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      鈦合金的種類及用途

      [ 信息發布:本站 | 發布時間:2023-02-15 | 瀏覽:444 ]

      鈦合金是以鈦元素為基礎加入其他合金元素組成的合金。鈦合金可分為結構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、鈦合金的發展歷史

      鈦是20世紀50年代發展起來的一種重要的結構金屬,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,并得到了實際應用。

      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。

      鈦的工業化生產是1948年開始的。20世紀50~60年代,主要是發展航空發動機用的高溫鈦合金和機體用的結構鈦合金,70年代開發出一批耐蝕鈦合金,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℃,使鈦在發動機的使用部位正由發動機的冷端(風扇和壓氣機)向發動機的熱端(渦輪)方向推進。結構鈦合金向高強、高塑、高強高韌、高模量和高損傷容限方向發展。

      20世紀70年代以來,還出現了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地應用。

      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化生產并研制成TB2合金。

      二、鈦合金的主要分類

      鈦有兩種同質異晶體:鈦合金的鈦是同素異構體,熔點為1668℃,在低于882℃時呈密排六方晶格結構,稱為α鈦;在882℃以上呈體心立方晶格結構,稱為β鈦。

      利用鈦的上述兩種結構的不同特點,添加適當的合金元素,使其相變溫度及相分含量逐漸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。

      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用溫度下,均是α相,組織穩定,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。

      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提高50%~100%;高溫強度高,可在400℃~500℃的溫度下長期工作,其熱穩定性次于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、工藝性能好等優點,是較為理想的航天工程結構材料。被廣泛用于各個領域。

      鈦是一種新型金屬,鈦的性能與所含碳、氮、氫、氧等雜質含量有關,最純的碘化鈦雜質含量不超過0.1%,但其強度低、塑性高。99.5%工業純鈦的性能為: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)遠大于其他金屬結構材料,可制出單位強度高、剛性好、質輕的零、部件。目前飛機的發動機構件、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中工作,其抗蝕性遠優于不銹鋼;對點蝕、酸蝕、應力腐蝕的抵抗力特別強;對堿、氯化物、氯的有機物品、硝酸、硫酸等有優良的抗腐蝕能力。但鈦對具有還原性氧及鉻鹽介質的抗蝕性差。

      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構材料。

      化學活性大

      鈦的化學活性大,與大氣中O、N、H、CO、CO2、水蒸氣、氨氣等產生強烈的化學反應。含碳量大于0.2%時,會在鈦合金中形成硬質TiC;溫度較高時,與N作用也會形成TiN硬質表層;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%。鈦的化學親和性也大,易與摩擦表面產生粘附現象。

      導熱系數小、彈性模量小

      鈦的導熱系數λ=15.24W/(m.K)約為鎳的1/4,鐵的1/5,鋁的1/14,而各種鈦合金的導熱系數比鈦的導熱系數約下降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、粘結磨損。

      四、鈦合金的開發進展

      鈦、鈦合金及鈦化合物的優良性能促使人類迫切需要它們。然而,生產成本之高,使應用受到限制。

      鈦合金零部件盡管具有如此優越的性能,但距鈦及其合金普遍應用還有很大的距離,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及電子束焊、等離子弧焊、激光焊等現代焊接技術的發展,鈦合金的成形及焊接問題已不再是制約鈦合金應用的關鍵因素,近年來,各國正在開發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領域。國內外鈦合金材料的研究新進展主要體現在以下幾方面。

      高溫鈦合金

      近幾年國外把采用快速凝固/粉末冶金技術、纖維或顆粒增強復合材料研制鈦合金作為高溫鈦合金的發展方向,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),這些優點使其成為未來航空發動機及飛機結構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),該合金與飛機結構件中常用的30CrMnSiA高強度結構鋼性能相當,具有優異的鍛造性能;

      Ti153(Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn),該合金冷加工性能比工業純鈦還好,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,冷熱加工性能優良,可制成厚度為0.064mm的箔材;

      阻燃鈦合金

      常規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,是一種對持續燃燒不敏感的阻燃鈦合金,已用于F119發動機。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,具有相當好的熱變形工藝性能,可用其制成復雜的零件。

      醫用鈦合金

      鈦無毒、質輕、強度高且具有優良的生物相容性,是非常理想的醫用金屬材料,可用作植入人體的植入物等。目前,在醫學領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,降低了其細胞適應性且有可能對人體造成危害,這一問題早已引起醫學界的廣泛關注。美國早在20世紀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。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、低彈性模量以及優異成形性和抗腐蝕性能的廬鈦合金很有可能取代目前醫學領域中廣泛使用的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中使用的一種新的重要結構材料,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動機壓氣機部件,其次為火箭、導彈和高速飛機的結構件。60年代中期,鈦及其合金已在一般工業中應用,用于制作電解工業的電極,發電站的冷凝器,石油精煉和海水淡化的加熱器以及環境污染控制裝置等。鈦及其合金已成為一種耐蝕結構材料。此外還用于生產貯氫材料和形狀記憶合金等。

      鈦合金具有質量輕、比強度高、耐腐蝕性好等優點,故被廣泛應用在航空工業中,應用鈦合金最多的是發動機系統。

      利用鈦合金制造發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量,從而使摩擦力減小,提高發動機的燃油效率。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零件的負載應力,縮小零件的尺寸,從而使發動機及整機的質量減輕。零部件慣性質量的降低,使得振動和噪聲減弱,改善發動機的性能,提高發動機的轉速及輸出功率。 鈦合金在其他部件上的應用可提高人員的舒適度和美觀等。鈦合金在節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。還有抗磨性差,生產工藝復雜。航空工業發展的需要,使鈦工業以平均每年約8%的增長速度發展。目前世界鈦合金加工材年產量已達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,已經廣泛運用于床墊等民用領域。通過在床墊彈簧中使用鈦合金技術的品牌,其中新型的鈦合金彈簧,能順應身體曲線,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,經兩次高溫定型處理,彈簧的彈性和回復力得到有效提升,耐用度增強。

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