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1、钛工业新技术的发展,钛合金研究所,TRCNIN,TRCNIN,被称为崛起的“第三金属”的钛因性能优良，在航空航天、化工冶金、能源电力、船舶汽车制造、建筑、文体用品中具有广阔的应用前景。然而钛的提取、熔炼、加工和设备制造的工艺复杂，能耗高，成本高；因而钛材价格是普通钢的十几倍至二十几倍，是不锈钢的58倍，严重地阻碍了钛的应用和发展。 降低成本的途径主要有四条： 扩大生产规模； 降低原料和能量消耗，提高冶炼厂的金属回收率、加工厂的 成材率和设备制造厂的成品率； 研究新技术新工艺； 开发研制低成本新型钛合金。,TRCNIN, 钛的冶炼,现阶段钛的冶炼方法主要为： Kroll镁还原法； 导电体介入还原
2、法(EMR)； Hunter法； Armstrong法。,TRCNIN,海绵钛的生产方法-镁还原法,TRCNIN,before crushing after crushing,Ti sponge:,TRCNIN,英国剑桥大学、日本京都大学分别报道了“FFC剑桥工艺”和“OS京都工艺”生产电解钛的新方法(20022003),FCC Cambridge 法,TRCNIN,FCC Cambridge 原理图,OS 原理图,以上新工艺缩短了海绵钛的生产周期，可大大提高海绵钛的生产率,TRCNIN,由于FFC存在固相传质，电解效率较低，西北有色金属研究院杜继红等人利用电解化学反应原理，探索出了在TiO2
3、中加入CaCO3，提高了电解效率,TRCNIN, 钛合金研究,近年来，钛合金的研发一直十分活跃。近期国内外研制的钛合金主要有：BT37、CT20、Ti-600、Ti-60、7715D、Ti-40、Ti-26、Ti-6Al-4V-2Mo-1Fe+10vol.% TiB2,TP-650、橡胶金属、Ti-B19、Ti-91等，这些合金可以满足不同构件对材料应用性能的要求，如CT20合金是一种应用于火箭发动机液氢管路的新型低温钛合金；Timetal 511合金、Ti-B19合金和Ti-91合金等因具有良好的韧性、抗腐蚀性和透声性等，将有望用于大型舰船制造和海洋工业中。,TRCNIN, 钛合金研究, 高
4、温钛合金国内发展的600用钛合金Ti60和Ti600合金均是以Ti-A1-Sn-Zr-Mo-Si等高温系的基础上加入少量的稀土元素Nd，通过内氧化方式形成富有Nd、Sn和O的稀土相，降低基体中的氧含量，从而起到净化基体，改善合金热稳定性的作用，同时稀土第二相粒子的析出强化改善了其高温强度和蠕变性能。特别是西北有色金属研究院(NIN)自主研发的600C高温钛合金，合金中含有少量的Y，使合金在保证较高高温强度的同时，具有稳定的蠕变性能。,TRCNIN,拉伸性能：（2mm板材）Rm1075MPa；Rp0.2987MPa；A12； Z18%蠕变性能：600C/150MPa/100h redu=0.03
5、；650C/100MPa/100h redu= 0.07。,Ti600的性能,TRCNIN,钛基复合材料是600C以上温度使用钛合金的延伸， TP-650合金是NIN自主研发的TiC颗粒增强的钛基复合材料，其设计使用温度为650C,该合金具有高的比强度、比刚度和良好的耐蚀性能，具有良好的综合力学性能,TP650复合材料,TRCNIN,50万个复合材料（Ti-6Al-4V-2Mo-1Fe+10vol.% TiB2）汽车发动机排气阀必用在 Toyota Alzeta汽车上。,TRCNIN,美国坩锅材料公司通过冷壁坩锅熔炼技术和氩气雾化法，用钛锭，AlV中间合金，碳化钛，硼化钛制成复合材料粉末，再经
6、1000/103MPa/3hr热等静压制成挤压坯，经9：1挤压成12mm的棒材。,TRCNIN,有望进一步提高钛合金使用温度的合金：700C：O相TiAl合金800： -TiAl合金,变形困难，塑性低,TRCNIN, 损伤容限型钛合金,在BT37、BT22型高强合金的改型上，如VT22PT (0.25C+0.2B)，它比BT22具有更高的室温、中温强度及蠕变持久性能;,TC21高强高韧损伤容限型钛合金 Ti-Bl9高强高韧耐蚀钛合金 TC4-DT中强高韧钛合金,国内研制情况：,国外研制情况：,TRCNIN,几种损伤容限型钛合金的性能对比,西北有色金属研究院研制的高强韧损伤容限型钛合金Ti-Al
7、-Sn-Zr-Mo-Cr-Nb-Si 系两相钛合金UTS = 1100 MPa, YS = 1000 MPa, EL = 8%, RA =12% KIC = 70 MPam，疲劳裂纹扩展速率da/dN 同 Ti-6-4合金相当,TC21合金,TRCNIN,船用钛合金,Timetal-5111S合金 美国Timet公司与美国和海军联合开发了一种具有强度适中，韧性高、焊接性能好的近钛合金,名义化学成分：Ti-5Al-1Zr-1Sn-1V-0.8Mo-0.1Si 特点： 良好的断裂韧性及抗氧化腐蚀性能。其冲击韧性约为Ti-6Al-4V的3倍 具有良好的室温蠕变性能 易于焊接，可以进行大规格型材的焊接
8、，主要用于舰船制造和海洋工程,TRCNIN,几种合金断裂韧性比较,加入0.05%PdTimetal 5111Pd，提高耐缝隙腐蚀性能,几种合金的耐蚀性能比较,TRCNIN,Ti-Al-Mo-Zr-Cr-V系 特点： 具有高强度（1250MPa） 具有很好的韧性（KIC70MPam），在相同的断裂韧性条件下，Ti-B19比c的强度高50100MPa,Ti-B19合金,西北有色金属研究院研制，弹射装置用缸体用材,TRCNIN,TRCNIN, Ti-B20NIN自主研发的一种钛合金。固溶强化后，合金的最大拉伸强度为1400 MPa，延伸率为810，断面收缩率为3040%。,西北有色金属研究院研制，舰
9、船导流罩装置用透声钛合金，用于我国舰船声纳装置,名义化学成分： Ti-3.5Al-1V-1Fe-0.5Zr 特点： 良好的机械性能，透声性能和冷成型性能,Ti-91合金,TRCNIN,TRCNIN, 低成本钛合金,以廉价的合金化元素如Fe、Si等代替昂贵的V，Mo、Nb等元素，实现原材料成本降低三分之一。,几种低成本钛合金的室温机械性能,TRCNIN, 橡胶金属 “Gum Metal,” ：超低模量40 GPa 、高的强度2000 MPa ； 超塑性性能超出正常 2.5%；非线性塑性变形行为； 冷加工性能可达 99.9% ，无加工硬化；成分： Ti + 25 mole % (Ta, Nb, V
10、) + (Zr, Hf, O),TRCNIN, 钛合金熔炼,钛熔炼技术的进步：电子束冷床炉(EB)等离子冷床炉（PLAMSA）熔炼,乌克兰的ANTARES公司,TRCNIN,凝壳自耗电极熔炼技术：俄罗斯发展的一种类似于冷床炉的新型熔炼技术，其特点： 能有效去除熔融金属中密度和熔点高于基体金属的颗粒； 难熔金属组元可以纯金属的形式加入； 可制备异型铸锭； 同时可大量回收利用残钛； 炉子造价比冷床炉的低，耗电量较小。,一次熔炼采用该工艺，二次采用真空自耗进行熔炼,TRCNIN, 电渣重熔炉 (ESR): ESR 和 VAR的区别是电极熔滴经过熔渣进入熔池而被提纯了，非金属的杂质和熔渣发生反应，由于
11、属于非直接结晶，消除了中心结晶孔，提高了均匀性，目前德国的ALD公司已可用 ESR生产长方形扁锭。,TRCNIN,在惰性气体保护下ALD真空技术电渣重熔炉,TRCNIN,置氢脱氢处理技术置氢脱氢处理技术是通过氢的可逆合金化作用，即利用钛合金的吸氢放氢过程，可以把氢作为一种临时性的合金元素，使钛合金具有良好的热加工性能，待加工完毕后，通过真空去氢处理，使材料的氢含量恢复到常温下的安全水平，对钛合金的微观组织、力学性能和加工性能进行调整的一种新兴热加工技术。, 钛加工,TRCNIN,运用氢处理技术提高钛合金性能的途径有两种：利用氢增塑效应； 利用氢处理细化钛合金的微观组织。,TRCNIN, 氢增塑
12、效应在钛合金超塑性成形之前加入适量的氢，降低合金的最佳应变速率敏感性指数m和延伸率，使形变激活能升高，降低超塑性变形时的流变应力，达到改善钛合金超塑性性能的目的。对Ti-6A1-4V合金来说，在给定温度的超塑性变形条件下，氢含量为0.17wt%时可到降低流变应力和增加m 值的作用，同时使合金的超塑变形温度降低100以上（由900降低至785）。,TRCNIN, 氢处理细化钛合金的微观组织结合塑性变形技术制备超细晶钛合金，使钛合金在较低的变形温度和较高的变形速率下具有优异的超塑性性能。600700C，如将Ti-6Al-4V中添加0.5wt%H, 合金晶粒尺寸可降低至0.30.5m；变形温度为80
13、0C, 应变速率为1.010-3s-1时，合金的延伸率将高达 6000%。,TRCNIN, 氢处理细化钛合金的微观组织结合塑性变形技术制备超细晶钛合金，使钛合金在较低的变形温度和较高的变形速率下具有优异的超塑性性能。600700C时，如将Ti-6Al-4V中添加0.5wt%H, 合金晶粒尺寸可降低至0.30.5m；变形温度为800C, 应变速率为1.010-3s-1时，合金的延伸率将高达 6000%。,TRCNIN, SPFDB（超塑性成型扩散连接）技术在航空航天部件的生产上已得到越来越广泛的应用。超塑性成型结构可使成本节省2040。晶粒的超细化不仅使材料在常温下具有优异的力学性能，高应变速率
14、超塑性或低温超塑性的实现，有利于提高超塑成形的效率及节省能源和降低模具的损耗, 在细晶超塑性研究中，首先要获得等轴细晶组织,TRCNIN, 大塑性变形制备细晶的方法利用大变形量获得超细晶材料：截面挤压(E-CAP)、高压扭转变形(Torsion Straining under High Pressure)、多道次轧制、高温多重等温锻造以及压缩变形等。其中获得工业应用的主要有等温锻造工艺，目前我国已研制出万吨数控等温钛合金锻造液压机，其技术性能指标达到世界先进水平。该机的等温锻造超塑性成型速度可达到0.0050.05mms。,TRCNIN,利用大塑性变形法，已在TC4、TC11、Ti-10-2-
15、3、TiAl等合金中获得了亚微米晶或纳米晶，变形温度为750800C时，利用SPFDB技术可将亚微米晶的Ti-6A1-4V合金板材成型出形状复杂、组织高度均匀的空心近净型件,多层蜂窝结构（ SPFDB 技术）,TRCNIN, 固态自由成型技术（Solid Freeform Fabrication）, 成型无需硬模； 省时：一次成型，无需后续加工； 节省成本：成本降低1530%，材料利用率提高5； 既可制造简单零件，也可成型形状复杂的零件，特别 有利于复杂形状、多品种、小批量零件的生产； 成型材料性能介与铸造与锻造之间。,TRCNIN,STL File E Beam Process Finish
16、ed SFF Part, 电子束熔化成型: 由 CAD 文件控制电子束对钛金属粉末床进行熔化扫描,融化所需要的工件形状,这样将粉末一层层铺上去在扫描熔化.形成三维结构。,TRCNIN,Principle of AeroMet Laser Additive Manufacturing unit, 激光熔化成型技术: 同 EBM相似 ,加热源换成了激光束.,TRCNIN,德国Trumpf公司、美国的AeroMet公司利用激光熔化成型技术生产出形状复杂的零件，其中AeroMet公司利用该技术制成F22飞机支架，F/A-18E/F飞机机翼连接板的翼根加强筋，目前利用该技术制造出Ti-6Al-4V,Ti-5Al-2.5Sn,Ti-4242s,Ti-62222s等合金零件.另外，美国坩锅公司利用该工艺制成Ti-47Al-2Cr-2Nb板材，200150 32mm的-TiAl板材.,
