（材料学专业论文）合金元素对颗粒增强ti基复合材料组织及性能的影响.pdf

j i l l lll ll lll p i i i f r l l f iii ii y 18 8 4 5 9 8 西华大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：、贺敢 指导教师签名： 日期：如i 、多歹 。 日期上汐，- 蘩疹表 西华大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，西 华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 学位论文作者签名：、畜旅 日期：2 o l i 参， 指导教师签名：张条才 日骟 z 口l f 、6 、罗 ( 西华大学硕士学位论文 摘要 本文研究并分析了t i 一1 6 f e 2 1 5 m o ( 1 6 a i - n d ) + 4 5 c r 3 c 2 颗粒增强钛基复合材料 的粉体和压坯制备及其烧结的工艺参数，制定其制备工艺为：粉体平均粒度控制在3 0 l am 左右2 5 0 m p a2 m i n 模压或2 5 0 m p a2 m i n 模压+ 3 0 0 m p a2 r a i n 冷等静压制备压坯， 1 3 5 0 真空烧结3 小时。用该工艺分别制备了不同c r 3 c 2 和f e 含量的烧结试样，讨论分 析了其性能测试和微观组织的试验结果，得到以下结论： 1 对t i 1 6 f e 2 1 5 m o ( 1 6 a 1 - n d ) 4 5c r 3 c 2 烧结试样进行x r d ，s e m 和能谱分析 表明，c r 3 c 2 加入到t i f e m o 一( n d a 1 ) 基体中，会发生c r 3 c 2 与t i 的反应，原位生成t i c 和t i c r 固溶体。 。 2 对于t i 1 6 f e 一2 1 5 m o 一( 1 6 a 1 n d ) xc r 3 c 2 ( x = 0 ，4 5 ，8 ，1 3 ) 合金，研究表明随着 c r 3 c 2 含量增加，其相对密度是呈先增大而后减小的趋势，含4 5 谢c r 3 c 2 时的相对密 度最高，达到9 8 2 6 ，其孔隙细小、分散和圆整。 3 对于t i 1 6 f e - 2 1 5 m o 一( 1 6 a 1 - n d ) xc r 3 c 2 ( x = 0 ，4 5 ，8 ，1 3 ) 合金，随着c r a c 2 含 量的增加，硬度呈不断上升的趋势，由0w t c r a c 2 的5 6 7 h r c 增加到1 3w t c r 3 c 2 的 5 8 2 h r c ；其抗弯强度则呈先上升而后下降的趋势，最大值出现在4 5 w t c r 3 c 2 时，达到 了1 9 1 3 m p a 。 4 对于t i 1 6 f e 2 1 5 m o 一( 1 6 a 1 n d ) ，随着c r 3 c 2 含量由0w t ，4 5w t ，8w t 增加 到1 3 叭，金相分析和s e m 形貌显示其相应的组织顺序：a + 1 3 双相的魏氏体_ 叶b 双 相上弥散分布着t i c 硬质颗粒的网篮组织- c 【+ b 双相上弥散分布着较多且弥散分布t i c 硬质颗粒，b 与初生a 互不相连的双态组织_ 单相b 上均匀弥散分布着粗大的t i c 颗粒。 s e m 断口形貌表明：4 5w t 的断裂方式为准解理断裂和解理断裂，存在舌状花样和韧 窝；8w t 和1 3w t 的断裂方式为延性断裂，后者的韧窝比前者大而深。 5 对于t i x f e 2 1 5 m o ( 1 6 a - n d ) + 4 5 c r 3 c 2 ( x = 1 6 ，2 2 ，2 8 ，3 4 ) ，其相对密度随 f e 含量增加而上升，含3 4w t f e 时达最大值9 9 5 8 ；硬度值则随f e 含量增加而下降； 抗弯强度是随f e 含量的增加呈先增加而后减小的趋势，模压+ 冷等静压压坯的烧结试样 含2 2 叭f e 的抗弯强度达到最大值3 0 5 0 m p a 。 6 对于t i x f e 一2 1 5 m o ( 1 6 a 1 一n d ) + 4 5 c r 3 c 2 ( x = 1 6 ，2 2 ，2 8 ，3 4 ) ，含1 6w t f e 、 2 2w t f e 和2 8 叭f e 的组织都是在a + b 双相组织基体上均匀、弥散的分布着t i c 颗 粒，s e m 形貌表明随f e 含量增加到2 8w t f e 时，其晶粒逐渐增大，b 晶粒、a 团界 及a 片厚度尺寸也随之增大含3 4 w t f e 时的基体组织为a + b 双相组织，在b 基体上 分布互不相连的初生a 颗粒。s e m 断口形貌表明：它们的断裂方式都是准解理断裂和 解理断裂，存在河流花样和小韧窝，所不同的是随着f e 含量的增加，其断口的解理面 越来越大，越来越宽，越来越平整。 关键诃：低成本钛合金；钛基复合材料；颗粒增强；力学性能；金相组织 合金元素对颗粒增强，n 基复合材料组织及性能的影响 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h ep o w d e ra n dc o m p a c tp r e p a r a t i o n ，p r o c e s sp a r a m e t e r so fs i n t e r l u go f p a r t i c l er e i n f o r c e dt i t a n i u mm a t r i xc o m p o s i t ew e r er e s e a r c h e da n da n a l y z e d 1 1 1 ep r e p a r a t i o n p r o c e s sa sf o l l o w ：t h ep a r t i c l es i z ew a s3 0 p m ；t h ep r e s s i n gt e c h n i q u eo fc o m p a c tw a s2 5 0 m p a 2 m i nm o u l d i n ga n d2 5 0 m p a2 r a i nm o u l d i n g + 3 0 0 m p a2 r a i nc o l di s o s t a t i cp r e s s i n g ；t h e p r e s s i n gt e c h n i q u eo fs i n t e r i n gw a sv a c u u ms i n t e r i n ga t13 5 0 cf o r3 h t h es i n t e r i n gs a m p l e s w i t hd i f f e r e n tc o n t e n to ff ea n dc r 3 c 2a r ep r e p a r e db yt h i sp r o c e s s t h ee x p e r i m e n tr e s u l t so f p r o p e r t yt e s ta n dm i e r o s t m c t u r ew e r ea n a l y z e d t h em a i nc o n c l u s i o na sf o l l o w ： 1 t h et e s tr e s u l to fx r d ，s e ma n de d sa n a l y s i sf o r t i 一1 6 f e 2 1 5 m o 一( 1 6 a 1 - n d ) - 4 5 c r 3 c 2s h o w e dt h a tt h er e a c t i o nb e t w e e nt ia n dc r 3 c 2g e n e r a t e da f t e rc r 3 c 2w a si n j e c t e di n t o t i f e - m o 一( n d - a i ) m a t r i x ，a n dt h ep r o d u c to ft h i sr e a c t i o nw a s t i ca n dt i c rs o l i ds o l u t i o n 2 t h er e s e a r c hs h o w e dt h a tt h er e l a t i v 埘d e n s i t yo ft i 一1 6 f e - 2 15 m o 一( 1 6 a 1 - n d ) - x c r 3 c 2 ( x = 0 ，4 5 ，8 ，13 ) i n c r e a s e df i r s ta n dt h e nd e c r e a s e dw i t ht h ec o n t e n to fc r 3 c 2i n c r e a s e d ， i t sm a x i m u mw a s9 8 2 6 w h e nt h ec o n t e n to fc r 3 c 2r e a c h e d4 5 w t ，i t sp o r es m a l l ，u n i f o r m a n ds m o o t h 3 t h eh a r d n e s so f t i 一1 6 f e - 2 1 5 m o 一( 1 6 a i - n d ) 一xc r 3 c 2 ( x = 0 ，4 5 ，8 ，1 3 ) i n c r e a s e d 谢廿l t h ec o n t e n to fc r 3 c 2i n c r e a s e d i t sm a x i m u mw a s5 6 7 h r cw i t ho w t c r 3 c 2c o n t e n t ；i t s m i n i m u mw a s5 8 2w i t h1 3w t c r 3 c 2c o n t e n t t h et r so ft i 一1 6 f e 一2 1 5 m o - ( 1 6 a 1 - n d ) 一x c r 3 c 2 ( x - - - 0 ，4 5 ，8 ，13 ) i n c r e a s e df i r s ta n dt h e nd e c r e a s e d ，i t sm a x i m u mw a s1917 m p aw h e n t h ec o n t e n to fc r 3 c 2r e a c h e d4 5 4 皿ef r a c t g r a p ha n a y s i ss h o w e dt h a tt h em i c r o g r a p ho ft i - 1 6 f e - 2 15 m o 一( 1 6 a 1 一n d ) 、- xc r 3 c 2 - o ，4 5 ，$ ，13 ) w e r ew i d m a n s t a t t e ns t r u c t u r em a d eo fa + bp h a s e ，t i ch a r d - p a t i c l e o nt h eb a s 占o fn e t w o r ks t r u c t u r em a d eo fa + bp h a s e ，u n i f o r ma n ds m a l lt i ch a r d p a t i c l eo n t h eb a s eo fd u p l e xs t r u c t u r em a d eo fa + bp h a s ew i t hbp h a s ea n dap h a s ed i s c o n n e c t e da n d r o u g ht i ch a r d p a t i c l e o nt h eb a s e o fbp h a s e w h e nt h ec o n t e n to fc r 3 c 2w e r e 0 w t ，4 5 w t ，8 w t a n d 13 w t r e s p e c t i v e l y t h ef e a t u r eo fs e mf r a c t o g r a p ho f t i 1 6 f e - 2 15 m o 一( 1 6 a 1 - n d ) - xc r 3 c 2 ( x = 0 ，4 5 ，8 ，13 ) w a st o n g u e l i k ep a t t e r na n dd i m p l ew i m 4 5 w t c r 3 c 2c o n t e n tw h o s ef r a c t u r em o d ew a sq u a s i c l e v a g ef r a c t u r ea n dc l e a v a g ef r a c t u r e ； d u c t i l ef x a e t u r e 谢m8 w t a n d13 w t c r 3 c 2c o n t e n ta n dt h ed i m p l eo fl a t t e rw a sb i ga n dd i p t h a nf o r m e r 5 t h er e l a t i v i t yd e n s i t yo ft i x f e - 2 1 5 m o - ( 1 6 a 1 一n d ) + 4 5 c r 3 c 2 ( x = i 6 ，2 2 ，2 8 ，3 4 ) i n c r e a s e d 谢也t h ec o n t e n to ff ei n c r e a s e d ，a n di t sm a x i m u mw a s9 9 5 8 w h e nt h ec o n t e n to f f er e a c h e d3 4 w t ；t h eh a r d n e s sd e c r e a s e dw i t ht h ec o n t e n to ff ei n c r e a s e d t h et r s 西华大学硕士学位论文 i n c r e a s e df i r s ta n dt h e nd e c r e a s e d ，a n di t sm a x i m u mw a s3 0 5 0 m p aw h e nt h ec o n t e n to ff e r e a c h e d2 2 w t w h o s es i n t e r i n gs a m p l ep r e p a r e db ym o u l d i n g + c o l di s o s t a t i cp r e s s i n g 6 t h em i e r o g r a p ho ft i x f e - 2 1 5 m o 一( 1 6 a 1 一n d ) “5 c r 3 c 2 ( x = 1 6 ，2 2 ，2 8 ，3 4 ) w i t h c o n t e n to ff ew e r e1 6 w t ，2 2 w t a n d2 8 w t w a gt i ch a r d p a t i e l eo nt h eb a s eo fa + g p h a s ed i s p e r s e d l ya n du n i f o r m l y ；, a n ds e mm i c r o g r a p hs h o w e dt h a ti t sg r a i ns i z ee n l a r g e d ， t h eg r a i ns i z eo f1 3p h a s e ，ac l u s t e ra n dt h es i z ao fal a y e r si n c r e a s e dt o o ，w h e nt h ec o n t e n to f f ef r o m1 6 w t i n c r e a s e dt o2 8 w t t h es t r u c t u r eo fb a s eo fa l l o yw i t h4 5 w t f ec o n t e n t w a st h ed i s c o n n e c t e d ，p r i m a r yap a r t i c l eo nt h eb a s eo fa + bp h a s e t h es e mf r a c t o g r a p h s h o w e dt h a tt h e i rf r a c t u r em o d ew a sq u a s i - c l e v a g ef r a c t u r ea n dc l e a v a g ef r a c t u r e ，e x i s t i n g f i v e rp a t t e r na n ds m a l ld i m p l e t h ed i f f e r e n c ew a st h a ts u r f a c el a y e r so ff r a c t u r eb e c o m e b i g g e r , l a r g e ra n ds m o o t h e r , v 旷h e nt h ec o n t e n to ff ei n c r e a s e d k e y w o r d s ：l o w c o s tt i n a t i m u i n ；t i n a t i m u i n m a t r i x c o m p o s i t s ；p a r t i c l e sr e i n f o r c e d ； m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ；m i c r o s t r u c t u r e i i i 合金元素对颗粒增强币基复合材料组织及性能的影响 目录 1 绪论1 1 1 低成本钛合金在汽车上的应用前景1 1 1 1 钛合金在汽车上的应用现状1 1 1 2 低成本钛合金在汽车上的研发和应用现状2 1 1 3 汽车用低成本钛合金的发展趋势：6 1 2 低成本粉末冶金钛合金6 1 2 1 粉末冶金钛合金的研发现状6 1 2 2 粉末冶金钛合金致密化工艺7 1 2 3 粉末冶金钛合金致密化机制8 1 3 颗粒增强钛基复合材料9 1 3 1 颗粒增强钛基复合材料的研制背景9 1 3 2 颗粒增强钛基复合材料基体的选择与应用9 1 3 3 颗粒增强钛基复合材料增强相的选择与应用1 0 1 3 3 颗粒增强钛基复合材料的制备方法1 1 1 4 本文研究的目的及主要内容1 3 2 试验方法及工艺路线1 4 2 1 试验原材料及仪器1 4 2 1 1 试验所用原料及试剂1 4 2 1 2 试验所用的主要设备1 5 2 2 试验的工艺路线1 6 2 3 试验方法和分析手段。17 2 3 1 密度测试1 7 2 3 2 金相的制备1 7 2 3 3 扫描电镜及能谱分析1 7 2 3 4x 射线衍射分析1 7 2 3 5 硬度测试1 8 2 3 6 抗弯强度测试1 8 3 制备工艺参数对钛基复合材料性能的影响1 9 3 1t i 一1 6 f e 一2 1 5 m o 一( 1 6 a i - n d ) + 4 5 c r 3 c 2 钛基复合材料的制备1 9 3 1 1 复合粉体的球磨及平均粒度测试1 9 3 1 2 复合粉体的压制成形2 0 3 1 3 压制成形结果及分析2 1 3 1 4 真空烧结2 5 i v 西华大学硕士学位论文 3 2 试验结果及分析2 6 3 2 1 烧结温度对t l 合金相对密度的影响2 6 3 4 2 烧结温度对t 1 合金力学性能的影响2 7 3 4 3 粉体平均粒度对t 1 合金相对密度的影响2 9 3 4 4 t 1 合金粉体平均粒度对烧结试样硬度值的影响3 0 3 4 5 粉体平均粒度对t 1 合金抗弯强度的影响3 1 3 3 小结3 2 4 c r 。c 2 含量对钛基复合材料组织及性能的影响3 4 4 1 引言3 4 4 2 试验流程3 4 4 3 试验结果及分析3 4 4 3 1t i c 颗粒的生成分析3 4 4 3 2c r 。c 2 含量对t l 系合金致密化的影响3 7 4 3 3 c r 。c ：含量对t 1 系合金金相组织的影响3 9 4 3 4c r 。c 2 含量对t 1 系合金硬度的影响4 2 4 3 5c r 。c ：含量对t 1 系合金抗弯强度的影响4 3 4 3 6c r 。c ：含量对t 1 合金断口形貌的影响4 4 4 4 小结4 5 5 f e 含量对钛基复合材料组织及性能的影响4 7 5 1 前言4 7 5 2 试验流程4 7 5 3 试验结果及讨论4 7 5 3 1f e 含量对t 2 合金致密化的影响4 7 5 3 2 f e 含量对t 2 合金金相组织的影响4 9 5 3 2f e 含量对t 2 合金硬度的影响5 0 5 3 3f e 含量对t 2 合金抗弯强度的影响5 1 5 3 5 f e 含量对t 2 合金断口形貌的影响5 3 5 4 小结5 4 6 结论5 5 参考文献5 6 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果5 9 致谢6 0 v 文 钛自1 9 世纪被发现以来，其应用一直处于缓慢发展的阶段，世界大战后伴随着航空、 舰船和兵器等需求发展起来的重要战略金属。在钛应用的开发和推广的历史进程中，因 其质量轻、耐蚀性好等优点而获得广泛应用，尤其是作为高强度材料，钛是继钢和铝之 后崛起的“第三金属”。近几年，钛及钛合金正逐步应用于汽车材料的研发，国外汽车工 业研发非常重视利用钛合金材料来实现汽车的轻量化，以提高强度、降低油耗、保护环 境【l 】。粗略计算，车辆质量减轻6 0 0k g ( 1 0 0 0k g - - 4 0 0 k g ) ；车辆可以多承载6 0 0k g ( 不 超载情况下) 。每天按照3 0 0k m - - 4 0 0k m 的行驶里程计算，那么，每天可以多l8 0t - k i n - - 2 4 0t k m ，1 年运行按照3 0 0 天计算，运费按照目前的市场价0 7 元t k i n - - 0 8 元t k m 计算， 那么，每年可以增加收入4 05 0 0 元 - 5 40 0 0 元人民币，是非常可观的。由于自重轻，在 空载状态下行驶，降低了油耗以及用户费用，用户可以得到非常可观的经济效益【2 】。根 据钛的特性和其应用潜力，钛在新一代汽车上的应用主要集中在发动机部件和底盘元件 上。在发动机系统上钛可制作气门弹簧、阀门、阀门弹簧承座和连杆等元件，在汽车底 盘部可用作排气系统、紧固件、曲轴和半轴等。这些都是汽车上的关键零部件，其用钛 量是不可小视的【3 】，钛合金在汽车减重上的主要应用如表1 1 。 表1 1 钛合金在汽车减重上的应用方向【3 】 t a b 1 2t h ea p p l i c a t i o nd i r e c t i o no ft i t a n i u mo nt h ew e i g h tr e d u c t i o no fa u t o m o t i v e t a l 随着钛合金的研究开发不断深入，钛合金在汽车上的应用也日渐广泛，表1 2 例举 了近年来在钛合金在汽车上的应用实例【4 】。从表1 2 可以看出，钛合金在汽车零部件中 的应用主要是集中于阀门、连杆和弹簧等精密零件上。目前在汽车零件的制造中，可用 合金元素对颗粒增强面基复合材料组织及性能的影响 钛合金替代铁作为汽车零部件的主要包括在发动机中的阀弹簧、挡圈、连杆和半轴等， 在排放系统中的进气阀、排气阀等等。这些零件的重量比传统的铁基零件在重量上要轻 3 0 - 7 0 ，并且性能更优良。因此在现在的赛车几乎都采用钛合金制备阀门、连杆等精 密零件，以达到降低重量、提高速度的目的。 表1 2 在汽车上应用的钛合金 t a b 1 2t h em a i nt i t a n i u mu s e di na u t o m o t i v e 1 1 2 低成本钛合金在汽车上的研发和应用现状 虽然钛应用于汽车零部件的制造能大大的减轻其重量，提高其性能，减少环境污染， 但其高昂的成本极大的限制了它的广泛应用。因为目前钛材的价格远远满足不了汽车工 业上对钛材价格的要求。钛的成本比钢和铝的高太多，以矿石成本为例，钛是钢的1 5 倍，铝的3 倍，而对板材成本来说，钛更是钢的5 0 倍8 3 倍，铝的1 0 倍1 5 倍d j 。在 钛合金的总成本中，海绵钛的生产和钛的加工占据了很大比例。因此，国内外对降低海 绵纯钛的生产成本及钛合金的制造成本进行了大量的研究工作，这些研究工作主要是从 开发新的海锦钛生产工艺、研制新型的熔炼技术和净成型加工技术三个方面进行的。 在开发新的海锦钛生产工艺方面，直接电解t i 0 2 提取钛的工艺是当前被公认的在 众多的降低金属钛的生产成本工艺中最具发展潜力的一种。目前国内外发展的直接从 2 西华大学硕士学位论文 t i 0 2 提取钛的工艺主要有f f c 剑桥法、a r m s t r o n g 工艺、m e r 复合阳极工艺、s r i 工 艺、i d a h o 钛工艺、o s 工艺等【6 】。其中f f c 剑桥法被誉为降低海绵钛生产成本的革命， 该方法的工艺过程【7 】包括：t i 0 2 粉末经压制烧结后制成烧结块，并连上导线作为阴极 块；以石墨为阳极，以t i 0 2 烧结块为阴极，一同浸入熔融的c a c l 2 中；t i 0 2 的氧在 阴极被电解出，扩散进入c a c l 2 电解液，以0 2 、c 0 2 或c o 的形式在阳极排出，最终得 金属钛。 钛合金常规的熔炼是采用真空电弧熔炼w a r ) 技术。该方法需要压制和焊接制成电 极，生产的圆形截面铸锭还要经过二次或三次的熔炼，并且该技术回收利用残钛料的能 力也很有限。因此开发了冷床熔炼技术进行替代，包括电子束冷炉膛熔炼( e b m ) 和等离 子体冷炉膛熔炼两种方法【s 】。冷床熔炼技术与v a i l 技术相比，冷床熔炼( c h r ) 技术在降 低钛合金生产成本方面的优势主要体现在能大量回收残料，可以1 0 0 地利用残料作原 料( 生产t i 一6 a 1 - 4 v 合金时真空自耗w a r ) 炉只能利用3 0 以下的残料) 这一层面上。这主 要是由于钛残料的价格只有海绵钛的2 0 - - 3 0 ，而钛合金制品在加工过程中残料量很 大，一次残料( 半成品生产的残料) 约5 0 ，二次残料( 成品加工时的残料) 约2 0 - - 一8 0 ， 充分利用残料将使钛合金成本显著降低。 冷床熔炼技术的主要问题是设备投资高，如建造一台电子束炉投资高达4 0 x 1 0 7 $ ， 因此避开熔炼铸锭( 一般占钛材总成本的1 5 ) i 序而代之以新型铸造技术和粉末冶金技 术等近净成形工艺就成为降低钛合金成本的另一条途径 9 1 。钛合金的生产成本很高，特 别是对于结构复杂的薄壁构件来说，由于其锻造、焊接、机械加工等都比较困难，导致 其生产成本居高不下。而采用精密铸造技术则可以通过提高钛合金材料的利用率，达到 降低钛合金生产成本的目的。近年来，钛合金精密铸造技术的主要进展是发展了冷坩埚 + 离心浇铸技术、真空吸铸技术和真空压铸技术【1 0 1 。粉末冶金技术是一种通过原料粉末 的直接压制成形、强化烧结来生产零部件的工艺方法。与普通的熔铸加工相比，采用粉 末冶金技术制造钛合金零件具有杰出的材料利用率高、加工成本低等优势，生产的钛及 钛合金零部件成分上无偏析、组织更均匀、性能稳定优越。而且随着现代制造技术的发 展和设备的更新进步，这种优势还将继续扩大。 目前，低成本钛合金主要用于制造汽车高性能、复杂、精密零件上，主要包括连杆、 气门、气门座、弹簧、摇臂、排气管、消音器等。表1 3 例举了几种已成功应用于汽车 零部件上的低成本钛合金【1 1 1 。 3 合金元素对颗粒增强t i 基复合材料组织及性能的影响 表1 3 应用于汽车零部件上的低成本钛合金 t a b 1 3t h el o w - c o s tt i t a n i u ma l l o y su s e di na u t o m o b i l ep a r t s ( 1 ) 轻质弹簧 钛制弹簧质量轻，比钢制弹簧轻6 0 - - - - 7 0 ，并且具有优良的耐腐蚀性能且剪切模 量低。钛合金弹簧的强度是钢弹簧的1 0 倍以上，使用钛合金弹簧将明显提高乘车舒适 度【1 2 】。钛制弹簧由于其高昂的价格，最初是以航空弹簧的形式加以利用的。最早实用的 钛制弹簧合金是美国在2 0 世纪6 0 年代开发的t i 1 3 v - 1 1 c r - 3 a 1 合金，主要用在民用飞 机上。后来开发的t i 3 a1 - 8 v - 6 c r - 4 m o - 4 z r 合金和t i 一3 a i 一8 v - 6 c r - 4m o 4 z r 合金也主要 是用于制造飞机的舱门弹簧、起落架的上下锁弹簧、门平衡弹簧、控制飞行高度的弹簧 等。钛制弹簧目前在汽车上的主要应用是美国9 0 年代研发的t i m e t a l l c b 低成本钛合 金。低成本的b 型钛合金t i m e t a l l c b 比传统的b 型钛合金便宜5 0 ，质量只是钢制弹 簧的1 3 ，已落户在大众汽车公司的l u p of s i 型汽车上，使车的质量减少了8 1 6 k g 【l 引。 法拉利3 6 0 蒙迪纳的改良型赛车首次采用了t i m e t a l l c b 钛合金制作的弹簧。新型赛车 的钛合金前托簧比原来采用的高强度钢托簧减重了3 9 ，采用复杂的双速设计后托簧减 重2 8 。t i m e t a l l c b 合金还可用于高性能赛车的阀门弹簧、雪地汽车的扭力弹簧和悬 吊弹簧等。对于赛车，钛阀门弹簧可减重3 4 ，从而改善高速旋转时的性能并降低油耗； 对雪地汽车，可减重3 0 - - 5 0 ，改善底盘阻力，并提高乘车的舒适度。为满足相关部 门的应用需求，西北有色金属研究院近年来采用a + b 型钛合金t c 4 、b 型钛合金b c 和 t b 3 合金绕制螺旋压缩弹簧，并已用做阀簧和化工用泵进液阀弹簧等【1 4 】。现在正在开发 新型低成本b 型钛合金，以使低成本钛制弹簧的应用扩大至批量生产的汽车中。 4 西华大学硕士学位论文 ( 2 ) 高强连杆 用低成本钛合金制备连杆首先是因其质量小、往复运动惯性力小，可使发动机增速 和减小活塞侧向推力、曲轴应力和横向应力集中等优剧1 5 】。其次是钛制连杆具有较高的 疲劳性能。因为连杆的质量愈轻，其振荡能耗愈少、噪音愈低、震动愈小、最大引擎速 度也愈高，车的油耗将减少，性能得以提高。同时，疲劳性能高意味着使用寿命延长， 汽车质量得到提升。目前，在汽车上使用的钛制连杆主要是t i 6 a 1 4 v ，同其它钛合金 相比，用t i 6 砧- 4 v 合金制备连杆的最大优势是其较高的强塑配合，不仅低周疲劳性能 好而且高周疲劳性能也较高。由于其合金化元素较多导致价格较高，仅可应用于高端车 型。日本丰田公司以t i 一6 a 1 - 4 v 合金为基体，以t i b 为增强体，用粉末冶金法生产了钛 基复合材料。该复合材料成本低、性能优良，已在发动机连杆上得到实用。日本研制的 k s t i 1 9 ( t i 4 5 a 1 2 m o 1 6 v - o 5 f e - 0 3 s i ) 钛合金1 1 6 1 ，是一种新型的q + b 双相钛合金， 具有良好的加工性能，可降低钛合金的加工成本。它是t i 6 a 1 4 v 合金的替代合金，目 前已用于汽车连杆的生产。日本开发的汽车连杆用钛合金 t i 3 a 1 2 v - 0 2 s 0 4 7 c e 0 2 7 l a ( d a t 5 2 f ) ，具有良好的机械加工性能，其切削效率比 t i 3 a 1 2 5 v 提高了2 0 - 3 0 ，钻孔加工率提高了5 0 - 7 0 。 ( 3 ) 阀门 低成本钛合金阀门，具有质量轻、寿命长、可靠性高和节省燃油等优点，阀门是低 成本钛合金在汽车零部件上应用的热门方向。美国汽车厂家通常使用t i 6 a 1 4 v 合金制 作进气阀，排气阀使用t i 6 a 1 2 s n - 4 z r - 2 m o 合金。但t i 6 灿4 v 合金和 t i 6 a 1 2 s n 4 z r - 2 m o 合金成本相对较高，目前仅用于高端车的阀门制造。日本已开发出 低成本的粉末冶金钛基复合材料用作阀门，排气阀为t i a 1 一z r - s n - n b m o s i t i b 复合材 料，进气阀所用材料为t i 6 a 1 4 v t i b 复合材料【1 5 】。采用这种钛合金气门的新型发动机 与旧的发动机相比，气阀质量减少4 0 ，凸轮驱动转矩降低2 0 ，发动机最高转速能提 高5 0 0 r m i n 。萧藤【1 7 】等人通过采用他们独立开发的用于排气阀的低成本耐热钛基复合材 料( 金属基体复合材料，m m c ) ，解决了低成本粉末冶金钛合金的耐久性、可靠性的问题。 目前，世界上低成本钛制阀门研制较为成功的是用元素粉末法制备的t i a l 基合金，所 制备出来的材料性能已达到了铸态t i 越基合金的水平【l 引。日本开发了新型低成本钛铝 合金t i 3 3 5 a 1 1 n b 0 5 c r - 0 5 s i ，该合金镍基合金和马氏体耐热钢相比，具有低密度，高 蠕变强度和良好的耐磨性，用于汽车发动机的排气阀的生产，大大的改进了发动机的综 合性能， ( 4 ) 其它零部件 低成本钛合金在汽车其它零部件上的应用包括凸轮轴、曲轴、排气管、消音器、喷 油嘴以及密封零件等。日本正在试用低成本的t i 一5 a i 2 c r - f e 钛合金制作曲轴。这种曲 轴因需要进行防粘接处理，目前还未实用化。同时美国g m 公司还在进行t i m e t a l 6 2 s 5 合金元素对颗粒增强啊基复合材料组织及性能的影响 和t i m e t a l l c b 低成本钛合金用作轮轴的研究，并考虑把这种合金投人批量生产。f a i l e r k 【1 9 】等用金属粉末注射成形技术( m m ) 研制了t i 舢基低成本钛合金并用于制造汽车的喷 油嘴，该喷油嘴拥有质量小、耐高温、耐磨损等特点，其性能及尺寸精度都达到了使用 要求。用t i a l 基合金替代常用合金7 1 3 c ( n i 1 2 c r - 4 m o 一2 n b 6 a 1 0 8 t i 0 1 c ) 制作涡轮增 压器转子【2 0 】，由于转子质量轻，有利于发动机加速器反应能力的提高，在形状相同、尺 寸完全一样的条件下，发动机的空载加速时间大大的缩短。此外，低成本的b e 钛合金 和日本新开发的t i 0 5 a 1 0 4 5 s i 0 2 n b 合金已用在汽车排气系统的制备上。低成本的 t i 3 a 1 - 2 v 钛合金也正在试制密封零件。总之，低成本钛合金在汽车零部件上的应用已 十分广泛。 1 1 3 汽车用低成本钛合金的发展趋势 随着全球汽车制造业的迅猛发展及节能、环保的要求越来越迫切，作为轻质材料中 的佼佼者，钛合金在汽车工业中的应用必然会得与日剧增。成本问题一直是制约了钛合 金大规模应用，尽管近年来已经研发了多种技术降低其成本，但是相比于其它汽车用材 其价格还是比较昂贵的。所以，进一步的降低钛合金的生产成本和开发新的低成本钛合 金，扩大其在中、低端车上的应用领域，是低成本钛合金的主要发展趋势。具体表现在： ( 1 ) 开发新的低成本钛合金体系 ( 2 ) 开发新技术进一步降低钛合金的生产成本 ( 3 ) 改进已有的低成本钛合金，扩大其使用范围 ( 4 ) 进一步发展低成本钛合金的表面处理技术 1 2 低成本粉末冶金钛合金 1 2 1粉末冶金钛合金的研发现状 如上所述，粉末冶金技术在汽车工业上的应用具有许多优点，集中体现在两个方面， 一是材料利用率高、能耗低、污染小，可实现净成型加工；二是成分和组织都较稳定， 与锻、焊、铸等的联合加工工艺性好。粉末冶金技术是低成本、优质、高效生产汽车零 部件的先进工艺，在汽车零部件的制造上应用已十分广泛【1 5 1 。经理论研究和实际生产表 明：与熔锻钛合金材相比，在保证拉伸性能达到甚至超过熔锻钛材的水平下，粉末冶金 钛合金可以降低成本2 0 0 o - 5 0 。然而由于粉末冶金钛合金在生产中杂质元素的混入和本 身残余孔隙的遗留，导致了其力学性能严重下降。为此如何提高粉末冶金钛合金的相对 密度，是粉末冶金钛合金研究的一个重要的方向。这个工作主要是从研究粉末冶金钛合 6 西华大学硕士学位论文 金致密化工艺和机理这两方面来展开的。 1 2 2 粉末冶金钛合金致密化工艺 粉末冶金钛合金的相对密度与粉末原始组态、成形方法、烧结方式和烧结工艺的设 计等密切相关。在成形烧结方法上目前所采用的主流方法，包括预合金法和混合元素法。 所谓的预合金法就是将合金元素与海绵钛熔化后经雾化法制成预合金粉末，再将合金粉 末经过热等静压实现制品成型的方法。预合金法制备的制品相对密度可达9 9 以上，自 上世纪8 0 年代美国通过陶瓷模热等静压技术【2 睨，制备了全致密、性能达到熔锻材水 平的粉末冶金钛合金以来，预合金法得到了迅速的发展，目前预合金法已在欧美等发达 的制造业国家广泛地应用。但是，由于预合金法所制的制品必须要经过热等静压技术才 能达制品的全致密，生产的成本还是比较高的，因此预合金法主要应用于军工产品的制 造上，包括飞机涡轮叶片和涡轮盘、钛合金导弹鼻锥、海军用弹壳、空心钛螺钉等。在 汽车工业上的应用则主要集中于高端车的精密零件的制造上。 相对于预合金法的高成本和难加工等缺点，成本更低、所制制品的性能相当的混合 元素法得到了迅速的发展。所谓的混合元素法就是将钛粉及其它合金元素粉末均匀混合 后，经模压或冷等静压成形后，经过真空烧结后得到制品的方法。图1 1 是这两种方法 的工艺流程的比较【2 3 1 。混合元素法较预合金法相比，设计和工艺都简单的多，生产加工 成本进一步的降低，特别适合于民用t i 制品的生产，特别是汽车零件的制造上。但是 混合元素法也存在着孔隙度高和金相组织粗大等问题。这主要是由于钛是活性很高的元 素，在混合元素法制备过程中极易在表面形成一层致密的氧化膜，严重地影响烧结行为， 以至于钛合金烧结的相对密度不高，其中的空隙主要由杂质