TC4合金背景现状进展

1、主体2.1历史背景l 钛合金是20世纪50年代发展起来的一种重要金属材料，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应用于各个领域。近年来更是迅速发展成为具有强大生命力的新型关键结构材料，在军工、民用等部门获得了关泛的应用。钛合金的应用决定于钛及钛合金的特点和对产品的要求。概括起来，钛及钛合金的特点有如下(1)钛的密度小、比强度高。钛的密度为4510kg/ m3，介于铝(2700kg/m)和铁(7600kg/m)之间。钛合金的比强度高于铝合金和钢。C2)钛合金的工作温度范围较宽，低温钛合金在一253 0C还能保持良好的塑性，而耐热钛合金的工作温度可达5500C左右，其耐热性且，钛的

2、腐蚀性能的突出特点是不发生局部腐蚀和晶间腐蚀，一般为均匀腐蚀。(4)钛的化学活性很高，极易受氢、氧、氮的污染，难以冶炼和加工，使得生产成本较高。(5)导热性差(只有铁的1/5，铝的1/3) ,摩擦系数大(0.42),抗磨性也较差，故在切削加工时，容易使工件及刀具温度升高，造成粘刀，降低刀具寿命，故切削加工性差。C6)弹性模量低，影响构件的刚度，也使细长构件的使用受到限制，不过在某些情况下，也可利用钛的a/E比值大的特点制作弹性元件。氢化钛粉制备钛及钛合金材料研究进展Cl 钛及钛合金具有耐腐蚀、比强度高等突出优点而被称作“太空金属”或“海洋金属”，近年来更是迅速发展成为具有强大生命力的新型关键结

3、构材料，在军工、民用等部门获得了关泛的应用1-4。1ARCELLA F G, FROES F H. Producing titanium aerospace components from powder using laser forming J. JOM, 2000,52(5): 28-302FROES F H, HEBEISEN J. Advances in powder metallurgy applications-A review: FROES F H. Proceedings of the Advanced Particulate Materials&ProcessesC. USA

4、: MetalPowder Industries Federation, 1997: 1-263喻岚，李益民，邓中勇，等采用氢化钛粉制备Ti-6A1-4V合金J湖南冶金，2004, 32(5): 17-19.YU Lan, LI Yi-min, DENG Zhong-gong, et al. Preparation ofP/M Ti-6A1-4V alloy using TiHZ powder J. Hunan Metallurgy,2004, 32(5): 17-194KEINATH议MOHS R, BUNK W. Development in powdermetallurgy(P/M) T

5、i6A14V technology for aircraft parts:KIMURA H, IZUMI O. Titanium 80 Science and Technology:Proceedings of the Fourth International Conference on Titanium,Kyoto 1980C. USA: Metallurgical Society of AIME, 1980:2215-2222B现状目前已研究出的钛合金有100多种，然而只有2030种达到商业应用水平。20世纪50年代初期，由美国的Illinois技术研究所开发的属于。型的Ti6A14 V合

6、金是最典型、研究最为深入的钛合金，具有良好的综合力学性能，如表1所示其应用率占50%以上，主要用于航空工业。锻造和铸造方法生产钛合金，工艺复杂、成材率低，阻碍了其更为广泛的应用。因此，需要寻找流程简单且成本较低的钛合金制备工艺，使其达到汽车、体育器械等民用行业所能接受的材料性能及成本水平。l 粉末冶金是一种生产复杂形状零件的近净成形技术，具有工艺流程短、材料利用率高、组织细小均匀、成分可控以及近净成形等优点79，是制备高性能、低成木钛合金的理想工艺。l 传统粉末冶金方法是在加热加压条件下使钛合金粉末成形，利用微塑性变形和原子扩散实现烧结致密化。但钛在高温下流动应力高、原子扩散能力低，需要140

7、0的烧结温度才能获得理论密度超过90%的钛材。钛合金在此高温下会形成有害的过热组织相，材料孔隙度较高，尺寸大且分布不均匀3，致密度仅能达到95%左右4,5。l 采用以TiH粉为原料的粉末冶金工艺制造钛产品是近年国际研究热点。以成本较低的氢化钛粉为原料、采用一步法也可以制得钛合金，即脱氢在脱脂(或烧结)过程中实现，与前一种方法相比该法工序减少并降低了合金生产过程中被污染的可能性，因此可以降低产品的生产成本并提高其最终性能。l TiH:具有脆性，容易破碎获得细粉，满足工艺需求。l 因此，采用TiH为原料可以制得成本低且杂质少的钛产品，直接降低了钛的制造成本6及使用门槛。l 【3】马福康.等静压技术

8、巨M习.北京:冶金工业出版社，1992l 4韦伟峰，黄伯云，刘咏，等.混合元素法PM钛合金的研究进展巨J习.材料导报，2002,16(11);20l 5赵嘉琪，南海，黄东，等.氢合金化钛合金粉末成形制件技术的发展巨J习.特种铸造及有色合金，2007,27(8);593l 6洪艳，曲涛，沈化森，等.氢化脱氢法制备钛粉工艺研究巨J习.稀有金属，2007,31(3);311B现实状况、应用1.1钛及钛合金的应用 钛合金主要用于制作飞机发动机压气机部件，其次为火箭、导弹和高速飞机的结构件。60年代中期，钛及其合金己在一般工业中应用，用于制作电解工业的电极，发电站的冷凝器，石油精炼和海水淡化的加热器以及

9、环境污染控制装置等。钛及其合金己成为一种耐蚀结构材料。此外还用于生产贮氢材料和形状记忆合金等。钛及钛合金密度小、比强度高、耐蚀性好，然而钛化学活性高，冶炼难度大、能耗高;钛极易受氢、氧、氮的污染，加工过程需要真空或气氛保护，导致其压力加工周期长、设备投入高;同时，钛合金的切削加工性较差，切削效率低，仅为铝合金加工效率的15%，且尺寸控制难、刀具寿命短。目前航空航天工业是钛合金的主要消费领域，而开辟钛及钛合金的民用市场的关键在于降低其价格。近几年，研究人员在降低钛矿冶炼成本、减少钛材加工环节、扩大钛材应用范围等方而开展工作，以期降低钛及钛合金的价格。但降低钛合金加工成本比改善钛合金的性能更具研究

10、空间。国内钛粉末冶金技术还处于起步阶段，对于以氢化钛粉为原料制备钛合金的工艺研究不多，该工艺为我国钛粉末冶金技术发展指出了新的方向。但该工艺仍需要开展系统研究，特别是大尺寸成型件的脱氢研究口前仍然是空白。C发展方向根据国内外钛合金的研究和开发现状，TC4合金未来的发展趋势可能为: (1)研究TiH2性能对钛合金产品性能影响；(2)以TiH2粉末为原料的粉末注射成形工艺；(3)高能球磨法制备钛合金；(4)以TiH2粉末为原料制备医用钛及钛合金；（5）进一步完善Ti6A14V合金的热加工和热处理工艺，并通过完善的有限元模拟程序研究其冶金模型，在降低成本的同时，实现工艺和控制优化，提高材料的力学性能；（6）通过表而修饰或添加增强相等方法提高Ti6A14V合金的性能。D恰当的评价l原料选取合理：原料从传统的钛粉改为用氢化钛粉，因为高纯钛粉成本高，氢化钛粉价格更低，能促进TC4合金的推广应用。l选取脱脂体中氢饱和度而不是氢化钛粉中氢饱和度为指标，因为不饱和氢化钛粉的性能评估体系尚未建立，如何准确控制及评估其不饱和度，仍需进一步研究。l TC4合金研究价值：TC4合金综合性能良好，使用温度范围宽(400-196)，合金组织和性能稳定，合金化简单，工艺易掌握，适合大规模生产（棒料、锻件和中厚板