鈦合金發(fā)展現(xiàn)狀及展望

李勇

（長春師范大學 吉林長春 130000）

1 引言

金屬鈦是元素周期表中第ⅣB類元素，純凈的鈦金屬呈銀白色，密度為4.51g/cm3，是輕金屬的一種。熔點為1720℃，屬于難熔性金屬。由于金屬鈦很難被提煉，又被稱為稀有金屬。金屬鈦在目前發(fā)現(xiàn)的所有元素中的含量為0.56%（質量分數(shù)），在所有元素中排名第9位，在結構材料金屬中則享有更高地位第4位，僅次于金屬鋁、鐵、鎂。鈦主要存在于巖石中，特別是砂石和粘土中。我國鈦的資源極為豐富，位居世界第一。僅四川攀枝花-西昌地區(qū)發(fā)現(xiàn)的特大型釩鈦磁鐵礦中，伴生鈦金屬儲量約達4.2億t，與國外目前發(fā)現(xiàn)鈦儲量的總和不相上下。合理的開發(fā)利用它，對于我國發(fā)展鈦工業(yè)具有深遠意義。

2 鈦合金的分類及其性能

2.1 鈦合金的分類

鈦是同素異構體，鈦的熔點為1720℃，在溫度低于882℃時的結構呈密排六方排布，稱作α鈦；溫度高于882℃時則呈體心立方品格結構，稱作β鈦。結構決定性質，利用鈦的兩種結構不同的特點，適當?shù)奶砑幽承┖辖鹪兀淖兤湎嘧儨囟群拖喾趾繌亩玫讲煌M織的鈦合金。在常溫常壓下，鈦合金存在三種基體組織，即：α合金，（α+β）合金和β合金，我國也以TA、TC、TB表示。

2.1.1 α鈦合金

退火組織為單一α相固溶體的鈦合金被稱為α鈦合金，如錫、鋯、鋁。它是α相固溶體組成的單相合金，不管是在常溫下，還是在較高的實際工作溫度下，均是α相，組織結構特別穩(wěn)定，熱穩(wěn)定性與焊接性較好，是高溫鈦合金研究與發(fā)展的方向。由于近α合金具有優(yōu)異的綜合性能，高合金化α鈦合金其高溫性能好。故大多數(shù)高于近α型，例如鈦合金IMI829合金用于RB211-535E4發(fā)動機的高壓壓氣機，制作的后3級盤、鼓筒及后軸用電子束焊為一體，取代了RB211-535c上的鎳基合金材料，使轉子質量減輕了30%左右[2]。

2.1.2 β鈦合金

β鈦合金是β相固溶體組成的單相合金。這類鈦合金的主要合金元素為鉬、鉻、釩等β穩(wěn)定性元素。廣義的β鈦合金包括在平衡狀態(tài)下具有較多口相的近β從β區(qū)淬火后能將β相保留到室溫的高β穩(wěn)定元素含量的鈦合金。通過淬火工藝，可以使其具有很高的室溫強度。目前，工業(yè)上實際應用的多是近α鈦合金和介穩(wěn)定β鈦合金。β鈦合金的變形加工性能良好，并且強度和斷裂韌度組合極佳，以及擁有較高的抗腐蝕性能。但是，焊接性能不好熱穩(wěn)定性較差，不宜在高溫下使用。Ti-10V-2Fe-3Al可以獲得最佳的強度、韌性和高周疲勞強度匹配。該合金在相對低的溫度下可以進行等溫鍛或熱模鍛，特別適合于制造各種近凈形鍛件[3]。是目前應用最廣的近β鈦合金，該鈦合金具有優(yōu)異的抗疲勞性，主要應用于飛機的起落架。

2.1.3 α+β鈦合金

α+β鈦合金是雙相合金，其平衡狀態(tài)下的組織以α相為主，具有良好的綜合性能，組織穩(wěn)定性好，有良好的韌性、塑性和高溫變形性能，能較好地進行熱壓力加工，能進行淬火、時效使合金強化。熱壓力加工性好，有些α+β鈦合金如TC17，耐熱性也比較好，焊接性能良好。目前，所有鈦合金產品中的60%Ti-6Al-4V且在飛機結構中鈦合金用量中約占80%左右。如美國第四代戰(zhàn)斗機F22上的鈦合金用量占機體總重量的41%，α+β鈦合金是工業(yè)上應用最多的一類鈦合金。如TC6，TC17等分別為發(fā)動機前軸頸、盤件、葉片和前機閘等鍵結構件。

2.2 鈦合金的性能

2.2.1 比強度高

鈦合金具有較高的強度，其抗拉強度686～1176MPa[4]，密度一般在4.5g/cm3左右，僅為鋼的60%左右。其強度遠遠高于其它金屬，因此鈦合金的比強度（強度/密度）遠大于其它金屬結構材料，位于金屬之首?？芍瞥鰡挝粡姸雀?、剛性好、質輕的零部件。目前飛機的發(fā)動機構件、骨架、蒙皮、緊固件及起落架等都使用鈦合金。

2.2.2 熱強度高

新型鈦合金可在600℃或更高的溫度下長期使用。其使用溫度比鋁合金高幾百度，在中等溫度下仍能保持所要求的強度，可在450～500℃的溫度下長期工作，而鋁合金在150℃時比強度明顯下降。

2.2.3 抗腐蝕性好

鈦是一種非?；顫姷慕饘?，其平衡電位很低，在介質中的熱力學腐蝕傾向大。但實際上鈦在許多介質中很穩(wěn)定，如鈦在氧化性、中性和弱還原性等介質中是耐腐蝕的。鈦合金在潮濕的大氣和海水介質中工作，其抗蝕性遠優(yōu)于不銹鋼；對點蝕、酸蝕、應力腐蝕的抵抗力特別強；對堿、氯化物、氯的有機物品、硝酸、硫酸等有優(yōu)良的抗腐蝕能力。這是因為鈦和氧有很大的親和力，在空氣中或含氧的介質中，鈦表面生成一層致密的、附著力強、惰性大的氧化膜，保護了鈦基體不被腐蝕。即使由于機械磨損也會很快自愈或重新再生。這表明了鈦是具有強烈鈍化傾向的金屬。介質溫度在315℃以下，鈦的氧化膜始終保持這一特性。

經(jīng)過近50年的研究，我國也已獨立研制出Ti31、Ti75、TiB19、Ti70、Ti80和TA5等一批具有自主知識產權的船用耐腐蝕合金[5]，均獲得了很好的使用效果。

2.2.4低溫性能好

鈦合金在低溫和超低溫下，仍能保持其力學性能。鈦合金TA7（Ti-5Al-2.5Sn），TC4（Ti-6Al-4V）和Ti-2.5Zr-1.5Mo等為代表的低溫鈦合金，其強度隨溫度的降低而提高，但塑性變化卻不大。在-196℃低溫下保持較好的延性及韌性，避免了金屬冷脆性，因此，鈦合金也是一種重要的低溫結構材料。是低溫容器，貯箱等設備的理想材料。

2.2.5 化學活性大

鈦的化學活性大，與大氣中 O2、N2、H2、CO、CO2、水蒸氣、氨氣等產生強烈的化學反應。含碳量大于0.2%時，會在鈦合金中形成硬質TiC；溫度較高時，與N2作用也會形成TiN硬質表層；在600℃以上時，鈦吸收氧形成硬度很高的硬化層；氫含量上升，也會形成脆化層。吸收氣體而產生的硬脆表層深度可達0.1～0.15mm，硬化程度為20～30%。鈦的化學親和性也大，易與摩擦表面產生粘附現(xiàn)象。

2.2.6 導熱系數(shù)小、彈性模量小

鈦的導熱系數(shù)λ=15.24W/（m·K）約為鎳的1/4，鐵的1/5，鋁的1/14，而各種鈦合金的導熱系數(shù)比鈦的導熱系數(shù)低約50%。鈦合金的彈性模量約為鋼的1/2，故其剛性差、易變形，不宜制作細長桿和薄壁件。

3 鈦合金應用領域

3.1 鈦合金在軍事領域應用

鈦及鈦合金最早應用于軍事領域，至今在宇航、核能、軍艦、戰(zhàn)車和武器等領域獲得了大量的應用，已成為無可替代的戰(zhàn)略金屬[6]。鈦合金的應用水平反映了一個國家武器裝備的現(xiàn)代化程度，也是其軍事水平和軍事實力的重要指標。我國艦船鈦合金的研究始于1962年，經(jīng)過50年的研究，在規(guī)模和水平上都得到了很大的提高。鈦合金耐腐蝕性極強，其在海水中5年不銹蝕，所以現(xiàn)在軍艦外殼都是用鈦合金制成的，既能抗海水腐蝕又能抗深水壓力。鈦制耐壓殼體主要用在深海潛水器上。如制造美國Aivin號、我國自主設計建造的載人潛水器“蛟龍”號都是由鈦合金制造。其下潛深度比不銹鋼潛艇增加近一倍，而且鈦無磁性，因而具有很好的反監(jiān)測能力。在宇航領域通過科學家們對鈦合金性能的不懈研究，不斷取得新的進展。原來由鈦、鋁、釩組成的鈦合金，最高工作溫度為550～600℃，而新研制的鈦化鋁（TiAl）合金，最高工作溫度已提高到1040℃。用鈦合金代替不銹鋼制造高壓壓氣機盤和葉片，可以減輕結構重量。飛機每減輕重10%，可節(jié)省燃料4%。對火箭來說，每減輕1kg的重量，就可增加15km的射程。

3.2 鈦合金在生物醫(yī)學上的應用

20世紀40年代初期，Bothe等發(fā)表了有關多種金屬種植體與骨骼之間反應的文章，從而首次將鈦引入生物醫(yī)學領域經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，鈦合金己取代醫(yī)用不銹鋼和鉆基合金，成為廣泛應用于醫(yī)學領域且最有發(fā)展前途的醫(yī)用生物金屬材料。由于鈦的生物安全性和生物功能性，使其成為理想的醫(yī)用金屬材料。目前，鈦合金被廣泛用于人工骨、人工關節(jié)、齒科、整形外科、心臟外科、體內支撐架及醫(yī)療器械等醫(yī)學領域[8]。最早用作生物材料的鈦合金Ti6Al4V已實用多年。我國在20世紀90年代先后仿制了Ti6Al7Nb和Ti5Al2.5Fe這兩種合金，對其生物學性能、植入試驗和臨床等進行了深入的研究，目前這兩種合金，特別是Ti6Al7Nb合金已被我國醫(yī)學界所承認。

3.3 汽車領域應用

目前，在國內外鈦及鈦合金在汽車產品上的用途主要分為兩大類，第一類的目的是減少原有零件的質量，涉及零件主要有發(fā)動機的高速往復運動件和汽車自重。對于高速往復運動零件而言，即使質量減少幾克也會對零件性能造成非常大的影響，而降低汽車總質量是我們節(jié)能減排的重要措施之一。第二類是用來制作耐腐蝕件，主要包括排氣系統(tǒng)，底盤零件，懸架系統(tǒng)等零件這類所處環(huán)境惡劣的汽車零部件，提高汽車零件的使用壽命目前為止，汽車上鈦及其合金主要應用在發(fā)動機關鍵元件和底盤部件上。在發(fā)動機系統(tǒng)中，鈦及其合金可制作連桿、閥門彈簧、閥門、閥簧承座等部件；在底盤部件主要為消聲器及其連接件、減震彈簧、半軸和緊固件等。當前，節(jié)能減排已成為汽車行業(yè)競爭的殺手銅。因為汽車的質量每降低10%，燃料消耗可節(jié)省8～10%，廢氣排放可減少10%。日本日立公司用Tr5Al-2Cr-1Fe合金制造進氣閥門，質量比鋼制的減輕40%，性能提高10～15%欽合金的應用，使連桿的重心貼近曲軸方向，可大幅度地降低噪聲、振動，提高了發(fā)動機性能，減少了燃料的消耗。發(fā)動機日趨高速化的傾向，使鈦也更進一步向齒輪方面發(fā)展，這是因為鈦合金具有優(yōu)良的抗氧化性和抗蠕變性。意大利的法拉利2003En2型V12發(fā)動機使用欽合金連桿后機動性增強，速度在3.9s內可達到62km/h。

4 鈦合金存在問題與展望

中國已經(jīng)具有完整的鈦工業(yè)體系和生產能力，成為繼美、俄、日之后的第四大鈦工業(yè)國。使中國成為繼美國和俄羅斯之后能直接生產金屬鈦粉末的世界第三大鈦工業(yè)國。我國鈦工業(yè)任重道遠，與發(fā)達國家相比還存在很多問題：現(xiàn)有鈦合金的強度（尤其是強韌性匹配）不能滿足航空要求，鈦合金成本太高，鈦合金性能對工藝參數(shù)敏感等問題使其應用受到了一定限制。而且鑄造鈦合金種類太少熔鑄設備落后、鑄件質量不高，鈦鑄件在各行業(yè)中的使用比例不高，管理水平和生產效率低，鈦合金的循環(huán)再利用非常少。但由于我國目前對鈦合金開發(fā)與重視，業(yè)內對中國鈦工業(yè)的中、長期發(fā)展前景仍十分看好。從國內外的研究動態(tài)與發(fā)展需求來看，我國鈦合金開發(fā)將朝著降低成本、提升合金化理論水平、理順鈦合金成分-工藝-性能之問的關系和擴大應用領域等多方面努力。相信在不久的將來，我國在鈦合金領域一路領跑，創(chuàng)造輝煌。

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