鈦合金的研究應(yīng)用現(xiàn)狀及其發(fā)展方向?qū)嵺`

鈦合金的研究應(yīng)用現(xiàn)狀及其發(fā)展方向鈦合金是以金屬鈦為基，加入適量的其他元素組成鈦合金，其在300-600度時的比強度優(yōu)于鋼和鋁合金。鈦的工業(yè)化生產(chǎn)是1948年開始的，為航空工業(yè)發(fā)展的需要，使鈦工業(yè)以平均每年約8％的增長速度發(fā)展。目前世界鈦合金加工材年產(chǎn)量已達4萬余噸,鈦合金牌號近30種。使用最廣泛的鈦合金是Ti-6Al-4V(TC4),Ti-5Al-2.5Sn(TA7)和工業(yè)純鈦（TA1、TA2和TA3）。鈦合金主要用于制作飛機發(fā)動機壓氣機部件，其次為火箭、導(dǎo)彈和高速飛機的結(jié)構(gòu)件。鈦及其合金不僅大量應(yīng)用在航空、航天工業(yè)，而且在化工、石油、冶金、造紙、紡織，機械儀器、能源；醫(yī)療衛(wèi)生等工業(yè)中也有著十分重要的應(yīng)用；在民用工業(yè)中的應(yīng)用也日漸增多。1、發(fā)展歷史鈦是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來的一種重要的結(jié)構(gòu)金屬，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(lǐng)域。第一個實用的鈦合金是1954年美國研制成功的Ti-6Al-4V合金，由于它的耐熱性、強度、塑性、韌性、成形性、可焊性、耐蝕性和生物相容性均較好，而成為鈦合金工業(yè)中的王牌合金，該合金使用量已占全部鈦合金的75%～85%。其他許多鈦合金都可以看作是Ti-6Al-4V合金的改型。20世紀(jì)50～60年代，主要是發(fā)展航空發(fā)動機用的高溫鈦合金和機體用的結(jié)構(gòu)鈦合金，70年代開發(fā)出一批耐蝕鈦合金，80年代以來，耐蝕鈦合金和高強鈦合金得到進一步發(fā)展。耐熱鈦合金的使用溫度已從50年代的400℃提高到90年代的600～650℃。A2(Ti3Al)和r（TiAl）基合金的出現(xiàn)，使鈦在發(fā)動機的使用部位正由發(fā)動機的冷端（風(fēng)扇和壓氣機）向發(fā)動機的熱端（渦輪）方向推進。結(jié)構(gòu)鈦合金向高強、高塑、高強高韌、高模量和高損傷容限方向發(fā)展。另外，20世紀(jì)70年代以來，還出現(xiàn)了Ti-Ni、Ti-Ni-Fe、Ti-Ni-Nb等形狀記憶合金，并在工程上獲得日益廣泛的應(yīng)用。2、原理鈦合金是以鈦為基礎(chǔ)加入其他元素組成的合金。鈦有兩種同質(zhì)異晶體：882℃以下為密排六方結(jié)構(gòu)α鈦，882℃以上為體心立方的β鈦。合金元素根據(jù)它們對相變溫度的影響可分為三類：①穩(wěn)定α相、提高相轉(zhuǎn)變溫度的元素為α穩(wěn)定元素,有鋁、碳、氧和氮等。其中鋁是鈦合金主要合金元素，它對提高合金的常溫和高溫強度、降低比重、增加彈性模量有明顯效果。②穩(wěn)定β相、降低相變溫度的元素為β穩(wěn)定元素，又可分同晶型和共析型二種。前者有鉬、鈮、釩等；后者有鉻、錳、銅、鐵、硅等。③對相變溫度影響不大的元素為中性元素，有鋯、錫等。氧、氮、碳和氫是鈦合金的主要雜質(zhì)。氧和氮在α相中有較大的溶解度,對鈦合金有顯著強化效果,但卻使塑性下降。通常規(guī)定鈦中氧和氮的含量分別在0.15～0.2%和0.04～0.05%以下。氫在α相中溶解度很小,鈦合金中溶解過多的氫會產(chǎn)生氫化物，使合金變脆。通常鈦合金中氫含量控制在0.015%以下。氫在鈦中的溶解是可逆的，可以用真空退火除去。3、分類鈦是同素異構(gòu)體，熔點為1668℃，在低于882℃時呈密排六方晶格結(jié)構(gòu)，稱為α鈦；在882℃以上呈體心立方晶格結(jié)構(gòu)，稱為β鈦。利用鈦的上述兩種結(jié)構(gòu)的不同特點，添加適當(dāng)?shù)暮辖鹪?，使其相變溫度及相分含量逐漸改變而得到不同組織的鈦合金（titaniumalloys）。室溫下，鈦合金有三種基體組織，鈦合金也就分為以下三類：α合金,(α+β)合金和β合金。中國分別以TA、TC、TB表示。α鈦合金它是α相固溶體組成的單相合金，不論是在一般溫度下還是在較高的實際應(yīng)用溫度下，均是α相，組織穩(wěn)定，耐磨性高于純鈦，抗氧化能力強。在500℃～600℃的溫度下，仍保持其強度和抗蠕變性能，但不能進行熱處理強化，室溫強度不高。β鈦合金它是β相固溶體組成的單相合金，未熱處理即具有較高的強度，淬火、時效后合金得到進一步強化，室溫強度可達1372～1666MPa；但熱穩(wěn)定性較差，不宜在高溫下使用。α+β鈦合金它是雙相合金，具有良好的綜合性能，組織穩(wěn)定性好，有良好的韌性、塑性和高溫變形性能，能較好地進行熱壓力加工，能進行淬火、時效使合金強化。熱處理后的強度約比退火狀態(tài)提高50%～100%；高溫強度高，可在400℃～500℃的溫度下長期工作，其熱穩(wěn)定性次于α鈦合金。三種鈦合金中最常用的是α鈦合金和α+β鈦合金；α鈦合金的切削加工性最好，α+β鈦合金次之，β鈦合金最差。α鈦合金代號為TA，β鈦合金代號為TB，α+β鈦合金代號為TC。鈦合金按用途可分為耐熱合金、高強合金、耐蝕合金（鈦-鉬，鈦-鈀合金等）、低溫合金以及特殊功能合金（鈦-鐵貯氫材料和鈦-鎳記憶合金）等。4、性能鈦是一種新型金屬，鈦的性能與所含碳、氮、氫、氧等雜質(zhì)含量有關(guān)，最純的碘化鈦雜質(zhì)含量不超過0.1%，但其強度低、塑性高。99.5%工業(yè)純鈦的性能為：密度ρ=4.5g/立方厘米，熔點為1725℃，導(dǎo)熱系數(shù)λ=15.24W/(m.K)，抗拉強度σb=539MPa，伸長率δ=25%，斷面收縮率ψ=25%，彈性模量E=1.078×105MPa，硬度HB195。具有強度高、熱強度高、抗蝕性好、低溫性能好、化學(xué)活性大、導(dǎo)熱彈性小的特性。5、主要特征鈦合金主要特性；工業(yè)純鈦：工業(yè)純鈦的雜質(zhì)含量較化學(xué)純鈦要多，因此其強度、硬度也稍高，其力學(xué)性能及化學(xué)性能與不銹鋼相近，比起鈦合金純鈦強度較好，在抗氧化性方面優(yōu)于奧氏體不銹鋼，但耐熱性較差，TA1、TA2、TA3依次雜質(zhì)含量增高，機械強度、硬度依次增強，但塑性韌性依次下降。6、用途鈦合金具有強度高而密度又小，機械性能好，韌性和抗蝕性能很好。另外，鈦合金的工藝性能差，切削加工困難，在熱加工中，非常容易吸收氫氧氮碳等雜質(zhì)。還有抗磨性差，生產(chǎn)工藝復(fù)雜。鈦合金主要用于制作飛機發(fā)動機壓氣機部件，其次為火箭、導(dǎo)彈和高速飛機的結(jié)構(gòu)件。60年代中期，鈦及其合金已在一般工業(yè)中應(yīng)用，用于制作電解工業(yè)的電極，發(fā)電站的冷凝器，石油精煉和海水淡化的加熱器以及環(huán)境污染控制裝置等。鈦及其合金已成為一種耐蝕結(jié)構(gòu)材料。此外還用于生產(chǎn)貯氫材料和形狀記憶合金等。7、鈦合金應(yīng)用存在的問題鈦合金具有質(zhì)量輕、比強度高、耐腐蝕性好等優(yōu)點，故被廣泛應(yīng)用在汽車工業(yè)中，應(yīng)用鈦合金最多的是汽車發(fā)動機系統(tǒng)。鈦合金零部件盡管具有如此優(yōu)越的性能，但距鈦及其合金普遍應(yīng)用在汽車工業(yè)中還有很大的距離，原因包括價格昂貴、成形性不好及焊接性能差等問題。阻礙鈦合金普遍應(yīng)用于汽車工業(yè)的最主要原因還是成本過高。無論是金屬最初的冶煉還是后續(xù)的加工，鈦合金的價格都遠遠高于其他金屬。汽車工業(yè)能夠接受的鈦制零件成本，用連桿鈦材8～13美元/kg，氣閥用鈦材13～20美元/kg，彈簧、發(fā)動機排氣系統(tǒng)及緊固件用鈦材希望在8美元/kg以下。是鋁板材的6～15倍，鋼板材的45～83倍。8、熱處理常用的熱處理方法有退火、固溶和時效處理。退火是為了消除內(nèi)應(yīng)力、提高塑性和組織穩(wěn)定性，以獲得較好的綜合性能。通常α合金和（α+β）合金退火溫度選在（α+β）─→β相轉(zhuǎn)變點以下120～200℃；固溶和時效處理是從高溫區(qū)快冷,以得到馬氏體α′相和亞穩(wěn)定的β相,然后在中溫區(qū)保溫使這些亞穩(wěn)定相分解，得到α相或化合物等細小彌散的第二相質(zhì)點，達到使合金強化的目的。通常(α+β)合金的淬火在(α+β)─→β相轉(zhuǎn)變點以下40～100℃進行，亞穩(wěn)定β合金淬火在(α+β)─→β相轉(zhuǎn)變點以上40～80℃進行。時效處理溫度一般為450～550℃?？偨Y(jié)，鈦合金的熱處理工藝可以歸納為：（1）消除應(yīng)力退火：目的是為消除或減少加工過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。防止在一些腐蝕環(huán)境中的化學(xué)侵蝕和減少變形。（2）完全退火：目的是為了獲得好的韌性，改善加工性能，有利于再加工以及提高尺寸和組織的穩(wěn)定性。（3）固溶處理和時效：目的是為了提高其強度，α鈦合金和穩(wěn)定的β鈦合金不能進行強化熱處理，在生產(chǎn)中只進行退火。α+β鈦合金和含有少量α相的亞穩(wěn)β鈦合金可以通過固溶處理和時效使合金進一步強化。此外，為了滿足工件的特殊要求，工業(yè)上還采用雙重退火、等溫退火、β熱處理、形變熱處理等金屬熱處理工藝。9、缺點鈦及鈦合金主要限制是在高溫與其它材料的化學(xué)反應(yīng)性差。此性質(zhì)迫使鈦合金與一般傳統(tǒng)的精煉、熔融和鑄造技術(shù)不同，甚至經(jīng)常造成模具的損壞；結(jié)果，使的鈦合金的價格變的十分昂貴。因此它們剛開始大多用在飛機結(jié)構(gòu)、航空器，以及用在石油和化學(xué)工業(yè)等高科技工業(yè)。不過由于太空科技的發(fā)達、人民生活質(zhì)量的提升，所以鈦合金也漸漸地用來制成民生用品，造福人生的生活，只是這些產(chǎn)品價格仍然偏高，多屬于高價位的產(chǎn)品，這是鈦合金無法發(fā)揚光大的最大的致命傷。10、新進展各國都在開發(fā)低成本和高性能的新型鈦合金，努力使鈦合金進入具有巨大市場潛力的民用工業(yè)領(lǐng)域陽。國內(nèi)外鈦合金材料的研究新進展主要體現(xiàn)在以下幾方面。高溫鈦合金世界上第一個研制成功的高溫鈦合金是Ti-6Al-4V，使用溫度為300-350℃。隨后相繼研制出使用溫度達400℃的IMI550、BT3-1等合金，以及使用溫度為450~500℃的IMI679、IMI685、Ti-6246、Ti-6242等合金。已成功地應(yīng)用在軍用和民用飛機發(fā)動機中的新型高溫鈦合金有.英國的IMI829、IMI834合金；美國的Ti-1100合金；俄羅斯的BT18Y、BT36合金等。表7為部分國家新型高溫鈦合金的最高使用溫度[26]。近幾年國外把采用快速凝固/粉末冶金技術(shù)、纖維或顆粒增強復(fù)合材料研制鈦合金作為高溫鈦合金的發(fā)展方向，使鈦合金的使用溫度可提高到650℃以上[1,27,29,31]。美國麥道公司采用快速凝固/粉末冶金技術(shù)成功地研制出一種高純度、高致密性鈦合金，在760℃下其強度相當(dāng)于室溫下使用的鈦合金強度[26]。鈦鋁化合物與一般鈦合金相比，鈦鋁化合物為基鈉Ti3Al（α2）和TiAl（γ）金屬間化合物的最大優(yōu)點是高溫性能好（最高使用溫度分別為816和982℃）、抗氧化能力強、抗蠕變性能好和重量輕（密度僅為鎳基高溫合金的1/2），這些優(yōu)點使其成為未來航空發(fā)動機及飛機結(jié)構(gòu)件最具競爭力的材料[26]。已有兩個Ti3Al為基的鈦合金Ti-21Nb-14Al和Ti-24Al-14Nb-#v-0.5Mo在美國開始批量生產(chǎn)。其他發(fā)展的Ti3Al為基的鈦合金有Ti-24Al-11Nb、Ti25Al-17Nb-1Mo和Ti-25Al-10Nb-3V-1Mo等[29]。TiAl（γ）為基的鈦合金受關(guān)注的成分范圍為Ti-（46-52）Al-（1-10）M（at.%），此處M為v、Cr、Mn、Nb、Mn、Mo和W中的至少一種元素。TiAl3為基的鈦合金開始引起注意，如Ti-65Al-10Ni合金[1]。高強高韌β型β型鈦合金最早是20世紀(jì)50年代中期由美國Crucible公司研制出的B120VCA合金（Ti-13v-11Cr-3Al）。β型鈦合金具有良好的冷熱加工性能，易鍛造，可軋制、焊接，可通過固溶-時效處理獲得較高的機械性能、良好的環(huán)境抗力及強度與斷裂韌性的很好配合。新型高強高韌β型鈦合金最具代表性的有以下幾種[26,30]：Ti1023（Ti-10v-2Fe-#al），該合金與飛機結(jié)構(gòu)件中常用的30CrMnSiA高強度結(jié)構(gòu)鋼性能相當(dāng)，具有優(yōu)異的鍛造性能；Ti153（Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn），該合金冷加工性能比工業(yè)純鈦還好，時效后的室溫抗拉強度可達1000MPa以上；β21S（Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si），該合金是由美國鈦金屬公司Timet分部研制的一種新型抗氧化、超高強鈦合金，具有良好的抗氧化性能，冷熱加工性能優(yōu)良，可制成厚度為0.064mm的箔材；日本鋼管公司（NKK）研制成功的SP-700（Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe）鈦合金，該合金強度高，超塑性延伸率高達2000%，且超塑成形溫度比Ti-6Al-4V低140℃，可取代Ti-6Al-4V合金用超塑成型-擴散連接（SPF/DB）技術(shù)制造各種航空航天構(gòu)件；俄羅斯研制出的BT-22（TI-5v-5Mo-1Cr-5Al），其抗拉強度可達1105MPA以上。阻燃鈦合金常規(guī)鈦合金在特定的條件下有燃烷的傾向，這在很大程度上限制了其應(yīng)用。針對這種情況，各國都展開了對阻燃鈦合金的研究并取得一定突破。美國研制出的Alloyc（也稱為Ti-1720），名義成分為50Ti-35v-15Cr（質(zhì)量分數(shù)），是一種對持續(xù)燃燒不敏感的阻燃鈦合金，己用于HYPERLINK"/view/352365.h