急需钛合金应用及发展概况的资料 （有些条理性）

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急需钛合金应用及发展概况的资料 （有些条理性）

[ 本帖最后由 cxcwsq 于 2008-5-26 23:00 编辑 ]

forging

钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金因具有比强度高、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锨合金材料的重要性，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。
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，70年代开发出一批耐蚀钛合金，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。
目前，世界上已研制出的钛合金有数百种，最著名的合金有20～30种，如Ti-6Al-4V、Ti-5Al-2.5Sn、Ti-2Al-2.5Zr、Ti-32Mo、Ti-Mo-Ni、Ti-Pd、SP-700、Ti-6242、Ti-1023、Ti-10-5-3、Ti-1023、BT9、BT20、IMI829、IMI834等[2,4]。
钛合金可以分为α、α+β、β型合金及钛铝金属间化合物（TixAl，此处x=1）四类。
2. 钛合金的新进展
近年来，各国正在开发低成本和高性能的新型钛合金，努力使钛合金进入具有巨大市场潜力的民用工业领域阳。国内外钛合金材料的研究新进展主要体现在以下几方面。
（1）高温钛合金。
世界上第一个研制成功的高温钛合金是Ti-6Al-4V，使用温度为300-350℃。随后相继研制出使用温度达400℃的IMI550、BT3-1等合金，以及使用温度为450~500℃的IMI679、IMI685、Ti-6246、Ti-6242等合金。目前已成功地应用在军用和民用飞机发动机中的新型高温钛合金有.英国的IMI829、IMI834合金；美国的Ti-1100合金；俄罗斯的BT18Y、BT36合金等。表7为部分国家新型高温钛合金的最高使用温度[26]。
近几年国外把采用快速凝固／粉末冶金技术、纤维或颗粒增强复合材料研制钛合金作为高温钛合金的发展方向，使钛合金的使用温度可提高到650℃以上[1,27,29,31]。美国麦道公司采用快速凝固／粉末冶金技术戚功地研制出一种高纯度、高致密性钛合金，在760℃下其强度相当于目前室温下使用的钛合金强度[26]。
（2）钛铝化合物为基的钛合金。
与一般钛合金相比，钛铝化合物为基钠Ti3Al（α2）和TiAl（γ）金属间化合物的最大优点是高温性能好（最高使用温度分别为816和982℃）、抗氧化能力强、抗蠕变性能好和重量轻（密度仅为镍基高温合金的1/2），这些优点使其成为未来航空发动机及飞机结构件最具竞争力的材料[26]。
目前，已有两个Ti3Al为基的钛合金Ti-21Nb-14Al和Ti-24Al-14Nb-#v-0.5Mo在美国开始批量生产。其他近年来发展的Ti3Al为基的钛合金有Ti-24Al-11Nb、Ti25Al-17Nb-1Mo和Ti-25Al-10Nb-3V-1Mo等[29]。TiAl（γ）为基的钛合金受关注的成分范围为Ti-（46-52）Al-（1-10）M（at.％），此处M为v、Cr、Mn、Nb、Mn、Mo和W中的至少一种元素。最近，TiAl3为基的钛合金开始引起注意，如Ti-65Al-10Ni合金[1]。
（3）高强高韧β型钛合金。
β型钛合金最早是20世纪50年代中期由美国Crucible公司研制出的B120VCA合金（Ti-13v-11Cr-3Al）。β型钛合金具有良好的冷热加工性能，易锻造，可轧制、焊接，可通过固溶-时效处理获得较高的机械性能、良好的环境抗力及强度与断裂韧性的很好配合。新型高强高韧β型钛合金最具代表性的有以下几种[26,30]:
Ti1023（Ti-10v-2Fe-#al），该合金与飞机结构件中常用的30CrMnSiA高强度结构钢性能相当，具有优异的锻造性能；
Ti153（Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn），该合金冷加工性能比工业纯钛还好，时效后的室温抗拉强度可达1000MPa以上；
β21S（Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si），该合金是由美国钛金属公司Timet分部研制的一种新型抗氧化、超高强钛合金，具有良好的抗氧化性能，冷热加工性能优良，可制成厚度为0.064mm的箔材；
日本钢管公司（NKK）研制成功的SP-700（Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe）钛合金，该合金强度高，超塑性延伸率高达2000％，且超塑成形温度比Ti-6Al-4V低140℃，可取代Ti-6Al-4V合金用超塑成型-扩散连接（SPF/DB）技术制造各种航空航天构件；
俄罗斯研制出的BT-22（TI-5v-5Mo-1Cr-5Al），其抗拉强度可达1105MPA以上
（4）阻燃钛合金。常规钛合金在特定的条件下有燃烷的倾向，这在很大程度上限制了其应用。针对这种情况，各国都展开了对阻燃钛合金的研究并取得一定突破。羌国研制出的Alloy c（也称为Ti-1720），名义成分为50Ti-35v-15Cr（质量分数），是一种对持续燃烧不敏感的阻燃钛合金，己用于F119发动机。BTT-1和BTT-3为俄罗斯研制的阻燃钛合金，均为Ti-Cu-Al系合金，具有相当好的热变形工艺性能，可用其制成复杂的零件[26]。
（5）医用钛合金。
钛无毒、质轻、强度高且具有优良的生物相容性，是非常理想的医用金属材料，可用作植人人体的植人物等。目前，在医学领域中广泛使用的仍是Ti-6Al-4v ELI合金。但后者会析出极微量的钒和铝离子，降低了其细胞适应性且有可能对人体造成危害，这一问题早已引起医学界的广泛关注。羌国早在20世纪80年代中期便开始研制无铝、无钒、具有生物相容性的钛合金，将其用于矫形术。日本、英国等也在该方面做了大量的研究工作，并取得一些新的进展。例如，日本已开发出一系列具有优良生物相容性的α+β钛合金，包括Ti-15Zr-4Nb_4ta-0.2Pd、Ti-15Zr-4Nb-aTa-0.2Pd-0.20~0.05N、Ti-15Sn-4Nb-2Ta-0.2Pd和Ti-15Sn-4nb-2Ta-0.2Pd-0.20，这些合金的腐蚀强度、疲劳强度和抗腐蚀性能均优于Ti-6Al-4v ELI。与α+β钛合金相比，β钛合金具有更高的强度水乎，以及更好的切口性能和韧性，更适于作为植入物植入人体。在美国，已有5种β钛合金被推荐至医学领域，即TMZFTM（TI-12Mo-^Zr-2Fe）、Ti-13Nb-13Zr、Timetal 21SRx（TI-15Mo-2.5Nb-0.2Si）、Tiadyne 1610（Ti-16Nb-9.5Hf）和Ti-15Mo。估计在不久的将来，此类具有高强度、低弹性模量以及优异成形性和抗腐蚀性能的庐钛合金很有可能取代目前医学领域中广泛使用的Ti-6Al-4V ELI合金[28,32]。

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钛合金是40年代才开始投入商业生产的金属结构材料。其主要特点是熔点高(1668℃±5℃)、密度小(4.505g/cm3)、强度高，因而比强度高。图1比较了TC11钛合金和钢、铝合金、镁合金的屈服强度与密度之比随温度的变化趋势，由图可见钛合金的比强度明显高于其他合金。钛合金同时还具有良好的耐热和耐蚀性能，因而它被广泛地用于航空、航天、导弹、舰船、化工和食品机械、医疗器材等部门。
钛及钛合金的塑性较好，能满意地进行锻造、切削加工，还可很好地进行焊接。


　　钛合金在航空发动机结构中应用得最早，主要用于制造压气机盘、叶片等承受大应力的旋转件。用钛合金代替结构钢，强度降低不多，但发动机质量却能减轻100～500kg。

　　随着飞行速度的提高，航程增大，钛合金在飞机机体结构中的应用也愈来愈广泛。例如美国B-1轰炸机打赌体结构材料中，钛合金占20.1%，F-15战斗机和V2500发动机中钛合金所占结构重量百分比已分别达到41%和31%。F-15战斗机上许多重要零件(如前轮、离心叶轮和隔板框等)也是钛合金制造的。

　　钛合金锻件的尺寸主要受到设备吨位的限制。已知最大的盘形件直径达177.8cm，结构件平面投影面积达9670cm2。

　　纯钛的提炼过程非常复杂，先将钛矿石经电炉熔炼形成高钛渣，再于800℃下进行氯化还原(TiO2+2Cl2+2C→TiCl4+2CO)得到四氯化钛，最后用镁还原并经真空蒸馏而成海绵钛。生产海绵钛的工艺复杂，且能耗高是导致钛产量低和成本高的主要因素；但钛资源丰富，是地壳中分布最广的元素之一，超过了碳、氯、氟、硫和磷，居第10位。
　　
钛属多晶型金属，有两种同素异构晶型。低于882.5℃为α晶型，呈密排六方晶格；高于882.5℃为稳定的β晶型，呈体心立方晶格。

　　纯钛的特点是塑性高，强度比较低(σb=250～300MPa；σ0.2=100～150MPa；δ=50%～60%；ψ=70%～80%)。但是工业纯钛中只要含有少量杂质，其强度大约可提高1倍，塑性会降低。

　　钛的熔点较铝、镁高得多，因而钛合金的耐热性能比铝合金、镁合金好，可在较高的温度下工作。目前钛合金长期工作温度已超过500℃，能长期工作在650℃以下的典型代表是英国的IMI834、美国的Ti-1100和俄罗斯的BT36。
　　
钛的膨胀系数较小，但锻造和挤压的工业钛棒的线膨胀系数比较分散，在20～120℃范围内为6.5×10-6～10.5×10-61/℃，这种分散性是由于钛晶格中c轴和α轴上的系数存在差异所致。

　　钛的导热系数低，约为铁的1/5，几乎为铝的1/15。加上钛对钢的摩擦因数大，因此，钛和钛合金锻造时金属流动比较困难，而且容易粘模。

　　钛的弹性模量较低，而且有明显的各向异性。在c轴方向测量时，E=146000MPa，而在垂直方向测量，E=10600MPa。钛的弹性模数较低是它的缺点，因为在某些场合下，为了获得刚性结构不得不采用比从强度考虑的截面更大的产品。

　　钛的σs/σb值大，且弹性模量又低，因而钛合金冷成形时回弹比钢大。因此，钛合金一般都采用加热成形。

　　完全的纯钛是不存在的，即使是碘化钛也含有铁、硅、碳、氮、氢、氧等少量杂质；工业纯钛中，杂质含量更多(见表1中的TA1和TA2)。杂质的存在，对钛的力学性能有影响，其中氧、氮、氢、碳的影响尤为显著。

　　氧、氮含量的增加能急剧提高纯钛的强度，同时也降低塑性。例如，添加0.1%N，可使强度增加200MPa，而超过0.2%N，钛丧失大部分塑性，极易发生脆性断裂。塑性降低的原因，其一是因为在650℃以上氧向钛中扩散，形成一层坚硬的氧化膜；其二是在700℃以上氮和钛将发生剧烈作用，形成TiN；并且氮与钛形成间隙固溶体所引起的原子点阵畸变，比同量的氧所引起的原子点阵畸变更为严重。

　　氢属于间隙式β稳定元素，在β相中有较大的溶解度(约2%)，但在α相中溶解度却很低(0.001%～0.002%)，多余的氢以TiH2化合物(r相)形式存在，并呈片状。TiH2本身强度很低，在金属中起着类似裂纹的作用。
　　
   碳对纯钛塑性和变形抗力也有相当大的影响，但比氧、氮的影响小。原因在于，碳原子分布在钛晶格的间隙中，能达到某种程度的有序化，并没有强烈地阻止金属沿一定结晶学方向的滑移。