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

性优于大多数不锈钢。由于合金可以调整成分、改变组织，因而钛合金在多数情况下具有比纯钛更好的耐蚀性和其他性能，更能在某些苛刻的腐蚀环境中工作。

2.3 钛合金的加工性能

2.3.1 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，所以刀具切削刃承受的应力更大，刀尖或切削刃容易磨损。钛合金摩擦因数大，而热导率低，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。钛合金在切削加工中，工件材料极易与刀具表面粘结，加上很高的切削温度，所以刀具易产生扩散磨损和粘结磨损。

2.3.2 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。砂轮磨损的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。另外，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。

2.3.3 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[4,5]。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。

3 钛合金的应用

3.1 在航空航天中的应用

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。该应用主要是利用了钛合金优异的综合力学性能、低密度已及良好的耐蚀性，比如航

空构架要求高抗拉强度并结合有良好的疲劳强度和断裂韧性。而钛合金的优异的高温抗拉强度、蠕变强度和高温稳定性也使之被应用于喷气式发动机上。钛合金是当代飞机和发动机的主要结构材料之一, 应用它可以减轻飞机的重量, 提高结构效率[6~8]。

太空飞行器的有效载荷相对飞机较小，因此其结构的减重就显得更为重要。钛合金已在最早的阿波罗和水星计划中得到了应用，燃料箱和卫星舱体等都是钛合金的典型应用。钛合金质量轻、强度高、与燃料的长期化学稳定性好，因而比高强度钢更有优势。如Ti-3Al-2.5V合金[9]是作为低温应用而研制的，在太空的深冷条件下仍有良好的韧性和塑性。

3.2 在汽车制造中的应用

汽车工业是一个潜力巨大的钛制品市场，多年来发展缓慢，主要是因为钛合金产品价格太高。近年来钛合金技术的改进和发展，使得很多钛制品的生产成本逐年降低。在当前的汽车市场上，豪华轿车、跑车和赛车需求逐年增加，可望促进钛用量的增长[10,11]。

钛及其合金可用做发动机阀门、轴承座、阀簧、连杆以及半轴、螺栓、紧固件、悬簧和排气系统元件等。在轿车中使用钛，可达到节油、降低发动机噪声及振动、提高寿命的作用。目前，新的低成本原料、合金体系的开发与设计和先进的粉末冶金成形技术结合可望使钛大量进入汽车制造业。

3.3 在生物医药中的应用

钛合金具有高强度、低密度、无毒性以及良好的生物相容性和耐蚀性等特性，已被广泛用于医学领域中，成为人工关节、骨创伤、脊柱矫形内固定系统、牙种植体、人工心脏瓣膜、介入性心血管支架、手术器械等医用产品的首选材料[12~14]。在用于人体硬组织修复的金属材料中，钛的弹性模量与人体组织最接近，约为80~110GPa,这可以减轻金属种植体与骨组织之间的机械不适应性。

鉴于钛合金在医学领域优良的使用效果，人们对其也越来越重视。随着医疗事业的不断发展，钛作为已知生物学性能最好的金属材料，其医用领域的市场需求将不断扩大，应用前景广阔。

3.4 其他方面的应用

钛合金凭借其优异的性能，在运动器械上，如自行车、摩托艇、网球拍和马具上都获得了广泛的应用，但影响最大的还是高尔夫球头。钛合金密度小、强度高，与不锈钢相比，它可以制作打击面与容积更大的球头，因此它打得准、打得