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      1. 專題 | 鈦合金的發展及應用
        2019-09-19 14:01:17 作者:本網整理 來源:《腐蝕與防護之友》 分享至:

        鈦是20 世紀50 年代發展起來的一種重要的結構金屬,鈦合金因具有強度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點而被廣泛用于各個領域。世界上許多國家都認識到鈦合金材料的重要性,相繼對其進行研究開發,并得到了實際應用。


        第一個實用的鈦合金是1954 年美國研制成功的Ti-6Al-4V 合金, 由于它的耐熱性、強度、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50 ~ 60 年代,主要是發展航空發動機用的高溫鈦合金和機體用的結構鈦合金,70 年代開發出一批耐蝕鈦合金,80 年代以來,耐蝕鈦合金和高強鈦合金得到進一步發展。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,使鈦在發動機的使用部位正由發動機的冷端(風扇和壓氣機)向發動機的熱端(渦輪)方向推進。結構鈦合金向高強、高塑、高強高韌、高模量和高損傷容限方向發展。

        另外,20 世紀70 年代以來,還出現了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用。

        世界上已研制出的鈦合金有數百種, 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民經濟各部門,它是火箭、導彈和航天飛機不可缺少的材料。船舶、化工、電子器件和通訊設備以及若干輕工業部門中都需要大量應用鈦合金。

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        鈦合金特性

        強度高, 鈦合金的密度一般在4.51g/cm3 左右, 僅為鋼的60%, 純鈦的強度才接近普通鋼的強度,一些高強度鈦合金超過了許多合金結構鋼的強度。因此鈦合金的比強度( 強度/ 密度)遠大于其他金屬結構材料,可制出單位強度高、剛性好、質輕的零、部件。目前飛機的發動機構件、骨架、蒙皮、緊固件及起落架等都使用鈦合金。

        熱強度高, 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度, 可在450 ~ 500℃的溫度下長期工作這兩類鈦合金在150℃~ 500℃范圍內仍有很高的比強度,而鋁合金在150℃時比強度明顯下降。鈦合金的工作溫度可達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中工作,其抗蝕性遠優于不銹鋼;對點蝕、酸蝕、應力腐蝕的抵抗力特別強;對堿、氯化物、氯的有機物品、硝酸、硫酸等有優良的抗腐蝕能力。但鈦對具有還原性氧及鉻鹽介質的抗蝕性差。

        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構材料。

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

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

        導熱系數小、彈性模量小, 鈦的導熱系數λ=15.24W/(m.K)約為鎳的1/4,鐵的1/5,鋁的1/14,而各種鈦合金的導熱系數比鈦的導熱系數約下降50%。鈦合金的彈性模量約為鋼的1/2,故其剛性差、易變形,不宜制作細長桿和薄壁件,切削時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、粘結磨損。

        鈦合金的主要用途
         
        1、在航空航天領域中,鈦合金主  要用于制作飛機發動機壓氣機部件,其次為火箭、導彈和高速飛機的結構件。

        以前用鈦大國集中在西方國家,尤其是美國,60% 的鈦材都應用到這個領域。

        亞洲國家,日本和中國在此領域中鈦的投入量均在10% 左右。但是近年來隨著亞洲航空航天的飛速發展,鈦在航空航天領域的消費量將會隨之增長。從全球角度來看,航空業對鈦市場起著決定性的作用,從歷史上看,鈦行業大的周期輪回都和航空業的冷暖密切相關。

        2、民用飛機
         
        (1) 減輕結構重量、提高結構效率;(2) 符合高溫部位的使用要求;(3) 符合與復合材料結構相匹配的要求;(4) 符合高抗蝕性和長壽命的要求;
         
        3、軍事飛機
         
        軍用武器的開發與采購不斷向著輕便、靈活方向發展,為了滿足戰斗機對戰斗性能要求,除了采用先進的設計技術外,還必須采用額性能優良的材料以及先進的工藝制造技術。大量選用鈦合金、提高先進鈦合金應用水平就是重要措施之一。

        自20 世紀60 年代以來,國外軍用飛機的鈦量逐年增加,當前歐美設計的各種先進軍用戰斗機和轟炸機中鈦合金用量已經穩定在20% 以上,并且新機型的用鈦量占比正在大幅提升。

        4、汽車
         
        降低燃油消耗、減少有害廢棄物(CO2、NOX 等)排放已經成為汽車行業技術進步的主要動力和方向之一。研究表明,輕量化是實現節省燃料、減少污染的有效措施。汽車的質量每降低10%,燃料消耗可節省8%-10%,廢氣排放可減少10%。

        在駕駛方面,汽車輕量化后加速性能提高,車輛控制穩定性、噪音、振動方面也都有改善。從碰撞安全性考慮,汽車輕量化后,碰撞時慣性小,制動距離減少。

        汽車輕量化的首選途徑就是用高比強度的輕質材料,如鋁、鎂、鈦等替代傳統的汽車材料(鋼鐵)。2009 年全球汽車用鈦量已達3000 噸。鈦在賽車上的應用已有許多年的歷史目前賽車幾乎都使用了鈦材,日本汽車用鈦已超過600 噸,隨著全球汽車工業的發展,汽車用鈦還在快速增加。

        5、醫療行業
         
        鈦在醫療領域有著廣泛的應用。鈦與人體骨骼接近,對人體組織具有良好的生物相容性、無毒副作用。人體植入物是與人的生命和健康密切相關的特殊的功能材料。同其它金屬材料相比較,使用鈦及鈦合金的優勢主要有以下幾點:(1)質輕;(2)彈性模量低;(3)無磁性;(4) 無毒性;(5) 抗腐蝕性;(6)強度高、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。采用鈦及鈦合金制造的股骨頭、髖關節、肱骨、顱骨、膝關節、肘關節、肩關節、掌指關節、頜骨以及心辨膜、腎辨膜、血管擴張器、夾板、假體、緊固螺釘等上百種金屬件移植到人體中,取得了良好的效果,被醫學界給予了很高的評價。

        6、化工行業
         
        鈦具有優良的耐腐蝕性能、力學性能和工藝性能,被廣泛應用于國民經濟許多部門。特別是在化工生產中,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。這對增加產量,提高產品質量,延長設備使用壽命,減少消耗,降低能耗,降低成本,防止污染,改善勞動條件和提高勞動生產率等方面都有十分重要的意義。

        7、海洋工程
         
        隨著科學技術的發展和陸地資源日趨枯竭,人類開發利用海洋已經提到日程上來了。鈦對于海水有優異的耐蝕性能,大量運用于海水淡化、艦船、海洋熱能開發和海底資源開采等領域。

        8、日常生活
         
        鈦在日常生活中的應用非常廣泛,可謂無處不在,例如高爾夫球頭、自行車車架、網球拍、輪椅、眼鏡架等都會應用到鈦。

        鈦以其輕質、強度高的特性在體育用品中的應用,從最早的網球拍、羽毛球拍逐步擴展到了高爾夫球頭、球桿以及賽車等。

        2008 年我國體育休閑占總消費量的13%,其中僅高爾夫球頭和球桿的用鈦量就超過了1000 噸。鈦合金做成的自行車車架也頗受歡迎,目前有近50 價公司生產鈦自行車,美國早已是最大的鈦自行車生產商和消費國。

        鈦輕質的特點也應用到眼鏡架中,而且鈦又不易與皮膚發生過敏,并且鈦表面經陽極處理可有絢麗色彩,因此從20 世紀80 年代初就開始應用于鏡架中。  

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