钛及钛合金的研究

钛及钛合金的研究

1.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[1~3]。

2.钛及钛合金的特点

钛及钛合金具有许多优良特性,主要体现在如下几个方面：

(1)比强度高。钛合金具有很高的强度,其抗拉强度为686~1 176 MPa,而密度仅为钢的60%左右,所以比强度很高。

(2)硬度较高。钛合金(退火态)的硬度HRC为32~38。

(3)弹性模量低。钛合金(退火态)的弹性模量为1.078@105~1.176@105MPa,约为钢和不锈钢的一半。

(4)高温和低温性能优良。在高温下,钛合金仍能保持良好的机械性能,其耐热性远高于铝合金,且工作温度范围较宽,目前新型耐热钛合金的工作温度可达550~600e;在低温下,钛合金的强度反而比在常温时增加,且具有良好的韧性,低温钛合金在-253e时还能保持良好的韧性。

(5)钛的抗腐蚀性强。钛在550e以下的空气中,表面会迅速形成薄而致密的氧化钛膜,故在大气、海水、硝酸和硫酸等氧化性介质及强碱中,其耐蚀性优于大多数不锈钢。

此外,钛还具有形状记忆、吸氢、超导、无磁、低阻尼等优良特性。纯钛及钛合金与其他材料有关性能的对比见表1。

3.钛及钛合金的研究进展

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[1]。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[2]。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[4，5]。近年来开发出的新型钛合金主要有4类：高强高韧β型钛合金、高温钛合金、钛铝基合金及其复合材料和阻燃钛合金。但应用最广泛的是多用途的α+β型Ti-6Al-4V合金和Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo高温钛合金。

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。中国的钛工业经过近 50 年的发展科技和生产都取得了长足进步, 各研究院所、高等院校与生产企业进行纵横向联合, 对不同在领域使用的钛合金进行了卓有成效的研究工作。我国研发的钛合金可分为: 高温钛合金、高强钛合金、低温钛合金、耐蚀钛合金、船用钛合金、生物医用钛合金等。大约有 60 多个牌号, 已投入工业化生产和应用的有 40 多个牌号。其中α型钛及钛合金有 22 个牌号, α+β型钛合金有 12 个牌号, β型和近β型钛合金有 9 个牌号。这些合金中大部分为仿制俄、美、英、日等, 少部分为自主研发。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[2]。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]。

4.钛合金的应用

4.1在航空航天中的应用

在航空航天领域,钛合金主要用于制造喷气发动机的压气机盘、涡轮盘、叶片以及机匣等,以及诸如大型主起落架支撑梁、机身后段及转向梁等结构件。据统计,钛在航空航天中的应用约占钛总产量的70%左右,主要用于军用飞机、民用飞机、航空发动机、航天器、人造卫星壳体连结座等[4]。进入20世纪80年代,美国用于飞机制造的用钛量每年达1.3~1.9万多吨,其中军用飞机的用钛量约占41%~70%。美国新型战斗机F-22用钛量约占机体总质量的40%以上,其中发动机的叶轮盘叶片和机匣燃烧室筒体和尾喷管等均采用了钛合金制造;在B-1轰炸机的机体结构材料中,钛合金约占21%,主要用于制造机身、机翼、蒙皮和承力构件;在F-15战斗机的机体结构材料中,钛合金用量达7 000kg,约占结构质量的34%。波音757客机的结构件中钛合金约占5%,用量达3 640 kg。麦克唐纳#道格拉斯公司所生产的DC10飞机,钛合金用量达5 500 kg,占其结构质量的10%以上。

当马赫数超过2.15时,飞机表面温度普遍高于200e,故铝蒙皮已不适用,

而钛合金是军用飞机蒙皮材料的最佳选择。近年来军用飞机上所用钛合金材料的比例正在不断增加[5,6],钛合金材料的应用水平也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(如表2所示)。以举世公认的第四代战斗机的典型代表F-22为例,其所使用材料中41%为钛合金。钛合金在民用飞机中的应用则可通过波音飞机的例子得到体现,在新型的波音777飞机上约采用了11%的钛结构件。

4.2 在舰船中的应用

钛合金在海洋条件下因有着极其优良的耐腐蚀性、比强度高、无磁等特点而被广泛应用于船舶制造。各国海军及造船工业对钛材在船舶上的应用研究十分重视,先后研制出许多牌号的船用系列钛合金及船舶钛制产品,并投入实际使用,取得较好效果。目前,从各类大、中、小型水面舰艇到水下核潜艇、常规潜艇和深潜器,从核潜艇的耐压壳体到艇内的通海管系与设备(如螺旋桨和桨轴、阀及附件、各种类型的管接头等),几乎都是用钛材制成的[7]。

4.3 在汽车制造中的应用

钛合金以其诱人的特性在汽车行业中有很大的应用潜能。钛合金具有适于汽车要求的高强度、低密度、低弹性模量、耐腐蚀、抗氧化等优异性能,可用于制备发动机气门、连杆、气门弹簧、弹簧座圈等,可减少汽车噪声,节能,减少有害气体排放[8]。近年各国都在开发低成本钛合金,自1983年以来,钛不但用于赛车上,而且也应用于普通型汽车上。美国每年生产出 1 500~1 600万辆客车和卡车,如果每辆汽车用0.45~0.9 kg钛合金,就可以开发出巨大的、稳定的钛市场[9]。1996年美国Acura NSX家庭轿车的V-6连杆是钛合金制造的,这是用钛合金批量生产汽车连杆的唯一例子。用粉末冶金方法生产的TiO6AlO4V/TiB被用于日本Altezza车的进气门上,而高温TiOAlOSnOZrONbOMoOSi/TiB复合材料被用于排气门上,最初的生产量是每月4000辆汽车,其中有一半用的是钛合金制气门[10]。

4.4 在生物医用材料中的应用

自20世纪60年代瑞典科学家Branemark将钛合金用做口腔种植体后,钛合金便结束了单一作为航天材料的历史,开始在生物医用材料领域得到广