我國自主研發(fā)鈦合金現(xiàn)狀與進(jìn)展

趙永慶， 葛 鵬

(西北有色金屬研究院，西安710016)

鈦合金具有密度低、比強(qiáng)度高、耐腐蝕、熱強(qiáng)性好、無磁以及生物相容性好等優(yōu)良特性，已被廣泛應(yīng)用于航空、航天、艦船、化工、冶金及生物醫(yī)用等領(lǐng)域。根據(jù)合金本身特性及應(yīng)用狀況的不同，鈦合金可分為高強(qiáng)鈦合金、損傷容限鈦合金、高溫鈦合金、低溫鈦合金、耐蝕船用鈦合金、低成本鈦合金、醫(yī)用鈦合金等幾大類。中國鈦工業(yè)經(jīng)過60年的發(fā)展已取得舉世矚目的成績，海綿鈦和鈦加工材產(chǎn)量都已居于世界前列，并形成了完整的研發(fā)與生產(chǎn)體系。近二十年，我國開發(fā)成功的新型鈦合金超過30 種，本工作將對(duì)主要的新型鈦合金研發(fā)現(xiàn)狀與進(jìn)展進(jìn)行介紹。

1 高強(qiáng)及損傷容限鈦合金

高強(qiáng)及損傷容限鈦合金最初主要是針對(duì)航空飛行器的應(yīng)用而研發(fā)的。20 世紀(jì)60年代以來，航空飛行器除向高速、高機(jī)動(dòng)的方向發(fā)展，高可靠性和長壽命成為其越來越重要的發(fā)展方向，飛機(jī)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則從早期的疲勞安全壽命設(shè)計(jì)發(fā)展到現(xiàn)今的耐久性/損傷容限設(shè)計(jì)［1，2］。這種變化對(duì)材料的損傷容限性提出更高要求，因此飛機(jī)構(gòu)件的選材必須在強(qiáng)度、塑性基礎(chǔ)上，綜合考慮斷裂韌度、抗疲勞性能、比強(qiáng)度、壽命期成本等多方面性能。在這種需求的推動(dòng)下，具有高斷裂韌度、高強(qiáng)度、低裂紋擴(kuò)展速率的高強(qiáng)及高損傷容限性鈦合金越來越受到重視［3］。國內(nèi)自主研發(fā)并獲得應(yīng)用的高強(qiáng)及損傷容限鈦合金主要有高強(qiáng)高韌損傷容限TC21 合金、中強(qiáng)高韌損傷容限TC4－DT 合金、超高強(qiáng)Ti－1300 合金、超高強(qiáng)Ti－26 合金四種，同時(shí)也研制出高強(qiáng)Ti－B20 和TB10合金，高強(qiáng)韌BTi－6554 合金、超高強(qiáng)Ti－7333 合金等。

1.1 高強(qiáng)鈦合金Ti-1300

Ti－1300 合金是一種高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鈦合金，為Ti－Al－Mo－V－Cr－Zr 系。合金具有性能可調(diào)范圍寬、強(qiáng)塑性及強(qiáng)韌性匹配優(yōu)良的特點(diǎn)，用于結(jié)構(gòu)件時(shí)強(qiáng)度可達(dá)1300MPa［4］。

高強(qiáng)鈦合金通常指室溫強(qiáng)度大于1000MPa 的鈦合金，主要用于飛行器及先進(jìn)裝備的結(jié)構(gòu)件。Ti－1023 和BT－22 鈦合金是目前應(yīng)用最多的商業(yè)高強(qiáng)鈦合金，一般在1000 ～1200MPa 的強(qiáng)度水平，斷裂韌度大多在45 ～60MPa·m1/2之間使用，很難進(jìn)一步提高其強(qiáng)韌性匹配［5～8］。然而，航空飛行器的發(fā)展對(duì)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鈦合金的韌性、疲勞性能及淬透性提出了更高的要求，最近幾年，國外對(duì)適于飛行器結(jié)構(gòu)件具有更高強(qiáng)度級(jí)別的高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鈦合金的研究非常重視。其代表性的合金是美國TIMET 公司開發(fā)出的Ti－5553 (Ti－5Al－5Mo－5V－3Cr－0. 4Fe)和 俄 羅 斯VSMPO 公 司 開 發(fā) 的Ti－55531(Ti－5Al－5Mo－5V－3Cr－1Zr)合金［9～11］。Ti－1300 合金應(yīng)用目標(biāo)同Ti－5553合金近似。該合金以高強(qiáng)結(jié)構(gòu)件為應(yīng)用目標(biāo)時(shí)，一般在合金的β 相變點(diǎn)以下進(jìn)行固溶+時(shí)效(STA)處理，以保證合金的強(qiáng)塑性匹配［12，13］。然而，出于提高結(jié)構(gòu)服役可靠性和壽命的需要，也開發(fā)出β 退火后緩慢冷卻+時(shí)效(BASCA)熱處理，該狀態(tài)強(qiáng)度略低但具有更高的損傷容限特性［14］。這兩種狀態(tài)下的典型組織如圖1 所示。表1 中列出的是Ti－1300鈦合金不同規(guī)格棒材熱處理后的性能，經(jīng)不同熱處理后，合金的性能有較大的調(diào)整范圍，為合金在不同領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。目前，該合金已經(jīng)成功應(yīng)用。大規(guī)格棒材用于彈體結(jié)構(gòu)件，小規(guī)格棒材用于彈簧及緊固件［15］。

1.2 損傷容限鈦合金

目前較為典型的損傷容限鈦合金有兩種，一種是高強(qiáng)高韌損傷容限鈦合金TC21，一種是中強(qiáng)高韌損傷容限鈦合金TC4－DT。

TC21 合金是我國研制的第一個(gè)高強(qiáng)高韌損傷容限 鈦 合 金［16］，其 名 義 成 分 為Ti－6Al－2Sn－2Zr－2.5Mo－2Nb－1.5Cr－xSi。合金室溫強(qiáng)度可達(dá)1100MPa以上，斷裂韌度不低于70MPa·m1/2［17］，強(qiáng)度、斷裂韌度、裂紋擴(kuò)展抗力、熱穩(wěn)定性的綜合匹配方面不低于Ti－1023 合金，與美國的Ti－62222S 合金相當(dāng)甚至更優(yōu)。該合金經(jīng)過“十五”、“十一五”期間的研究，已在飛機(jī)上獲得應(yīng)用，成為新型戰(zhàn)機(jī)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料。目前，可生產(chǎn)最大直徑為φ450mm 的TC21 鈦合金棒材。棒材典型室溫力學(xué)性能為Rm≥1100MPa，Rp0.2≥950MPa，A5≥8%，Z≥20%，KIC≥70MPa·m1/2，da/dN≤2 ×10－5mm/cycle。合金一般使用狀態(tài)的組織為網(wǎng)籃狀或三態(tài)組織。

TC21 合金采用準(zhǔn)β 鍛造技術(shù)［18］、近β 鍛造技術(shù)，以獲得網(wǎng)籃組織或三態(tài)組織，實(shí)現(xiàn)高的斷裂韌度及低的裂紋擴(kuò)展速率，即達(dá)到控制組織滿足損傷容限的目的。目前有學(xué)者在進(jìn)行TC21 合金新的成形技術(shù)的研究，如昝林等［19］研究合金的激光成形工藝，趙文娟等［20］研究合金的超塑性成形等。

TC4－DT 合金是在TC4ELI 合金基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其性能與Ti－6Al－4V ELI 相當(dāng)［21～23］。該合金具有中等強(qiáng)度(Rm≥825MPa)、高斷裂韌度(KIC≥90MPa·m1/2)、高損傷容限和長疲勞壽命等綜合性能匹配的特點(diǎn)。和其他中等強(qiáng)度鈦合金相比，在強(qiáng)度、塑性水平相當(dāng)?shù)臈l件下，TC4－DT 具有相當(dāng)高的斷裂韌度和抗疲勞裂紋擴(kuò)展能力，已是我國新型飛機(jī)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料。TC4－DT 的合金成分范圍比美國的Ti－6A1－4V ELI 控制更嚴(yán)格，具體為Al 6.0 ～6.35，V 3.6 ～4.4，F(xiàn)e≤0.25，C≤0.05，O≤0.13，N≤0.03，H≤0.0125，Ti 余量。目前TC4－DT 鈦合金已批量化生產(chǎn)，試生產(chǎn)的最大棒材直徑為φ650mm。不同規(guī)格棒材的性能穩(wěn)定(表2)。熱處理后的典型微觀組織見圖2，為β轉(zhuǎn)+等軸α 組織，保證合金具有良好的綜合性能。同時(shí)，也研制出40 ～80mm 厚、2500mm 寬的寬幅厚板和1 ～10mm 厚、1500mm 寬的薄板，合金的 板材的性能達(dá)到相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)要求。

圖2 TC4－DT 合金不同規(guī)格棒材的典型顯微組織Fig.2 Typical microstructures of TC4－DT alloy with different bars(a)100mm in diameter;(b)300mm in diameter

2 高溫鈦合金

高溫鈦合金是隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)的需求而發(fā)展的，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提升，要求鈦合金的服役溫度更高。20 世紀(jì)50年代最早用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的Ti－6A1－4V 合金服役溫度一般不超過350℃。目前，代表常規(guī)高溫鈦合金發(fā)展最高水平的合金分別是英國的IMI834、美國的Ti－1100 及俄羅斯的BT36，其最高使用溫度最可達(dá)到600℃［24～27］。高溫鈦合金不但具有良好的高溫強(qiáng)度，還應(yīng)具備優(yōu)異的高溫蠕變、持久、疲勞等綜合性能以滿足先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)材料的需求。近二十年來，國內(nèi)自主研發(fā)的高溫鈦合金主要有550℃用Ti55，Ti633G，Ti53311S，600℃用的Ti60 合 金［28～33］、Ti600 合 金［34～36］及TG6 合金［37］等。

我國高溫鈦合金的研制采取的是仿制、改造+創(chuàng)新的方式。Ti－633G 是我國首次自主研發(fā)的添加稀土元素的550℃高溫鈦合金。合金中加入稀土元素Gd，其活性高，熔煉過程內(nèi)氧化形成彌散分布的富Gd 第二相，細(xì)化鑄錠的晶粒尺寸，改善合金的熱加工性，并提高了合金的熱穩(wěn)定性。Ti55 合金中添加的稀土元素Nd 起到類似的作用。下面主要介紹Ti60 和Ti600鈦合金。另外，TG6 合金是在IMI834 合金基礎(chǔ)上，研制出的一種新型高溫合金，由該合金制備出的模鍛件具有良好的力學(xué)性能。

2.1 Ti60 鈦合金

Ti60 鈦合金是自20 世紀(jì)90年代末開始研制的一種近α 型600℃高溫鈦合金，是在Ti55 合金的基礎(chǔ)上進(jìn)行成分優(yōu)化而來的，其名義成分為Ti－6Al－2Zr－4.8Sn－1Mo－0.35Si－0.85Nd。隨著研究深入，獲悉元素Nd 形成的稀土氧化物分布會(huì)降低合金的疲勞等使用性能。為了解決這個(gè)問題，該合金的成分不斷調(diào)整，吸收IMI834 等高溫鈦合金設(shè)計(jì)理念后，其最終確定的名義成分為Ti－5. 8Al－3. 5Zr－4. 0Sn－0.4Mo－1.0Ta－0.4Nb－0.4Si－0.06C。目前，該合金已進(jìn)入工程化階段，制備出直徑300mm 大規(guī)格棒材，表3 為該合金的主要力學(xué)性能。

2.2 Ti600 鈦合金

Ti600 合金是在“九五”期間開始研制的600℃高溫鈦合金。合金以美國的Ti－1100 為基礎(chǔ)合金，使用一般認(rèn)為對(duì)鈦合金有害的元素Y 提高合金的高溫性能，尤其是蠕變性能。測(cè)試結(jié)果表明，在760℃條件下，Ti600 合金的熱疲勞壽命超過Ti6242 合金30%，超過IMI834 合金20%。該合金制備的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)氣閥已提交給國外某公司用于新型跑車發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)。合金的優(yōu)化改進(jìn)仍在進(jìn)行［38］，合金鑄態(tài)組織經(jīng)熱等靜壓處理后也具備較好的性能(表4)。

表3 Ti60 合金棒材的主要力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties of Ti60 alloy bar

表4 鑄造Ti600 合金室溫及高溫拉伸性能Table 4 Tensile properties of Ti600 alloy as－casting

3 阻燃鈦合金

常規(guī)鈦合金作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料使用時(shí)，在一定條件下可能會(huì)發(fā)生快速氧化燃燒，引發(fā)“鈦火”故障，從而造成重大事故。為了解決這個(gè)問題并滿足高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)的需要，各國開展了高溫阻燃鈦合金的研制。美、俄等國從20 世紀(jì)70年代就積極開展鈦燃燒問題的研究，并先后研制成功各自的阻燃鈦合金。美國研發(fā)的Alloy C(Ti－35V－15Cr)是一種高穩(wěn)定化的β 鈦合金，該合金具有良好的阻燃性能和力學(xué)性能，已在F119 發(fā)動(dòng)機(jī)中得到實(shí)際應(yīng)用［39］。俄羅斯研發(fā)的Ti－Cu－Al 系阻燃鈦合金B(yǎng)TT－1和BTT－3 仍處于實(shí)驗(yàn)室階段。英國研制的Ti－25V－15Cr－2Al－xC 阻燃合金已處于工程化研制階段。

我國研制的Ti40 阻燃鈦合金的名義成分為Ti－25V－15Cr－0.2Si，國標(biāo)中命名為TB12。Ti40 鈦合金經(jīng)過十余年的研究，已取得一系列成果［40～44］，掌握了高質(zhì)量鑄錠制備、大規(guī)格鑄錠開坯、大規(guī)格棒材鍛造、環(huán)材軋制等關(guān)鍵技術(shù)，制備出大規(guī)格棒材和環(huán)件。采用摩擦點(diǎn)燃實(shí)驗(yàn)方法測(cè)試表明，Ti40 合金在具有良好阻燃性能［45］(圖3)的同時(shí)具有優(yōu)良的力學(xué)性能(表5)。目前Ti40 合金主要目標(biāo)是用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)機(jī)匣，以后還將應(yīng)用于其他部位。

4 低溫鈦合金

圖3 TC4 及Ti40 和Alloy C 阻燃鈦合金的抗點(diǎn)燃性能［46］(P 和c0 分別為摩擦接觸壓力和預(yù)混氣流氧濃度)Fig. 3 Ignition resistance performance of Ti40，Alloy C and TC4 alloys (P—friction contact pressure，c0—oxygen concentration)［46］

發(fā)達(dá)國家早在20 世紀(jì)60年代就著手研究低溫鈦合金，相繼研發(fā)了多種用途的低溫鈦合金。前蘇聯(lián)在低溫鈦合金研制應(yīng)用方面居世界領(lǐng)先水平，其早期研制的α 鈦合金OT4，OT4－1，BT5－1KT 和ПT－3BKT 等已在航天火箭技術(shù)裝備中大量應(yīng)用。歐美國家也根據(jù)自身需求開發(fā)了低溫鈦合金材料，如Ti5Al－2.5SnELI，Ti6Al－4VELI 和Ti－6Al－3Nb－2Zr 合金等。近年來，日本研制了LT700(Ti－3Al－5Sn－1Mo－0.2Si)低溫鈦合金，用于制作液氫渦輪泵。

隨著我國航天技術(shù)的發(fā)展，航天液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)正向著大推力、高可靠、可重復(fù)使用的方向發(fā)展。液體氫、氧作為燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)是目前使用的最先進(jìn)無污染的動(dòng)力裝置。為提高發(fā)動(dòng)機(jī)推質(zhì)比，需選用質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高的鈦合金制造發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件，國內(nèi)相繼采用鈦合金制作液氫貯箱等容器。CT20 鈦合金是國內(nèi)目前唯一獲得應(yīng)用的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的低溫鈦合金［46］，－ 253℃性 能 較Ti－6Al－4VELI 和Ti－5Al－2.5SnELI 更好。

表5 Ti40 鈦合金典型力學(xué)性能Table 5 Typical mechanical properties of Ti40 alloy

CT20 合金是一種液氫管路系統(tǒng)用的低溫鈦合金。CT20 鈦合金具有良好的加工性，易于加工制造管材，冷成形和焊接性能優(yōu)良。表6 中列出了CT20 鈦合金不同類型產(chǎn)品的室溫及低溫性能，20K 下抗拉強(qiáng)度高達(dá)1100MPa 以上，斷后伸長率在10%以上。已成功研制出該合金的管材、餅、棒材和焊絲等產(chǎn)品，采用冷彎成形成功制備出CT20液氫管路用彎管并制成組件，在發(fā)動(dòng)機(jī)上得到了應(yīng)用。隨著后續(xù)氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制的不斷深入，對(duì)CT20 合金管材提出更高的使用要求，學(xué)者們開展系統(tǒng)管路用小彎曲半徑(R =1D)彎管的熱推制成形工藝研究，解決等壁厚、小彎曲半徑CT20合金彎管的成形技術(shù)，滿足氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)液氫管路的需求。

表6 CT20 鈦合金典型力學(xué)性能指標(biāo)Table 6 Typical target mechanical properties of CT20 alloy

5 船用鈦合金

艦船及其設(shè)備需要長期浸泡在海水和海洋大氣環(huán)境中，使用環(huán)境對(duì)合金提出耐腐蝕性能高、壽命長、承載大、安全可靠等特殊要求，鈦及其合金的特性滿足艦船用材的各種要求，具備在艦船上應(yīng)用的諸多優(yōu)越性，被稱為“海洋金屬”。鈦及其合金在艦船上的主要應(yīng)用部位有:耐壓殼體、螺旋槳、管道系統(tǒng)、動(dòng)力裝置、聲納系統(tǒng)等部位。我國船用鈦合金工業(yè)起步于20 世紀(jì)60年代，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，其研究、制造水平有很大提高，并初步形成船用鈦合金體系。目前已應(yīng)用的自主研制船用鈦合金牌號(hào)有:Ti31(635MPa 級(jí))、Ti75(730MPa 級(jí))、Ti631(785MPa 級(jí))和Ti80(880MPa 級(jí))，基本是在“七五”和“八五”期間研制成功的。近二十年中，研發(fā)的船用鈦合金主要包括Ti91，Ti70 和Ti－B19 等。

5.1 Ti91 鈦合金

Ti91 鈦合金是在20 世紀(jì)90年代開始研制的一種新型中強(qiáng)透聲近α 型鈦合金。該合金具有中等強(qiáng)度、高塑性、良好的透聲性能、冷成形性能、可焊性及耐海水腐蝕等性能的良好匹配。Ti91 合金的綜合性能(表7)明顯優(yōu)于等強(qiáng)度合金TC1 和TA5。該合金最大的特點(diǎn)是:聲學(xué)性能優(yōu)良，1 ～4mm 板材厚度的透聲系數(shù)大于96%，適于艦船聲納導(dǎo)流罩等聲學(xué)探測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用。

表7 Ti91 的綜合性能Table 7 Properties of Ti91 alloy

5.2 Ti-B19 合金

Ti－B19 合金是在“九五”期間設(shè)計(jì)研制的一種新型高強(qiáng)高韌耐蝕近β 鈦合金。該合金具有較高的強(qiáng)度、良好的塑性、較高的斷裂韌度、可焊性及耐海水腐蝕、沖刷腐蝕和應(yīng)力腐蝕等綜合性能［47，48］。

Ti－B19 合金主要技術(shù)性能要求如下:

(1)力學(xué)性能(時(shí)效狀態(tài)下):Rm≤1250MPa，Rp0.2≥1150MPa，A5≥6%，KIC≥70MPa·m1/2。

(2)耐海水腐蝕性能:在60℃海水中，均勻腐蝕率≥0.0001mm/a;10m/s 流速下，沖刷腐蝕速率≤0.003mm/a;KISCC/KIC≥0.8。

(3)合金可焊性良好:焊接系數(shù)≥0.8(20mm 厚度以下，焊后熱處理)。

(4)Ti－B19 合金具有良好的加工性，可生產(chǎn)各種規(guī)格的棒、板、絲、餅等，并且焊接性能、工藝性能良好。已鍛制出性能達(dá)標(biāo)的φ230mm ×110mm 餅材、φ410mm/φ230mm × 2000mm 筒 體、φ410mm/φ230mm × 560mm 模擬體(圖4)和φ320mm ×250mm 堵頭。

圖4 Ti－B19 合金耐高壓模擬件Fig.4 Forgings of Ti－B19 alloy

6 耐蝕鈦合金

鈦合金在大多數(shù)介質(zhì)中都具有良好的耐蝕性，專用耐蝕鈦合金主要是針對(duì)特殊介質(zhì)要求而開發(fā)的。國內(nèi)耐蝕鈦合金多為仿制。自20 世紀(jì)70年代開始，我 國 成 功 仿 制Ti－15Mo，Ti－32Mo，Ti－15Mo－0.2Pd，Ti－2Ni，T－0.2Pd，Ti－0.3Mo－0.8Ni，Ti－0.05Ni－0.05Ru 等合金，其中Ti－0.3Mo－0.8Ni 和T－0.2Pd 鈦合金已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。為提供更高效、潔凈的能源，發(fā)展核電是大勢(shì)所趨，但核乏燃料對(duì)人體具有很強(qiáng)輻射作用，嚴(yán)重影響人體健康，如何處理核乏燃料是重要的關(guān)鍵技術(shù)問題。

Ti35 鈦合金是針對(duì)核乏燃料后處理環(huán)境設(shè)計(jì)、開發(fā)成功的一種α 型耐沸騰硝酸腐蝕鈦合金。Ti35鈦合金沖擊韌度可達(dá)250J/cm2，并具有良好的冷加工工藝性能，板材彎曲角可達(dá)到140°以上(D =3t)(圖5)，其擴(kuò)口、壓扁性能(圖6)與純鈦相當(dāng)。目前，已經(jīng)展開Ti35 合金的工程化研究，掌握Ti35 鈦合金板、棒、管、絲、鍛件及專用焊絲的制備技術(shù)。小批量生產(chǎn)該合金的管、板、鍛件等，用于中試規(guī)模的核乏燃料后處理裝備，初步建立Ti35 合金加工、驗(yàn)收工藝標(biāo)準(zhǔn)體系。

工業(yè)規(guī)模制備的Ti35 鈦合金及其焊接件在核乏燃料模擬溶解液中顯示出優(yōu)良的抗應(yīng)力腐蝕性能、縫隙腐蝕性能和很強(qiáng)的氧化膜再生能力，均勻腐蝕速率＜0.1mm/a，顯示出比高純奧氏體不銹鋼更好的耐蝕性和適應(yīng)性。在核乏燃料后處理工程中具有廣闊的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景。目前，Ti35 合金已設(shè)計(jì)應(yīng)用到我國核乏燃料后處理工程關(guān)鍵設(shè)備中。另外，該合金在核廢料的儲(chǔ)存器，與高溫硝酸接觸的各種設(shè)備，包括硝酸生產(chǎn)、濃縮、回收等相關(guān)的加熱器、蒸發(fā)器、濃縮器以及閥門泵、風(fēng)機(jī)等。該合金還可在高溫鉻酸、二氧化氯、氯化物的還原酸中應(yīng)用。

圖5 Ti35 合金硝酸中腐蝕后彎曲試驗(yàn)Fig.5 Winding test of Ti35 sheet after corrosion in nitric acid

圖6 Ti35 合金管φ45mm×4mm 壓扁試驗(yàn)Fig.6 Flattening test of Ti35 tube

7 醫(yī)用鈦合金

鈦合金由于密度小、比強(qiáng)度高、彈性模量低、耐腐蝕以及優(yōu)良的生物相容性和加工成形性，是較理想的外科植入物用功能結(jié)構(gòu)材料。純鈦、Ti－3Al－12.5V、Ti－6Al－4V 鈦合金屬于第一代醫(yī)用鈦合金。到20 世紀(jì)90年代中期，瑞士和德國先后開發(fā)出第二代以Nb，F(xiàn)e 替代V 的α +β 型兩相醫(yī)用鈦合金Ti－6Al－7Nb 和Ti－5Al－2.5Fe，被列入國際生物材料標(biāo)準(zhǔn)，并開始在臨床應(yīng)用。近10年來，多元系亞穩(wěn)β型合金已成為第三代醫(yī)用鈦合金的主要研究開發(fā)方向。截至目前，世界各國開發(fā)成功的新型介穩(wěn)β 型鈦主要包括美國開發(fā)的Ti－3Nb－3Zr，TMZF，Ti－35Nb－5Ta－7Zr，Ti－15Mo 等，日本開發(fā)的Ti－15Mo－5Zr－3Al，Ti－29Nb－13Ta－5Zr 等，德國開發(fā)的Ti－30Ta 等［49～51］。國內(nèi)有代表性的亞穩(wěn)β 型鈦合金主要有新型低模量鈦合金TLM 及Ti2448(Ti－24－Nb－4Zr－7.6 Sn)合金等［52～55］。

TLM 鈦合金是在2005年研發(fā)成功的一種低模量醫(yī)用亞穩(wěn) β 鈦合金，其名義成分為Ti3Zr2Sn3Mo25Nb。TLM 合金在室溫下的屈服強(qiáng)度在340 ～748MPa 之間，抗拉強(qiáng)度為645 ～1270MPa，斷面收縮率為6% ～39%，彈性模量最低達(dá)到38GPa。經(jīng)過時(shí)效處理使亞穩(wěn)β 相部分分解，合金產(chǎn)生時(shí)效強(qiáng)化，并達(dá)到較好的強(qiáng)度、塑性與低模量化匹配。目前，采用TLM 鈦合金制備出血管支架等多種醫(yī)用植入體產(chǎn)品。

8 低成本鈦合金

高價(jià)格一直是限制鈦合金大量應(yīng)用的最大障礙，降低鈦合金成本成為當(dāng)前鈦合金研究領(lǐng)域最受關(guān)注的重點(diǎn)之一。目前，世界上開發(fā)低成本鈦合金的工作以美國和日本為首，已有Ti62S，TIMETALLCB，KSTi－19，DAT52F，SP700，TIX－80，TIX－90 等。國內(nèi)研制出的低成本鈦合金主要有Ti8LC，Ti12LC，Ti－5322 等［56～58］。

8.1 Ti12LC 鈦合金

采用廉價(jià)合金元素(如Fe)代替TC4(Ti－6Al－4V)中昂貴合金元素V，以降低合金原材料的成本，同時(shí)在熔煉過程中添加純鈦的殘廢料(如鈦削)，以降低使用海綿鈦的用量，再次降低原材料的成本，這是設(shè)計(jì)Ti8LC 和Ti12LC 低成本合金的思路。采用煉鋼使用Fe－Mo 中間合金及添加10%純鈦的切削料，通過真空兩次熔煉獲得Ti12LC 合金的鑄錠，經(jīng)熱加工開坯獲得不同規(guī)格的材料。Ti12LC 鈦合金具有良好的熱加工性，容易獲得細(xì)小的等軸狀組織(圖7)。熱處理后具有較高的強(qiáng)度、塑性及疲勞性能的匹配。其典型室溫性能為Rm≥1100MPa，Rp0.2≥1000MPa，A5≥10%。目 前已制備出Ti12LC 鈦合金的自行車零部件(圖8)及航天固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)用的尾噴管。

圖7 Ti12LC 典型組織狀態(tài)Fig.7 Typical microstructure of Ti12LC alloy

圖8 Ti12LC 自行車用扭力桿Fig.8 Twisting force bars for bicycle of Ti12LC alloy

8.2 Ti-5322 合金

Ti－5322 合金是針對(duì)裝甲應(yīng)用開發(fā)的一種低成本高強(qiáng)度鈦合金(添加2%Fe 代替昂貴合金元素V)。該合金比Ti－6Al－4V 合金具有更優(yōu)的熱加工性，適于板材軋制，熱處理后強(qiáng)塑性匹配良好，其成本低于Ti－6Al－4V 合金。Ti－5322 合金δ10 ～40mm板材經(jīng)強(qiáng)化熱處理后室溫強(qiáng)度1050 ～1300MPa，伸長率7% ～14%(表8)。7.62mm 穿燃彈及105mm穿甲模擬彈的靶試結(jié)果表明，該合金板材的防護(hù)安全角小于28 度，抗裝甲質(zhì)量防護(hù)系數(shù)大于1.9，明顯優(yōu)于Ti－6Al－4V 合金。目前該合金已獲得應(yīng)用。

9 結(jié)束語

我國鈦合金研制經(jīng)歷了從仿制到創(chuàng)新研制的歷程，一些新合金已批量化生產(chǎn)，滿足國家工程的需求，獲得成功的應(yīng)用，但與鈦工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比仍有差距，尚不能滿足國家工程的需求。未來鈦合金材料的發(fā)展趨勢(shì)主要應(yīng)為以下8個(gè)方面。

表8 Ti－5322 合金板材性能與Ti－6Al－4V 性能對(duì)比Table 8 Mechanical properties of Ti－5322 and Ti－6Al－4V alloys

(1)鈦的低成本化制備、加工技術(shù)，包括海綿鈦生產(chǎn)、鈦合金材料設(shè)計(jì)及加工過程等的低成本化，這是鈦進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用的前提條件。

(2)大型優(yōu)質(zhì)鈦合金坯料制備技術(shù)，包括新型電子束和等離子冷床爐熔煉技術(shù)。

(3)高效、短流程鈦合金加工技術(shù)，包括單次冷床爐熔煉直接軋制技術(shù)，鈦帶連續(xù)加工技術(shù)生產(chǎn)等。

(4)近凈成形技術(shù)，包括3D 打印、精密鑄造、精密模鍛、超塑成形/擴(kuò)散連接、噴射成形等。

(5)鈦的推廣應(yīng)用技術(shù)，包括生物醫(yī)用鈦、汽車用鈦、建筑用鈦等。

(6)發(fā)展競(jìng)爭力更強(qiáng)的鈦合金，發(fā)展方向是高性能化、多功能化、低成本化、復(fù)合化。

(7)精簡鈦合金牌號(hào)，優(yōu)化鈦合金性能，要一材多用，形成骨干鈦合金體系。

(8)開發(fā)高效優(yōu)質(zhì)的生產(chǎn)工藝技術(shù)。

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