钛合金研究概述.doc

全能金属钛合金研究概述（作者：李志强 深圳大学艺术设计学院 ）摘 要：介绍了钛合金为何成为“全能金属”的原因，如何解决钛合金加工性能差的问题从而得到更好的应用，以及在钛合金应用方面所做的研究及取得的发展。关键词：全能金属；加工性能差：钛：钛合金：前沿发展：前言：面对世界的发展，针对钛合金在社会的应用，钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金因具有比强度高、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。并在世界发展上面起到重要的作用！【正文】： 钛是一种新型金属，钛的性能与所含碳、氮、氢、氧等杂质含量有关，最纯的碘化钛杂质含量不超过0.1，与钢、铁等金属材料比较，钛及钛合金具有强度高而密度又小，机械性能好，工作温度范围宽、韧性好、抗蚀性能好、以及良好的的生物性能。在航空、航天、军事、民用、等各个领域已经得到了广泛应用。同时，针对这一有重要应用潜力的材料，国内外就其合金体系、价格制备和合金的应用方面开展了大量的、不间断的研究和开发工作，其中有关熔炼、加工合成技术方面备受人们关注。钛和钛合金零件虽然可以采用机械加工、锻造、焊接和粉末治金等多种方法加工制造，然而由于钛的化学活性高、热熔性较大和导热性差等特点，导致了钛加工性能一直较差，加之钛的原材料成本很高，使得钛及钛合金的加工成本始终居高不下，性价比不高，钛合金的工艺性能差，切削加工困难，在热加工中，非常容易吸收氢氧氮碳等质。抗磨性差是其中一个比较麻烦的一个环节，生产工艺复杂。世界各地的专家正在努力纠正这个问题，并寻求更好的办法让钛合金得到更好的应用！让世界在轻合金方面得到更好的维持！为社会做出贡献。（摘自/view/64612.html?wtp=tt一： 钛合金全能金属的原因钛是一种新型金属，钛的性能与所含碳、氮、氢、氧等杂质含量有关，最纯的碘化钛杂质含量不超过0.1，但其强度低、塑性高。99.5工业纯钛的性能为：密度=4.5g/cm3，熔点为1800，导热系数=15.24W/(m.K)，抗拉强度b=539MPa，伸长率=25，断面收缩率=25，弹性模量E=1.078105MPa，硬度HB195.（图1） (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，见表7-1，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450500的温度下长期工作这两类钛合金在150500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0.10.15 mm，硬化程度为2030。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=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23倍，造成刀具后刀面的剧烈摩擦、粘附、粘结磨损。（7）钛合金人体相容性（图2）作为人造器官用于人体后可以和人体的组织相溶.没有特别大的排斥反应.使人体感觉和本来的组织区别不大,但不是真正意义上的互相溶解.其实也就是相似性. （图2）综上所述：钛合金的强度较高，一般可达1200 MPa，和调质结构钢相近。但钛合金的密度仅相当钢的54%，因此钛合金具有比各种合金都高的比强度，这正是钛合金适用于作航空材料的主要原因。加上钛的熔点高，再结晶温度也高，因而钛合金具有较高的热强度。由于钛合金已正式在500下长期工作，并向600的温度发展，它的耐热性能可以和一般的耐热钢相媲美。钛合金表面能形成一层致密、牢固的由氧化物和氮化物组成的保护膜，所以具有很好的抗蚀性能。钛合金在潮湿大气、海水、氧化性酸(硝酸、硫酸等)和大多氨有机酸中，其抗蚀性相当于或超过不锈钢。因此，钛及钛合金作为一种高抗蚀性材料已在化工、造船及医疗等部门得到广泛应用。基于上述原因，钛合金的用途日益广泛。以上总结出钛合金在航天航空工业上有不可取代的作用。在550度以下的空气中，钛合金很容易形成很薄而致密的惰性氧化摸，在海水中具有较强的耐浞性，与人体具有相容性。因此钛及其钛合金可用于海、陆、空、太空及人体的各种环境中。被称为“全能金属”。用途可谓大到涉及真个世界乃至太空，小到人们日常生活以及生物组织！（图1）（图2）二：钛合金在加工性能差的原因(1)切削加工性能差原因是钛的导热性差(仅为铁的1/5，铝的1/13)，摩擦系数大，切削时容易升温，也容易粘刀。因此降低了切削速度，缩短了刀具寿命，影响了表面粗糙度。(2)热加工工艺性能差原因是加热到600以上时，钛及其合金极易吸收H2、N2、02等气体而使其性能变脆。因此，对铸造、锻压、焊接和热处理都带来一定的困难。故热加工工艺过程只能在真空或保护气氛中进行。(3)冷压加工性能差由于钛及其合金的屈强比值较高，冷压加工成形时回弹较大，因此冷压加工成形困难，一般需采用热压加工成形。(4)硬度较低，抗磨性较差：因此不宜用来制造承受磨损的零件。随着化学切削，激光切削、电解加工、超塑性成形及化学热处理的进展！三:针对钛合金加工性差问题，如何解决问题使得钛合金的应用更加广泛。根据钛合金面对的加工性能的问题，必须有效的控制切削、热加工工艺、冷压加工、硬度较低，抗磨性较差等问题。以下是常用解决办法！ 1.钛合金导热系数低钛合金为钢的1/4、铝的1/13、铜的1/25。因切削区散热慢，不利于热平衡，在切削加工过程中，散热和冷却效果很差，易于在切削区形成高温，加工后零件变形回弹大，造成切削刀具扭矩增大、刃口磨损快，耐用度降低。其次，钛合金的导热系数低，使切削热积于切削刀附近的小面积区域内不易散发，前刀面摩擦力加大，不易排屑，切削热不易散发，加速刀具磨损。最后，钛合金化学活性高，在高温下加工易与刀具材料起反应，形成溶敷、扩散，造成粘刀、烧刀、断刀等现象。 因此加工中心可以同时加工多个零件，提高生产效率。 可提高零件加工精度，产品一致性好。加工中心具有刀具补偿功能，可以获得机床本身的加工精度。具有广泛的适应性和较大的加工灵活性。 可实现一机多能。加工中心可以进行铣削、钻孔、镗孔、攻丝等一系列加工。可以进行精确的成本计算，控制生产进度。不需要专用夹具，可节约成本经费，缩短生产周期。 可大大减轻工人的劳动强度。 可利用UG等CAD/CAM软件进行多轴加工。 2.刀具材料的选择应满足下列要求： 足够的硬度。刀具的硬度必须要远大于钛合金硬度。 足够的强度和韧性。由于刀具切削钛合金时要承受很大的扭矩和切削力，因此必须有足够的强度和韧性。 足够的耐磨性。由于钛合金韧性好，加工时切削刃要锋利，因此刀具材料必须有足够的抗磨损能力，这样才能减少加工硬化。这是选择加工钛合金刀具最重要的参数。刀具材料与钛合金亲合能力要差。由于钛合金化学活性高，因此要避免刀具材料和钛合金形成溶敷、扩散而成合金，造成粘刀、烧刀现象。 经过对国内常用刀具材料和国外刀具材料进行的切削试验表明，采用高钴刀具效果理想，钴的主要作用是加强二次硬化效果，提高红硬性和热处理后的硬度，同时具有较高的韧性、耐磨性、良好的散热性。 3.钛合金的加工特性决定刀具的几何参数与普通刀具存在较大区别. 螺旋角：选择较小的螺旋升角，增大排屑槽，排屑容易，散热快，同时也减小切削加工过程中的切削抗力。 前角：切削时刃口锋利，切削轻快，避免钛合金产生过多切削热，从而避免产生二次硬化。后角：减小刀刃的磨损速度，有利于散热，耐用度也得到很大程度的提高。4.切削参数选择 钛合金机加工应选择较低的切削速度，适当的进给量，合理的切深和精加工量，冷却要充分。 切削速度Vc：Vc=3050m/min进给量f：粗加工时取较大进给量，精加工和半精加工取适中的进给量。 切削深度ap：ap=1/3d为宜，钛合金亲合力好，排屑困难，切削深度太大，会造成刀具粘刀、烧刀、断裂现象。 精加工余量c：适中，钛合金表面硬化层约0.10.15mm，余量太小，刀刃切削在硬化层上，刀具容易磨损，应该避免硬化层加工，但切削余量不宜过大。 5.冷却液 钛合金加工最好不使用含氯的冷却液，避免产生有毒物质和引起氢脆，也能防止钛合金高温应力腐蚀开裂。可选用合成水溶性乳化液，也可自配冷却液。 切削加工时冷却液要保证充足，冷却液循环速度要快，切削液流量和压力要大，加工中心都配有专用冷却喷嘴，只要注意调整就能达到预期效果。 通过对钛合金的特性分析，编制正确、科学的加工工艺，可以降低成本，提高生产效率（/%D2%E0%C7%E9%D0%F9/blog/item/014197cbe4d317fc52664fc1.html摘自）四：钛合金应用方面所做的研究及取得的发展。从使用钛的意义上看，一个国家使用钛的多少，标志着国家的科技水平、军事实力、经济实力的强弱。（图3）所以，推广使用钛、发挥钛特性的优势作用，对促进工业发展、增强产品竞争的活力，是非常必要的，也是现代技术发展的方向。要想解决钛合金的问题。就必须为要钛合金的缺陷进行改造，从而得到更为广泛的应用！毕竟先进材料钛及钛合金的应用与前沿技术的发展一直是当前材料领域的热点研究课题之一。近年来，各国正在开发低成本和高性能的新型钛合金，努力使钛合金进入具有巨大市场潜力的民用工业领域阳。国内外钛合金材料的研究新进展主要体现在以下几方面：（图3）（1） 高温钛合金。 世界上第一个研制成功的高温钛合金是Ti-6Al-4V，使用温度为300-350。随后相继研制出使用温度达400的IMI550、BT3-1等合金，以及使用温度为450500的IMI679、IMI685、Ti-6246、Ti-等合金。目前已成功地应用在军用和民用飞机发动机中的新型高温钛合金有.英国的29、83合金；美国的Ti-1100合金；俄罗斯的BT18Y、BT36合金等。近几年国外把采用快速凝固粉末冶金技术、纤维或颗粒增强复合材料研制钛合金作为高温钛合金的发展方向，使钛合金的使用温度可提高到650以上1,27,29,31。美国麦道公司采用快速凝固粉末冶金技术戚功地研制出一种高纯度、高致密性钛合金，在60下其强度相当于目前室温下使用的钛合金强度。 （2）钛铝化合物为基的钛合金。 与一般钛合金相比，钛铝化合物为基钠Ti3Al（2）和TiAl（）金属间化合物的最大优点是高温性能好（最高使用温度分别为816和982）、抗氧化能力强、抗蠕变性能好和重量轻（密度仅为镍基高温合金的1/2），这些优点使其成为未来航空发动机及飞机结构件最具竞争力的材料。目前，已有两个Ti3Al为基的钛合金Ti-21Nb-14Al和Ti-24Al-14Nb-#v-0.5Mo在美国开始批量生产。其他近年来发展的Ti3Al为基的钛合金有Ti-24Al-11Nb、Ti25Al-17Nb-1Mo和Ti-25Al-10Nb-3V-1Mo等29。TiAl（）为基的钛合金受关注的成分范围为Ti-（46-52）Al-（1-10）M（at.），此处为、Cr、Mn、Nb、Mn、Mo和中的至少一种元素。最近，TiAl3为基的钛合金开始引起注意，如Ti-65Al-10Ni合金。 （3）高强高韧型钛合金。 型钛合金最早是20世纪50年代中期由美国Crucible公司研制出的B120VCA合金（Ti-13v-11Cr-3Al）。型钛合金具有良好的冷热加工性能，易锻造，可轧制、焊接，可通过固溶-时效处理获得较高的机械性能、良好的环境抗力及强度与断裂韧性的很好配合。L例如：Ti1023（Ti-10v-2Fe-#al），该合金与飞机结构件中常用的30CrMnSiA高强度结构钢性能相当，具有优异的锻造性能；Ti153（Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn），该合金冷加工性能比工业纯钛还好，时效后的室温抗拉强度可达1000MPa以上；21S（Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si），该合金是由美国钛金属公司Timet分部研制的一种新型抗氧化、超高强钛合金，具有良好的抗氧化性能，冷热加工性能优良，可制成厚度为0.064mm的箔材；日本钢管公司（NKK）研制成功的SP-700（Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe）钛合金，该合金强度高，超塑性延伸率高达2000，且超塑成形温度比Ti-6Al-4V低140，可取代Ti-6Al-4V合金用超塑成型-扩散连接（SPF/DB）技术制造各种航空航天构件；俄罗斯研制出的BT-22（TI-5v-5Mo-1Cr-5Al），其抗拉强度可达1105MPA以上 （4）阻燃钛合金。常规钛合金在特定的条件下有燃烷的倾向，这在很大程度上限制了其应用。针对这种情况，各国都展开了对阻燃钛合金的研究并取得一定突破。羌国研制出的Alloy c（也称为Ti-1720），名义成分为50Ti-35v-15Cr（质量分数），是一种对持续燃烧不敏感的阻燃钛合金，己用于F119发动机。BTT-1和BTT-3为俄罗斯研制的阻燃钛合金，均为Ti-Cu-Al系合金，具有相当好的热变形工艺性能，可用其制成复杂的零件。（5）医用钛合金。 钛无毒、质轻、强度高且具有优良的生物相容性，是非常理想的医用金属材料，可用作植人人体的植人物等。日本已开发出一系列具有优良生物相容性的+钛合金，包括Ti-15Zr-4Nb_4ta-0.2Pd、Ti-15Zr-4Nb-aTa-0.2Pd-0.200.05N、Ti-15Sn-4Nb-2Ta-0.2Pd和Ti-15Sn-4nb-2Ta-0.2Pd-0.20，这些合金的腐蚀强度、疲劳强度和抗腐蚀性能均优于Ti-6Al-4v ELI。与+钛合金相比，钛合金具有更高的强度水乎，以及更好的切口性能和韧性，更适于作为植入物植入人体。在美国，已有5种钛合金被推荐至医学领域，即TMZFT（TI-12Mo-Zr-2Fe）、Ti-13Nb-13Zr、Timetal 21SRx（TI-15Mo-2.5Nb-0.2Si）、Tiadyne 161（Ti-16Nb-9.5Hf）和Ti-15Mo。估计在不久的将来，此类具有高强度、低弹性模量以及优异成形性和抗腐蚀性能的庐钛合金很有可能取代目前医学领域中广泛使用的Ti-6Al-4V ELI合金。钛金属主要有三个因素，一是航空市场对钛的需求强劲，钛材与复合材料有很好的相容性，在宽体新型客机和第四代战机上用钛量扩大，而目前正是新旧飞机换代的时机；二是钛是增强钢的韧性和强度的合金元素，而且在钢铁业中的用量正在增加，据英国五金太平洋公司估计，目前世界钢铁业用钛已达40000吨，而且主要是用70钛铁或纯钛；三是中国经济持续高速发展使我国对钛的需求增加，具体地说