钛合金的种类

钛及钛合金的种类、用途、市场分析及预测一、钛和钛合金的种类及特点1.1钛的起源及特点钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金因具有比强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。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，并得到了广泛应用。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℃，导热系数λ=15.24W/(m.K)，抗拉强度σb=539MPa，伸长率δ=25%，断面收缩率ψ=25%，弹性模量E=1.078×105MPa，硬度HB195。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。1.2钛合金的种类及特点1.2.1钛合金的种类钛是同素异构体，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。钛合金是以钛为基础加入其他元素组成的合金，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（titaniumalloys）。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，另外钛铝金属间化合物（TixAl，此处x=1）作为一种特殊的钛合金也被广泛的应用。1.2.1.1α钛合金它是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。1.2.1.2β钛合金它是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、时效后合金得到进一步强化，室温强度可达1372～1666MPa；但热稳定性较差，不宜在高温下使用。1.2.1.3α+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。α钛合金代号为TA，β钛合金代号为TB，α+β钛合金代号为TC。1.2.2钛及钛合金的特点钛及钛合金因其具备密度小、比强度高、热强度高、抗蚀性好、低温性能好、化学活性大、导热系数小、弹性模量小、吸气性能优良等特点。1.2.2.1比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结构钢的强度。因此钛合金的比强度(强度/密度)远大于其他金属结构材料，见表7-1，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。1.2.2.2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℃的温度下长期工作这两类钛合金在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。1.2.2.3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。1.2.2.4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,如TA7,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。1.2.2.5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。1.2.2.6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。1.2.3钛合金的种类目前，世界上已研制出的钛合金有数百种，最著名的合金有20～30种，如Ti-6Al-4V、Ti-5Al-2.5Sn、Ti-2Al-2.5Zr、Ti-32Mo、Ti-Mo-Ni、Ti-Pd、SP-700、Ti-6242、Ti-1023、Ti-10-5-3、Ti-1023、BT9、BT20、IMI829、IMI834等。1.3钛材的主要类型及用途根据加工生产的需要，钛材主要具有以下几种类型：钛棒、钛板、钛丝、钛带、钛管、钛锭等。1.3.1钛棒的主要用途钛棒主要用于机械设备、电镀设备、医用、各种精密机件等行业。1.3.2钛板的主要用途钛板主要用于电子、化工、钟表、眼镜、首饰、体育用品、机械设备、电镀设备、环保设备、高尔夫球及精密加工等行业。1.3.3钛丝的主要用途钛丝主要用于军工、医用、体育用品、眼镜、耳环、头饰、电镀挂具、焊丝等行业。钛丝按产品用途可分为两类：结构件丝，主要用于结构件和紧固件的丝材：焊丝，主要用于电极材料和焊接材料的丝材。利用钛丝的耐腐蚀性能高，换热性能好，抗阻尼性能强、无磁性、无毒、弹性模量低、耐高、低温等特性，广泛用于各种机械、电器、空调，过滤器等场合1.3.4钛管的主要用途钛管主要用于环保设备、冷却管、钛发热管、电镀设备、戒指及各种精密电器用管等行业。1.3.5钛带的主要用途钛带主要用于在核电厂，食品加工厂，炼油厂换热器，船用零件和医疗假肢等。1.3.6钛锭的主要用途钛锭主要终于各种钛材、合金钛材及锻件、铸件的制作等。二、钛及钛合金的用途及应用领域2.1钛及钛合金的主要用途及国内钛及钛合金产业状况钛及钛合金因其具备密度小、比强度高、弹性模量低、导热系数小、抗拉强度与屈强度接近、无磁性无毒、耐热性能好、耐低温性能好、吸气性能和耐腐蚀性能优良等特点，已成为全球新兴的优质耐蚀轻型结构材料、新型功能材料和重要的生物工程材料，广泛应用于航空航天、兵器、化学、冶金、舰船工业、海洋开发和医疗卫生、记忆合金和超导储存材料，其它还用于如制盐、眼镜架、钟表等民用制品，被誉为继铁、铝之后的“第三金属”、“未来金属”和“全能金属”。钛材的应用量已经成为衡量一个国家综合国力强弱的重要指标。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。经过近60年的研究发展，目前我国钛材工业化程度相当成熟，国内拥有钛及钛合金生产企业二十余家，2011年度产能近10万吨，钛材加工企业200多家，钛设备生产企业300多家。2.2钛及钛合金的应用领域作为全球新兴的优质耐蚀轻型结构材料、新型功能材料和重要的生物工程材料，太及钛合金已广泛应用于航空航天、兵器、化学、冶金、舰船工业、海洋开发和医疗卫生、记忆合金和超导储存材料，其它还用于如制盐、眼镜架、钟表等民用制品。2.2.1钛及钛合金在航天工业及军工领域的应用钛及钛合金因其具备密度小、比强度高、弹性模量低、导热系数小、抗拉强度与屈强度接近、无磁性无毒、耐热性能好、耐低温性能好、吸气性能和耐腐蚀性能优良等特点，已成为目前国际航空工业及军工产业发展必不可少的材料，据统计因航天工业及军工产业的发展的需要，钛工业以平均每年约15%的增长速度发展。目前世界钛合金加工材年产量已达30万余吨,钛合金牌号近40种。使用最广泛的钛合金是Ti-6Al-4V(TC4),Ti-5Al-2.5Sn(TA7)和工业纯钛（TA1、TA2和TA3）。2.2.1.1钛及钛合金在航空航天产业中的应用钛及钛合金主要应用喷气发动机部件、机身部件、火箭、人造卫星、导弹等部件，我国将航空航天、大型飞机、登月作为“国家中长期科技专项规划”重大专项项目，钛工业的发展是其重要的组成部分。钛及其合金的比强度（强度与重量比）在金属结构材料中是很高的，它的强度与钢材相当,但其重量仅为钢材的57%。另外,钛及其合金的耐热性很强,在500℃的大气中仍能保持良好的强度和稳定性,短时间工作温度甚至还可更高些。而铝在150℃、不锈钢在310℃就失去原有的机械性能。当飞机、导弹、火箭高速飞行时，其发动机和表面温度相当高，铝合金已不能胜任，这时,采用钛合金是十分合适的。正是由于钛及其合金具有强度大、重量轻、耐热性强的综合优良性能，在飞机制造中用它来代替其它金属时，不仅可延长飞机使用寿命，而且可以减轻其重量，从而大大提高其飞行性能。所以，钛是航空工业和宇宙工业中最有前途的结构材料之一。在飞机制造工业上，要求制造所用的材料，既质轻，又强度大。一般是用比强度（材料的强度和比重的比值）来表示它，这个比值越大越好，而钛正符合这个要求。钛的比强度是目前使用材料中最大的，是不锈钢的3倍，是铝合金的1.3倍。所以，在飞机制造工业上，很重视钛这个材料。随着航空工业的发展，飞机的飞行速度越来越快。速度越快、飞机跟空气摩擦产生的飞机表面温度就越高，当速度达到2.2倍音速的时候，铝合金已经不能胜任，而用钢又太重，只有采用钛合金来制造，所以有人说，如果没有钛合金作为制造材料，就不能发展2.5倍音速以上的超音速飞机。火箭、人造卫星和宇宙飞船在宇宙航行中，飞行速度比飞机要快得多，并且工作环境变化更大，所以对材料的要求也更高、更严格。比如，用火箭把载人的宇宙飞船运到月球上去，要经历从高温到超低温的过程。在返回地面的时候，又从超低温进入高温，当飞船进入大气层的时候，飞船表面温度上升到540℃-650℃。制造宇宙飞船的材料，必须适应这样剧烈的温度变化，而钛合金能满足这些要求。从1957年开始，钛材料大量在宇宙航行上使用，主要用来作火箭的发动机壳体，人造卫星的外壳、紧固件、燃料储箱、压力容器等；还有飞船的船舱、骨架、内外蒙皮等。在宇宙航行上，使用了钛以后，可以大大减轻飞行器的重量。从经济效果来看，由于结构重量的减轻，能够大量节省燃料，同时可以大大降低火箭和导弹的建造和发射费用。2.2.1.2钛及钛合金在国防军工领域的应用在美国F-22先进战斗机上大约有54个精铸件，大多是关键性强度高的铸件。最著名的是所谓前、后“体侧”(Side-of-body)、铸件，即机翼与机身的接头件，这是飞机上最大的铸件，经切削加工且分别重87和58公斤。每一机翼上有14个较小的铸件，多是用其它方式不能有效生产的零件。如无油舱隔，又如方向舵驱动器的壳体。F-22的阻拦钩的整流罩原来是由6-4-Ti薄板超塑成形，新近改成Ti-62-42合金，使成本下降50%以上，改进了强度性能，降低了重量，提高了对发动机喷管偶而出现的燃气冲刷的热稳定性。F-22上的锻压器中大约2/3为Ti-6-4ELI，最大的锻件是中、后机身隔框，其中4个中机身隔框是目前最大锻件的代表，5个后机身框架锻件是分段组成的，由上中央的H形框与两个T形框组成。机身的很大一部分为焊接件，前后梁结构是由腹板加强的Ti-6-4型板与框架经电子束焊接而成，包含3556厘米长的周向及纵向焊缝，是航空航天工业的最复杂的结构焊接之一。发动机舱门由钎焊的蜂窝芯子与壁型板组成，面板为6-4-Ti，芯子为Ti-3-2.5，两者之间的连接采用“液体界面扩散”(LID)钎焊技术，利用Ni-Ti共晶温度低的特点来减少型板的热暴露。Ti-3