钛合金与铝合金的区别

钛合金

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概念定义：以钛为基加入其他合金元素组成的合金称作钛合金。钛合金具有密度低、比强度高、抗腐蚀性能好、工艺性能好等优点,是较为理想的航天工程结构材料。

研究范围：钛合金可分为结构钛合金和耐热钛合金,或α型钛合金、β型钛合金和α＋β型钛合金。研究范围还包括钛合金的成形技术、粉末冶金技术、快速凝固技术、钛合金的军用和民用等。

(一) 发展过程

50年代初～70年代初

需求动力：为满足航空工业对材料的需求,钛合金受到重视并得以发展,技术基础主要是冶金学和工艺学。主要特点：该阶段的特点是从材料的探索研究逐步转向应用。主要材料有Ti-6Al-4V、Ti-5Al-2.5Sn等,主要用于航空发动机、航天用压力容器、发动机壳体等。

典型成果和产品：典型材料:Ti-6Al-4V, Ti-5Al-2.5Sn

70年代～90年代

需求动力：钛合金应用领域的扩大,使钛工业得到迅速发展,新工艺和新技术推动钛合金成形工艺的发展。主要特点：该阶段的特点:(1)钛在航空航天工业应用量不断增加,在其它行业如海洋工程、化工、电力、冶金、医疗等方面的应用也日趋增多,成为第三金属。(2)新型钛合金不断问世,如高强钛合金、耐热钛合金等。

(3)采用新工艺技术如超塑成形、快速凝固技术和等温锻造等。(4)为扩大应用而重视降低成本问题。

典型成果和产品：典型材料: Ti-1100, Ti-1023, IMI834, Timetal62S, SP-700等

(二) 现有水平及发展趋势

钛合金是航空航天工业应用较广的一种金属材料,按用途可分为结构钛合金和高温钛合金(使用温度>400℃)。

结构钛合金以Ti-6Al-4V为代表,该合金已广泛用于飞机、导弹上,并已由次承力结构件转为主结构件。为适应更高强度和韧性的要求(如强度提高至1275～1373MPa,比强度提高至29～33,弹性模量提高至196GPa),近年研制了许多新型钛合金,如美国的Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al;Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr(β-C),Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Cr-2Mo-0.23Si,Ti-4.5Al-1.5Cr;英国的Ti-4Al-4Mo-2Sn-0.5Si(IMI500)、日本的SPF00、CR800、SP700和前苏联的BT22等。其中Ti-15-333铸件和β-C可取代沉淀硬化不锈钢和镍基合金,Ti-6-22-22在美国先进战术战斗机（ATF）的样机F－22A中的用量占22%（重量）。日本的SP700(Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe),不仅强度高,而且在755℃达超塑性,延伸率可达2000%,成形性好,加工成本低,可取代Ti-6Al-4V,已用于航天构件。

高温钛合金近年来取得一定进展,在该领域中,美国和英国占据优势。但两国采用的开发方法和侧重点则截然不同。英国采用的是以α相固溶强化为提高蠕变强度的必要手段而无需β相共存的方法,侧重于研究近α型合金,即开发以提高蠕变强度为主的Ti-4Al-2Sn-4Mo-0.5Si(使用温度400℃)、Ti-11Sn-2.25Al-5Zr-1Mo-0.2Si(IMI679,使用温度450℃)、Ti-6Al-5Zr-0.5Mo-0.25Si(IMI685)合金和以改善疲劳强度为主的Ti-5.5Al-3.5Sn-3Zr-1Nb-0.3Mo-0.3Si(IMI829)和Ti-5.5Al-4.5Sn-4Zr-0.4Mo-0.8Nb-0.4Si(IMI834)。

美国则采用通过牺牲疲劳强度来提高蠕变强度的方法,侧重研究钼含量较高的合金,如Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo(6242,使用温度470℃)、6242S(使用温度500℃)合金。随后,又研究开发了Ti-6Al-2.7Sn-4Zr-0.4Mo-0.45Si合金(Ti-1100),其使用温度提高到600℃。

最近美国又研制了Timetal21S(Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.2Si)(又称β21S),使用温度704℃,可用于制造高温导管及压力管,被优选为美国国家空天飞机(NASP)机体用金属基复合材料的基体材料。目前,这些新型高温钛合金均尚未进入实用化阶段。

目前高强度钛合金超塑性成形技术发展很快,其发展趋势是气压成形等温锻造和真空成形法。

美国在钛合金的研制和应用方面,一直处于领先水平,据统计在美国的航空工业中,钛的消费比例为70%,美国在钛合金的成形方面,主要采用了超塑性条件下的等温锻造和板材成形。为降低成本,扩大应用,美国推出新牌号的合金,如Timetal62S(Ti-6Al-2Fe-0.1Si),以铁代钒在成本上优于Ti-6Al-V,而且性能与之相当。

前苏联钛工业已有35年以上的历史,它的发展过程平稳,没有大的起伏。生产了大量的与Ti-6Al-4V及Ti-5Al-2.5Sn类似的合金以及一系列高温高强合金,并研究了特种耐蚀钛合金,如4200、4210、4207等,在航天工业中,前苏联广泛采用超塑性条件下钛合金的气压成形工艺。

英国在耐热钛合金的研究和应用方面同美国各占优势,但其侧重研究近α型合金,即大力开发以提高蠕变强度为重点的合金,如Ti-4Al-2Sn-4Mo-0.5Si、Ti-11Sn-2.25Al-5Zr-1Mo-0.2Si(IMI879)、Ti-6Al-5Zr-0.5Mo-0.25Si(IMI685)等,其中IMI685在欧洲已获得广泛应用。

近年来,日本在钛合金的研究方面也取得了较大进展,如为降低成本开发了SP-700(Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe)合金,该合金的成形性能优于Ti-6Al-4V。日本采用低应变率的超塑性真空成形工艺。

(三) 主要研究机构

美国钛金属公司(American Titanium Metal Company)，主攻技术及工程：钛合金

苏联全苏轻合金研究所(ВИЛС)，主攻技术及工程：主攻技术: 钛合金

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铝合金是纯铝加入一些合金元素制成的，如铝—锰合金、铝—铜合金、铝—铜—镁系硬铝合金、铝—锌—镁—铜系超硬铝合金。铝合金比纯铝具有更好的物理力学性能：易加工、耐久性高、适用范围广、装饰效果好、花色丰富。铝合金分为防锈铝、硬铝、超硬铝等种类，各种类均有各自的使用范围，并有各自的代号，以供使用者选用。

铝合金仍然保持了质轻的特点，但机械性能明显提高。铝合金材料的应用有以下三个方面：一是作为受力构件；二是作为门、窗、管、盖、壳等材料；三是作为装饰和绝热材料。利用铝合金阳极氧化处理后可以进行着色的特点，制成各种装饰品。铝合金板材、型材表面可以进行防腐、轧花、涂装、印刷等二次加工，制成各种装饰板材、型材，作为装饰材料。