钛合金在多领域的应用与发展
上海大学
本科生课程论文论文题目：钛合金在多领域的应用与发展
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所在学院：材料科学与工程学院
日期：2015.05.24
摘要：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。本文综述了钛合金在航空航天飞行器、热氢处理、发动机、高温钛合金、生物医用材料等方面的应用与发展。
关键词：钛合金；航空；氢；发动机；生物医用材料
钛合金在航空方面的应用与发展
钛合金具有比强度高、耐腐蚀性好、耐高温等优点。从20世纪50年代开始,钛合金在航空航天领域中得到了迅速的发展。钛合金是当代飞机和发动机的主要结构材料之一,可以减轻飞机的重量,提高结构效率。在飞机用材中钛的比例,客机波音777为7%,运输机C-17为10.3%,战斗机F-4为8%,F-15为25.8%,F-22为39%。
高性能航空发动机的发展需求牵引着高温钛合金的发展,钛合金的使用温度逐步提高,从20世纪50年代以Ti-6Al-4V合金为代表的350℃,经过IMI679和IMI829提高到了以IMI834合金为代表的600℃。目前,代表国际先进的高温钛合金有美国的Ti-6242S,Ti-1100,英国的IMI834,俄罗斯的BT36以及中国的Ti-60。表2为600℃主要高温钛合金的成分及性能特点。
Ti-6242S(Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si)钛合金是美国于20世纪60年代为了满足改善钛合金高温性能的需要,特别是为了满足喷气发动机使用要求而研制的一种近α型钛合金。合金的最高使用温度为540℃,室温的σb=930 MPa。特点是具有强度、蠕变强度、韧性和热稳定性的良好结合,并具有良好的焊接性能,主要应用于燃气涡轮发动机零件,发动机结构板材零件,飞机机体热端零件。
BT36(Ti-6.2A1-2Sn-3.6Zr-0.7Mo-0.1Y-5.0W-0.15Si)合金是俄罗斯于1992年研制成功的一种使用温度在600～650℃的钛合金。合金中加入了5%W和约0.1%Y。加入W对提高合金的热强性有明显作用。加入微量Y可以明显地细化合金的晶粒,改善了合金的塑性和热稳定性。
Ti60(Ti-5.8 Al-4.8 Sn-2.OZr-1.0 Mo-0.35Si-0.85Nd)合金由中国科学院金属研究所在Ti55合金基础上改型设计、宝鸡有色金属加工厂参与研制的一种600℃高温钛合金。Ti60合金的特点之一是合金中加入了1%Nd(质量分数),通过内氧化方式形成富含Nd、Sn和O的稀土相,降低基体中的氧含量,从而起到净化基体,改善合金热稳定性的作用。Ti60合金已进行了半工业性中试试验(包括压气机盘模锻)和全面性能测定。
根据国内外研究现状,未来高温钛合金的发展趋势是:(1)研制600℃以上的新型高温钛合金。可对现有高温钛合金的成分进行调整,改进加工工艺,或研发新的高温钛合金,提高高温钛合金的使用温度。(2)稀土元素在高温钛合金中的作用尚待进一步研究。我国研制的含稀土元素的高温钛合金其使用温度已达到600℃,其各项性能显示均为良好。但稀土元素在合金
中的机制作用需进一步研究,为含稀土元素的高温钛合金的发展奠定理论基础。(3)合金朝着多元强化的方向发展。合金成分的优化越来越重要,Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si-(RE)系近α钛合金占主导地位;Si元素是高温钛合金中必不可少的重要元素。
钛合金在热氢处理方面的应用与发展
钛合金热氢处理技术是利用氢致塑性、氢致相变以及钛合金中氢的可逆合金化作用以实现钛氢系统最佳组织结构、改善加工性能的一种新体系、新方法和新手段,利用该技术不仅可以改善钛合金的加工性能,而且可以提高钛制件的使用性能,降低钛产品的制造成本,提高钛合金的加工效率。
钛合金室温塑性低,变形极限低,变形抗力大,冷成形容易开裂,大大限制了钛合金的冷态工艺性;因此,绝大多数钛合金必须在热态下成形,但热变形温度高,流动应力大,应变速率低,特别是对于那些高强、高韧、高模量、耐高温的难变形钛合金,这种现象尤为严重,大大地限制了它们的应用;此外,由于热变形温度高,造成系统或工艺的高温保护困难,费用高;同时,钛合金热加工时对模具材料要求高,要求模具能够在900℃以上的高温下仍需具有足够的强度,对模具选材和制造带来了很大的困难,造成加工周期长、生产费用高等一系列问题;不仅如此,由于钛合金的热变形温度高和变形抗力大的原因,给成形设备也提出了更高的要求,使得现有成形设备加工钛合金结构件的能力大大降低,为研制新成形设备提出了更高的要求,增加了设备研制的费用和难度。
氢对钛合金高温塑性的影响主要表现为（1）流变应力较低（2）高温拉伸塑性性能提高（3）高温镦粗出现第一个裂纹前的变形极限提高。高温增塑是最早受到关注并得到广泛而深入研究的热氢处理技术方向,国内外学者对此给予了高度重视。早在上世纪70年代,前苏联学者就致力于这方面的研究工作,一系列的研究表明:钛合金加氢可使合金的热压力加工性能得到改善,表现为热变形流动应力的降低和塑性的提高,使热变形更容易在较低温度下实现轧制、热锻等工序;氢增塑效应对高铝含量的热强钛合金及Ti3Al合金的作用特别明显,对近α和α+β合金也是适用的,但对近β合金几乎没有作用。Kolachov对Ti3Al基的CT5合金研究发现:虽在1 050～1 250℃的β区温度范围内变形也很困难,但加入0.6%(质量分数)的氢,甚至在900℃下变形达80%也不产生裂纹,塑性提高伴随有屈服强度的降低,其渗氢试样的压缩流变应力仅为未渗氢试样流变应力的1/3。
铸态的以Ti3Al(α2)为强化相的耐热钛合金Ti-9Al-1Mo-3Zr-4Sn的等温镦锻试验表明:渗氢合金的最大变形量可以达到60%,并可以有效地降低合金的变形抗力,σ0.2分别从950℃和900℃的200 MPa和320 MPa降低到50～60MPa和120～140MPa,且氢对合金变形抗力下降的影响程度随温度的上升而降低。Ti-5Zr-9Al-5Sn-2Mo合金镦锻试验表明:氢含量0.45%(质量分数)的试样在800℃的锻造流变应力比未渗氢试样下降50%左右。BT16合金镦粗试验表明:在600～850℃试验温度范围内,加入0.2～0.3%(质量分数)的氢,屈服应力降低1/3～1/2。BT6高温拉伸试验表明:800℃时置入0.3%氢的试样的流变应力比未渗氢试样的流变应力低一半,延伸率由50%提高到105%。Kerr等人对渗氢Ti-6Al-4V合金进行了等温锻造试验研究,图9和10所示分别是不同氢含量合金在760和820℃时的应力—应变曲线,图11所示是合金在不同温度下氢含量对峰值流动应力的影响曲线。
图9,10和11表明:合金的流动应力随着氢含量的增加而减小,当氢含量达到0.4%(质量分数)时,其流变应力为最低,约为未渗氢合金流变应力的70%;之后,随着氢含量的增加,流变应力反而增加,这主要是因为氢化物TiH2的析出而致。Birla等人在Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo合金中加入0.4%(质量分数)氢,30℃时的锻造流变应力比未加氢时,降低30%～35%。张勇等人对Ti3Al基Ti-25Al-10Nb-3V-1Mo铸态和锻态合金进行热压缩行为研究时发现:氢可以显著降低热压缩的峰值流变应力,在900～1 000℃范围内,铸态的0.2%(质量分数)H渗氢试样的峰值流变应力比未渗氢试样的流变应力降低了37%～53%,锻态的0.2%(质量分数)H渗氢试样的峰值流变应力比未渗氢试样的降低了27%～31%,从流动应力的角度出发,0.2%(质量分数)H可使合金的热压缩温度降低50℃,应变速率提高一个数量级;等温压缩时,氢含量增加所产生的组织变化相当于在更高温度压缩所产生的组织变化,随热压温度的提高,Ti3Al相由
部分动态再结晶发展到完全动态再结晶,Ti3Al相的体积分数下降,当氢含量达到0.2%(质量分数)时,温度达到1 000℃,变形时显示出β相区变形特征。钛合金氢致热塑性效应在实际生产中具有显著的效果和意义,可以降低等温变形温度50～150℃,流变应力下降30%以上,可以采用工艺性更好的模具材料替代现有模具材料,提高模具寿命和金属利用系数。
钛合金中氢的作用具有双重性:一方面,氢作为有害杂质元素对钛合金使用性能有着极为不利的影响;另一方面,可以通过合理有效地控制渗氢、相变、除氢等过程获得适应某种工艺的组织结构以改善其加工性能,否则,氢的积极作用亦不能得到发挥。需要指出的是,氢的有益作用主要体现在钛合金的加工过程中,无论其加工过程是否加氢,必须利用氢的可逆合金化作用经真空退火使其氢含量恢复到安全水平,以保证钛合金制件在使用中不发生氢脆。钛合金热氢处理技术是从氢的可逆合金化角度出发,有效地控制钛氢系统中氢含量、存在状态及相变过程,实现改善塑性加工、扩散加工、切削加工和变质加工工艺性能的目的,并已成为一个新型的学科领域。俄罗斯已经建立了一套完整的技术体系,主要包括热氢处理、氢增塑、氢致密和氢机械加工。钛合金热氢处理技术有利于全面改善钛合金成形性能、提高加工效率、降低加工难度和提高制件使用性能,可以提升钛合金的加工制造水平,其应用前景良好,并有可能推广到与钛性质相近金属的加工过程之中。
钛合金在发动机方面的应用与发展
现代军用战斗机的战术机动性、短距起飞、超音速巡航等优异作战性能在很大程度上依赖于先进的高推重航空发动机的应用，而高推重比航空发动机的发展与高温钛合金的大量应用密切相关。航空发动机压气机叶片、盘和机匣等零件要求在室温至较高的温度范围内具有高的瞬时强度、持久强度、温蠕变抗力、组织稳定性和高低周疲劳性能。
喷气发动机是飞机的心脏。发动机的风扇、高压压气机盘件和叶片等转动部件,不仅要承受很大的应力,而且要有一定的耐热性,即要求钛在300～650℃温度下有良好的抗高温强度、抗蠕变性和抗氧化性能。这样的工况条件,对铝来说温度太高;对钢来说密度太大;钛是最
佳的选择。因此,钛在先进发动机上的应用不断扩大。在飞机上使用较多的钛合金有Ｔｉ-6Ａｌ-4Ｖ,Ｔｉ-8Ａｌ-1Ｍ-1Ｖ,Ｔｉ-17,Ｔｉ-6242,Ｔｉ-6246,ＴＣ6,ＴＣ9,ＴＣ11,Ｔｉ-1100,ＩＭＩ829,ＩＭＩ834等。发动机的一个重要性能指标是推重比,即发动机产生的推力与其自重之比。推重比越高,发动机性能越好。早期发动机的推重比只有2～3,现在已达到10。国外正在研制推重比10～20的发动机。提高推重比,必须提高涡轮前进气的压缩比(进气量指标)与进气温度。工作温度越高,发动机的热效率越高。提高推重比也必须提高材料高温下的比强度和比刚度,减轻发动机自身的重量。据计算,当压缩比达到15∶1时,压气机的出口温度为590℃,而当压缩比达到25∶1时,压气机的出口温度就达到620～705℃,需要耐热性非常好的钛合金。实验证明,常规钛合金只能用于650℃以下,为制造推重比10以上的先进发动机,需要开发以钛基复合材料、Ｔｉ3Al和ＴｉＡｌ型金属间化合物为基的钛合金。目前实用性能最好的耐热钛合金是英国的ＩＭＩ829,ＩＭＩ834和美国的Ｔｉ-1100。它们已分别用于Ｖ2500,ＥＪ2000,55-712改型发动机。
根据钛合金的应用现状,高温钛合金(发动机用)和高损伤容限钛合金(机身用)是钛合金未来发展的两个主要方向。而采用材料设计方法是低成本钛合金制备的有效途径之一。ＩＭＩ834和Ｔｉ-1100是600℃使用的高温钛合金,基本满足推重比为10的发动机的使用要求。但在600℃以上,蠕变抗力和高温抗氧化性的急剧下降是限制钛合金在更高温应用的两大主要障碍。与一般钛合金相比,钛铝化合物为基的Ｔｉ3Ａｌ(α2)和ＴｉＡｌ(γ)金属间化合物的最大优点是高温性能好(它们的最高使用温度分别为700和850℃)、抗氧化能力强、抗蠕变性能好[17]。为了满足650℃以上,推重比大于10的发动机,需要开发ＴｉＭＭＣ(ｔｉｔａｎｉｕｍｍｅｔａｌｍａｔｒｉｘｃｏｍｐｏｓｉｔｅ-钛基金属基复合材料)、Ｔｉ3Ａｌ基和ＴｉＡｌ基钛合金。
然而近年来航空业竞争的加剧,人们不得不考虑飞机的制造成本,而不是单纯地追求飞机的性能。为了使钛合金能够更广泛地应用,必须要降低钛合金的使用成本。钛合金成本高的原因之一是高成本的合金化元属,因此用廉价的Ｆｅ,Ｃｒ,Ｎｉ,Ｍｎ和这些元属的合金代替昂贵的Ｎｂ、Ｍｏ和Ｖ元属,设计新牌号合金,具有非常重大的实用价值。
钛合金在生物医用材料方面的应用与发展
生物医用钛合金材料是专指用于生物医学工程的一类功能结构材料,具体来说是用于外科植入物和矫形器械产品的生产和制造。钛合金医疗器械产品如人工关节、牙种植体和血管支架等用于临床诊断、治疗、修复、替换人体组织或器官,或增进人体组织或器官功能,其作用是药物不能替代的。医用钛合金材料研究涉及材料、物理、化学、生物、医学及先进电子显微及生化分析等多个学科,研究方向包括:医用金属材料的合金设计与评价体系,材料的加工-组织-性能关系与人体软、硬组织的相容性匹配,材料的表面改性(生物相容性、生物功能性、生物活性、耐磨性、耐蚀性等)及材料基体与表面(界面)的相互作用规律等。
按照外科植入物和矫形器械专业标准,钛合金材料可归入“外科植入物用材料”中“金属材料”一类,而钛合金材料在非有源外科植入物、有源外科植入物和矫形器械3大类医疗器械中可充当心血管、骨与关节、骨接合、脊柱、矫形器械、心脏起搏器与除颤器、耳蜗植入物、神经刺激器等植入产品的加工材料。生物医用钛合金材料基本特征见表1所示[2]。生物医用钛合金按材料显微组织类型可分为α型、α+β型和β型钛合金3类。
生物医用钛合金被加工成开放多孔状、三维贯通结构,有利于新骨细胞组织在植入体内粘附、分化和生长及水分和养料的传输,并且其密度、强度和杨氏模量可以通过孔隙率的调整同自然骨相匹配,从而使外科植入件和骨组织最终溶为一体而成为一种特殊的复合材料,增加外科植入件的长期稳定性和有效性。因此,多孔钛及钛合金被认为是目前最有吸引力的生物医用植入材料,也是今后重点的发展方向。2003年荷兰Ｊ.Ｐ.Ｌｉ教授采用多孔海绵法制作
了多孔网状钛合金牙种植体,研究发现微孔尺寸为100～500μｍ的多孔钛最有希望用做整形外科牙种植体材料。随后美国Ｅｘａｃｔｅｃｈ公司采用钛珠烧结法在关节柄近端得到平均孔隙尺寸为152μｍ、空隙率为35%的多孔表面,还采用多孔喷涂技术制成了孔径尺寸为250～450μｍ、空隙率达61%的多孔表面。近年来,一些多孔钛加工的新技术不断涌现,引起人们的高度重视,如20世纪90年代以来发展起来的激光立体成形(ＬａｓｅｒＳｏｌｉｄＦｏｒｍｉｎｇ,ＬＳＦ)技术,已成功制备出了多孔纯Ｔｉ,ｉＮｉ和ＴＣ4合金,并在人工关节臼杯上制备出了多孔ＣｏＣｒＭｏ/Ｔｉ6Ａｌ4Ｖ功能梯度材料[37]。西北工业大学凝固技术国家重点实验室黄卫东课题组在这一领域的研究走在国内前列,其自主研制出先进的激光立体成形与修复装备并在国内首次实现商业化应用。西北有色金属研究院于振涛课题组采用激光刻蚀技术也成功地得到了表面多孔化的钛合金材料。清华大学李言祥采用定向凝固技术制备出定向排列规则多孔镁金属材料。
生物医用材料是现代临床医学的重要物质基础,是21世纪材料研究的前沿和热点之一,生物医用材料及制品也是近30年来发展起来的一类技术附加值最高的高新技术产品,已成为全球新兴的一个支柱产业和新的经济增长点。
因此,加强生物医用材料研制单位、医疗器械制造企业与医疗保健机构的有效协作和紧密配合,进一步开发新型优质的医用钛合金材料,加强对传统医用钛合金材料的优化升级,努力降低医用钛材的价格,解决人体软、硬组织修复与替代产品用不同强度水平、塑韧性好、抗疲劳、刚柔并济而又生理相容的各类钛合金植入和介入材料及其医疗器械产品加工制造的核心关键技术,尽早实现国产化,创造民族品牌产品,不仅利国利民,也是大势所趋。
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钛合金在多领域的应用与发展
上海大学 本科生课程论文论文题目：钛合金在多领域的应用与发展 课程名称： 课程号： 学生姓名： 学生学号： 所在学院：材料科学与工程学院 日期：2015.05.24
摘要：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。本文综述了钛合金在航空航天飞行器、热氢处理、发动机、高温钛合金、生物医用材料等方面的应用与发展。 关键词：钛合金；航空；氢；发动机；生物医用材料 钛合金在航空方面的应用与发展 钛合金具有比强度高、耐腐蚀性好、耐高温等优点。从20世纪50年代开始,钛合金在航空航天领域中得到了迅速的发展。钛合金是当代飞机和发动机的主要结构材料之一,可以减轻飞机的重量,提高结构效率。在飞机用材中钛的比例,客机波音777为7%,运输机C-17为10.3%,战斗机F-4为8%,F-15为25.8%,F-22为39%。 高性能航空发动机的发展需求牵引着高温钛合金的发展,钛合金的使用温度逐步提高,从20世纪50年代以Ti-6Al-4V合金为代表的350℃,经过IMI679和IMI829提高到了以IMI834合金为代表的600℃。目前,代表国际先进的高温钛合金有美国的Ti-6242S,Ti-1100,英国的IMI834,俄罗斯的BT36以及中国的Ti-60。表2为600℃主要高温钛合金的成分及性能特点。 Ti-6242S(Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si)钛合金是美国于20世纪60年代为了满足改善钛合金高温性能的需要,特别是为了满足喷气发动机使用要求而研制的一种近α型钛合金。合金的最高使用温度为540℃,室温的σb=930 MPa。特点是具有强度、蠕变强度、韧性和热稳定性的良好结合,并具有良好的焊接性能,主要应用于燃气涡轮发动机零件,发动机结构板材零件,飞机机体热端零件。 BT36(Ti-6.2A1-2Sn-3.6Zr-0.7Mo-0.1Y-5.0W-0.15Si)合金是俄罗斯于1992年研制成功的一种使用温度在600～650℃的钛合金。合金中加入了5%W和约0.1%Y。加入W对提高合金的热强性有明显作用。加入微量Y可以明显地细化合金的晶粒,改善了合金的塑性和热稳定性。 Ti60(Ti-5.8 Al-4.8 Sn-2.OZr-1.0 Mo-0.35Si-0.85Nd)合金由中国科学院金属研究所在Ti55合金基础上改型设计、宝鸡有色金属加工厂参与研制的一种600℃高温钛合金。Ti60合金的特点之一是合金中加入了1%Nd(质量分数),通过内氧化方式形成富含Nd、Sn和O的稀土相,降低基体中的氧含量,从而起到净化基体,改善合金热稳定性的作用。Ti60合金已进行了半工业性中试试验(包括压气机盘模锻)和全面性能测定。 根据国内外研究现状,未来高温钛合金的发展趋势是:(1)研制600℃以上的新型高温钛合金。可对现有高温钛合金的成分进行调整,改进加工工艺,或研发新的高温钛合金,提高高温钛合金的使用温度。(2)稀土元素在高温钛合金中的作用尚待进一步研究。我国研制的含稀土元素的高温钛合金其使用温度已达到600℃,其各项性能显示均为良好。但稀土元素在合金
我国钛及钛合金板材未来发展趋势
我国钛及钛合金板材未来发展趋势 智研数据研究中心网讯： 内容提要：随着我国石油、化工等行业对设备的要求越来越高，以及制造业整体水平的快速提升，加之国内需求拉动与国际产业转移的“双重动力”带动下，我国钛材制造业从中长期市场上看，将继续保持快速稳定增长的良好势头。钛板带材作为钛材的重要支柱，产量将会进一步扩大。生产企业要紧抓这一机遇，并逐渐向新产品新业务转移，获得更大的发展空间。 内容选自智研数据研究中心发布的《2012-2016年中国钛行业运营态势及投资前景分析报告》 近年来，我国钛材的需求量迅速增加，已成为继美国和欧洲之后的第三大钛产品消费国。另据相关统计数据分析目前整个钛及钛合金板带材市场应用情况，最大用户是石油化工领域，约占钛板带材消耗总量的60%，其他依次为航空航天领域，约占15%，体育用品行业占6%，海水淡化、核电领域占5%，舰船及海洋工程装备领域占5%，其它领域约占9%。 2007 年我国钛加工材产量为23 640 t，其中钛板材产量为10 552 t，占44. 6%;2008 年我国钛加工材产量为27 737 t，其中钛板材产量为14 707 t，占53%，比上年产量上升了39. 4%;2009 年我国钛加工材产量为24 965 t，其中板材产量为12 067 t; 保守估计2010 年我国钛加工材生产量将达到30 000 t，其中板材产量为16 000 t，板材产量的增长率远高于整个钛加工材的产量增长率。今后，国内各应用领域对钛材需求仍将持续快速增加，继续保持两位数增长态势。 我国的大飞机计划、嫦娥登月计划、太空站计划、核电发展计划以及国家“十二五”发展规划对新型能源开发、高端装备制造业扶持与鼓励，这些为钛板带材提供了前所未有的发展空间和历史契机，同时又对钛板带材提出了更高的要求。 具体表现在: ①在品种方面，对钛带及焊管用薄钛板带需求增大; ②在规格方面，对于宽幅厚钛板( 宽2 000 ～2 500 mm，厚4 ～10 mm) 、宽幅薄钛板( 宽 1 000 ～1 500 mm，厚0. 4 ～3. 5 mm) 及10 ～70 mm 厚的宽幅( 2 400 mm 以上) 厚钛板材的需求日趋增长，而目前我国大部分的钛板生产企业，其装备能力无法满足这些超大、超厚规格的要求，因此未来的两年内，宽幅、超厚钛板材的市场前景良好; ③在化学成分方面，要求均匀化，且铁、氧等杂质含量控制范围窄幅化; ④表面光洁，组织细小均匀，力学性能优异，可满足航空航天、石油化工和核电等行业的苛刻要求。
钛合金的特性及其应用
钛合金的特性及其应用,材料工程学论文,工学论文 ［摘要］综述了钛合金材料的应用及研究现状，着重介绍了钛及钛合金的主要特性，加工性能及其在航空航天、军事工业和汽车制造方面的应用，并在此基础上展望了钛合金的发展方向。 ［关键词］钛合金特性加工性能应用领域 Ti在地壳中的丰度为0.56%(质量分数，下同)，在所有按元素中居第9位，而在可作为结构材料的金属中居第4位，仅次于Al、Fe、Mg，其储量比常见金属Cu，Pb，Zn储量的总和还多。我国钛资源丰富，储量为世界第一。钛合金的密度小，比强度、比刚度高，抗腐蚀性能、高温力学性能、抗疲劳和蠕变性能都很好，具有优良的综合性能，是一种新型的、很有发展潜力和应用前景的结构材料。近年来，世界钛工业和钛材加工技术得到了飞速发展，海绵钛、变形钛合金和钛合金加工材的生产和消费都达到了很高的水平，在航空航天领域、舰艇及兵器等军品制造中的应用日益广泛，在汽车、化学和能源等行业也有着巨大的应用潜力。 一、钛及钛合金的特性 钛及钛合金具有许多优良特性，主要体现在如下几个方面： 1.强度高。钛合金具有很高的强度，其抗拉强度为686—1176MPa，而密度仅为钢的60%左右，所以比强度很高。 2.硬度较高。钛合金(退火态)的硬度HRC为32—38。 3.弹性模量低。钛合金(退火态)的弹性模量为1.078×10－1.176×10MPa，约为钢和不锈钢的一半。 4.高温和低温性能优良。在高温下，钛合金仍能保持良好的机械性能，其耐热
性远高于铝合金，且工作温度范围较宽，目前新型耐热钛合金的工作温度可达550—600℃；在低温下，钛合金的强度反而比在常温时增加，且具有良好的韧性，低温钛合金在－253℃时还能保持良好的韧性。 5.钛的抗腐蚀性强。钛在550℃以下的空气中，表面会迅速形成薄而致密的氧化钛膜，故在大气、海水、硝酸和硫酸等氧化性介质及强碱中，其耐蚀性优于大多数不锈钢。 二、钛及钛合金的加工性能 1.切削加工性能 钛合金强度高、硬度大，所以要求加工设备功率大，模具、刀具应有较高的强度和硬度。切削加工时，切屑与前刀面接触面积小，刀尖应力大。与45钢相比，钛合金的切削力虽然只有其2/3—3/4，可是切屑与前刀面的接触面积却更小(只有45钢的1/2—2/3)，所以刀具切削刃承受的应力反而更大，刀尖或切削刃容易磨损；钛合金摩擦因数大，而热导率低(分别仅为铁和铝的1/4和1/16)；刀具与切屑的接触长度短，切削热积聚于切削刃附近的小面积内而不易散发，这些因素使得钛合金的切削温度很高，造成刀具磨损加（转载自文章资源库https://www.360docs.net/doc/1818382896.html,，请保留此标记。）快并影响加工质量。由于钛合金弹性模量低，切削加工时工件回弹大，容易造成刀具后刀面磨损的加剧和工件变形；钛合金高温时化学活性很高，容易与空气中的氢、氧等气体杂质发生化学反应，生成硬化层，同时进一步加剧了刀具的磨损；钛合金切削加工中，工件材料极易与刀具表面粘结，加上很高的切削温度，所以刀具易于产生扩散磨损和粘结磨损。 2.磨削加工性能 钛合金化学性质活泼、在高温下易与磨料亲和并粘附，堵塞砂轮，导致砂轮磨
钛合金的应用现状及发展前景
钛合金的应用现状及发展趋势 摘要：本文综述了钛合金材料的发展及应用现状，着重介绍了钛合金的主要性能及其在航空航天、汽车制造和生物医药等方面的应用，并对钛合金未来的发展进行了展望。 关键字钛合金，性能，应用，发展趋势 1引言 金属元素钛在地壳中的分布范围比较广泛，据估计和推算，其含量是地壳质量的0.4%还要多一点，世界储量约34亿吨，在所有元素中含量居第10位（氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁、氢、钛）[1]。其丰富的储量，为金属钛及钛合金的生产和发展提供了主要的原料来源。 自20世纪50年代以来，钛及钛合金的发展已经历了半个多世纪的历程，钛合金的种类已从1954年的Ti-6Al-4V合金[2]发展到数百种。因为具有比强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点，钛合金被广泛用于各个领域，包括航空航天、汽车制造、医药卫生以及其他日常生活领域。世界上的许多国家如美国、日本、俄罗斯以及中国等都认识到钛合金材料的重要性，并相继对其进行了研究开发，得到了实际应用[2,3]。 2 钛合金的性能 2.1 钛合金的高温性能 在高温下，钛合金仍能保持良好的机械性能，其耐热性远高于铝合金，且工作温度范围较宽。高温钛合金不仅具有良好的室温性能和高温强度，并且在蠕变性能、热稳定性、疲劳性能和断裂韧性等方面具有良好的匹配。世界上第一个研制成功的高温钛合金使用温度仅为300~350℃[4]，经历了40多年的发展，目前新型耐热钛合金的工作温度可达550~600℃，而Ti-Al金属间化合物的崛起，打破了600℃的使用温度界限，将使用温度升至700℃以上。 2.2 钛合金的腐蚀性能 钛的抗腐蚀性强，在550℃以下的空气中，表面会迅速氧化形成薄而致密的TiO2钝化膜，故在大气、海水、硝酸和硫酸等氧化性介质及碱性溶液中，其耐蚀
钛合金在多领域的应用与发展完整版
钛合金在多领域的应用 与发展 HEN system office room 【HEN16H-HENS2AHENS8Q8-HENH1688】
上海大学 本科生课程论文 论文题目：钛合金在多领域的应用与发展 课程名称： 课程号： 学生姓名： 学生学号： 所在学院：材料科学与工程学院 日期 摘要：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。本文综述了钛合金在航空航天飞行器、热氢处理、发动机、高温钛合金、生物医用材料等方面的应用与发展。 关键词：钛合金；航空；氢；发动机；生物医用材料 钛合金在航空方面的应用与发展 钛合金具有比强度高、耐腐蚀性好、耐高温等优点。从20世纪50年代开始, 钛合金在航空航天领域中得到了迅速的发展。钛合金是当代飞机和发动机的主要结构材料之一,可以减轻飞机的重量,提高结构效率。在飞机用材中钛的比例,客机波 音777为7%,运输机C-17为%,战斗机F-4为8%,F-15为%,F-22为39%。 高性能航空发动机的发展需求牵引着高温钛合金的发展,钛合金的使用温度逐 步提高,从20世纪50年代以Ti-6Al-4V合金为代表的350℃ ,经过IMI679和 IMI829提高到了以IMI834合金为代表的600℃。目前,代表国际先进的高温钛合金有美国的Ti-6242S,Ti-1100,英国的IMI834,俄罗斯的BT36以及中国的Ti-60。表 2为600℃主要高温钛合金的成分及性能特点。 Ti-6242S钛合金是美国于20世纪60年代为了满足改善钛合金高温性能的需要,特别是为了满足喷气发动机使用要求而研制的一种近α型钛合金。合金的最高使用温度为540℃,室温的σb=930 MPa。特点是具有强度、蠕变强度、韧性和热稳定性 的良好结合,并具有良好的焊接性能,主要应用于燃气涡轮发动机零件,发动机结构 板材零件,飞机机体热端零件。 BT36合金是俄罗斯于1992年研制成功的一种使用温度在600～650℃的钛合金。合金中加入了5%W和约%Y。加入W对提高合金的热强性有明显作用。加入微量Y可以明显地细化合金的晶粒,改善了合金的塑性和热稳定性。 Ti60 合金由中国科学院金属研究所在Ti55合金基础上改型设计、宝鸡有色金属加工厂参与研制的一种600℃高温钛合金。Ti60合金的特点之一是合金中加入
钛合金应用及发展前景
钛合金的应用与前沿发展 X X X （太原科技大学材料学院） 摘要：先进材料钛及钛合金的应用与前沿技术的发展一直是当前材料领域的热点研究课题之一。本文从钛合金的应用与前沿发展为基点出发，列举了钛合金的研究和应用在国内外取得的重大进步，并试图阐述钛合金最近一些前沿技术与中国现代化科技强国目标、西部大开发的关系，分析其优势与局限性，并展望发展趋势。 自从人类1790年发现钛元素，1951年进入工业化生产以来，钛逐渐显示出它独特的优越性能。它不仅具有金属结构材料的优越性能，而且在许多工艺介质中具有优异的耐腐蚀性能，钛的应用可以获得明显的技术进步和经济效益。它的蕴藏量是铜的十倍，是继铁、铝之后的"第三金属"，被称为"空间金属"。 从使用钛的意义上看，一个国家使用钛的多少，标志着国家的科技水平、军事实力、经济实力的强弱。所以，推广使用钛、发挥钛特性的优势作用，对促进工业发展、增强产品竞争的活力，是非常必要的，也是现代技术发展的方向。 关键词：钛 ; 钛合金 ; 开发应用 ; 前沿发展 报告正文： 钛是周期表中第ⅣB类元素，外观似钢，熔点达1 672 ℃，属难熔金属。钛在地壳中含量较丰富，远高于Cu、Zn、Sn、Pb等常见金属。我国钛的资源极为丰富，仅四川攀枝花地区发现的特大型钒钛磁铁矿中，伴生钛金属储量约达4.2亿吨。 纯钛机械性能强，可塑性好，易于加工，如有杂质，特别是0、N、C等元素存在，会提高钛的强度和硬度，但会降低其塑性，增加脆性。 钛是容易钝化的金属，且在含氧环境中，其钝化膜在受到破坏后还能自行愈合。因此，钛对空气、水和若干腐蚀介质都是稳定的。钛和钛合金有优异的耐蚀性，只能被氢氟酸和中等浓度的强碱溶液所侵蚀。特别是钛对海水很稳定，将钛或钛合金放入海水中数年，取出后，仍光亮如初，远优于不锈钢。 钛的另一重要特性是密度小。其强度是不锈钢的3.5倍，铝合金的1.3倍，是目前所有工业金属材料中最高的。 液态的钛几乎能溶解所有的金属，形成固溶体或金属化合物等各种合金。合金元素如A1、V、Zr、Sn、Si、Mo和Mn等的加入，可改善钛的性能，以适应不同部门的需要。由于上述优异性能，钛享有“未来的金属”的美称，钛合金已广泛用于国民经济各部门，它是火箭、导弹和航天飞机不可缺少的材料。船舶、化工、电子器件和通讯设备以及若干轻工业部门中要大量应用钛合金。 为促进我国钛工业的发展，选准"十一五"期间我国钛冶炼技术的发展方向，中国有色金属工业协会科技部和钛业分会合作，于2005年5月10日在北京召开了"钛冶炼技术发展规划研讨会"。曹春晓院士等28名我国钛行业的专家出席了会议。中国有色金属工业协会钮因键副会长、国家发改委肖春泉处长、国家科技部黄世兴处长、国防科工委贺守华处长等也应邀出席了会议。会议中首先由中国有色金属工业协会钮因键副会长和协会科技部张洪国主任作会议主旨发言；北京有色金属研究总院的邓国珠教授介绍了国内外钛冶炼技术的现状、我国钛冶炼技术所存在的问题，初步提出了我国"十一五"期间技术发展的主要方向；遵义钛厂胥力厂长和抚顺钛厂刘禹明副厂长分别介绍了各厂在建钛项目的进展情况、存在及需要解决的问题；北京科技大学的朱鸿民教授分析了FFC法的优缺点，介绍了一种钛冶炼新方法的初步研究结果；锦铁集团的梁志忠高工介绍了该企业大型熔盐氯化和矿物油除钒的技术。
近十年来国内外关于钛合金材料的研究
近十年来国内外关于钛合金材料的研究 赵宙 化学化工学院化学三班兰州 730070 摘要：钛及钛合金因具有优异的综合力学性能在航空、航天、船舶、石油、化工、兵器、电子等行业得到高度重视和广泛应用15年前国外高度重视新型钛合金的研制近几年国外更重视钛合金性能改性和挖潜。国内从钛合金研发开始一直重视新型钛合金研制，10年前重点是仿制,之后是既创新又仿制,目前以创新研制为主。本文介绍近10年国外、国内钛合金研究的发展现状、趋势与差距，及对我国钛合金研制的建议。 关键词：钛合金材料、性能、发展、研究、应用 Research on titanium alloy materials at home and abroad in the recent ten years Zhao Zhou Chemical engineering chemistry class 3 Lanzhou 730070 Abstract: titanium and titanium alloy with excellent comprehensive mechanical properties in the aviation, aerospace, shipbuilding, petroleum, chemical industry, the weapons industry, electronic industry attaches great importance to and widely used 15 years ago abroad attach great importance to the development of new type of titanium alloy in recent years, attaches great importance to the performance of titanium alloy modification and tapping. Domestic starting from the research and development of titanium alloy has always attached great importance to the new titanium alloys developed, focus on generic 10 years ago, after is both innovative and generic, mainly developed at present. In this paper, the recent 10 years on the titanium alloy research home and abroad, the development present situation, trend and gap, and some Suggestions of titanium alloys developed in China. Keywords: titanium alloy materials, performance, development, research, and application 1 钛及其钛合金的简介 1.1 钛的简介 钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，在地壳中的丰度为0.56%，在所有按元素中居第9位，而在可作为结构材料的金属中居第4位，仅次于Al、Fe、Mg，其储量比常见金属Cu，Pb，Zn储量的总和还多。我国钛资源丰富，储量为世界第一。 钛是一种金属元素，灰色，原子序数22，相对原子质量47.87。能在氮气中燃烧，熔点高。钛是一种新型金属，钛的性能与所含碳、氮、氢、氧等杂质含量有关，最纯的碘化钛杂质含量不超过0.1%，但其强度低、塑性高。99.5%工业纯钛的性能为：密度ρ=4.5g/cm3，熔点为1725℃，导热系数λ=15.24W/(m.K)，抗拉强度σb=539MPa，伸长率δ=25%，断面收缩率ψ=25%，弹性模量E=1.078×105MPa，硬度HB195。 1.2 钛合金的简介 钛合金是以钛为基加入其他元素组成的合金。钛有两种同质异晶体：882℃以下为密排六方结构α钛，882℃以上为体心立方的β钛。 合金元素根据它们对相变温度的影响可分为三类： 1）.稳定α相、提高相转变温度的元素为α稳定元素,有铝、碳、氧和氮等。其中铝是钛合金主要合金元素，它对提高合金的常温和高温强度、降低比重、增加弹性模量有明显效果。 2）.稳定β相、降低相变温度的元素为β稳定元素，又可分同晶型和共析型二种前者有钼、铌、钒等；后者有铬、锰、铜、铁、硅等。 3）.对相变温度影响不大的元素为中性元素，有锆、锡等。
高强高韧钛合金研究与应用进展_杨冬雨
第35卷第4期Vol.35No.4 稀有金属 CHINESE JOURNAL OF RARE METALS 2011年7月Jul．2011 收稿日期：2011－03－31；修订日期：2011－05－10 基金项目：国家科技部中韩联合研究项目（2010DFA52280）资助 作者简介：杨冬雨（1979－），男，湖南宁乡人，硕士，工程师；研究方向：钛合金*通讯联系人（E －mail ：yangdongyu@comac．cc ） 高强高韧钛合金研究与应用进展 杨冬雨1*，付艳艳2，惠松骁2，叶文君2 ，于 洋2，梁恩泉 1（1．上海飞机设计研究院标准材料设计部，上海200232；2．北京有色金属研究总院有色金属材料制备加工国家重点实验室，北京100088） 摘要：航空航天业的发展对高强度、高断裂韧性的新型钛合金的需求越来越迫切，研究具有自主知识产权并用于航空大型结构件的新型高强高韧钛合金得到世界各国的重视。综合评述了国外传统的Ti-1023、BT22合金、β-21S 合金、β-C 合金，新型Timetal555和VST55531合金以及我国的TB2和TB10合金等7种高强高韧钛合金研究及应用现状， 分析了合金的成分、组织、强度、塑性、断裂韧性等特点。根据国内外高强高韧钛合金发展现状，提出发展方向：研制R m ≥1300MPa ，K IC ≥55Pa ·m 1/2新型高强韧钛合金；新型合金成分应以Ti-Al-Mo-V-Cr 系为主；探索加工工艺与高强高韧钛合金合金组织及性能的关系；发展具有优异的淬透性及良好的锻造性能为主的大型锻件用高强高韧钛合金。 关键词：钛合金；高强；高韧；锻件 doi ：10．3969/j．issn．0258－7076．2011．04．017中图分类号：TG146．2 文献标识码：A 文章编号：0258－7076（2011）04－0575－06 Research and Application of High Strength and High Toughness Titanium Alloys Yang Dongyu 1*，Fu Yanyan 2，Hui Songxiao 2，Ye Wenjun 2，Yu Yang 2，Liang Enquan 1 （1．Department of Standard and Materials ，Shanghai Aircraft Design and Research Institute ，Shanghai 200232，China ；2．State Key Laboratory of Non-Ferrous Metals and Processes ，General Research Institute for Non-Ferrous Metals ，Beijing 100088，China ） Abstract ：With the continuous development of the aerospace industry ，the demand of new high strength and fracture toughness tita-nium alloy would grow increasingly．The research on new high strength and tough titanium alloy of intellectual property rights ，which was applied to large structures of aerospace ，aroused the interest of the world．The present development on the investigation of high strength and toughness titanium alloys was introduced ，including traditional foreign Ti-1023，BT22，β-21S ，β-C ，new type Timet-al555，VST55531and domestic TB2and TB10alloys．Meanwhile ，the characteristics of components ，structures ，strength ，plasticity and fracture toughness were analyzed．Based on the development of these titanium alloys ，the author's opinions about development trend in this field were also presented ：to develop a new high-strength and toughness titanium alloy with R m ≥1300MPa ，K IC ≥55Pa ·m 1/2；the components of new alloy should be based on Ti-Al-Mo-V-Cr series alloy ；to probe into the relationship between processing technology and microstructure and properties of high strength and toughness titanium alloy ；to develop the high strength and toughness titanium alloy with excellent hardenability and good forgeability that were used as heavy forgings．Key words ：titanium alloys ；high strength ；high toughness ；forging 钛及钛合金因具有比强度高、耐腐蚀性好等优点，已被广泛应用于在航空、航天、车辆工程、生物医学工程等各个领域 ［1，2］ 。近年来，随着航空 航天业对高强度、高断裂韧性的新型结构钛合金的需要越来越迫切，因此研究具有自主知识产权， 能够替代超高强度钢并用于航空大型结构件的新型高强高韧钛合金得到世界各国的重视。 高强高韧钛合金一般指抗拉强度在1000MPa 以上，断裂韧性在55MPa ·m 1/2以上的钛合金。表1为几种典型高强钛合金的概况，其中国外的高强高
国内外钛合金研究的发展现状及趋势-赵永庆
第29卷 第5期2010年5月 中国材料进展 MATER I A LS CH I NA V ol 29 N o 5 M ay 2010 收稿日期:2009-12-24 基金项目:国家973计划项目(2007C B613807); 国家科技支撑计划项目(2007BAQ00087);973引导项目(2005CCA06400) 通信作者:赵永庆,男,1966年生,博士,教授,博士生导师 国内外钛合金研究的发展现状及趋势 赵永庆 (西北有色金属研究院,陕西西安710016) 摘 要:钛及钛合金因具有优异的综合力学性能,得到各行各业的高度重视,介绍了近10年国外、国内钛合金研究的发展 现状、趋势与差距,及时我国钛合金研制的建议。 关键词:钛合金;发展现状;趋势 中图分类号:TG 146 2+3 文献标识码:A 文章编号: 1674-3962(2010)05-0001-08 Current Situation and Developm ent Trend of Titaniu m A lloys Z HAO Y ongqing (N orth w est Institute for N on ferrousM eta l R esearch ,X i an 710016,Ch i na) Abstrac:t Because o f the i r exce llent properties ,g rea t atten tion has been pa i d t o T i and T i a lloys .T his paper rev i ew s t he ir current situati on and deve l op m ent trend i n recent ten years ,and also g ives the differences bet ween Ch i na and o ther coun tries .The suggesti ons for develop m ent o f T i a lloys are a l so put for w a rd . Key w ords :T i a lloys ;cu rrent s i tuation ;deve l op m ent trend 1 前 言 钛及钛合金因具有优异的综合力学性能,在航空、航天、船舶、石油、化工、兵器、电子等行业得到高度 重视和广泛应用。15年前国外高度重视新型钛合金的研制,近几年国外更重视钛合金性能改性和挖潜。国内从钛合金研发开始一直重视新型钛合金研制,10年前重点是仿制,之后是既创新又仿制,目前以创新研制为主。本文介绍近10年国外、国内钛合金研究的发展现状、趋势与差距,及对我国钛合金研制的建议。 2 新型钛合金的研究进展 2 1 宇航用钛合金 2 1 1 国外 由于大型航空发动机压气机对工作在300~350 用材的需要,俄罗斯的全俄轻金属研究院研究了同时添加Sn 和Zr 来改善BT22钛合金的强度和高温蠕变性能, 研制出了性能优于BT22的一种新的航空用钛合金。新合金的名义化学成分为T i 5A l 5M o 5V 1Fe 1C r 1 7Sn 2 5Zr ,被赋予正式牌号BT37。截面尺寸为150~200mm 的BT37合金模锻件和自由锻造的静强度和疲劳强度比BT3 1合金高25%;固溶强化的BT37合金的静强度和疲劳强度比金属间化合物强化的高温钛合金高20%~25%以上。用BT37合金来取代传统的BT3 1,BT6热强钛合金来制造在300~350 下工作的压气机大尺寸盘和叶片,可使质量减轻20%~25% [1-2] 。 同时国外也研制出高强钛合金T i 5553(T i 5A l 5M o 5V 3C r),T i 55531(T i 5A l 5V 5M o 3C r 1Zr)等[3-4] 。T i 5553作为高强近 钛合金可替代BT22和T i 1023钛合金大量使用在飞机的起落架上,该合金的淬透性更好,俄罗斯的V S M PO 联合体分别用 锻和 + 锻制造了该合金的大型锻件。T i 55531是空客公司与俄罗斯合作开发的新型高强高韧近 型钛合金,强度与韧性匹配良好,首次应用的实例是A380机翼与挂架的连接装置。T i 3553(T i 3A l 5M o 5V 3C r)是用做紧固件用钛合金,其强度和加工性能均优于T i 64。在承压管路系统研制成 功一种新的钛合金T i 3331(T i 3A l 3V 3M o 1Zr)[3] ,其强度比T i 3A l 2 5V 高30%左右。高强可焊钛合金T 110(T i 5 5A l 1 2M o 1 2V 4N b 2Fe)为A ntonov 飞机的重型构架设计用,合金同BT22的力学性能相当,但具有优
钛合金研究新进展及应用现状概要
第25卷第2期 V ol.25 No.2 2008年 4月 April 2008 收稿日期:2007-08-20 作者简介:訾群(1968-,女,工程师,主要从事钛及钛合金的研发工作,电话:0379-********,E-mail: ziqun1111@https://www.360docs.net/doc/1818382896.html, 。 钛合金研究新进展及应用现状 訾群 (洛阳船舶材料研究所,河南洛阳 471039 摘要:综述了钛合金的发展历程及当今的研究应用新进展,并对我国钛合金的应用前景做出展望。关键词:钛合金;发展;研究;应用 1 钛合金的发展历程 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。世界上许多国家如美国、日本、俄罗斯以及中国等都认识到钛合金材料的重要性,并相继对其进行了研究开发,得到了实际应用[1~3]。 美国钛工业起步较早,其规模和技术目前都处在世界领先地位,一开始就注重钛合金材料的基础研究,并以此指导钛合金材料的应用和开发,取得了举世瞩目的成就。第一个实用的钛合金就是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%。 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℃。α2 (Ti 3Al和γ(TiAl 基合金的出现,使钛在发动机的使用部位正由发动
钛及钛合金的研究
钛及钛合金的研究 1.引言 钛是 20 世纪 50 年代发展起来的一种重要的结构金属，因其具有质轻、高强、耐蚀、耐热、无磁等一系列优良性能，以及形状记忆、超导、储氢、生物相容性四大独特功能，被广泛应用在航空航天、舰船、军工、冶金、化工、海水淡化、轻工、环境保护、医疗器械等领域，并创造了巨大的经济和社会效益，在国民经济发展和国防中占有重要的地位和作用。钛是金属材料王国中“全能的金属”、“海洋金属”、“太空的金属”，从工业价值、资源寿命和发展前景来看，钛被视为继铁、铝之后处于发展中的“第三金属”和“战略金属”。根据在钛中加入β稳定元素的多少及退火后的组织，钛合金可分为α、近α、α+β、近β和β钛合金。美、日、俄罗斯以及中国等许多国家都高度重视钛合金的发展，各国根据不同国情和需求进行了各自的研发，现已得到了广泛的应用[1~3]。 2.钛及钛合金的特点 钛及钛合金具有许多优良特性,主要体现在如下几个方面： (1)比强度高。钛合金具有很高的强度,其抗拉强度为686~1 176 MPa,而密度仅为钢的60%左右,所以比强度很高。 (2)硬度较高。钛合金(退火态)的硬度HRC为32~38。 (3)弹性模量低。钛合金(退火态)的弹性模量为1.078@105~1.176@105MPa,约为钢和不锈钢的一半。 (4)高温和低温性能优良。在高温下,钛合金仍能保持良好的机械性能,其耐热性远高于铝合金,且工作温度范围较宽,目前新型耐热钛合金的工作温度可达550~600e;在低温下,钛合金的强度反而比在常温时增加,且具有良好的韧性,低温钛合金在-253e时还能保持良好的韧性。 (5)钛的抗腐蚀性强。钛在550e以下的空气中,表面会迅速形成薄而致密的氧化钛膜,故在大气、海水、硝酸和硫酸等氧化性介质及强碱中,其耐蚀性优于大多数不锈钢。 此外,钛还具有形状记忆、吸氢、超导、无磁、低阻尼等优良特性。纯钛及钛合金与其他材料有关性能的对比见表1。
钛合金的研究进展与应用_刘奇先
45 钛合金的研究进展与应用 刘奇先1 刘 杨2 高 凯3 （1. 山西晋煤集团金鼎煤机矿业有限责任公司，晋城 048006； 2. 哈尔滨师范大学物理与电子工程学院，哈尔滨 150001； 3. 哈尔滨啤酒（牡丹江镜泊有限公司），牡丹江 157009） 摘要：简述了国内外钛合金的研究状况与动向。具体介绍了高温钛合金、钛基复合材料、高强高韧钛合金、阻燃钛合金以及钛合金防氢脆、氧脆和磨损研究的发展。对钛合金在军事工业、生物医学及体育和汽车等民用领域上的发展和应用做了简介，最后指出我国钛合金发展中存在的问题和优势以及应用前景。 关键词：钛合金；研究进展；应用；医用金属材料；飞机；舰船 Research Progress and Application of Titanium Alloys Liu Qixian 1 Liu Yang 2 Gao Kai 3 （1. ShanXi Jinmei Group Jinding Coal Mine Machine Mining Industry Co., Ltd., JinCheng 048006; 2. School of Physics and Electronic Engineering, Harbin Normal University, Harbin, 150301; 3. Harbin Beer Co., Ltd. (Mudanjiang Jingbo Co., Ltd.), Mudanjiang 157009） Abstract ：This paper provides a systemic and fresh knowledge on the research and development trend of titanium alloys. The development of high temperature titanium alloys, titanium matrix composites, high strength and high toughness titanium alloys, fire resistant titanium alloys as well as the prevention of hydrogen brittleness, oxygen brittleness and abrasion are introduced particularly. Then the applications of titanium alloys in military industry, biomedicine, gym, automobile and so on are briefly presented. Finally, some problems and advantages during the development of titanium alloys in our country are pointed out. It is considered that titanium alloys will possess a wide application foreground. Key words ：Ti alloy ；research progress ；application ；biomedical metal materials ；aeroplane ；naval ship 1 引言 钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，因其具有质轻、高强、耐蚀、耐热、无磁等一系列优良性能，以及形状记忆、超导、储氢、生物相容性四大独特功能，被广泛应用在航空航天、舰船、 军工、冶金、化工、海水淡化、轻工、环境保护、医疗器械等领域，并创造了巨大的经济和社会效益，在国民经济发展和国防中占有重要的地位和作用。钛是金属材料王国中“全能的金属”、“海洋金属”、“太空的金属”，从工业价值、资源寿命和发展前景来看，钛被视为继铁、铝之后处于发展中的“第三金属”和 作者简介：刘奇先（1983-），助理工程师，机械设计专业；研究方向：机械设计。 收稿日期：2011-07-14
钛合金的发展前景和方向
钛合金的发展前景和方向 近几十年来，钛工业一直在努力进入具有巨大市场潜力的民用工业领域，但收效不大，其主要原因之一是人们总是试图将各种航空航天用钛合金“强加”给民用工业领域。在航空航天领域中，性能是首先要考虑的问题，而其它因素如价格等则排在第二位，所以，适合于领域应用的钛合金往往具有优异的性能，但价格昂贵。而对于民用工业领域来说，用一种新的材料取代现有材料，价格低廉是至关重要的。但实际情况是，目前的钛合金产品比钢贵10多倍。近几年来，由于认识到价格是钛合金进入民用领域的最大障碍，研究人员和生产厂家都在降低价格方面做了大量工作。 1、降低原材料成本 在航空航天领域中，人们为追求优异的综合性能，往往不太顾及价格问题，例如，广泛使用的钛合金大都含有价格昂贵的β稳定剂钼、钒、铬、铌等，如Ti-6Al-4V，故成本极高，不能被民用工业所接受。若用其它价格低廉的合金化元素取代上述元素，则可大幅度降低原材料成本。最具有代表性的例子是用价格为111美元/ kg的铁取代价格为22美元/ kg 的钒作β稳定剂。美国、日本等均先后将研制出的无钒钛合金用于民用工业领域。美国研制出用作汽车进气阀的Timetal 62S，其性能比Ti-6Al-4V好，但成本却比Ti-6Al-4V低15 %～20 %，而且，通过提高产品的产量仍有望进一步降低成本。Timetal LCB也是美国为打入汽车市场而研制开发的材料，它具有卓越的综合性能，尤其是它的抗疲劳性能优于其它任何一种钛合金。Timetal LCB是一种低成本亚稳态β钛合金，其主要合金化元素是低成本的Fe-Mo合金，因此铸锭成本低于其它β钛合金。如果产量足够大，可以达到降低成本的目的。又如日本为文体用品市场开发的TIX ( Ti-Fe-O-N)系列合金，由于加入了价格低廉的铁、氮、氧而使原材料成本大大降低，同时，抗拉强度(800～1000MPa)大大提高，热加工性能明显改善。加入铁还可能使晶粒细化。 目前，日本正在研制开发低成本抗腐蚀钛合金以取代传统的、价格昂贵的耐蚀合金如Ti-0.15Pd等。正在研制的合金有Ti-0.5Ni-0.05Ru( TICOREX)，Ti-0.03～0.08Pd。在这些合金中加入钌或减少高成本钯的含量，从而降低了成本。同时，添加钴或铬使合金抗腐蚀性能提高。上述合金的抗腐蚀性均好于Ti-0.15Pb。 此外，要解决原材料的价格问题，还应在世界范围内建立稳定的钛的价格和供应体制，使生产厂家能安心地使用钛。 2、钛合金产品的加工、制造成本 造成钛合金加工、制造成本较高的原因是多方面的，其中难于对钛合金进行机加工是重要原因之一。以制造汽车连杆为例，加工钛合金连杆的速度比加工钢连杆大约低50 %，因此，前者的制造成本高得多，且更为重要的是，要生产同等数量的汽车连杆，用钛合金所占用的设备是钢的两倍，且由于切削阻力大，使工具寿命降低，这些因素使得投资成本大大提高。为改善钛合金的机加工性能，从而降低其制造成本，美国Daido公司与日本Honda 公司联合开发出一种“易于机加工”钛合金；Ti-3Al-2. 5V +硫化稀土。这种钛合金的可