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專題 | 鈦合金的發(fā)展及應(yīng)用

2019-09-19 14:01:17 作者：本網(wǎng)整理來(lái)源：《腐蝕與防護(hù)之友》分享至：

鈦是20 世紀(jì)50 年代發(fā)展起來(lái)的一種重要的結(jié)構(gòu)金屬，鈦合金因具有強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點(diǎn)而被廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域。世界上許多國(guó)家都認(rèn)識(shí)到鈦合金材料的重要性，相繼對(duì)其進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)，并得到了實(shí)際應(yīng)用。

第一個(gè)實(shí)用的鈦合金是1954 年美國(guó)研制成功的Ti-6Al-4V 合金，由于它的耐熱性、強(qiáng)度、塑性、韌性、成形性、可焊性、耐蝕性和生物相容性均較好，而成為鈦合金工業(yè)中的王牌合金，該合金使用量已占全部鈦合金的75% ～ 85%。其他許多鈦合金都可以看作是Ti-6Al-4V 合金的改型。

20 世紀(jì)50 ～ 60 年代，主要是發(fā)展航空發(fā)動(dòng)機(jī)用的高溫鈦合金和機(jī)體用的結(jié)構(gòu)鈦合金，70 年代開(kāi)發(fā)出一批耐蝕鈦合金，80 年代以來(lái)，耐蝕鈦合金和高強(qiáng)鈦合金得到進(jìn)一步發(fā)展。耐熱鈦合金的使用溫度已從50 年代的400℃提高到90 年代的600 ～ 650 ℃。A2（Ti3Al）和r（TiAl）基合金的出現(xiàn)，使鈦在發(fā)動(dòng)機(jī)的使用部位正由發(fā)動(dòng)機(jī)的冷端（風(fēng)扇和壓氣機(jī)）向發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端（渦輪）方向推進(jìn)。結(jié)構(gòu)鈦合金向高強(qiáng)、高塑、高強(qiáng)高韌、高模量和高損傷容限方向發(fā)展。

另外，20 世紀(jì)70 年代以來(lái)，還出現(xiàn)了Ti-Ni、Ti-Ni-Fe、Ti-Ni-Nb 等形狀記憶合金，并在工程上獲得日益廣泛的應(yīng)用。

世界上已研制出的鈦合金有數(shù)百種，最著名的合金有20 ～ 30 種，如Ti-6Al-4V、Ti-5Al-2.5Sn、Ti-2Al-2.5Zr、Ti-32Mo、Ti-Mo-Ni、Ti-Pd、SP-700、Ti-6242、Ti-10-5-3、Ti-1023、BT9、BT20、IMI829、IMI834 等。

目前，鈦合金已廣泛用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)，它是火箭、導(dǎo)彈和航天飛機(jī)不可缺少的材料。船舶、化工、電子器件和通訊設(shè)備以及若干輕工業(yè)部門(mén)中都需要大量應(yīng)用鈦合金。

鈦合金特性

強(qiáng)度高，鈦合金的密度一般在4.51g/cm3 左右，僅為鋼的60%，純鈦的強(qiáng)度才接近普通鋼的強(qiáng)度，一些高強(qiáng)度鈦合金超過(guò)了許多合金結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度。因此鈦合金的比強(qiáng)度（強(qiáng)度/ 密度）遠(yuǎn)大于其他金屬結(jié)構(gòu)材料，可制出單位強(qiáng)度高、剛性好、質(zhì)輕的零、部件。目前飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件、骨架、蒙皮、緊固件及起落架等都使用鈦合金。

熱強(qiáng)度高，使用溫度比鋁合金高幾百度，在中等溫度下仍能保持所要求的強(qiáng)度，可在450 ～ 500℃的溫度下長(zhǎng)期工作這兩類鈦合金在150℃～ 500℃范圍內(nèi)仍有很高的比強(qiáng)度，而鋁合金在150℃時(shí)比強(qiáng)度明顯下降。鈦合金的工作溫度可達(dá)500℃，鋁合金則在200℃以下。

抗蝕性好，鈦合金在潮濕的大氣和海水介質(zhì)中工作，其抗蝕性遠(yuǎn)優(yōu)于不銹鋼；對(duì)點(diǎn)蝕、酸蝕、應(yīng)力腐蝕的抵抗力特別強(qiáng)；對(duì)堿、氯化物、氯的有機(jī)物品、硝酸、硫酸等有優(yōu)良的抗腐蝕能力。但鈦對(duì)具有還原性氧及鉻鹽介質(zhì)的抗蝕性差。

低溫性能好，鈦合金在低溫和超低溫下，仍能保持其力學(xué)性能。低溫性能好，間隙元素極低的鈦合金，如TA7,在-253℃下還能保持一定的塑性。因此，鈦合金也是一種重要的低溫結(jié)構(gòu)材料。

化學(xué)活性大，鈦的化學(xué)活性大，與大氣中O、N、H、CO、CO2、水蒸氣、氨氣等產(chǎn)生強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)。含碳量大于0.2% 時(shí)，會(huì)在鈦合金中形成硬質(zhì)TiC；溫度較高時(shí)，與N 作用也會(huì)形成TiN 硬質(zhì)表層；在600℃以上時(shí)，鈦吸收氧形成硬度很高的硬化層；氫含量上升，也會(huì)形成脆化層。

吸收氣體而產(chǎn)生的硬脆表層深度可達(dá)0.1 ～ 0.15mm，硬化程度為20% ～ 30%。鈦的化學(xué)親和性也大，易與摩擦表面產(chǎn)生粘附現(xiàn)象。

導(dǎo)熱系數(shù)小、彈性模量小，鈦的導(dǎo)熱系數(shù)λ=15.24W/（m.K）約為鎳的1/4，鐵的1/5，鋁的1/14，而各種鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)比鈦的導(dǎo)熱系數(shù)約下降50%。鈦合金的彈性模量約為鋼的1/2，故其剛性差、易變形，不宜制作細(xì)長(zhǎng)桿和薄壁件，切削時(shí)加工表面的回彈量很大，約為不銹鋼的2 ～ 3 倍，造成刀具后刀面的劇烈摩擦、粘附、粘結(jié)磨損。

鈦合金的主要用途

1、在航空航天領(lǐng)域中，鈦合金主要用于制作飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)部件，其次為火箭、導(dǎo)彈和高速飛機(jī)的結(jié)構(gòu)件。

以前用鈦大國(guó)集中在西方國(guó)家，尤其是美國(guó)，60% 的鈦材都應(yīng)用到這個(gè)領(lǐng)域。

亞洲國(guó)家，日本和中國(guó)在此領(lǐng)域中鈦的投入量均在10% 左右。但是近年來(lái)隨著亞洲航空航天的飛速發(fā)展，鈦在航空航天領(lǐng)域的消費(fèi)量將會(huì)隨之增長(zhǎng)。從全球角度來(lái)看，航空業(yè)對(duì)鈦市場(chǎng)起著決定性的作用，從歷史上看，鈦行業(yè)大的周期輪回都和航空業(yè)的冷暖密切相關(guān)。

2、民用飛機(jī)

（1）減輕結(jié)構(gòu)重量、提高結(jié)構(gòu)效率；（2）符合高溫部位的使用要求；（3）符合與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)相匹配的要求；（4）符合高抗蝕性和長(zhǎng)壽命的要求；

3、軍事飛機(jī)

軍用武器的開(kāi)發(fā)與采購(gòu)不斷向著輕便、靈活方向發(fā)展，為了滿足戰(zhàn)斗機(jī)對(duì)戰(zhàn)斗性能要求，除了采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)外，還必須采用額性能優(yōu)良的材料以及先進(jìn)的工藝制造技術(shù)。大量選用鈦合金、提高先進(jìn)鈦合金應(yīng)用水平就是重要措施之一。

自20 世紀(jì)60 年代以來(lái)，國(guó)外軍用飛機(jī)的鈦量逐年增加，當(dāng)前歐美設(shè)計(jì)的各種先進(jìn)軍用戰(zhàn)斗機(jī)和轟炸機(jī)中鈦合金用量已經(jīng)穩(wěn)定在20% 以上，并且新機(jī)型的用鈦量占比正在大幅提升。

4、汽車(chē)

降低燃油消耗、減少有害廢棄物（CO2、NOX 等）排放已經(jīng)成為汽車(chē)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步的主要?jiǎng)恿头较蛑弧Ｑ芯勘砻鳎p量化是實(shí)現(xiàn)節(jié)省燃料、減少污染的有效措施。汽車(chē)的質(zhì)量每降低10%，燃料消耗可節(jié)省8%-10%，廢氣排放可減少10%。

在駕駛方面，汽車(chē)輕量化后加速性能提高，車(chē)輛控制穩(wěn)定性、噪音、振動(dòng)方面也都有改善。從碰撞安全性考慮，汽車(chē)輕量化后，碰撞時(shí)慣性小，制動(dòng)距離減少。

汽車(chē)輕量化的首選途徑就是用高比強(qiáng)度的輕質(zhì)材料，如鋁、鎂、鈦等替代傳統(tǒng)的汽車(chē)材料（鋼鐵）。2009 年全球汽車(chē)用鈦量已達(dá)3000 噸。鈦在賽車(chē)上的應(yīng)用已有許多年的歷史目前賽車(chē)幾乎都使用了鈦材，日本汽車(chē)用鈦已超過(guò)600 噸，隨著全球汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，汽車(chē)用鈦還在快速增加。

5、醫(yī)療行業(yè)

鈦在醫(yī)療領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。鈦與人體骨骼接近，對(duì)人體組織具有良好的生物相容性、無(wú)毒副作用。人體植入物是與人的生命和健康密切相關(guān)的特殊的功能材料。同其它金屬材料相比較，使用鈦及鈦合金的優(yōu)勢(shì)主要有以下幾點(diǎn)：（1）質(zhì)輕；（2）彈性模量低；（3）無(wú)磁性；（4）無(wú)毒性；（5）抗腐蝕性；（6）強(qiáng)度高、韌性好。

外科植入物中的鈦合金用量正以每年5%-7% 的速度增長(zhǎng)。采用鈦及鈦合金制造的股骨頭、髖關(guān)節(jié)、肱骨、顱骨、膝關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、掌指關(guān)節(jié)、頜骨以及心辨膜、腎辨膜、血管擴(kuò)張器、夾板、假體、緊固螺釘?shù)壬习俜N金屬件移植到人體中，取得了良好的效果，被醫(yī)學(xué)界給予了很高的評(píng)價(jià)。

6、化工行業(yè)

鈦具有優(yōu)良的耐腐蝕性能、力學(xué)性能和工藝性能，被廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)許多部門(mén)。特別是在化工生產(chǎn)中，用鈦代替不銹鋼、鎳基合金和其它稀有金屬作為耐腐蝕材料。這對(duì)增加產(chǎn)量，提高產(chǎn)品質(zhì)量，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，減少消耗，降低能耗，降低成本，防止污染，改善勞動(dòng)條件和提高勞動(dòng)生產(chǎn)率等方面都有十分重要的意義。

7、海洋工程

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和陸地資源日趨枯竭，人類開(kāi)發(fā)利用海洋已經(jīng)提到日程上來(lái)了。鈦對(duì)于海水有優(yōu)異的耐蝕性能，大量運(yùn)用于海水淡化、艦船、海洋熱能開(kāi)發(fā)和海底資源開(kāi)采等領(lǐng)域。

8、日常生活

鈦在日常生活中的應(yīng)用非常廣泛，可謂無(wú)處不在，例如高爾夫球頭、自行車(chē)車(chē)架、網(wǎng)球拍、輪椅、眼鏡架等都會(huì)應(yīng)用到鈦。

鈦以其輕質(zhì)、強(qiáng)度高的特性在體育用品中的應(yīng)用，從最早的網(wǎng)球拍、羽毛球拍逐步擴(kuò)展到了高爾夫球頭、球桿以及賽車(chē)等。

2008 年我國(guó)體育休閑占總消費(fèi)量的13%，其中僅高爾夫球頭和球桿的用鈦量就超過(guò)了1000 噸。鈦合金做成的自行車(chē)車(chē)架也頗受歡迎，目前有近50 價(jià)公司生產(chǎn)鈦?zhàn)孕熊?chē)，美國(guó)早已是最大的鈦?zhàn)孕熊?chē)生產(chǎn)商和消費(fèi)國(guó)。

鈦輕質(zhì)的特點(diǎn)也應(yīng)用到眼鏡架中，而且鈦又不易與皮膚發(fā)生過(guò)敏，并且鈦表面經(jīng)陽(yáng)極處理可有絢麗色彩，因此從20 世紀(jì)80 年代初就開(kāi)始應(yīng)用于鏡架中。

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