关于钛和钛合金的研究

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1、关于钛和钛合金的研究一：关于钛及钛合金的简介钛是一种金属元素，灰色，原子序数 22，相对原子质量 47.87。能在氮气中燃烧，熔点高。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 1725，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。 二：钛合金的基本性质及主要用途钛有很多的用途，其中钛合金的使用是最为广泛的。钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高

2、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。钛是同素异构体，熔点为 1668，在低于 882时呈密排六方晶格结构，称为 钛；在882以上呈体心立方晶格结构，称为 钛。利用钛的上述两种结构的不同特点，添加适当的合金元素，使其相变温度及相分含量逐渐改变而得到不同组织的钛合金（titanium alloys） 。室温下，钛合金有三种基体组织，钛合金也就分为以下三类： 合金,(+ )合金和 合金。中国分别以 TA、TC 、TB 表示。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

3、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。钛合金的密度一般在 4.5g/cm3 左右，仅为钢的 60%，纯钛的强度才接近普通钢的强度，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，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。钛合金具有强度高而密度又小，机械性能好，韧性和抗蚀性能很好。另外，钛合金的工艺性能差，切

4、削加工困难，在热加工中，非常容易吸收氢氧氮碳等杂质。还有抗磨性差，生产工艺复杂。钛的工业化生产是 1948 年开始的。航空工业发展的需要，使钛工业以平均每年约 8%的增长速度发展。目前世界钛合金加工材年产量已达 4 万余吨,钛合金牌号近 30 种。使用最广泛的钛合金是 Ti-6Al-4V(TC4),Ti-5Al-2.5Sn(TA7)和工业纯钛（ TA1、TA2 和 TA3） 。三钛合金的优越性能1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

5、温度可达 500，铝合金则在 200以下。 2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。 3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。 4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

6、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 20%30%。钛的化学亲和性也大，易与摩擦表面产生粘附现象。 5导热系数小、弹性模量小.四：钛合金的发展史及最主要应用成就 第一个实用的钛合金是 1954 年美国研制成功的 Ti-6Al-4V 合金，由于它的耐热性、强度、塑性、韧性、成形性、可焊性、耐蚀性和生物相容性均较好，而成为钛合金工业中的王牌合金，该合金使用量已占全部钛合金的75% 85%。其他许多钛合金都可以看做是 Ti-6Al-4V 合金的改型。 20 世纪

7、5060 年代，主要是发展航空发动机用的高温钛合金和机体用的结构钛合金，70 年代开发出一批耐蚀钛合金，80 年代以来，耐蚀钛合金和高强钛合金得到进一步发展。耐热钛合金的使用温度已从 50 年代 400提高到 90年代的 600650。A2(Ti3Al) 和 r（TiAl）基合金的出现，使钛在发动机的使用部位正由发动机的冷端（风扇和压气机）向发动机的热端（涡轮）方向推进。结构钛合金向高强、高塑、高强高韧、高模量和高损伤容限方向发展。 另外，20 世纪 70 年代以来，还出现了 Ti-Ni、Ti-Ni-Fe、Ti-Ni-Nb 等形状记忆合金，并在工程上获得日益广泛的应用。 目前，世界上已研制出的

8、钛合金有数百种，最著名的合金有 2030 种，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2,4。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 172 5，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

9、模量 E=1.078105MPa，硬度 HB195。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，钛及其合金已在一般工业中应用，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环境污染控制装置等。钛及其合金已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。新进展近年来，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。 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

10、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-6242 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 IMI829、IMI834 合金；美国的 Ti-1100 合金；俄罗斯的 BT18Y、BT36 合金等。表 7 为部分国家新型高温钛合金的最高使用温度26。 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

11、度、高致密性钛合金，在 760下其强度相当于目前室温下使用的钛合金强度26。 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26。 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、Ti

12、25Al-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 M 为v、Cr、Mn、Nb、Mn、Mo 和 W 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1 。 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

13、、良好的环境抗力及强度与断裂韧性的很好配合。新型高强高韧 型钛合金最具代表性的有以下几种26,30 ： 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；

14、 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

15、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26。 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，可用作植入人体的植入物等。目前，在医学领域中广泛使用的仍是 Ti-6Al-4v ELI 合金。但后者会析出极微量的钒和铝离子，降低了其细胞适应性且有可能对人体造成危害，这一问题早已引起医学界的广泛关注。美国早在 20 世纪 80 年代中期便开始研制无铝、无钒、具有生物

16、相容性的钛合金，将其用于矫形术。日本、英国等也在该方面做了大量的研究工作，并取得一些新的进展。例如，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 TMZFTM（TI-12Mo-Zr-2Fe） 、Ti-13Nb-13Zr、Timetal 21SRx（TI-15Mo-2.5Nb-0.2Si ） 、Tiadyne 161