钛合金文献综述

文献综述

摘要：钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金因具有强度高、

耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。世界上许多国家都认识到钛合金材料的重要性，相继对其进行研究开发，并得到了实际应用。自1954年美国研制成功Ti-6Al-4V 合金以来，钛合金以它的耐热性、强度、塑性、韧性、成形性、可焊性、耐蚀性和生物相容性均较好等一系列优越性特点，而成为钛工业中的王牌合金。特别在航空高科技领域得到了大量应用，现今于医学，汽车等上也应用广泛。钛合金阳极氧化膜的存在，，进一步弥补了钛合金在某些方面的缺陷，使其性能更加优异突出。本篇综述着重对钛合金，钛合金阳极氧化膜的原理规律和制备技术做了主要介绍。

关键字：钛，钛合金，航空工业，阳极氧化，钛合金阳极氧化膜

前言

钛是20世纪50年代发展起来的一种重要金属，密度小，比强度高和耐腐蚀性好。因此钛及钛合金一直是航空航天工业的“脊柱”之一。近年来，钛在石油、化工、冶金、生物医学和体育用品等领域开始得到应用，并己成为新工艺、新技术、新设备不可缺少的金属材料，钛工业进入一个新的发展时期

钛合金的历史发展

钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。世界上许多国家都认识到钛合金材料的重要性，相继对其进行研究开发，并得到了实际应用。

第一个实用的钛合金是1954年美国研制成功的Ti-6Al-4V合金，由于它的耐热性、强度、塑性、韧性、成形性、可焊性、耐蚀性和生物相容性均较好，而成为钛合金工业中的王牌合金，该合金使用量已占全部钛合金的75％～85％。其他许多钛合金都可以看做是Ti-6Al-4V合金的改型。

钛合金是航空航天工业中使用的一种新的重要结构材料，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比重、强度和使用温度介于铝和钢之间，但比强度高并具有优异的抗海水腐蚀性能和超低温性能。1950年美国首次在F-84战斗轰炸机上用作后机身隔热板、导风罩、机尾罩等非承力构件。20世纪50～60年代，主要是发展航空发动机用的高温钛合金和机体用的结构钛合金。60年代开始钛合金的使用部位从后机身移向中机身、部分地代替结构钢制造隔框、梁、襟翼滑轨等重要承力构件。钛合金在军用飞机中的用量迅速增加，达到飞机结构重量的20％～25％。70年代起，民用机开始大量使用钛合金，如波音747客机用钛量达3640公斤以上。马赫数小于2.5的飞机用钛主要是为了代替钢，以减轻结构重量。又如，美国SR-71 高空高速侦察机(飞行马赫数为3，飞行高度26212米)，钛占飞机结构重量的93％，号称“全钛”飞机。当航空发动机的推重比从4～6提高到8～10，压气机出口温度相应地从200～300°C增加到500～600°C时，原来用铝制造的低压压气机盘和叶片就必须改用钛合金，或用钛合金代替不锈钢制造高压压气机盘和叶片，以减轻结构重量。60年代中期，钛及其合金已在一般工业中应用，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。70年代，

钛合金在航空发动机中的用量一般占结构总重量的20％～30％，主要用于制造压气机部件，如锻造钛风扇、压气机盘和叶片、铸钛压气机机匣、中介机匣、轴承壳体等。航天器主要利用钛合金的高比强度，耐腐蚀和耐低温性能来制造各种压力容器、燃料贮箱、紧固件、仪器绑带、构架和火箭壳体。人造地球卫星、登月舱、载人飞船和航天飞机也都使用钛合金板材焊接件。80年代以来，耐蚀钛合金和高强钛合金得到进一步发展。耐热钛合金的使用温度已从50年代的400℃提高到90年代的600～650℃。A2(Ti3Al)和r（TiAl）基合金的出现，使钛在发动机的使用部位正由发动机的冷端（风扇和压气机）向发动机的热端（涡轮）方向推进。结构钛合金向高强、高塑、高强高韧、高模量和高损伤容限方向发展。

另外，20世纪70年代以来，还出现了Ti-Ni、Ti-Ni-Fe、Ti-Ni-Nb等形状记忆合金，并在工程上获得日益广泛的应用。

钛合金的运用现状

航空航天的运用

目前，钛及其合金主要用于航空航天和军事工业上。据统计，钛在航空航天上的应用约占钛总产量的70%左右，包括军用飞机、民用飞机、航空发动机、航天器、人造卫星壳体连结座、高强螺栓、燃料箱、导弹尾翼、弹头壳体等。美国在这方面走在世界前列。20实际60年代，阿波罗载人飞船登上月球，钛合金在其中做了重要贡献，越来越多的钛合金运用于美国的军事工业中。进入20 世纪80 年代，美国飞机的用钛量占70%~80%，每年用钛达1.3~1.9 万多吨，其中军用飞机占整个飞机的用钛量的41%~70%。另据报道。美国民用飞机到2019 年计划生产3.3 万架，以每架用钛10 t 计则潜在需求为33万吨。如果这些计划得以实现，将对钛产业界产生巨大影响。

作为美国竞争对手的俄罗斯也一直注重航空航天上钛材的使用量。其航空工业主要使用三种钛合金：（1）板材用合金（2）锻件、紧固件用合金（3）铸造合金。板材用合金主要是074 系列中等强度，加工性能好的钛合金如BT1-00,BT1-0 等。锻件用合金主要有BT22其淬透深度可达200 mm，可用于制造各种高负载航空零件。铸造合金有BT18y,BT36后者是使用温度最高的合金，推荐使用温度为550℃~600℃，并用它制造了压气机盘。航空紧固件广泛使用BT16 合金。

20 世纪70 年代以来，西欧为了同美日抗衡大大加快以军事为背景的钛合金的应用研究。其中法国使用新合金Ti-17 制造了GE90 和M88 发动机零件，其工作温度为350℃~400℃。用Ti-6242 和Ti-6246 合金制造了MTP390 发动机的零件。法国人还利用Ti-6246 合金制造了阿里亚娜-5 发射器的结构零件，将β-CEZ 钛合金用于M88-X 未来型发动机中，其工作温度为400℃~450℃，另外法国还开发了β-CEZ 合金的SPF-DB 板材成型工艺，并生产了该钛合金的精密铸件，用于空中客车民航客机的舱门滑动装置。英国在钛合金应用方面也取得了一定成绩，如IMI834 钛合金广泛用于罗尔斯-罗伊斯Trent700 发动机中，其工作温度可达600℃，重量比镍基超合金同等部件减轻50 kg。

经过 40 多年的研究，我国在这个领域取得了可喜的成绩。从“东方红”卫星上天到“神舟”飞船发射成功以及新型战机问世等，这其中都有钛合金的贡献。“九五”期间，为满足航空航天等部门需要国家把钛合金作为新材料的发展重点之一。“十五”期间又进一步开发航空航天用高温钛合金、阻燃钛合金、高强钛合金、TiAl 金属间化合物、钛基复合材料。相信，通过“十五”攻关，一批新型钛合金将在航天事业中再立新功。

船舶行业的运用

目前，钛在舰船上已应用的部位有:耐压壳体、螺旋桨和桨轴、通海管路、阀及附件、

各类管接头、热交换器、冷却器、冷凝器、发动机零部件、升降装置及发射装置、声学装置