦合金有美國的Ti-6242S,Ti-1100,英國的IMI834,俄羅斯的BT36以及中國的Ti-60。表2為600主要高溫鈦合金的成分及性能特點。 Ti-624

3、2S(Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si)鈦合金是美國于20世紀60年代為了滿足改善鈦合金高溫性能的需要,特別是為了滿足噴氣發(fā)動機使用要求而研制的一種近型鈦合金。合金的最高使用溫度為540,室溫的b=930 MPa。特點是具有強度、蠕變強度、韌性和熱穩(wěn)定性的良好結合,并具有良好的焊接性能,主要應用于燃氣渦輪發(fā)動機零件,發(fā)動機結構板材零件,飛機機體熱端零件。BT36(Ti-6.2A1-2Sn-3.6Zr-0.7Mo-0.1Y-5.0W-0.15Si)合金是俄羅斯于1992年研制成功的一種使用溫度在600650的鈦合金。合金中加入了5%W和約0.1%Y。加入W對提高合金的熱強性有明顯

4、作用。加入微量Y可以明顯地細化合金的晶粒,改善了合金的塑性和熱穩(wěn)定性。Ti60(Ti-5.8 Al-4.8 Sn-2.OZr-1.0 Mo-0.35Si-0.85Nd)合金由中國科學院金屬研究所在Ti55合金基礎上改型設計、寶雞有色金屬加工廠參與研制的一種600高溫鈦合金。Ti60合金的特點之一是合金中加入了1%Nd(質量分數(shù)),通過內(nèi)氧化方式形成富含Nd、Sn和O的稀土相,降低基體中的氧含量,從而起到凈化基體,改善合金熱穩(wěn)定性的作用。Ti60合金已進行了半工業(yè)性中試試驗(包括壓氣機盤模鍛)和全面性能測定。根據(jù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,未來高溫鈦合金的發(fā)展趨勢是:(1)研制600以上的新型高溫鈦合金?？?/p>

5、對現(xiàn)有高溫鈦合金的成分進行調整,改進加工工藝,或研發(fā)新的高溫鈦合金,提高高溫鈦合金的使用溫度。(2)稀土元素在高溫鈦合金中的作用尚待進一步研究。我國研制的含稀土元素的高溫鈦合金其使用溫度已達到600 ,其各項性能顯示均為良好。但稀土元素在合金中的機制作用需進一步研究,為含稀土元素的高溫鈦合金的發(fā)展奠定理論基礎。(3)合金朝著多元強化的方向發(fā)展。合金成分的優(yōu)化越來越重要,Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si-(RE)系近鈦合金占主導地位;Si元素是高溫鈦合金中必不可少的重要元素。鈦合金在熱氫處理方面的應用與發(fā)展鈦合金熱氫處理技術是利用氫致塑性、氫致相變以及鈦合金中氫的可逆合金化作用以實現(xiàn)鈦氫系統(tǒng)最

6、佳組織結構、改善加工性能的一種新體系、新方法和新手段,利用該技術不僅可以改善鈦合金的加工性能,而且可以提高鈦制件的使用性能,降低鈦產(chǎn)品的制造成本,提高鈦合金的加工效率。鈦合金室溫塑性低,變形極限低,變形抗力大,冷成形容易開裂,大大限制了鈦合金的冷態(tài)工藝性;因此,絕大多數(shù)鈦合金必須在熱態(tài)下成形,但熱變形溫度高,流動應力大,應變速率低,特別是對于那些高強、高韌、高模量、耐高溫的難變形鈦合金,這種現(xiàn)象尤為嚴重,大大地限制了它們的應用;此外,由于熱變形溫度高,造成系統(tǒng)或工藝的高溫保護困難,費用高;同時,鈦合金熱加工時對模具材料要求高,要求模具能夠在900以上的高溫下仍需具有足夠的強度,對模具選材和制造

7、帶來了很大的困難,造成加工周期長、生產(chǎn)費用高等一系列問題;不僅如此,由于鈦合金的熱變形溫度高和變形抗力大的原因,給成形設備也提出了更高的要求,使得現(xiàn)有成形設備加工鈦合金結構件的能力大大降低,為研制新成形設備提出了更高的要求,增加了設備研制的費用和難度。氫對鈦合金高溫塑性的影響主要表現(xiàn)為（1）流變應力較低（2）高溫拉伸塑性性能提高（3）高溫鐓粗出現(xiàn)第一個裂紋前的變形極限提高。高溫增塑是最早受到關注并得到廣泛而深入研究的熱氫處理技術方向,國內(nèi)外學者對此給予了高度重視。早在上世紀70年代,前蘇聯(lián)學者就致力于這方面的研究工作,一系列的研究表明:鈦合金加氫可使合金的熱壓力加工性能得到改善,表現(xiàn)為熱變形流

8、動應力的降低和塑性的提高,使熱變形更容易在較低溫度下實現(xiàn)軋制、熱鍛等工序;氫增塑效應對高鋁含量的熱強鈦合金及Ti3Al合金的作用特別明顯,對近和+合金也是適用的,但對近合金幾乎沒有作用。Kolachov對Ti3Al基的CT5合金研究發(fā)現(xiàn):雖在1 0501 250的區(qū)溫度范圍內(nèi)變形也很困難,但加入0.6%(質量分數(shù))的氫,甚至在900下變形達80%也不產(chǎn)生裂紋,塑性提高伴隨有屈服強度的降低,其滲氫試樣的壓縮流變應力僅為未滲氫試樣流變應力的1/3。鑄態(tài)的以Ti3Al(2)為強化相的耐熱鈦合金Ti-9Al-1Mo-3Zr-4Sn的等溫鐓鍛試驗表明:滲氫合金的最大變形量可以達到60%,并可以有效地降低

9、合金的變形抗力,0.2分別從950和900的200 MPa和320 MPa降低到5060MPa和120140MPa,且氫對合金變形抗力下降的影響程度隨溫度的上升而降低。Ti-5Zr-9Al-5Sn-2Mo合金鐓鍛試驗表明:氫含量0.45%(質量分數(shù))的試樣在800的鍛造流變應力比未滲氫試樣下降50%左右。BT16合金鐓粗試驗表明:在600850試驗溫度范圍內(nèi),加入0.20.3%(質量分數(shù))的氫,屈服應力降低1/31/2。BT6高溫拉伸試驗表明:800時置入0.3%氫的試樣的流變應力比未滲氫試樣的流變應力低一半,延伸率由50%提高到105%。Kerr等人對滲氫Ti-6Al-4V合金進行了等溫鍛造

10、試驗研究,圖9和10所示分別是不同氫含量合金在760和820時的應力應變曲線,圖11所示是合金在不同溫度下氫含量對峰值流動應力的影響曲線。圖9,10和11表明:合金的流動應力隨著氫含量的增加而減小,當氫含量達到0.4%(質量分數(shù))時,其流變應力為最低,約為未滲氫合金流變應力的70%;之后,隨著氫含量的增加,流變應力反而增加,這主要是因為氫化物TiH2的析出而致。Birla等人在Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo合金中加入0.4%(質量分數(shù))氫,30時的鍛造流變應力比未加氫時,降低30%35%。張勇等人對Ti3Al基Ti-25Al-10Nb-3V-1Mo鑄態(tài)和鍛態(tài)合金進行熱壓縮行為研究時發(fā)現(xiàn):

11、氫可以顯著降低熱壓縮的峰值流變應力,在9001 000范圍內(nèi),鑄態(tài)的0.2%(質量分數(shù))H滲氫試樣的峰值流變應力比未滲氫試樣的流變應力降低了37%53%,鍛態(tài)的0.2%(質量分數(shù))H滲氫試樣的峰值流變應力比未滲氫試樣的降低了27%31%,從流動應力的角度出發(fā),0.2%(質量分數(shù))H可使合金的熱壓縮溫度降低50 ,應變速率提高一個數(shù)量級;等溫壓縮時,氫含量增加所產(chǎn)生的組織變化相當于在更高溫度壓縮所產(chǎn)生的組織變化,隨熱壓溫度的提高,Ti3Al相由部分動態(tài)再結晶發(fā)展到完全動態(tài)再結晶,Ti3Al相的體積分數(shù)下降,當氫含量達到0.2%(質量分數(shù))時,溫度達到1 000 ,變形時顯示出相區(qū)變形特征。鈦合金

12、氫致熱塑性效應在實際生產(chǎn)中具有顯著的效果和意義,可以降低等溫變形溫度50150 ,流變應力下降30%以上,可以采用工藝性更好的模具材料替代現(xiàn)有模具材料,提高模具壽命和金屬利用系數(shù)。鈦合金中氫的作用具有雙重性:一方面,氫作為有害雜質元素對鈦合金使用性能有著極為不利的影響;另一方面,可以通過合理有效地控制滲氫、相變、除氫等過程獲得適應某種工藝的組織結構以改善其加工性能,否則,氫的積極作用亦不能得到發(fā)揮。需要指出的是,氫的有益作用主要體現(xiàn)在鈦合金的加工過程中,無論其加工過程是否加氫,必須利用氫的可逆合金化作用經(jīng)真空退火使其氫含量恢復到安全水平,以保證鈦合金制件在使用中不發(fā)生氫脆。鈦合金熱氫處理技術是

13、從氫的可逆合金化角度出發(fā),有效地控制鈦氫系統(tǒng)中氫含量、存在狀態(tài)及相變過程,實現(xiàn)改善塑性加工、擴散加工、切削加工和變質加工工藝性能的目的,并已成為一個新型的學科領域。俄羅斯已經(jīng)建立了一套完整的技術體系,主要包括熱氫處理、氫增塑、氫致密和氫機械加工。鈦合金熱氫處理技術有利于全面改善鈦合金成形性能、提高加工效率、降低加工難度和提高制件使用性能,可以提升鈦合金的加工制造水平,其應用前景良好,并有可能推廣到與鈦性質相近金屬的加工過程之中。鈦合金在發(fā)動機方面的應用與發(fā)展現(xiàn)代軍用戰(zhàn)斗機的戰(zhàn)術機動性、短距起飛、超音速巡航等優(yōu)異作戰(zhàn)性能在很大程度上依賴于先進的高推重航空發(fā)動機的應用，而高推重比航空發(fā)動機的發(fā)展與

14、高溫鈦合金的大量應用密切相關。航空發(fā)動機壓氣機葉片、盤和機匣等零件要求在室溫至較高的溫度范圍內(nèi)具有高的瞬時強度、持久強度、溫蠕變抗力、組織穩(wěn)定性和高低周疲勞性能。噴氣發(fā)動機是飛機的心臟。發(fā)動機的風扇、高壓壓氣機盤件和葉片等轉動部件,不僅要承受很大的應力,而且要有一定的耐熱性,即要求鈦在300650溫度下有良好的抗高溫強度、抗蠕變性和抗氧化性能。這樣的工況條件,對鋁來說溫度太高;對鋼來說密度太大;鈦是最佳的選擇。因此,鈦在先進發(fā)動機上的應用不斷擴大。在飛機上使用較多的鈦合金有-6-4,-8-1-1,-17,-6242,-6246,6,9,11,-1100,829,834等。發(fā)動機的一個重要性能指

15、標是推重比,即發(fā)動機產(chǎn)生的推力與其自重之比。推重比越高,發(fā)動機性能越好。早期發(fā)動機的推重比只有23,現(xiàn)在已達到10。國外正在研制推重比1020的發(fā)動機。提高推重比,必須提高渦輪前進氣的壓縮比(進氣量指標)與進氣溫度。工作溫度越高,發(fā)動機的熱效率越高。提高推重比也必須提高材料高溫下的比強度和比剛度,減輕發(fā)動機自身的重量。據(jù)計算,當壓縮比達到151時,壓氣機的出口溫度為590 ,而當壓縮比達到251時,壓氣機的出口溫度就達到620705 ,需要耐熱性非常好的鈦合金。實驗證明,常規(guī)鈦合金只能用于650以下,為制造推重比10以上的先進發(fā)動機,需要開發(fā)以鈦基復合材料、3Al和型金屬間化合物為基的鈦合金。

16、目前實用性能最好的耐熱鈦合金是英國的829,834和美國的-1100。它們已分別用于2500,2000,55-712改型發(fā)動機。根據(jù)鈦合金的應用現(xiàn)狀,高溫鈦合金(發(fā)動機用)和高損傷容限鈦合金(機身用)是鈦合金未來發(fā)展的兩個主要方向。而采用材料設計方法是低成本鈦合金制備的有效途徑之一。834和-1100是600使用的高溫鈦合金,基本滿足推重比為10的發(fā)動機的使用要求。但在600以上,蠕變抗力和高溫抗氧化性的急劇下降是限制鈦合金在更高溫應用的兩大主要障礙。與一般鈦合金相比,鈦鋁化合物為基的3(2)和()金屬間化合物的最大優(yōu)點是高溫性能好(它們的最高使用溫度分別為700和850)、抗氧化能力強、抗蠕

17、變性能好17。為了滿足650以上,推重比大于10的發(fā)動機,需要開發(fā)( -鈦基金屬基復合材料)、3基和基鈦合金。然而近年來航空業(yè)競爭的加劇,人們不得不考慮飛機的制造成本,而不是單純地追求飛機的性能。為了使鈦合金能夠更廣泛地應用,必須要降低鈦合金的使用成本。鈦合金成本高的原因之一是高成本的合金化元屬,因此用廉價的,和這些元屬的合金代替昂貴的、和元屬,設計新牌號合金,具有非常重大的實用價值。鈦合金在生物醫(yī)用材料方面的應用與發(fā)展生物醫(yī)用鈦合金材料是專指用于生物醫(yī)學工程的一類功能結構材料,具體來說是用于外科植入物和矯形器械產(chǎn)品的生產(chǎn)和制造。鈦合金醫(yī)療器械產(chǎn)品如人工關節(jié)、牙種植體和血管支架等用于臨床診斷、

18、治療、修復、替換人體組織或器官,或增進人體組織或器官功能,其作用是藥物不能替代的。醫(yī)用鈦合金材料研究涉及材料、物理、化學、生物、醫(yī)學及先進電子顯微及生化分析等多個學科,研究方向包括:醫(yī)用金屬材料的合金設計與評價體系,材料的加工-組織-性能關系與人體軟、硬組織的相容性匹配,材料的表面改性(生物相容性、生物功能性、生物活性、耐磨性、耐蝕性等)及材料基體與表面(界面)的相互作用規(guī)律等。按照外科植入物和矯形器械專業(yè)標準,鈦合金材料可歸入“外科植入物用材料”中“金屬材料”一類,而鈦合金材料在非有源外科植入物、有源外科植入物和矯形器械3大類醫(yī)療器械中可充當心血管、骨與關節(jié)、骨接合、脊柱、矯形器械、心臟起搏

19、器與除顫器、耳蝸植入物、神經(jīng)刺激器等植入產(chǎn)品的加工材料。生物醫(yī)用鈦合金材料基本特征見表1所示2。生物醫(yī)用鈦合金按材料顯微組織類型可分為型、+型和型鈦合金3類。生物醫(yī)用鈦合金被加工成開放多孔狀、三維貫通結構,有利于新骨細胞組織在植入體內(nèi)粘附、分化和生長及水分和養(yǎng)料的傳輸,并且其密度、強度和楊氏模量可以通過孔隙率的調整同自然骨相匹配,從而使外科植入件和骨組織最終溶為一體而成為一種特殊的復合材料,增加外科植入件的長期穩(wěn)定性和有效性。因此,多孔鈦及鈦合金被認為是目前最有吸引力的生物醫(yī)用植入材料,也是今后重點的發(fā)展方向。2003年荷蘭.教授采用多孔海綿法制作了多孔網(wǎng)狀鈦合金牙種植體,研究發(fā)現(xiàn)微孔尺寸為1

20、00500的多孔鈦最有希望用做整形外科牙種植體材料。隨后美國公司采用鈦珠燒結法在關節(jié)柄近端得到平均孔隙尺寸為152、空隙率為35%的多孔表面,還采用多孔噴涂技術制成了孔徑尺寸為250450、空隙率達61%的多孔表面。近年來,一些多孔鈦加工的新技術不斷涌現(xiàn),引起人們的高度重視,如20世紀90年代以來發(fā)展起來的激光立體成形(,)技術,已成功制備出了多孔純,和4合金,并在人工關節(jié)臼杯上制備出了多孔/64功能梯度材料37。西北工業(yè)大學凝固技術國家重點實驗室黃衛(wèi)東課題組在這一領域的研究走在國內(nèi)前列,其自主研制出先進的激光立體成形與修復裝備并在國內(nèi)首次實現(xiàn)商業(yè)化應用。西北有色金屬研究院于振濤課題組采用激光刻蝕技術也成功地得到了表面多孔化的鈦合金材料。清華大學李言祥采用定向凝固技術制備出定向排列規(guī)則多孔鎂金屬材料。生物醫(yī)用材料是現(xiàn)代臨床醫(yī)學的重要物質基礎,是21世紀材料研究的前沿和熱點之一,生物醫(yī)用材料及制品也是近30年來發(fā)展起來的一類技術附加值最高的高新技術產(chǎn)品,已成為全球新興的一個支柱產(chǎn)業(yè)和新的經(jīng)濟增長點。因此,加強生物醫(yī)用材料研制單位、醫(yī)療器械制造企業(yè)與醫(yī)療保健機構的有效協(xié)作和緊密配合,進一步開發(fā)新型優(yōu)質的醫(yī)用鈦合金材料,加強對傳統(tǒng)醫(yī)用鈦合金材料的優(yōu)化升級,努力降低醫(yī)用鈦材的價格,解決人體軟、硬組織修復與替代產(chǎn)品