《航空工程材料（活頁式）》 課件 10鈦及鈦合金

第7講鈦及其合金目錄123鈦合金的性能及分類鈦合金的發(fā)展與應用工業(yè)純鈦簡介1791年，英國牧師Gregor發(fā)現(xiàn)了一種新元素。1795年，法國化學家克拉普羅特以日耳曼神話中女神坦的名字為它命名“Titanium”，譯成中文就是“鈦”。從此，鈦便進入了科學家的實驗室?！扳仭钡挠蓙砗喗殁伿且环N新金屬，由于它具有一系列優(yōu)異特性，被廣泛用于航空、航天、化工、石油、冶金、輕工、電力、海水淡化、艦艇和日常生活器具等工業(yè)生產中，它被譽為現(xiàn)代金屬。金屬鈦生產從1948年至今才有半個世紀的歷史，它是伴隨著航空和航天工業(yè)而發(fā)展起來的新興工業(yè)。它的發(fā)展經受了數(shù)次大起大落，這是因為鈦與飛機制造業(yè)有關的緣故。但總的說來，鈦發(fā)展的速度是很快的，它超過了任何一種其他有色金屬的發(fā)展速度。這從全世界海綿鈦工業(yè)發(fā)展情況可以看出：海綿鈦生產規(guī)模60年代為60kt/a，70年代為110kt/a，80年代為130kt/a，到1992年已達140kt/a。1908年挪威和美國開始用硫酸法生產鈦白，1910年在試驗室中第一次用鈉法制得海綿鈦，1948年美國杜邦公司才用鎂法成噸生產海綿鈦——這標志著海綿鈦即鈦工業(yè)化生產的開始。而鈦合金因具有比強度高、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。中國鈦工業(yè)起步于20世紀50年代。1954年，北京有色金屬研究總院開始進行海綿鈦的制備工藝研究，1956年國家把鈦當作戰(zhàn)略金屬列入了12年發(fā)展規(guī)劃，1958年在撫順鋁廠實現(xiàn)了海綿鈦工業(yè)試驗，成立了中國第一個海綿鈦生產車間，同時在沈陽有色金屬加工廠成立了中國第一個鈦加工生產試驗車間。60年代中期開始鈦材的工業(yè)化生產。簡介一.工業(yè)純鈦工業(yè)純鈦Ti：純鈦密度4.507g/cm3熔點高1688℃具有同素異構轉變:

≤882.5℃為密排六方結構的α相≥882.5℃體心立方結構的β相純鈦比強度高，塑性、低溫韌性和耐蝕性好。鈦在氮氣中加熱可發(fā)生燃燒，因此鈦在加熱和焊接時應采用氬氣保護。

-Ti?

-Ti美F-22戰(zhàn)機約36%重量的零件用鈦合金制造一.工業(yè)純鈦密度小,比強度高（比強度高的特性仍可保持到550～600℃。與高強合金相比，相同強度水平可降低重量40％以上）彈性模量低（120GPa），約為鐵的54％?？估瓘姸扰c其屈服強度接近無磁性、無毒耐熱性能好耐低溫性能好（在液氮溫度下仍有良好的機械性能，強度高而仍保持良好的塑性及韌性）耐腐蝕性能(鈍化層（TiO2）,納米尺度，室溫下長大極慢)導熱系數(shù)小（比鐵低4.5倍）抗阻尼性能強吸氣性能（儲氣、干燥）一.工業(yè)純鈦特點：一種銀白色的金屬是很活潑的元素。有很好的鈍化性能，鈍化膜很穩(wěn)定，在許多環(huán)境中表現(xiàn)出很好的耐蝕性。有“耐海水腐蝕之王”之稱。高溫下，鈦的化學活性很高，能與鹵素、氧、氮、碳、硫等元素發(fā)生劇烈反應。鈦一般不發(fā)生孔蝕；除在幾種個別介質（如發(fā)煙硝酸、甲醇溶液）中，也不發(fā)生晶間腐蝕；鈦的應力腐蝕破裂敏感性小，具有抗腐蝕疲勞的性能，耐縫隙腐蝕性能良好。

一.工業(yè)純鈦根據(jù)雜質含量，鈦分為高純鈦（純度達99.9%）和工業(yè)純鈦（純度達99.5%）。工業(yè)純鈦有三個牌號，分別用TA＋順序號數(shù)字1、2、3表示，數(shù)字越大，純度越低。雜質含量對鈦的性能影響很大，少量雜質可顯著提高鈦的強度，故工業(yè)純鈦強度較高，接近高強鋁合金的水平。一.工業(yè)純鈦純鈦主要用于350℃以下工作、強度要求不高的零件，如石油化工用熱交換器、反應器，海水凈化裝置、艦船零部件及飛機蒙皮等。鈦鋼復合反應釜鈦管換熱器鈦制蒸餾塔二.鈦合金的性能及分類2.1鈦合金純鈦加入合金元素形成鈦合金。鈦合金幾乎都含有鋁。鋁能提高鈦合金的強度、比強度和再結晶溫度.按退火組織，鈦合金可分為

型鈦合金、

型鈦合金和

+

型鈦合金三類，它們的牌號分別用TA、TB、TC加順序號表示。如TA5、TB2、TC4等。其中TA0~TA3為工業(yè)純鈦。鈦合金泵二.鈦合金的性能及分類2.1

鈦合金的特點強度高鈦合金的密度一般在4.5g/cm3左右，僅為鋼的60％，若按單位重量的強度（稱比強度）測定，鈦合金是鋁合金的1.3倍，鎂合金的1.6倍，不銹鋼的3.5倍，是所有金屬材料中的冠軍。熱強度高使用溫度比鋁合金高幾百度，可在450～500℃的溫度下長期工作?？刮g性好耐酸、耐堿、耐大氣腐蝕，對點蝕、應力腐蝕的抵抗力特別強。二.鈦合金的性能及分類低溫性能好間隙元素極低的鈦合金TA7,在-253℃下還能保持一定的塑性。化學活性大鈦合金高溫時化學活性很高，輕易與空氣中的氫、氧等氣體雜質發(fā)生化學反應，生成硬化層。導熱系數(shù)小、彈性模量小鈦的導熱系數(shù)約為鎳的1/4，鐵的1/5，鋁的1/14，而各種鈦合金的導熱系數(shù)比鈦的導熱系數(shù)約下降50％。鈦合金的彈性模量約為鋼的1/2。二.鈦合金的性能及分類2.2

鈦合金的分類鈦合金按組織基體可分為：α合金、(α+β)合金、β合金。中國分別以TA、TC、TB表示。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。

二.鈦合金的性能及分類1、

型鈦合金主加元素為鋁，還有錫、硼等。

不能熱處理強化，通常在退火狀態(tài)下使用,組織為單相

固溶體.

強度低于另兩類鈦合金，但高溫強度、低溫韌性及耐蝕性優(yōu)越.鈦合金氫泵誘導輪鈦合金氫泵殼體二.鈦合金的性能及分類常用牌號有TA5、TA7等主要用于制造500℃以下工作的零件，如飛機壓氣機葉片、導彈的燃料罐、超音速飛機的蝸輪機匣及飛船上的高壓低溫容器等。TA5主要用于制造船艦零件。

鈦合金衛(wèi)星框架鈦合金液下泵-Ti合金組織二.鈦合金的性能及分類2、

型鈦合金加入的合金元素有鉬、鉻、釩、鋁等。經淬火加時效處理后，組織為

相基體上分布著細小的

相粒子。這類合金強度高，但冶煉工藝復雜，難于焊接，應用受到限制。鈦合金管鈦合金管應用二.鈦合金的性能及分類

型鈦合金有TB2、TB3、TB4三個牌號。主要用于350℃以下工作的結構件和緊固件,如飛機壓氣機葉片、軸、彈簧、輪盤等。鈦合金棒β鈦合金眼鏡架鈦離心泵二.鈦合金的性能及分類3、

+

型鈦合金加入的合金元素有鋁、釩、鉬、鉻等。可進行熱處理強化，強度高，塑性好，具有良好的熱強性、耐蝕性和低溫韌性。鈦合金列管式換熱器二.鈦合金的性能及分類

+

型鈦合金共有九個牌號，其中以TC4應用最廣、用量最大，其經過淬火加時效處理后，組織為

+

+時效析出的針狀

。α+β鈦合金組織α+β鈦合金組織（電鏡）二.鈦合金的性能及分類

+

型鈦合金主要用于制造400℃以下工作的飛機壓氣機葉片、火箭發(fā)動機外殼、火箭和導彈的液氫燃料箱部件及艦船耐壓殼體等.

TC10是在TC4基礎上發(fā)展起來的，具有更高的強度和耐熱性。生物醫(yī)用材料飛機壓氣機葉片三.鈦合金的應用與發(fā)展目前盡管鈦及其合金應用的歷史不長，但由于它那超眾的性能，已經獲得了多個光榮稱號。首先榮獲的稱號就是“空間金屬”。它重量輕、強度大又耐高溫，特別適于制造飛機和各種航天器。目前世界上生產的鈦及鈦合金，大約有四分之三都用于航空航天工業(yè)。許多原來用鋁合金的部件，都改用了鈦合金。三.鈦合金的應用與發(fā)展航空航天電訊器材

醫(yī)療造船工業(yè)

機械工業(yè)硬質合金

3.1

鈦合金的應用三.鈦合金的應用與發(fā)展俄海軍塞拉II級鈦合金攻擊核潛艇

潛艇在深海中航行時，要承受巨大的壓力。下潛得愈深，承受的壓力愈大。核潛艇的外殼采用鈦合金制造，其下潛深度是一般潛艇的兩倍，可達4500m。如果沒有鈦合金，潛海是不可能達到這樣的深度的。鈦合金沒有磁性，用它建造的核潛艇不必擔心磁性水雷的攻擊。

三.鈦合金的應用與發(fā)展耐熱強度高，做鉆頭耐熱閥，常用于石油工業(yè)三.鈦合金的應用與發(fā)展鈦鎳形狀記憶合金

三.鈦合金的應用與發(fā)展硬質金屬外殼（質量輕、耐腐蝕、耐磨損）三.鈦合金的應用與發(fā)展①生物相容性等于75%黃金合金。②

使用壽命長，強度高。③安全、高貴、價格適中。三.鈦合金的應用與發(fā)展1、現(xiàn)代航空中鈦合金使用情況1950年美國首次在F-84戰(zhàn)斗轟炸機上用作后機身隔熱板、導風罩、機尾罩等非承力構件。60年代開始鈦合金的使用部位從后機身移向中機身、部分地代替結構鋼制造隔框、梁、襟翼滑軌等重要承力構件。70年代起，民用機開始大量使用鈦合金，如波音747客機用鈦量達3640公斤以上占機重28%。隨著加工工藝技術的發(fā)展，在火箭、人造衛(wèi)星和宇宙飛船上，也用了大量的鈦合金。飛機越先進，使用的鈦越多。美國F—14A戰(zhàn)斗機使用的鈦合金，約占機重的25%；F—15A戰(zhàn)斗機為25.8%；美國第四代戰(zhàn)斗機用鈦量為41%，其F119發(fā)動機用鈦量為39%，是目前用鈦量最高的飛機。三.鈦合金的應用與發(fā)展三.鈦合金的應用與發(fā)展三.鈦合金的應用與發(fā)展F22“猛禽”，鈦合金比例高達39%，后機身前后梁采用了熱等靜壓鈦合金鑄件結構。三.鈦合金的應用與發(fā)展中國采用鈦合金技術生產的殲八II戰(zhàn)機，讓俄羅斯兄弟紅了眼。鈦合金主要應用于機體部位，以抵抗兩臺噴氣發(fā)動機運行時所產生的高溫。三.鈦合金的應用與發(fā)展鈦合金主要用于飛機及發(fā)動機的制造材料，如鍛造鈦風扇、壓氣機盤和葉片、發(fā)動機罩、排氣裝置等零件以及飛機的大梁隔框等結構框架件。此外，波音787機翼還采用了鈦-石墨復合材料。三.鈦合金的應用與發(fā)展波音飛機主要機型的平均用鈦量（單位：噸/架）預測至2032年波音公司在中國將新增客機數(shù)量5580架。假設飛機平均用鈦量30噸/架，通過計算至2032年，中國將消耗16.7萬噸鈦，平均每年為8370噸。三.鈦合金的應用與發(fā)展寶鋼集團研制出了大型飛機起落架用鋼和鈦合金結構用鋼在飛機降落時，起落架要承受強大的沖擊力

三.鈦合金的應用與發(fā)展鈦合金零件在先進航空發(fā)動機上占有相當?shù)谋戎?并且呈現(xiàn)出結構集成度愈來愈高、結構愈來愈復雜的發(fā)展趨勢,在減輕發(fā)動機重量、改善和提高性能等方面發(fā)揮著日益重要的作用。航空發(fā)動機三.鈦合金的應用與發(fā)展2、鈦合金的發(fā)展鈦合金研究起源于航空，航空工業(yè)的發(fā)展促進了鈦合金的發(fā)展，航空用鈦合金也形成了自己的體系。航空用鈦合金的研究一直是鈦合金領域中最重要、最活躍的一個分支，但其發(fā)展也極其艱辛，如高溫鈦合金為克服“熱障”問題，就花費了人們十幾年的精力。80年代之前我國的航空用鈦合金研究是完全仿制，80年代后逐步走向仿制與創(chuàng)新相結合的研究之路，研究水平并不落后于國外。三.鈦合金的應用與發(fā)展3.航空用鈦合金的重點研究發(fā)展方向航空用鈦合金研究在材料研制部門受到高度重視，取得了可喜進展，滿足了航空應用研究部門、設計部門和應用部門的一定需求。材料研制部門