钛合金的发展与应用

福建农林大学材料工程学院课程设计(论文)课程名称金属材料学课程论文专业年级姓名学号教师成绩日期年月日1钛合金的发展与应用XXXXXX(福建农林大学，材料工程学院)摘要：简述了国内外钛合金的研究状况与动向。介绍了钛及钛合金的性能特点。具体介绍了高温钛合金、钛基复合材料、高强高韧钛合金、阻燃钛合金以及钛合金防氢脆、氧脆和磨损研究的发展。对钛合金在军事工业、生物医学及民用领域上的发展和应用做了简介，最后指出我国钛合金发展中存在的问题和优势以及应用前景。关键词：钛合金；性能；应用；医用金属材料；飞机引言钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，因其具有质轻、高强、耐蚀、耐热、无磁等一系列优良性能，以及形状记忆、超导、储氢、生物相容性四大独特功能，被广泛应用在航空航天、舰船、军工、冶金、化工、海水淡化、轻工、环境保护、医疗器械等领域，并创造了巨大的经济和社会效益，在国民经济发展和国防中占有重要的地位和作用。钛是金属材料王国中“全能的金属”、“海洋金属”、“太空的金属”，从工业价值、资源寿命和发展前景来看，钛被视为继铁、铝之后处于发展中的“第三金属”和“战略金属”。根据在钛中加入β稳定元素的多少及退火后的组织，钛合金可分为α、近α、α+β、近β和β钛合金。美、日、俄罗斯以及中国等许多国家都高度重视钛合金的发展，各国根据不同国情和需求进行了各自的研发，现已得到了广泛的应用[1]。1钛及钛合金的性能特点钛的体积质量为4.5lg／cm3。比强度高，与高强度钢相比，相同强度水平可降低重量40％以上。钛的熔点为1678℃，比铁的熔点高，是轻金属中的高熔点金属，沸点3287℃。纯钛材容易加工，钛的塑性主要依赖于纯度。钛越纯，塑性越大。常温下钛为a相，呈密排六方结构，在882℃转变为体心立方结构的D相。纯钛的电阻率和导热率与奥氏体不锈钢大致相当。钛的比容与奥氏体不锈钢相当，但由于密度小，则热容小，容易加热，也容易冷却。纯钛具有良好的抗腐蚀性能，不受大气和海水的影响。在常温下，不会被稀盐酸、稀硫酸、硝酸或稀碱溶液所腐蚀；只有氨氟酸、热的浓盐酸，浓硫酸等才可对它作用。在大多数水溶液中，都能在表面生成钝化氧化膜。因此，钛在酸性、碱性、中性盐水溶液中和氧化性介质中具有很好的稳定性，比现有的不锈钢和其它有色金属的耐腐蚀性都好。可以用钛代替不锈钢、镍基合金和其它稀有金属，制作各种热交换器、反应器、高压容器和2蒸馏塔等设备[2]。2钛合金的研究进展与动向1954年美国成功研制出第一个实用钛合金Ti-6Al-4V，由于其具有优异的综合性能，成为钛合金中的王牌合金。随后，美国在高强钛合金、钛铝金属间化合物、钛基和钛铝基复合材料及其相关的高新技术研究和应用方面都遥遥领先[3]。除航空外领域，美国也将钛用在海洋开发、地热发电以及制作放射性废物处理的容器等方面，其发展的趋势是由军工到民品，由飞机发动机到机体，由航空航天到一般产业。重点放在基础研究、合金设计、熔炼技术、加工工艺方面。目前美国在航空航天等军工领域的用钛量最大，自上世纪80年代后，各种先进战机和轰炸机中，钛及其合金的用量已稳定在20%以上[4]。近年来，日本除了继续开拓钛在航空工业的应用外，仍以民用为主，而俄罗斯则以提高结构钛合金材料强度、改善加工性能、提高使用温度及改善熔炼技术为重点。我国钛产品80%以上用于石油、化工等民用工业，近期发展的主要目标是国内市场。目前，钛工业发展中呈现出许多技术上的创新，其中工艺性创新较成分创新多，体现在阻燃钛合金、钛基复合材料、纤维/钛层板等研发方面[4]。2.1高/低温钛合金、高强韧钛合金与钛基复合材料目前，已在飞机发动机中应用的高温钛合金主要有英国的IMI829和IMI834合金，美国的Ti-1100合金和俄罗斯的BT18Y和BT36合金。我国研制出了Ti55、Ti633G、Ti53311S、Ti-65Nd、Ti60、7715D及Ti600等7种高温钛合金，但并没有得到实际的应用[5]。近年来，快速凝固/粉末冶金技术及纤维/颗粒增强复合材料已成为国外高温钛合金的发展方向，据报导此类钛合金使用温度可高至650℃以上。在低温钛合金研制方面，添加共析反应元素、细化晶粒、添加氢元素是降低钛合金超塑成形温度的主要方法，从低温钛合金研究的最新进展来看，国内外都在着手新的低温钛合金和新的成形工艺研究。Ti-Al合金具有高的比强度、比刚度，以及高的抗高温蠕变性能和抗氧化性能，是超高音速飞行器和下一代先进航空发动机的首选材料，其生产主要分为铸造和铸锭冶金技术及粉末冶金技术[6]两大类。通常Ti-Al合金分为3种，即Ti3Al、Ti-Al和Ti-Al3，其性能比较见表1。航空用强韧性钛合金在国内受到高度重视，根据不同强度级别先后研制了超高强钛合金（TB8）、高强高韧钛合金（TC21）、高温高强钛合金（BT25Y）等，σb≥1250MPa的超高强钛合金开发和应用是研究的重点之一。至于钛基复合材料，目前主要分为颗粒增强型和长纤维增强型（SiC/Ti）两类，现在国外已制备出SiC/Ti增强的典型部件[6]。3表1几种钛合金的性能比较[6]比较项目钛基合金Ti3AlTi-Al3密度/g·cm-34.54.15～4.73.75杨氏模量/GN·m-2110～96145～110176蠕变极限温度/℃5388151038氧化极限温度/℃5936491038室温延伸率/%202～51～2工作温度延伸率/%高5～87～122.2阻燃钛合金阻燃钛合金是指在特定温度、压力和气流速度下能阻抗自燃烧的钛合金。依据阻燃的实现方式可分为结构设计的改进、阻燃钛合金的研制、表面合金化和阻燃涂层4个方面，根据不同的阻燃机理，阻燃钛合金又主要分为Ti-V-Cr和Ti-Cu两种体系[7]。目前，各国都展开了对阻燃钛合金的研究并取得一定突破。其中，较成熟的Ti-V-Cr系阻燃钛合金有美国研制AlloyC，其名义成分为Ti-35V-15Cr，目前已用于F119发动机。此外，还有中国的Ti40(Ti-25V-15Cr-0.25Si)和英国的Ti-25V-15Cr-2Al-0.2C。俄罗斯研制出的两个Ti-Cu-Al系合金阻燃钛合金为BTT-1和BTT-3，它们具有很好的热变形能力，可用来制造形状复杂的零件[6]。Ti-V-Cr系阻燃钛合金是国内外航空材料学者研究的重点，降低V含量和成本是今后发展的一个重要趋势[7]。3钛合金在各个领域的应用由上可见，开发新的合金成分，解决钛合金材料制备过程中存在的一些技术和工艺问题，拓展新的应用领域等都是正在研究的课题。随着科技的进步，钛及其合金生产成本降逐渐降低，除了传统的航空航天和海洋工程领域，钛合金在汽车、建筑等民用领域的应用也越来越广泛。3.1钛合金在军事工业领域上的应用钛及其合金最早用于军工，至今在宇航、核能、军舰、战车和兵器等领域获得了大量的应用，已成为无可替代的战略金属。钛合金的应用水平反映了一个国家武器装备的现代化程度，也是其军事水平和军事实力的重要指标。航空工业部门是最早应用钛及钛合金材料的。1952年，在道格拉斯的DC–7飞机的短舱及隔热墙上就使用了钛金属。50年代初期，一些军用飞机后机身的隔热板、机尾罩、减速板等受力不大的结构件也开始使用工业纯钛制造。进入60年代，飞机上的襟翼滑轧、承力隔框、中翼盒形梁、起落架梁等主要承力结4构件也陆续采用了钛合金材料制造。近年来，航空工业对高强度、低密度材料的需求日益迫切，使得钛合金材料的应用从战斗机拓展到大型军用轰炸机和运输机。钛合金材料的应用水平已成为衡量飞机先进性的重要标志之一。在美国战斗机的更新换代中，钛合金和复合材料的使用比例不断上升，第四代战斗机F–22所使用材料中41%为钛合金，其中发动机的叶轮、盘、叶片、机匣、燃烧室筒体和尾喷管等均为钛合金材料制造[8]。3.2钛合金在生物医学上的应用纯钛及其合金以其与骨相近似的弹性模量、良好的牛物相容性及在生物环境下优良的抗腐蚀性等在临床上得到了越来越广泛的应用。钛元素对人体无毒，并且质量轻强度高，具有非常好的生物相容性，是理想的医用金属材料，最早用作生物材料的钛合金Ti6A14V已实用多年。近年来开发的新型生体用钛合金有瑞士的Ti6Al7Nb合金、美国的Ti13Nb13Zr、日本的Ti15Zr4Nb4Ta2Pd和Ti29Nb13Ta46Zr等，特别是Ti62Nb1Ta合金已实用化，而Ti29Nb13Ta46Zr合金的弹性模量为47GPa，最接近于人骨的弹性模量。我国在上世纪90年代先后仿制了Ti6Al7Nb和Ti5Al2.5Fe这两种合金，对其生物学性能、植入试验和临床等进行了深入的研究，目前这两种合金，特别是Ti6Al7Nb合金已被我国医学界所承认[9]。由于钛合金具有优良的综合性能，已成功用于人体关节、骨创伤用品、脊柱矫形内固定系统、假牙等医用内植入产品。欧美发达国家都非常重视医用钛合金的研发，在高附加值利益的驱动下推出了许多新的医用钛合金材料，尤其是具有生物活性的钛合金仿生材料，替换了对人体有毒的V元素。考虑到人体的弱碱性环境，医用钛材的表面处理也做了诸多考量，使其具有更好的生物活性以适应人体的生理需要。3.3钛合金在民用领域的应用汽车轻量化是钛材最具开发潜力的市场之一。在发动机中使用钛合金可减轻发动机的重量，从而降噪、减摩、省油，提高发动机效率。目前，Ti-6Al-4V和Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si这两种合金已大量用于制造赛车发动机的气阀。汽车发动机的许多其它零部件如连杆、曲轴、弹簧、紧固件等都改用钛合金制造[10]。可以预见，一旦钛合金在汽车工业中得到广泛应用，那么钛材的用量将远远超过目前航空航天领域的用量。30年前，赛车上已开始使用钛了。同一般汽车相比，赛车非常注重性能，对质量轻、速度高的要求更强烈。近年来，钛在一般汽车上的应用渐露头角，且用量不断增加。汽车用钛的首要因素是减重和提高性能，而从外观及符合所需标准等方面考虑也需要用钛来制作零部件。据资料介绍，每降低10％的车重，废气排放量可减少10％，燃料消耗节省7％。因此，汽车的轻量化将起到节能、环保一石二鸟的功效，钛则是实现汽车减重的最理想金5属。汽车(包括摩托车)是钛的一个新兴发展市场。1956年，通用汽车公司(GM)和其供货商装配了一种展览用的理想小汽车，其车体是全钛的。自此，GM一直想在发动机中使用钛，包括排气气门和连杆[11]。4钛合金在我国的应用前景我国钛矿储量居世界第一位，仅攀枝花钛矿储量就为8.7亿吨，分别占全国的75%和全世界的35%，具有强大的钛资源优势。在当前我国经济迅速发展的背景下，钛及钛合金开始由航天航空和国防军工领域逐渐进入到民用领域。2005年西安国际钛会报道，中国已经具有完整的钛工业体系和生产能力，成为继美、俄、日之后的第四大钛工业国。另据报道，2011年我国研发的“等离子高温分离钛−铝矿”技术获得成功，使中国成为继美国和俄罗斯之后能直接生产金属钛粉末的。世界第三大钛工业国。学者指出，我国钛工业任重道远，与发达国家相比还存在很多问题：铸造钛合金种类太少，熔铸设备落后、铸件质量不高，钛铸件在各行业中的使用比例不高，管理水平和生产效率低，钛合金的循环再利用非常少、铸件成本很高。但由于有大飞机计划项目、海洋工程及体育休闲等诸多因素的拉动[12]，业内对中国钛工业的中、长期发展前景任十分看好。结论钛及钛合金对提高耐蚀产品质量、延长设备使用寿命，减少消耗、降低能耗、降低成本、防止污染、改善劳动条件和提高生产率等方面都有十分重要的意义。从国内外的研究动态与发展需求来看，我国钛合金开发将朝着降低成本、提升合金化理论水平、理顺钛合金成分－工艺－性能之间的关系和扩大应用领域等多方面努力[13]。随着我国经济的发展和国力的增强，钛在宇航工业和民用上的应用将有所增加。6参考文献[1]訾群.钛合金研究新进展及应用现状[J].钛工业进展，2008，25(2)：23～27.[2]张卫,解念锁.钛及钛合金的发展与应用研究[J].科技创新导报，2011(7)：70～71.[3]吴引江，罗建军，段