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钛合金的种类及用途

[ 信息发布:本站 | 发布时间:2023-02-15 | 浏览:515 ]

钛合金是以钛元素为基础加入其他合金元素组成的合金。钛合金可分为结构钛合金和耐热钛合金,或α型钛合金、β型钛合金和α+β型钛合金。

一、钛合金的发展历史

钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属,世界上许多国家都认识到钛合金材料的重要性,相继对其进行研究开发,并得到了实际应用。

第一个实用的钛合金是1954年美国研制成功的Ti-6Al-4V合金,由于它的耐热性、强度、塑性、韧性、成形性、可焊性、耐蚀性和生物相容性均较好,而成为钛合金工业中的王牌,该合金使用量已占全部钛合金的75%~85%。其他许多钛合金都可以看作是它的改型。

钛的工业化生产是1948年开始的。20世纪50~60年代,主要是发展航空发动机用的高温钛合金和机体用的结构钛合金,70年代开发出一批耐蚀钛合金,80年代以来,耐蚀钛合金和高强钛合金得到进一步发展。耐热钛合金的使用温度已从50年代的400℃提高到90年代的600~650℃,使钛在发动机的使用部位正由发动机的冷端(风扇和压气机)向发动机的热端(涡轮)方向推进。结构钛合金向高强、高塑、高强高韧、高模量和高损伤容限方向发展。

20世纪70年代以来,还出现了Ti-Ni、Ti-Ni-Fe、Ti-Ni-Nb等形状记忆合金,并在工程上获得日益广泛地应用。

中国于1956年开始钛和钛合金研究;60年代中期开始钛材的工业化生产并研制成TB2合金。

二、钛合金的主要分类

钛有两种同质异晶体:钛合金的钛是同素异构体,熔点为1668℃,在低于882℃时呈密排六方晶格结构,称为α钛;在882℃以上呈体心立方晶格结构,称为β钛。

利用钛的上述两种结构的不同特点,添加适当的合金元素,使其相变温度及相分含量逐渐改变而得到不同组织的钛合金。

室温下,钛合金有三种基体组织,钛合金也就分为以下三类:α合金,(α+β)合金和β合金。中国分别以TA、TC、TB表示。

它是α相固溶体组成的单相合金,不论是在一般温度下还是在较高的实际应用温度下,均是α相,组织稳定,耐磨性高于纯钛,抗氧化能力强。在500℃~600℃的温度下,仍保持其强度和抗蠕变性能,但不能进行热处理强化,室温强度不高。

它是β相固溶体组成的单相合金,未热处理即具有较高的强度,淬火、时效后得到进一步强化的钛合金,室温强度可达1372~1666MPa;但热稳定性较差,不宜在高温下使用。

α+β钛合金

它是双相合金,具有良好的综合性能,组织稳定性好,有良好的韧性、塑性和高温变形性能,能较好地进行热压力加工,能进行淬火、时效使合金强化。热处理后的强度约比退火状态提高50%~100%;高温强度高,可在400℃~500℃的温度下长期工作,其热稳定性次于α钛合金。

三种钛合金中最常用的是α钛合金和α+β钛合金;α钛合金的切削加工性最好,α+β钛合金次之,β钛合金最差。

钛合金按用途可分为耐热合金、高强合金、耐蚀合金(钛-钼,钛-钯合金等)、低温合金以及特殊功能合金(钛-铁贮氢材料和钛-镍记忆合金)等。

钛合金通过调整热处理工艺可以获得不同的相组成和组织。

一般认为细小等轴组织具有较好的塑性、热稳定性和疲劳强度;

针状组织具有较高的持久强度、蠕变强度和断裂韧性;

等轴和针状混合组织具有较好的综合性能。

三、钛合金的性能特点

钛合金具有密度低、比强度高、抗腐蚀性能好、耐热性高、工艺性能好等优点,是较为理想的航天工程结构材料。被广泛用于各个领域。

钛是一种新型金属,钛的性能与所含碳、氮、氢、氧等杂质含量有关,最纯的碘化钛杂质含量不超过0.1%,但其强度低、塑性高。99.5%工业纯钛的性能为:密度ρ=4.5g/立方厘米,熔点为1725℃,硬度HB195。

强度高

钛合金的密度一般在4.51g/立方厘米左右,仅为钢的60%,纯钛的强度才接近普通钢的强度,一些高强度钛合金超过了许多合金钢的强度。因此钛合金的比强度(强度/密度)远大于其他金属结构材料,可制出单位强度高、刚性好、质轻的零、部件。目前飞机的发动机构件、骨架、蒙皮、紧固件及起落架等都使用钛合金。

热强度高

使用温度比铝合金高几百度,在中等温度下仍能保持所要求的强度,可在450~500℃的温度下长期工作;钛合金在150℃~500℃范围内仍有很高的比强度,而铝合金在150℃时比强度明显下降。钛合金的工作温度可达500℃,铝合金则在200℃以下。

抗蚀性好

钛合金在潮湿的大气和海水介质中工作,其抗蚀性远优于不锈钢;对点蚀、酸蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强;对碱、氯化物、氯的有机物品、硝酸、硫酸等有优良的抗腐蚀能力。但钛对具有还原性氧及铬盐介质的抗蚀性差。

低温性能好

钛合金在低温和超低温下,仍能保持其力学性能。低温性能好,间隙元素极低的钛合金,在-253℃下还能保持一定的塑性。因此,钛合金也是一种重要的低温结构材料。

化学活性大

钛的化学活性大,与大气中O、N、H、CO、CO2、水蒸气、氨气等产生强烈的化学反应。含碳量大于0.2%时,会在钛合金中形成硬质TiC;温度较高时,与N作用也会形成TiN硬质表层;在600℃以上时,钛吸收氧形成硬度很高的硬化层;氢含量上升,也会形成脆化层。吸收气体而产生的硬脆表层深度可达0.1~0.15mm,硬化程度为20%~30%。钛的化学亲和性也大,易与摩擦表面产生粘附现象。

导热系数小、弹性模量小

钛的导热系数λ=15.24W/(m.K)约为镍的1/4,铁的1/5,铝的1/14,而各种钛合金的导热系数比钛的导热系数约下降50%。钛合金的弹性模量约为钢的1/2,故其刚性差、易变形,不宜制作细长杆和薄壁件,切削时加工表面的回弹量很大,约为不锈钢的2~3倍,造成刀具后刀面的剧烈摩擦、粘附、粘结磨损。

四、钛合金的开发进展

钛、钛合金及钛化合物的优良性能促使人类迫切需要它们。然而,生产成本之高,使应用受到限制。

钛合金零部件尽管具有如此优越的性能,但距钛及其合金普遍应用还有很大的距离,原因包括价格昂贵、成形性不好及焊接性能差等问题。无论是金属最初的冶炼还是后续的加工,钛合金的价格都远远高于其他金属。

随着近年来钛合金近净成形技术及电子束焊、等离子弧焊、激光焊等现代焊接技术的发展,钛合金的成形及焊接问题已不再是制约钛合金应用的关键因素,近年来,各国正在开发低成本和高性能的新型钛合金,努力使钛合金进入具有巨大市场潜力的民用工业领域。国内外钛合金材料的研究新进展主要体现在以下几方面。

高温钛合金

近几年国外把采用快速凝固/粉末冶金技术、纤维或颗粒增强复合材料研制钛合金作为高温钛合金的发展方向,使钛合金的使用温度可提高到650℃以上。美国麦道公司采用快速凝固/粉末冶金技术成功地研制出一种高纯度、高致密性钛合金,在760℃下其强度相当于目前室温下使用的钛合金强度。

钛铝化合物为基的钛合金

与一般钛合金相比,钛铝化合物为基钠Ti3Al(α2)和TiAl(γ)金属间化合物的最大优点是高温性能好(最高使用温度分别为816和982℃)、抗氧化能力强、抗蠕变性能好和重量轻(密度仅为镍基高温合金的1/2),这些优点使其成为未来航空发动机及飞机结构件最具竞争力的材料。

高强高韧β型钛合金

β型钛合金最早是20世纪50年代中期由美国Crucible公司研制出的B120VCA合金(Ti-13v-11Cr-3Al)。β型钛合金具有良好的冷热加工性能,易锻造,可轧制、焊接,可通过固溶-时效处理获得较高的机械性能、良好的环境抗力及强度与断裂韧性的很好配合。新型高强高韧β型钛合金最具代表性的有以下几种:

Ti1023(Ti-10v-2Fe-#al),该合金与飞机结构件中常用的30CrMnSiA高强度结构钢性能相当,具有优异的锻造性能;

Ti153(Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn),该合金冷加工性能比工业纯钛还好,时效后的室温抗拉强度可达1000MPa以上;

β21S(Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si),该合金是由美国钛金属公司Timet分部研制的一种新型抗氧化、超高强钛合金,具有良好的抗氧化性能,冷热加工性能优良,可制成厚度为0.064mm的箔材;

阻燃钛合金

常规钛合金在特定的条件下有燃烧的倾向,这在很大程度上限制了其应用。针对这种情况,各国都展开了对阻燃钛合金的研究并取得一定突破。美国研制出的Alloy c,是一种对持续燃烧不敏感的阻燃钛合金,已用于F119发动机。BTT-1和BTT-3为俄罗斯研制的阻燃钛合金,均为Ti-Cu-Al系合金,具有相当好的热变形工艺性能,可用其制成复杂的零件。

医用钛合金

钛无毒、质轻、强度高且具有优良的生物相容性,是非常理想的医用金属材料,可用作植入人体的植入物等。目前,在医学领域中广泛使用的仍是Ti-6Al-4v ELI合金。但后者会析出极微量的钒和铝离子,降低了其细胞适应性且有可能对人体造成危害,这一问题早已引起医学界的广泛关注。美国早在20世纪80年代中期便开始研制无铝、无钒、具有生物相容性的钛合金,将其用于矫形术。日本、英国等也在该方面做了大量的研究工作,并取得一些新的进展。估计在不久的将来,具有高强度、低弹性模量以及优异成形性和抗腐蚀性能的庐钛合金很有可能取代目前医学领域中广泛使用的Ti-6Al-4V ELI合金。

五、钛合金的主要用途

钛合金是航空航天工业中使用的一种新的重要结构材料,比重、强度和使用温度介于铝和钢之间,但比强度高并具有优异的抗海水腐蚀性能和超低温性能。钛合金主要用于制作飞机发动机压气机部件,其次为火箭、导弹和高速飞机的结构件。60年代中期,钛及其合金已在一般工业中应用,用于制作电解工业的电极,发电站的冷凝器,石油精炼和海水淡化的加热器以及环境污染控制装置等。钛及其合金已成为一种耐蚀结构材料。此外还用于生产贮氢材料和形状记忆合金等。

钛合金具有质量轻、比强度高、耐腐蚀性好等优点,故被广泛应用在航空工业中,应用钛合金最多的是发动机系统。

利用钛合金制造发动机零件有很多好处。钛合金的密度低,可以降低运动零件的惯性质量,从而使摩擦力减小,提高发动机的燃油效率。同时钛气门弹簧可以增加自由振动,减弱振颤。

选择钛合金可以减轻相关零件的负载应力,缩小零件的尺寸,从而使发动机及整机的质量减轻。零部件惯性质量的降低,使得振动和噪声减弱,改善发动机的性能,提高发动机的转速及输出功率。 钛合金在其他部件上的应用可提高人员的舒适度和美观等。钛合金在节能降耗方面起到了不可估量的作用。

钛合金具有强度高而密度又小,机械性能好,韧性和抗蚀性能很好。另外,钛合金的工艺性能差,切削加工困难,在热加工中,非常容易吸收氢氧氮碳等杂质。还有抗磨性差,生产工艺复杂。航空工业发展的需要,使钛工业以平均每年约8%的增长速度发展。目前世界钛合金加工材年产量已达4万余吨,钛合金牌号近30种。

利用钛合金强度大、超级耐腐蚀的特点制成的高强度弹簧,已经广泛运用于床垫等民用领域。通过在床垫弹簧中使用钛合金技术的品牌,其中新型的钛合金弹簧,能顺应身体曲线,达到由软至硬、由浅入深的独特承托效果,轻松享受深度睡眠。并且,经两次高温定型处理,弹簧的弹性和回复力得到有效提升,耐用度增强。

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