發(fā)布日期：2023-2-11 9:03:39
鈦合金是以鈦元素為基礎(chǔ)加入其他合金元素組成的合金。鈦合金可分為結(jié)構(gòu)鈦合金和耐熱鈦合金,或α型鈦合金、β型鈦合金和α＋β型鈦合金。
一、鈦合金的發(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，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(yīng)用。
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，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它的改型。
鈦的工業(yè)化生產(chǎn)是1948年開始的。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℃，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。
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。
中國于1956年開始鈦和鈦合金研究；60年代中期開始鈦材的工業(yè)化生產(chǎn)并研制成TB2合金。
二、鈦合金的主要分類
鈦有兩種同質(zhì)異晶體：鈦合金的鈦是同素異構(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)暮辖鹪兀蛊湎嘧儨囟燃跋喾趾恐饾u改變而得到不同組織的鈦合金。
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、時效后得到進一步強化的鈦合金，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。
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。
鈦合金通過調(diào)整熱處理工藝可以獲得不同的相組成和組織。
一般認為細小等軸組織具有較好的塑性、熱穩(wěn)定性和疲勞強度；
針狀組織具有較高的持久強度、蠕變強度和斷裂韌性；
等軸和針狀混合組織具有較好的綜合性能。
三、鈦合金的性能特點
鈦合金具有密度低、比強度高、抗腐蝕性能好、耐熱性高、工藝性能好等優(yōu)點,是較為理想的航天工程結(jié)構(gòu)材料。被廣泛用于各個領(lǐng)域。
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℃，硬度HB195。
強度高
鈦合金的密度一般在4.51g/立方厘米左右，僅為鋼的60%，純鈦的強度才接近普通鋼的強度，一些高強度鈦合金超過了許多合金鋼的強度。因此鈦合金的比強度(強度/密度)遠大于其他金屬結(jié)構(gòu)材料，可制出單位強度高、剛性好、質(zhì)輕的零、部件。目前飛機的發(fā)動機構(gòu)件、骨架、蒙皮、緊固件及起落架等都使用鈦合金。
熱強度高
使用溫度比鋁合金高幾百度，在中等溫度下仍能保持所要求的強度,可在450～500℃的溫度下長期工作；鈦合金在150℃～500℃范圍內(nèi)仍有很高的比強度，而鋁合金在150℃時比強度明顯下降。鈦合金的工作溫度可達500℃，鋁合金則在200℃以下。
抗蝕性好
鈦合金在潮濕的大氣和海水介質(zhì)中工作，其抗蝕性遠優(yōu)于不銹鋼；對點蝕、酸蝕、應(yīng)力腐蝕的抵抗力特別強；對堿、氯化物、氯的有機物品、硝酸、硫酸等有優(yōu)良的抗腐蝕能力。但鈦對具有還原性氧及鉻鹽介質(zhì)的抗蝕性差。
低溫性能好
鈦合金在低溫和超低溫下，仍能保持其力學(xué)性能。低溫性能好,間隙元素極低的鈦合金,在-253℃下還能保持一定的塑性。因此，鈦合金也是一種重要的低溫結(jié)構(gòu)材料。
化學(xué)活性大
鈦的化學(xué)活性大，與大氣中O、N、H、CO、CO2、水蒸氣、氨氣等產(chǎn)生強烈的化學(xué)反應(yīng)。含碳量大于0.2%時，會在鈦合金中形成硬質(zhì)TiC；溫度較高時，與N作用也會形成TiN硬質(zhì)表層；在600℃以上時，鈦吸收氧形成硬度很高的硬化層；氫含量上升，也會形成脆化層。吸收氣體而產(chǎn)生的硬脆表層深度可達0.1～0.15mm，硬化程度為20%～30%。鈦的化學(xué)親和性也大，易與摩擦表面產(chǎn)生粘附現(xiàn)象。
導(dǎo)熱系數(shù)小、彈性模量小
鈦的導(dǎo)熱系數(shù)λ=15.24W/（m.K）約為鎳的1/4，鐵的1/5，鋁的1/14，而各種鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)比鈦的導(dǎo)熱系數(shù)約下降50%。鈦合金的彈性模量約為鋼的1/2，故其剛性差、易變形，不宜制作細長桿和薄壁件，切削時加工表面的回彈量很大，約為不銹鋼的2～3倍，造成刀具后刀面的劇烈摩擦、粘附、粘結(jié)磨損。
四、鈦合金的開發(fā)進展
鈦、鈦合金及鈦化合物的優(yōu)良性能促使人類迫切需要它們。然而，生產(chǎn)成本之高，使應(yīng)用受到限制。
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。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。
隨著近年來鈦合金近凈成形技術(shù)及電子束焊、等離子弧焊、激光焊等現(xiàn)代焊接技術(shù)的發(fā)展，鈦合金的成形及焊接問題已不再是制約鈦合金應(yīng)用的關(guān)鍵因素，近年來，各國正在開發(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。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
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。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)于目前室溫下使用的鈦合金強度。
鈦鋁化合物為基的鈦合金
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。
高強高韌β型鈦合金
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：
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；
阻燃鈦合金
常規(guī)鈦合金在特定的條件下有燃燒的傾向，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Alloy c，是一種對持續(xù)燃燒不敏感的阻燃鈦合金，已用于F119發(fā)動機。BTT-1和BTT-3為俄羅斯研制的阻燃鈦合金，均為Ti-Cu-Al系合金，具有相當(dāng)好的熱變形工藝性能，可用其制成復(fù)雜的零件。
醫(yī)用鈦合金
鈦無毒、質(zhì)輕、強度高且具有優(yōu)良的生物相容性，是非常理想的醫(yī)用金屬材料，可用作植入人體的植入物等。目前，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中廣泛使用的仍是Ti-6Al-4v ELI合金。但后者會析出極微量的釩和鋁離子，降低了其細胞適應(yīng)性且有可能對人體造成危害，這一問題早已引起醫(yī)學(xué)界的廣泛關(guān)注。美國早在20世紀(jì)80年代中期便開始研制無鋁、無釩、具有生物相容性的鈦合金，將其用于矯形術(shù)。日本、英國等也在該方面做了大量的研究工作，并取得一些新的進展。估計在不久的將來，具有高強度、低彈性模量以及優(yōu)異成形性和抗腐蝕性能的廬鈦合金很有可能取代目前醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中廣泛使用的Ti-6Al-4V ELI合金。
五、鈦合金的主要用途
鈦合金是航空航天工業(yè)中使用的一種新的重要結(jié)構(gòu)材料，比重、強度和使用溫度介于鋁和鋼之間，但比強度高并具有優(yōu)異的抗海水腐蝕性能和超低溫性能。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。
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)用在航空工業(yè)中，應(yīng)用鈦合金最多的是發(fā)動機系統(tǒng)。
利用鈦合金制造發(fā)動機零件有很多好處。鈦合金的密度低，可以降低運動零件的慣性質(zhì)量，從而使摩擦力減小，提高發(fā)動機的燃油效率。同時鈦氣門彈簧可以增加自由振動，減弱振顫。
選擇鈦合金可以減輕相關(guān)零件的負載應(yīng)力，縮小零件的尺寸，從而使發(fā)動機及整機的質(zhì)量減輕。零部件慣性質(zhì)量的降低，使得振動和噪聲減弱，改善發(fā)動機的性能，提高發(fā)動機的轉(zhuǎn)速及輸出功率。 鈦合金在其他部件上的應(yīng)用可提高人員的舒適度和美觀等。鈦合金在節(jié)能降耗方面起到了不可估量的作用。
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。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。
利用鈦合金強度大、超級耐腐蝕的特點制成的高強度彈簧，已經(jīng)廣泛運用于床墊等民用領(lǐng)域。通過在床墊彈簧中使用鈦合金技術(shù)的品牌，其中新型的鈦合金彈簧，能順應(yīng)身體曲線，達到由軟至硬、由淺入深的獨特承托效果，輕松享受深度睡眠。并且，經(jīng)兩次高溫定型處理，彈簧的彈性和回復(fù)力得到有效提升，耐用度增強。
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