钛合金的加工与应用

钛合金的加工与应用

[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。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。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。

[关键词]钛合金，加工性能，应用领域

钛是一种化学元素，化学符号Ti，原子序数22，在化学元素周期表中位于第4周期、第IVB 族。是一种银白色的过渡金属，其特征为重量轻、强度高、具金属光泽，耐湿氯气腐蚀。钛被认为是一种稀有金属，这是由于在自然界中其存在分散并难于提取。但其相对丰富，在所有元素中居第十位。钛的矿石主要有钛铁矿及金红石，广布于地壳及岩石圈之中。钛亦同时存在于几乎所有生物、岩石、水体及土壤中。从主要矿石中萃取出钛需要用到克罗尔法或亨特法。钛最常见的化合物是二氧化钛，可用于制造白色颜料。其他化合物还包括四氯化钛(TiCl4)（作催化剂和用于制造烟幕作空中掩护）及三氯化钛（TiCl3)（用于催化聚丙烯的生产）。钛合金的结构原理

钛合金是以钛为基础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。

钛合金的品质特性

钛合金具有许多优良的品质特性，主要有如下几方面：

(1)比强度高

钛合金的密度一般在4.5g/cm3左右，仅为钢的60％，纯钛的强度才接近普通钢的强度，一些高强度钛合金超过了许多合金结构钢的强度。因此钛合金的比强度(强度/密度)远大于其他金属结构材料，可制出单位强度高、刚性好、质轻的零、部件。目前飞机的发动机构件、骨架、蒙皮、紧固件及起落架等都使用钛合金。

(2)热强度高

使用温度比铝合金高几百度，在中等温度下仍能保持所要求的强度,可在450～500℃的温度下长期工作这两类钛合金在150℃～500℃范围内仍有很高的比强度，而铝合金在150℃时比强度明显下降。钛合金的工作温度可达500℃，铝合金则在200℃以下。

(3)抗蚀性好

钛合金在潮湿的大气和海水介质中工作，其抗蚀性远优于不锈钢；对点蚀、酸蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强；对碱、氯化物、氯的有机物品、硝酸、硫酸等有优良的抗腐蚀能力。但钛对具有还原性氧及铬盐介质的抗蚀性差。

(4)低温性能好

钛合金在低温和超低温下，仍能保持其力学性能。低温性能好,间隙元素极低的钛合金,如TA7,在-253℃下还能保持一定的塑性。因此，钛合金也是一种重要的低温结构材料。

(5)化学活性大

钛的化学活性大，与大气中O、N、H、CO、CO2、水蒸气、氨气等产生强烈的化学反应。含碳量大于0.2％时，会在钛合金中形成硬质TiC；温度较高时，与N作用也会形成TiN 硬质表层；在600℃以上时，钛吸收氧形成硬度很高的硬化层；氢含量上升，也会形成脆化层。吸收气体而产生的硬脆表层深度可达0.1～0.15 mm，硬化程度为20％～30％。钛的化学亲和性也大，易与摩擦表面产生粘附现象。

(6)导热系数小、弹性模量小

钛的导热系数λ=15.24W/（m.K）约为镍的1/4，铁的1/5，铝的1/14，而各种钛合金的导热系数比钛的导热系数约下降50％。钛合金的弹性模量约为钢的1/2，故其刚性差、易变形，不宜制作细长杆和薄壁件，切削时加工表面的回弹量很大，约为不锈钢的2～3倍，造成刀具后刀面的剧烈摩擦、粘附、粘结磨损。

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，导致砂轮磨损加剧，磨削性能降低，磨削精度不易保证。砂轮磨损同时也增大了砂轮与工件之间的接触面积，致使散热条件恶化，磨削区温度急剧升高，在磨削表面层形成较大的热应力，造成工件的局部烧伤，产生磨削裂纹。钛合金强度高、韧性大，使磨削时磨屑不易分离、磨削力增大、磨削功耗相应增加。钛合金热导率低、比热小、磨削时热传导慢，致使热量积聚在磨削弧区，造成磨削区温度急剧升高。

3.挤压加工性能

对钛及钛合金进行挤压加工时，要求挤压温度高，挤压速度快，以防温降过快，同时应尽量缩短高\温坯锭与模具的接触时间。因此挤压模具应选用新型耐热模具材料，坯锭由加热炉到挤压筒的输送速度也要快。鉴于在加热和挤压过程中金属易被气体污染，故还应采用适当的保护措施。挤压时应选择合适的润滑剂，以防粘结模具，如采用包套挤压和玻璃润滑挤压。因钛及钛合金的变形热效应较大，导热性较差，故在挤压变形时还要特别注意防止过热现象。钛合金的挤压过程比铝合金、铜合金、甚至钢的挤压过程更为复杂，这是由钛合金特殊物理化学性能所决定的。钛合金在常规热反挤成形时，模具温度低，与模具接触的坯料表面温度迅速下降，而坯料内部因变形热而温度升高。由于钛合金热导率低，表层温度下降后，内层坯料热量不能及时传输到表层补充，会出现表面硬化层，而使得变形难以继续进行。同时，表层与内层会产生很大的温度梯度，即使能成形，也容易造成变形和组织不均匀。

4.锻压加工性能

钛合金对锻造工艺参数非常敏感，锻造温度、变形量、变形及冷却速度的改变都会引起钛合金组织性能的变化。为更好地控制锻件的组织性能，近几年，热模锻造、等温锻造等先进的

锻造技术在钛合金的锻造生产中得到了广泛应用。钛合金的塑性随温度升高而增大，在1000—1200℃温度范围内，塑性达到最大值，允许变形程度达70%—80%。钛合金锻造温度范围较窄，应严格按(α+β)/β转变温度进行掌握(铸锭开坯除外)，否则β晶粒会剧烈长大，降低室温塑性；α钛合金通常在(α+β)两相区锻造，因(α+β)/β相变线以上锻造温度过高，将导致β脆相，β钛合金其始锻和终锻都必须高于(α+β)/β转变温度。钛合金的变形抗力随变形速度的增加提高较快，锻造温度对钛合金变形抗力影响更大，因此常规锻造必须在锻模内冷却最少的情况下完成。间隙元素(如O、N、C)的含量对钛合金的锻造性也有显著影响。

5.铸造工艺性能

由于钛和钛合金的化学活性高，易与空气中的N、O、N发生剧烈化学反应，且易与铸造中常用的耐火材料发生化学反应。钛和钛合金的铸造，特别是熔模精铸要比铝和钢的熔模精铸难度大得多，需借助特殊手段才能实现。铸钛发展初期，由于铸造工艺的发展落后于压力加工工艺，因此，先选用已有一定变形的中强钛合金，如TiΟ6AlΟ4V，TiΟ5AlΟ2.5Sn等作为铸造合金材料。这些合金至今还在广泛应用。但随着铸钛工艺的发展和应用领域对铸造钛合金各方面性能要求的提高，以及铸件结构复杂程度的加大，过去那种认为“所有的变形钛合金都适合用作铸造合金”的论点应加以修正。随着合金使用温度和工作强度的提高，合金中所添加元素的数量和加入量也相应增加，但同时必须考虑到合金的铸造性能、流动性凝固区间结晶组织、力学性能等等，即合金的化学成分必须根据铸造工艺的要求进行调整。

四、钛合金的具体应用

1.钛合金在航空业中的应用

1. 阻燃钛合金闪亮登场

为了避免"钛火"，俄罗斯曾研制了含Cu高量的BTT-1和BTT-3阻燃钛合金，但由于其力学性能和熔铸性能差而未能工程化。美国发明的Alloyc（Ti-35V-15Cr）阻燃钛合金近期已成功地应用于F119发动机（F/A-22战斗机的动力装置）的高压压气机机匣、导向叶片和矢量尾喷管。这是高温钛合金领域的最新亮点，也是钛发展史中第一个进驻航空发动机的β型钛合金和阻燃钛合金。Alloyc的阻燃原理有三：其一，国外和一航材料院的研究结果表明，在转子零件与静子零件相对摩擦而升温时，低熔点（675℃）的V205的首先熔化起到了吸热、润滑和降低氧化膜内应力的作用；其二，西北有色院的试验表明，Alloyc的导热系数远高于普通钛合金；其三，北京有色院利用CALPHAD技术计算得到的结果表明，该合金成分设计符合"绝热燃烧温度"尽可能低的要求。西北有色院、一航材料院等联合研制的低成本阻燃钛合金Ti-40已研制出机匣并装机，等待试车。利用渗金属技术形成表面阻燃合金是另一条成本更低的技术途径。

2. 钛基复合材料初见曙光

世界各国为钛基复合材料（TMC）的工程化已奋斗很多年，近期终于在F119发动机上获得了应用，即选用SiC纤维Ti-6242S复合材料制成矢量喷管驱动器活塞。不久前，荷兰飞机起落架开发公司SP航宇公司又宣称，荷兰皇家空军试飞了装有钛基复合材料主起落架下部后撑杆的F-16。与原用的300M钢相比，新材料可减重40％，成本也已接近战斗机设计认可的指标，因此洛克希德·马丁公司也打算在F-35联合攻击机上采用这种ＴＭＣ材料制造起落架零件。据称用TMC取代Ti-6Al-4V合金制造的空心宽弦风扇叶片，其成本更低。

3. 纤维/钛层板崭露头角

层间混合材料（如图３所示）因其比强度和疲劳寿命远高于单金属材料且成本远低于纤维增强的复合材料，已引起人们的广泛兴趣。从20世纪80年代以来该材料已经历了第一代ARALL（芳纶纤维铝合金层板）、第二代GLARE（玻璃纤维铝合金层板）、第三代CARE（碳纤维铝合金层板）到第四代TiGr（石墨纤维钛合金层板）的发展过程。

一航材料院研制的ARALL已用于我国歼八Ⅱ的方向舵上，解决了原铝合金方向舵铆钉孔

处裂纹扩展的问题。GLARE已大面积地用于A380机身壁板和尾翼上，而TiGr则用于制造B7E7的机翼和机身蒙皮。TiGr还可用于蜂窝夹层的面板。实践表明，自动铺放的TiGr层板的性能优于手工铺叠的TiGr层板。CARE因很难解决碳纤维与铝合金之间的接触腐蚀问题，迄今无商业化产品。而TiGr既无电化学腐蚀问题，又可进一步提高综合性能（特别是比强度和高温性能）。

4. 超塑性钛合金独树一帜

超塑性成形、等温锻造、近等温锻造等先进工艺技术所具有的优越性促进了自身的发展。然而，锻造成形温度过高带来的模具制造、加热费用昂贵问题，影响了产品成本的进一步降低和工艺技术进一步的扩大应用。据此，日本推出了SP700（Ti-4.5Al-3v-2Fe-1Mo）合金。这是第一个以SP（超塑的英文缩写）为牌号的钛合金。与Ti-6Al-4V相比，其等温锻造或超塑成形的温度降低了120℃（即从900℃降至780℃），最佳超塑条件下的延伸率提高一倍（即从1000％增至2000％）。SP700还具有优于Ti-6Al-4V的综合力学性能、热处理淬透性和冷加工性。SP700呈现上述优越特性的重要原因之一是在同样工艺条件下SP700能获得更细于Ti-6Al-4V的晶粒尺寸（分别为2um和5um）。正缘于此，SP700当前已作为一种新型工程合金用于制造高尔夫球头等体育用品和活动扳手等工具，而且已引起各国航空界的密切关注，正在考虑应用于飞机及发动机零件的可能性。

5. 特大整体结构件锻造工艺余音绕梁

为了提高结构效率、减轻结构重量、缩短生产周期和降低生产成本，结构整体化是先进飞机的重要发展方向。F/A-22的机身隔框就采用了整体结构，这就需要提供前所未有的特大规格的钛合金模锻件，从而显著增加了充填成型和组织控制方面的困难。F/A22的中机身有4个很大的Ti-6Al-4V整体式隔框，其中最大的"583"隔框锻件重2770kg，投影面积5.53ｍ２，是迄今为止最大的航空用钛合金锻件。F/A－２２后机身的一个发动机舱的隔框也很大。魏曼戈登公司在４5000ｔ水压机上生产了该隔框模锻件，锻件长3.8ｍ，宽1.7ｍ，投影面积5.2ｍ２，重1590kg。按通常的Ti-6Al-4V合金的模锻变形抗力来计算，这么大投影面积的锻件是不可能模锻出来的。已知的情况表明，该公司采用以下三大关键技术确保特大钛合金锻件的形状尺寸和组织性能：一是采用优良的润滑剂以降低变形抗力；二是采用计算机有限元方法模拟模锻时金属流变、充填情况以确定可保证最终形状尺寸的工艺（包括模具和预制坯的设计方案）；三是搞好全过程（从开坯至最终模锻）的工艺设计以确保最终锻件的组织性能。虽然我们可以从中粗略地感觉到这首"协奏曲"的美妙之处，但仍不能完全理解在45000t 水压机上能模锻出如此大规格锻件的理由，还得细细品味其绕梁的余音以探究存在其他"奥妙之处"的可能性。

6. 金属型精铸工艺重开天日

很早以前，人们就否定了金属型（长久性铸型）用于钛合金铸造的可能性。然而，美国普·惠公司近期的实践表明，金属型不仅适用于钛合金铸造，而且与陶瓷型（熔模）相比，可以降低40％成本，减少污染，获得拉伸强度、疲劳强度更好的钛合金精铸件，甚至可以和钛合金锻件的性能相媲美。普·惠公司已应用金属型精铸技术制造了F119发动机的第4、5级高压压气机阻燃钛合金导流叶片。该公司还打算探索金属型精铸工艺用于制造转子叶片（含风扇叶片）的可能性。

7. 大型整体结构件精铸工艺方兴未艾

航空用钛合金领域近期工程化发展中最耀眼的"亮点"当属大型整体结构件熔模精铸工艺。美国和我国一些先进发动机都用该工艺制造了整体机匣。更引人注目的是，由Ti-6Al-4V 合金制造的F/A22垂尾方向舵作动筒支座等6个大型整体结构件和V22倾转旋翼飞机的转接座都采用了该新型精铸工艺。以V-22转接座为例，原来由43个零件和536个紧固件装配而成。改为整体精铸件后则由3个零件和32个紧固件装配而成，既显著缩短了生产周期（加

工和安装时间减少62％）和减轻了结构重量，又降低成30％。F/A22上最大的两个整体精铸件是机翼与机身侧边连接的两个Ti-6Al-4V接头（加工后成品重量分别为87kg和58kg）。如此关键的零件都敢选用铸件主要靠关键技术及其显著的效果。三大关键技术：一是高水平和准确的计算机模拟技术，二是热等静压技术（包括大型装备），三是新型的β热处理技术。显著的效果是往往能一次成功地研制出形状尺寸、组织性能、冶金质量均获得精确控制的大型复杂精铸件，其许用应力和安全可靠性可等同于锻件。

2.钛合金在船舶业中的应用

钛合金用于舰船工业始于上世纪60年代，目前美国、俄罗斯、日本、中国、英国、法国和德国等国家均有广泛应用。

1.国外船舶用钛情况

俄罗斯在船用钛合金的研究和实际应用方面是全世界最先进的，拥有专门的船用钛合金体系，已形成系列强度级别的船用钛合金产品。有船体用钛合金ПТ-1М，船机用ПТ-7М，动力装置用钛合金ОТ4-1В和ПТ-3В等，强度级别（σb ）分别为490MPa、585MPa、700MPa、835MPa。

美国对舰船用钛合金也进行了大量的工程研究，成功地将钛用于各种动力的潜艇、水面艇、民用船的耐压壳体、海水管路系统、冷凝器和热交

换器、排风扇的叶片、推进器、弹簧以及消防设备。

日本船用钛合金主要有纯钛、Ti-6Al-4V （ELI）等，应用于民用渔船、深潜器的耐压壳体等。1981年开始的系列深海潜水调查船“深海2000”、“深海4000”、“深海6500”的外壳骨架、均压容器、配管等采用了钛合金，目的是为了增加下潜深度。

2．中国船舶用钛情况

我国船用钛合金的研究与应用始于60年代，几乎与国外同步发展。几十年来，船用钛合金的研究及应用水平有了很大提高，已经形成了较完整的船用钛合金系列包括635MPa、685MPa、730MPa、785MPa强度级别的合金。“蛟龙号”深潜器的耐压壳体就是TC4钛合金。但与国外相比, 我国船用钛合金的应用还有较大的差距：应用部位少、用量少，国外用钛达到13%，我国仅在一些零星部件上应用，比例不足1%。品种、规格不完善，我国之前钛材在专业化工厂生产，受装备能力限制，生产的品种、规格有限，“蛟龙号”所需的钛合金也只能从俄罗斯进口。加工与制造技术也相对落后。涉及到钛合金的材料规格有: 铸件、锻件、板材、棒材、管材、丝材; 涉及到的钛合金制备工艺有: 铸造工艺、锻造工艺、焊接工艺、冷成型工艺、热成型工艺、热处理工艺、机械加工工艺、表面处理工艺、异种金属绝缘处理工艺等。

五、结论

综上所述，钛合金因其优良的性能在航空航天和其他领域有着广泛的应用前景，但也受其加工效率和生产成本的制约。钛的冶炼技术一旦有所突破，其价格也将明显降低。随着钛合金的开发研制、钛材品种的增多及价格的降低，钛在民用工业中的应用将成倍增加，特别是在造船、汽车制造、化工、电子、海洋开发、海水淡化、地热发电、排污防腐等民用领域将获得广泛的应用。与此同时，市场的需求也将加速钛工业与钛材加工技术的发展。

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