TC4合金背景现状进展

主体
2.1历史背景
钛合金是20世纪50年代发展起来的一种重要金属材料，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应用于各个领域。

近年来
更是迅速发展成为具有强大生命力的新型关键
结构材料，在军工、民用等部门获得了关泛的应
用。

钛合金的应用决定于钛及钛合金的特点和对
产品的要求。

概括起来，钛及钛合金的特点有如
下(1)钛的密度小、比强度高。

钛的密度为4510kg/
m3，介于铝(2700kg/m})和铁(7600kg/m})之间。

钛合金的比强度高于铝合金和钢。

C2)钛合金的
工作温度围较宽，低温钛合金在一253 0C还能
保持良好的塑性，而耐热钛合金的工作温度可达
5500C左右，其耐热性且，钛的腐蚀性能的突出
特点是不发生局部腐蚀和晶间腐蚀，一般为均匀
腐蚀。

(4)钛的化学活性很高，极易受氢、氧、氮
的污染，难以冶炼和加工，使得生产成本较高。

(5)导热性差(只有铁的1/5，铝的1/3) ,摩擦系数大
(0.42),抗磨性也较差，故在切削加工时，容易使
工件及刀具温度升高，造成粘刀，降低刀具寿命，
故切削加工性差。

C6)弹性模量低，影响构件的
刚度，也使细长构件的使用受到限制，不过在某
些情况下，也可利用钛的a/E比值大的特点制作
弹性元件。

氢化钛粉制备钛及钛合金材料研究进展C
钛及钛合金具有耐腐蚀、比强度高等突出优点而被称作“太空金属”或“海洋金属”，近年来更是迅速发展成为具有强大生命力的新型关键结构材料，在军工、民用等部门获得了关泛的应用[1-4]。

[1]ARCELLA F G, FROES F H. Producing titanium aerospace components from powder using laser forming [J]. JOM, 2000,52(5): 28-30
[2]FROES F H, HEBEISEN J. Advances in powder metallurgy applications-A review: FROES F H. Proceedings of the Advanced Particulate Materials&Processes[C]. USA: Metal
Powder Industries Federation, 1997: 1-26
[3]喻岚，益民，邓中勇，等采用氢化钛粉制备Ti-6A1-4V合
金[J]冶金，2004, 32(5): 17-19.
YU Lan, LI Yi-min, DENG Zhong-gong, et al. Preparation of
P/M Ti-6A1-4V alloy using TiHZ powder [J]. Hunan Metallurgy,
2004, 32(5): 17-19
[4]KEINATH议MOHS R, BUNK W. Development in powder
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Proceedings of the Fourth International Conference on Titanium,
Kyoto 1980[C]. USA: Metallurgical Society of AIME, 1980:
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B现状目前已研究出的钛合金有100多种，然而只有20~30种达到商业应用水平。

20世纪50年代初期，
由美国的Illinois技术研究所开发的属于。

α﹢β型的Ti6A14 V合金是最典型、研究最为深入的钛合金，具有良好的综合力学性能，如表1所示其应用率占50%以上，主要用于航空工业。

锻造和铸造方法生产钛合金，工艺复杂、成材率低，阻碍了其更为
广泛的应用[]。

因此，需要寻找流程简单且成本较低的钛合金制备工艺，使其达到汽车、体育器械等民用行业所能接受的材料性能及成本水平。

●粉末冶金是一种生产复杂形状零件的近净成形技
术，具有工艺流程短、材料利用率高、组织细小均匀、成分可控以及近净成形等优点[7~9]，是制备高性能、低成木钛合金的理想工艺。

●传统粉末冶金方法是在加热加压条件下使钛合
金粉末成形，利用微塑性变形和原子扩散实现烧结致密化。

但钛在高温下流动应力高、原子扩散能力低，需要1400℃的烧结温度才能获得理论密度超过90%的钛材。

钛合金在此高温下会形成有害的过热组织β相，材料孔隙度较高，尺寸大且分布不均匀
[3]，致密度仅能达到95%左右[4,5]。

●采用以TiH粉为原料的粉末冶金工艺制造钛产
品是近年国际研究热点。

以成本较低的氢化钛粉为原料、采用一步法也可以制得钛合金，即脱氢在脱
脂(或烧结)过程中实现，与前一种方法相比该法工序减少并降低了合金生产过程中被污染的可能性，因此可以降低产品的生产成本并提高其最终性能。

●TiH:具有脆性，容易破碎获得细粉，满足工艺需求。

●因此，采用TiH为原料可以制得成本低且杂质少的
钛产品，直接降低了钛的制造成本[6]及使用门槛。

●【3】马福康.等静压技术巨M习.:冶金工业，1992 ●4韦伟峰，黄伯云，咏，等.混合元素法PM钛合金
的研究进
展巨J习.材料导报，2002,16(11);20
●5嘉琪，南海，黄东，等.氢合金化钛合金粉末成形
制件技术
的发展巨J习.特种铸造及有色合金，2007,27(8);593 ●6洪艳，曲涛，化森，等.氢化脱氢法制备钛粉工艺
研究巨J习.
稀有金属，2007,31(3);311
B现实状况、应用
1.1钛及钛合金的应用
钛合金主要用于制作飞机发动机压气机部件，其
次为火箭、导弹和高速
飞机的结构件。

60年代中期，钛及其合金己在一般工业中应用，用于制作电
解工业的电极，发电站的冷凝器，石油精炼和海水淡化的加热器以及环境污
染控制装置等。

钛及其合金己成为一种耐蚀结构材料。

此外还用于生产贮氢
材料和形状记忆合金等。

钛及钛合金密度小、比强度高、耐蚀性好，然而钛化学活性高，冶炼难度大、能耗高;钛极易受氢、氧、氮的污染，加工过程需要真空或气氛保护，导致其压力加工周期长、设备投入高;同时，钛合金的切削加工性较差，切削效率低，仅为铝合金加工效率的15%，且尺寸控制难、刀具寿命短。

目前航空航天工业是钛合金的主要消费领域，而开辟钛及钛合金的民用市场的关键在于降低其价格。

近几年，研究人员在降低钛矿冶炼成本、减少钛材加工环节、扩大钛材应用围等方而开展工作，以期降低钛及钛合金的价格。

但降低钛合金加工成本比改善钛合金的性能更具研究空间。

国钛粉末冶金技术还处于起步阶段，对于以氢化钛粉为原料制备钛合金的工艺研究不多，该工艺为我国钛粉末冶金技术发展指出了新的方向。

但该工艺仍需要开展系统研究，特别是大尺寸成型件的脱氢研究口前仍然是空白。

C发展方向
根据国外钛合金的研究和开发现状，TC4合金未来的发展趋势可能为: (1)研究TiH2性能对钛合金产品性能影响；(2)以TiH2粉末为原料的粉末注射成形工艺；
(3)高能球磨法制备钛合金；(4)以TiH2粉末为原料制备医用钛及钛合金；（5）进一步完善Ti6A14V合金的热加工和热处理工艺，并通过完善的有限元模拟程序研究其冶金模型，在降低成本的同时，实现工艺和控制优化，提高材料的力学性能；（6）通过表而修饰或添加增强相等方法提高Ti6A14V合金的性能。

D恰当的评价
原料选取合理：原料从传统的钛粉改为用氢化钛粉，因为高纯钛粉成本高，氢化钛粉价格更低，能促进TC4合金的推广应用。

选取脱脂体中氢饱和度而不是氢化钛粉中氢饱和度为指标，因为不饱和氢化钛粉的性能评估体系尚未建立，如何准确控制及评估其不饱和度，仍需进一步研究。

TC4合金研究价值：TC4合金综合性能良好，使用温度围宽(400～-196℃)，合金组织和性能稳定，合金化简单，工艺易掌握，适合大规模生产（棒料、锻件和中厚板材）。

当合金组织为细小等轴α+β组织，在800～925℃围，以一定变形速率进行拉伸，合金呈现超塑性。

据此可生产出精密的复杂锻件和钣金件，以减少工序，降低成本。

存在问题：纯钛粉的BE法是成熟工艺，氢化钛BE 工艺不成熟，但本课题是和其他同学配合，一起研究氢化钛BE工艺的不足，在此基础上探究氢化钛脱脂
体中氢饱和度对TC4合金烧结体性能的影响。