钛合金及其表面处理的现状与展望

钛合金及其表面处理的 现状与展望
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张高会张平则崔彩娥郭丽娜潘俊德徐重
（太原理工大学表面工程研究所．太原０３００２４）
摘要：钛合盆具有抗腐蚀能力强、比强度离、中温性能稳定等一系列优点，另一方面．它也有对粘 着磨损和微动磨损非常敏感，耐磨性差，易氧化，对聚合物、金属及陶瓷涂层附着力蔗等缺点，这些 缺点的存在限制了它的进一步应用，为克服钛合金这些缺点采取了一些相应的表面处理对策与手 段，如表面微孤氧化、表面合金化、离子注入表面改性等。研究表明在钛合金表面形成■ｃ、ＴｉＮ、 ＴｉＯ、（ＴｉＡｌ）Ｎ等纳米扳，复合，渗、镀、注入层今后仍然是钛合金表面处理的发展方向。 关键词：钛合金表面处理合金化
蚀性有明显提高。同时在高温高浓度的氧化物中，
该合金具有较好的耐缝隙腐蚀性能Ｌ２ｊ。 ２．２高温高强钛合金【３ｊ：在某些环境下要求 钛合金不但耍有优良的室温力学性能、加工性能，还 要在一定的温度条件下保持相当强度和塑性。美、 英等西方国家先后研制了Ｔｉ６２４２ＳＩＭｌ８２９等钛合 金，用于一些高温使用的零、部件生产，其工作温度 都不超过５５０℃，目前国内已有性能与之类似的钛 合金如Ｔｉ一１８（Ｔ惦Ａ１４Ｍ０４ｚｒ２Ｓ一１Ｗ一０．２Ｓｉ）。但 随着温度要求的不断提高，这些钛台金材料的性能 尤其是高温性能难以满足环境的苛刻要求，所以这 一方面的研究在一定时期内仍将是研究热点。 高强度钛合金，如１８８钛合金是新型亚稳８型 钛合金，其名义成分为Ｔｉ一１５ＭＯ一３～一２
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２钛合金的分类
钛合金的分类方法较多，按用途分可分为强度 钛合金、耐蚀钛合金、常温结构钛合金和高温钛台金 （即热强钛合金）、阻燃钛合金、颗粒增强钛基复合材 料、Ｔ卜Ａｌ系金属间化合物、高强高韧ａ＋ｐ型钛合 金、航空用钛合金、民用钛合金等，但目前大多按组 织来分类。钛的两个同索异构体：８８２．５℃以下的ｎ 钛（密排六方晶格）和８８２．５℃以上的ｐ钛（体心立 方晶格）以及根据台金元素对钛的同素异构体转变 温度的影响和所得组织的不同，钛台金可分为三类ｏ （１）ａ型钛合金：退火状态的组织为单相的ａ圃溶体 或。固溶体加微量的金属间化合物。ｎ型钛合金的 牌号用“ＴＡ＇Ｉ。（２）ａ十口型敏合金：这类钛合金含ｐ 稳定元素比较高，总量为２～６％，退火状态组织为ａ ＋Ｂ固溶体。该舍金的牌号用“１ｎＣ”表示。其中 ＴＣ４（Ｔｉ６～４ｖ）合金应用最广，其产量占世界各国钛 合金总产量的６０％。（３）Ｂ型钛合金：这类钛合金含
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２５，该合金具有散热差、弹性模量小、亲和力强等其
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他钛合金所共有的特点外，该合金经淬火加时效处
理后，强度很高，韧性高，可通过时效获得较宽的强 度范围，是一种理想的航空结构材料。 ２．３阻燃钛台金：由于钛台盒大量的使用在航 空航天领域，是航空发动机叶片、包皮及其它零件的 重要原材料．这些零部件在运行的过程中会产生非 常高的温度，有时甚至能达２０００度以上。蔚钛豹导 热性较差，为了保证安全，就要求钛合金必须具有足 够高的耐高温性，所以出现了阻燃钛合金，如稳定８ 型阻燃钛台金～１０ｙＣ（Ｔｉ一３５ｖ～１５Ｃｒ）；Ｔｉ４０（ｎ～ ２５ｖ一１５ｃｒ～ｏ．２Ｓｉ）Ｂ型阻燃钛合金￣４ｊ。 ２．４离塑性合金：为了加工制造结构复杂形状 各异的钛合金零部件要求钛合金具有高塑性，如钛 合金：钛８８．５％，铝４．５％，钒２％，钼２％，铁２％。 该合金有极细小的显微组织和低相转变温度，在低 于１０７３Ｋ的温度下仍具有超塑可锻性，而不明显提 高屈服应力。它可进行热处理，可在固溶处理和时 效的条件下获得大于１２００ＭＰａ的高强度，这一特性 可避免因快速冷却而可能造成工件的热变形。此 外，这种钛合金可在经１０７３Ｋ以下温度退火的情况 下进行冷轧和冲压。而且由于减少了铝含量，抗疲 劳寿命和耐腐蚀性都得到提高。
ＴｉＯ、ＴｉＮ、Ｔｉｃ渗镀层及Ｔ踟Ｎ多层纳米膜仍然是
重点。
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４．１电镀：在钛合金表面镀镍、镀硬铬、镀银 等。镀银目的是提高钛合金的导电性和钎焊性。钛 合金基体上有一层致密的氧化物薄膜，电镀不易进 行，所以电镀前必须对钛合金表面进行预处理。 ４．２交流微弧氯化：微弧氧化（ＭＡＯ）是一项 在金属表面生长氧化物陶瓷膜的新技术。它从阳极 氧化发展而来．但它施加了几百伏的高压，突破了阳 极氧化对电压的限制。该技术通过微弧放电区瞬间 高温高压烧结直接把基体金属变成氧化物陶瓷，并 获得较厚的氧化物膜。对钛合金表面微弧氧化膜， 获得膜的硬度高并与金属基体结合良好。改善了钛 合金表面的抗磨损、抗腐蚀、耐热冲击及绝缘等性 能，在许多领域具有应用前景【８ Ｊ。 ４．３表面氧化处理：一般钛和钛合金较之常用 的生物体用台金Ｃ。ｃｒ合金和３１６Ｌ不锈钢的耐磨 性都较差，而且所产生的磨损粉在生物体内都有可 能产生不良影响。因此，新开发的一些生物体用钛 合金在生物体内使用之前往往都要采取适当的表砸 处理，以提高其抗磨性。为此，日本丰桥技术科学大 学和大同特殊钢公司研究了一种新开发的生物体用
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环境要求。在这种趋势下，轻金属钛将成为未来汽 车的一个主要应用领域。随着经济的发展以及钛的 成本降低（如新的低成本原料、连铸、连轧及粉末冶 金等低成本工艺的实行等），会有更多的工程设计人 员将选择钛用做汽车零件。钛最终将在汽车生产工 业中占有重要的地位。 ３，４文体用品：近年来，钛合盒正＿以极高的速 度进入文体用品市场，并已形成一定的规模，其中以 高尔夫球杆最具代表性。钛制高尔夫球杆头具有接 触球面大、重量轻、易于控制、易击中目标等优点。 除高尔夫球市场外．自行车行业是钛合金另一个有 发展前途的应用领域，钛制自行车的优点是质轻、强 度高且抗腐蚀、抗疲劳性和防震性能好。目前比赛 用自行车几乎都用钛材。钛合金还可用于制造轮椅 的车架和其它部件、钓鱼用具、眼镜架、手表和照相 机。 ３．５电子行业：钛合金无磁性、无毒是传感器 的理想材料。 ３．６舰船应用：钛合金耐腐蚀性强的特点使其 在舰船上应用很广泛，如钛合金在鱼雷发射水缸、一 回路危急冷却器、声扫雷具、二回路泵、阀及管系、声 纳导流罩、螺旋桨等方面有应用。 ３．７钛台金染色新技术：日本大阪一家研究所 研究出一种钛合金染色新技术，它利用了在水中的 电火花放电加工工艺。按照加工条件，可在加工的 同时，获得各种染色表面。该工艺加工染色的原理 是：让露出的金属表面进行放电，利用产生的电解作 用生成的氧化物具有染色作用。由于氧化物的数量 最终决定染色色调，通过控制平均加工电压，不仅能 形成所有色相，且能在任意部位改变颜色。
Ｂ稳定元素总量大于１７％，退火或淬火状态得到单
相的ｐ固溶体组织。合金的牌号用“，ｍ”加顺序号
表示。据统计，纳入最近出版的《中国航空材料手 册》（第二版）的较成熟的钛台金牌号就有２９种。航 空系统叉进行了１１强高强钛合金以及重点型号机 体用钛合金的研制工作，从而进一步提高了我国航 空用钛合金的研究、生产和应用水平。按照使用领 域及目的的不同可以把钛合金分为： ２．１化工用耐蚀钛合金：作为耐腐蚀材料，钛 合金在化工工业中的使用是极其广泛的，特别是在 含氯的化学材料储存、运输中，钛泵的使用是一典型 的例子。在一般情况下，钛用作耐腐蚀目的时，大多 采用工业纯钛。一般钛合金的耐腐蚀性能大多稍低 于工业纯钛，有时降低很多，使用一般钛合金的目的 是为了部件的强度，硬度或加工性能的需要。当工 业纯钛不能满足还原性介质中耐腐蚀性能要求时， 可采用耐蚀钛合金。耐蚀合金有以下三类：（１）钛钯 耐蚀合金：加入了贵金属钯，提高了金属表面的腐蚀 电位，从而提高了钛在还原性介质中的耐蚀性能。 钛钯合金主要是Ｔｉ０．１５Ｐｄ和ＴｉＯ．２Ｐｄ两种。（２）钛 钼耐蚀合金：钛中加人足够量的镅后．可以提高在硫 酸、盐酸等还原性酸中的耐蚀性，钼含量愈高、耐蚀 性愈好。Ｔｉ３２Ｍ。（和Ｔｉ３０Ｍ。）是目前在还原性介质 中的耐蚀性最好的合金，可以在较高温度的中等浓 度硫酸和盐中使用。（３）钛钼耐蚀镍合金： Ｔｉｏ．３Ｍ。０．８Ｎｉ合金。在硝酸等氧化性介质中 Ｔｉｏ．３Ｍ。０．８Ｎｉ合金有与纯钛同等优良的耐蚀性 能，在还原性介质如硫酸、盐酸、甲酸和柠檬酸中耐
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４钛合金的表面处理
任何材料都有它的优缺点，为了进一步达到提 高钛合金耐蚀性、耐磨性、抗微动磨损性、高温抗氧 化性等目的，对钛合金进行表面处理是进一步扩大 钛合金使用范围的有效途径，可以这么说目前对金 属的表面处理方法几乎全部应用到了钛合金的表面 处理上，包括金属电镀、化学镀、热扩散、阳极氧化、 热喷涂、低压离子工艺、电子和激光的表面台金化、 非平衡磁控溅射镀膜、离子氮化、Ｐ、，Ｄ法制膜、离子 镀膜、纳米技术等等。总体来看在钛合金表面形成
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ＳｕＤｅｒ—ＴＩｘ系列钛台金：低成本民用钛
合金，不用高价的０元素，仅使用廉价的Ｆｅ，ｏ，Ｎ （一部分合金加Ａ１）。在高温下强度较低，在２００℃ 以下时很稳定，因此，该系列合金可在２００℃以下使 用．可用于紧固件、眼镜架、汽车部件、海洋结构件、 文体用品等。
３钛合金的应用
钛合金的优异性能决定了钛合金的使用范围非 常广泛，使用量也日益增加。具体讲有”１’： ３．１航空领域：被用于制造飞机上各种零件， 小至螺钉、螺母等紧固件，大至机身骨架、发动机叶 片、蒙皮、隔框等结构件，甚至能制造出６ｍ多长、重 达２ｔ的起落架。目前，先进飞机上的钛材重量达飞 机结构总重的３０％～４０％，钛材已成为现代飞机不 可缺少的结构材料。 ３．２生物医学：钛无毒、质轻、强度高且具有优 良的生物相容性，因此，是非常理想的医用金属材 料，可用作植入人体的植人物和手术器械等。 ３．３汽车用：新一代汽车设计更注重减轻质 量、降低燃料消耗、降低发动机噪音和振动，以满足
＊山西省自然科学基金、山西省留学生赍助项目（１０ｌｎ５５）
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１钛合金的一般特性
钛合金是目前使用的材料中比强度最高的材料 之一，它具有一系列优异特性，如优良的耐蚀性、低 温特性等等；另一方面它也有耐摩擦性差、导热导电 性差等特点。因此，西方发达国家美国、英国、俄罗 斯等都对钛及其合金进行了大量的研究，其钛合金 产品都得到了相当广泛的应用。 ａ型钛合金的主要合金元素是ｎ稳定元素铝， 其次是锡和锫，铝元素起固溶强化作用。ａ型钛合 金不能热处理强化，通常在退火状态下使用。室温 强度较低，而且塑性变形能力较差。 ０型钛合金中的主要合金元素是Ｂ稳定元素， 有铬、钼、钒等元素，此外还加入少量铝、锆、锡，起抑 制ｗ相形成作用，使合金具有良好的塑性。８型钛 合金的特点是在淬火状态具有良好塑性，可以冷成 型，淬火时效后具有很高的强度，可焊性好以及在高 的屈服强度下具有高的断裂韧性，但稳定性差。 ａ＋口型钛合金，强化主要是靠钒、锰、铬、铁、钼 等口稳定元素溶于８相中起固溶强化作用和提高口 稳定性；此外还加入ｎ稳定元素铝和中性元素锡，强 化ａ相。并通过淬火获得介稳定的０相，使合金具 有时效强化效果；ａ＋口型钛合金具有较高的机械性 能和高温变形能力，能进行各种热加工，通过淬火和 时效处理．可使合金的强度大幅度提高【１ Ｊ。