鈦合金材料及其制備技術(shù)研究進展

王 洋(中航物資裝備有限公司 北京 100027)

鈦是五十年代興起的一種重要結(jié)構(gòu)金屬，同其它結(jié)構(gòu)金屬相比，它具有兩個顯著的優(yōu)點:比強度高和耐腐蝕性能好。鈦還具有韌性好、熔點高、熱膨脹系數(shù)低及耐生物侵蝕等，在航空、航天、和生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是用常規(guī)方法生產(chǎn)的鈦合金的強度和使用溫度與先進的飛機、火箭等飛行器的要求相比還存在較大差距。快速凝固技術(shù)的應(yīng)用可以有效地提高常規(guī)鈦合金的性能，并為研制新型鈦合金創(chuàng)造了條件。

從70年代末期開始，在一般快速凝固技術(shù)的基礎(chǔ)上對設(shè)備和工藝參數(shù)做了一些改進，研究出一些適用于鈦合金生產(chǎn)的快速凝固方法和設(shè)備。金屬材料激光表面重熔處理是實現(xiàn)快速凝固的基本方法之一，由于其獨特的“無界面熱阻”自淬火快速熱傳導(dǎo)作用，激光表面重熔也是迄今為止能實現(xiàn)冷速最快的方法之一。因此激光表面重熔作為快速凝固理論研究的基本手段和提高零件表面性能的主要方法得到廣泛應(yīng)用。

最終監(jiān)測結(jié)果如圖17所示。可以看出，切眼左幫總位移約62mm，位移速率隨著切眼擴幫的進行逐漸減小；切眼右?guī)驮跀U幫前位移量為零，隨著擴幫的進行，位移量逐漸增大，總位移量約54mm，低于左幫位移量；切眼頂板總位移量約14mm，總位移量較小；切眼底板最終底鼓量約14mm。由以上數(shù)據(jù)可以看出，切眼左幫、右?guī)汀㈨敯濉⒌装遄冃瘟烤^小，在允許的范圍之內(nèi)，且在整個工作面推進期間，均沒有發(fā)生明顯的破壞，支護效果良好。

1 鈦合金的組織性能

鈦具有兩種同素異晶體，分別為α和β來表示。熔點為1720℃，在882℃以上時呈體心立方晶格結(jié)構(gòu)，稱為β鈦;在低于882℃時呈密排六方結(jié)構(gòu)，稱為α鈦。鈦的導(dǎo)熱性較差，其導(dǎo)熱系數(shù)比不銹鋼略低。鈦的純度對其導(dǎo)熱性的影響較大。當(dāng)鈦中存在雜質(zhì)時，其導(dǎo)熱系數(shù)則有所下降。純鈦在25℃的比熱容為527．5J/(kg．℃)，隨溫度提高，鈦的比熱容也逐步增加。

圖1是系統(tǒng)總體硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)圖。該硬件系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：太陽能供電模塊、單片機控制模塊、GPRS無線數(shù)傳模塊、傳感器數(shù)據(jù)采集模塊[5-6]。系統(tǒng)的工作原理是：單片機控制系統(tǒng)經(jīng)信號采集與處理獲得有效信號后，經(jīng)過GPRS無線數(shù)傳模塊與Internet網(wǎng)絡(luò)的接入傳回監(jiān)控中心。

2．4汽車用鈦鋁合金。日本大同鋼鐵公司研制成一種新型鈦鋁合金，將它應(yīng)用于制造汽車發(fā)動機的排氣閥，可大大改善發(fā)動機的性能。這種新型鈦鋁合金的成分為稱 33．5Al－1Nb －0．5Cr－0．5Si(wt%)，其中加入Nb和Si是為了提高抗氧化性能及抗蠕變性能。將用這種新型鈦鋁合金制成的排氣閥裝在汽油發(fā)動機上，以每分鐘6400轉(zhuǎn)的速度運轉(zhuǎn)150小時后的試車結(jié)果表明，該閥門由磨損和氧化所造成的損耗很小。在另外一種不增壓發(fā)動機上的試車結(jié)果表明，在很短時間內(nèi)，發(fā)動機轉(zhuǎn)速就高達每分鐘13000轉(zhuǎn)，最大突變轉(zhuǎn)速可提高到每分鐘14000轉(zhuǎn)。

(3)零件的材料利用率高，制造成本低、生產(chǎn)制造周期短;

AlloyC(Ti－35V－15Cr)是美國研制的一種高穩(wěn)定化的阻燃鈦合金，該合金具有良好的阻燃性能和力學(xué)性能，已在F22飛機的F119發(fā)動機中得到實際應(yīng)用。

2 國外鈦合金的研究進展

2．1BT37合金宇航用鈦合金。由于大型航空發(fā)動機壓氣機對工作300－350℃用材的需要，俄羅斯的全俄輕金屬研究院研究了同時添加錫和鋯來改善BT22鈦合金的強度和高溫蠕變性能，研制出了性能優(yōu)于BT22的一種新的航空用鈦合金。新合金的名義化學(xué)成分為:Ti－5Al－5Mo－5V －1Fe－1Cr－1．7Sn－2．5Zr，被賦予正式牌號 BT37。用 BT37合金來取代傳統(tǒng)的BT3－1、BT6熱強鈦合金來制造在300－350℃工作的壓氣機大尺寸盤和葉片，可使重量減輕20－25%。

2．2Timetal5111船用鈦合金。美國Timet公司與美國海軍聯(lián)合開發(fā)了一種具有強度適中韌性高焊接性能好的近α鈦合金，命名為Timetal5111，其名義化學(xué)成分為:Ti－5Al－1Zr－1Sn－1V －0．8Mo－0．1Si該合金的突出特點是具有良好的斷裂韌性及抗應(yīng)力腐蝕性能，同時又具有良好的室溫蠕變性能。其沖擊韌性約為Ti－6Al－4V的3倍，并且易焊接，可以進行大規(guī)格型材的焊接，主要用于艦船制造和海洋工程。

2．3生物用鈦合金。最新開發(fā)的生物鈦合金主要有:Ti－5Al－3Mo－4Zr、Ti－ 6Al－ 7Nb、Ti－ 13Nb － 13Zr、Ti－ 35Zr－ 10Nb、Ti－ 16Nb －10Hf、Ti－35．3Nb －5．1Ta－7．1Zr等。為了減少或消除 Al、V 元素的不利影響開發(fā)了一系列生物用新型鈦合金，其中Ti－12Mo－6Zr－2Fe是一種亞穩(wěn)態(tài)合金，與Ti－6Al－4V合金相比，該合金具有較高的強度、斷裂韌性，較好的耐磨性，優(yōu)秀的耐蝕性和較低的彈性模量，適合用于矯形器件。用Zr、Nb、Ta、Pd和Sn作為合金元素來改善鈦合金力學(xué)性能、耐蝕性和生物相容性是開發(fā)生物鈦合金的主要途徑。如開發(fā)出的Ti－15Mo－5Zr－3Al(時效態(tài))及 Ti－15Sn－4Nb－2Ta－0．2Pd(時效態(tài))的強度較高;Ti－29Nb－13Ta－4．6Zr合金的耐磨性和力學(xué)性能都接近于Ti－6Al－4合金，且彈性模量更接近于人體骨骼。

急性型羊鏈球菌病的感染病羊通常表現(xiàn)為體溫快速升高至40℃以上，同時伴有萎靡、少動，垂頭以及食欲大幅下降的情況。病羊通常呈現(xiàn)眼瞼和面頰腫脹、呼吸困難等現(xiàn)象，在發(fā)病過程中會逐漸出現(xiàn)漿性分泌物，例如鼻液等，還有部分懷孕過程中的母羊會發(fā)生流產(chǎn)現(xiàn)象，通常的病程在2-3天時間，并最終會由于衰竭窒息而死亡。

2．5高強鈦合金。俄羅斯研制的 VST5553(Ti－5Al－5Mo－5V－3Cr)作為高強近β鈦合金可替代BT22和Ti－1023鐵合金大量使用在飛機的起落架上，該合金的淬透性更好，俄羅斯的VSMPO聯(lián)合體分別用β鍛和α+β鍛制造了該合金的大型鍛件。另外俄羅斯研制的VST3553(Ti－3Al5－Mo－5V－3Cr)是用于緊固件用鈦合金，其強度和加工性能均優(yōu)于Ti－64。

例如，在學(xué)習(xí)《Where didi you go on vacation?》時，我會在教學(xué)的開始創(chuàng)設(shè)一個問題情境，引導(dǎo)學(xué)困生思考他們想去哪里度假，或者是去過哪里度假，這樣學(xué)生通過對問題的思考，可以更好的拉近學(xué)生與教材之間的距離；然后我會利用多媒體為學(xué)生呈現(xiàn)一些景點的圖片，使學(xué)生欣賞不同的風(fēng)景，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，使他們愛上英語，更積極主動的投入到學(xué)習(xí)中來，提高他們的核心素養(yǎng)。

鈦及大多數(shù)鈦合金的密度約為4．5g/cm3，介于鋁和鋼之間。高強度鈦合金的強度極限可達到1470MPa以上，比強度約為33。對于鋼來說，要達到這樣高的比強度，則需要具有2500－2600MPa的強度極限。然而，制造和在結(jié)構(gòu)中使用這樣的鋼，制備成形工藝上是十分困難的;即使鋼的強度還能提高，銹蝕也是一個很大的缺點，嚴(yán)重影響其應(yīng)用。高強度不銹鋼不僅熱處理工藝復(fù)雜，且在許多情況下耐蝕性仍不足。

3 鈦合金的制備方法

3．1真空自耗電弧爐熔煉。目前生產(chǎn)鈦及其合金鑄錠的主要方法依然是真空自耗電弧爐熔煉(VAR)，它可以成功的熔煉易偏析和高活性的金屬材料。其實質(zhì)是自耗電極作負(fù)極，銅坩堝作正極，在真空或惰性氣氛中，將已知化學(xué)成分的自耗電極在電弧高溫加熱下迅速熔化，形成熔池并受到攪拌，一些易揮發(fā)雜質(zhì)將加速擴散到熔池表面被去除，合金的化學(xué)成分經(jīng)攪拌可達到充分均勻。

VAR技術(shù)的優(yōu)點是熔煉速度快，可生產(chǎn)大型鑄錠，可滿足一般工業(yè)要求，能去除氫等氣體;能降低高蒸氣微量元素的含量;可得到從下向上的近定向凝固柱狀晶;降低宏觀偏析和微觀偏析。隨著科學(xué)技術(shù)的進步，技術(shù)不斷完善，通過運用先進的技術(shù)生產(chǎn)出了大規(guī)模低偏析高質(zhì)量的鑄錠。

VAR技術(shù)還存在著一些不足，如熔煉易偏析合金元素較多的鈦合金時，仍然會出現(xiàn)宏觀和微觀偏析;化學(xué)成分均勻性差;容易產(chǎn)生組織缺陷;制造電極、破碎料增加成本等。雖然通過改進新工藝生產(chǎn)出了高質(zhì)量的鈦合金，但是提高了生產(chǎn)成本。另外該工藝回收廢料困難，生產(chǎn)的鑄錠發(fā)生夾雜的頻率很高，因而限制了它在熔煉高質(zhì)量合金中的應(yīng)用。現(xiàn)在，自耗電極電弧爐多用來重熔鑄錠這在一定程度上克服了上述缺點，可生產(chǎn)致密無缺陷成分均勻具有所要求的化學(xué)成分尺寸和晶粒結(jié)構(gòu)鑄錠。

(1)無需零件毛坯制備和鍛壓模具加工、無需大型或超大型鍛鑄工業(yè)裝備及其相關(guān)配套設(shè)施;

根據(jù)當(dāng)前研究進展，采用短板效應(yīng)原理法和GIS空間分析法進行福州市域土地資源建設(shè)開發(fā)適宜性評價。具體如下：

3．2激光快速成形技術(shù)。高性能金屬結(jié)構(gòu)件激光熔化沉積“近凈成形”制造技術(shù)，利用快速原型制造的基本原理，以金屬粉末(或絲材)為原材料，通過高能激光束對金屬原材料的逐層熔化堆積，直接由零件CAD模型一步完成全致密、高性能、大型復(fù)雜金屬零件的“近終成形”制造，是一種具有“變革性”意義的數(shù)字化、短周期、低成本、先進“近凈成形”制造新技術(shù)，在航空、航天等國防裝備研制與生產(chǎn)中具有廣闊的應(yīng)用前景，與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，具有以下突出優(yōu)點:

(2)零件具有晶粒細(xì)小、成分均勻、組織致密的獨特快速凝固組織、綜合力學(xué)性能優(yōu)異;

2．6阻燃鈦合金。

在當(dāng)前的教學(xué)背景中，大部分小學(xué)生的年齡為6～11歲。由于年齡的限制，學(xué)生的思維能力以及認(rèn)知能力都存在一定的不足，在學(xué)習(xí)的過程中就會遇到較多的困難。加之傳統(tǒng)教學(xué)模式中的教師會運用師生授受的教學(xué)手段開展教學(xué)，使得學(xué)生無法產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣，進而造成較多的教學(xué)問題。因此，在實際的教學(xué)過程中，教師就需要對自身的教學(xué)理念以及教學(xué)模式進行優(yōu)化，合理地借助網(wǎng)絡(luò)資源開展教學(xué)，降低學(xué)生的學(xué)習(xí)難度。

(4)工藝與設(shè)備簡單、工序少而短、具有高度柔性與“超常”快速反應(yīng)能力;

(5)可以方便地實現(xiàn)包括w、Mo、Nb、Ta等各種難熔及 Ti、Zr等各種高活性高性能金屬材料零件的材料制備和零件直接“近凈成形”:

(6)可根據(jù)零件的工作條件和性能要求，實現(xiàn)多材料梯度復(fù)合高性能金屬的直接近凈成形制造;

(7)具有對構(gòu)件設(shè)計與批量變化的高度柔性與快速反應(yīng)能力。激光快速成形技術(shù)的獨特優(yōu)點，為克服大型鈦合金結(jié)構(gòu)件上述制造技術(shù)缺點提供了一條新途徑，也由于鈦合金結(jié)構(gòu)件激光快速成形技術(shù)對先進國防裝備研制與生產(chǎn)的重要性和廣泛實用性美國等西方工業(yè)及軍事強國對其十分重視。

4 結(jié)論

綜上所述，鈦合金因其優(yōu)良的性能在航空工業(yè)有著廣泛的應(yīng)用前景。目前，世界先進戰(zhàn)斗機的鈦用量在20%以上，民用客機用鈦量在10以上。美國F－22，鈦合金用量已占機體總重量的41%，應(yīng)用部位:隔框、主翼梁、后梁、水平尾翼轉(zhuǎn)軸等，使用的主要鈦合金材料為Ti－6Al－4V，還有一些結(jié)構(gòu)件使用了Ti－62222S，如機身隔框Ti－6Al－4V鈦合金模鍛件和后機身發(fā)動機機艙框架Ti－6Al－4V鈦合金模鍛件。美國Boeing787飛機，鈦合金用量達到了15%;歐洲A380飛機，單架飛機用鈦65噸，占飛機總重量的10%，而且采用了全鈦掛架。

那是在京都的一餐晚飯，我們在下榻的民宿自行料理，四菜一湯，有葷有素，簡單而美味。白天在清水寺玩兒，挺開心，忍不住從冰箱里拿出幾罐前幾天在超市購買的啤酒，準(zhǔn)備痛飲一番。不經(jīng)意間，覺得易拉罐的頂蓋摸起來似乎有些異常，仔細(xì)觀看，發(fā)現(xiàn)上面清楚地顯示著盲文。我不認(rèn)識盲文，但卻立刻懂得了這出現(xiàn)在易拉罐頂蓋上的盲文的意思，也明白了盲文鄭重標(biāo)示于此的重要作用——事后請教當(dāng)?shù)厝说弥凭嬃弦桌奚巷@示盲文“酒”，有些咖啡易拉罐上也顯示盲文“咖啡”，以幫助盲人識別。

同時，鈦的冶煉技術(shù)一旦有所突破，其價格也將明顯降低。隨著鈦合金的開發(fā)研制、鈦材品種的增多及價格的降低，鈦在民用工業(yè)中的應(yīng)用將成倍增加，特別是在造船、汽車制造、化工、電子、海洋開發(fā)、海水淡化、地?zé)岚l(fā)電、排污防腐等民用領(lǐng)域?qū)@得廣泛的應(yīng)用。與此同時，市場的需求也將加速鈦工業(yè)與鈦材加工技術(shù)的發(fā)展。