材料科学概论
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结课论文
钛合金的特性及应用
01100009
［摘要］综述了钛合金材料的应用及研究现状，着重介绍了钛及钛合金的主要特性，加工性能及其在航空航天、军事工业和汽车制造方面的应用，并在此基础上展望了钛合金的发展方向。
［关键词］钛合金特性加工性能应用领域
Ti在地壳中的丰度为0.56%(质量分数，下同)，在所有按元素中居第9位，
而在可作为结构材料的金属中居第4位，仅次于Al、Fe、Mg，其储量比常见金属Cu，Pb，Zn储量的总和还多。我国钛资源丰富，储量为世界第一。钛合金的密度小，比强度、比刚度高，抗腐蚀性能、高温力学性能、抗疲劳和蠕变性能都很好，具有优良的综合性能，是一种新型的、很有发展潜力和应用前景的结构材料。近年来，世界钛工业和钛材加工技术得到了飞速发展，海绵钛、变形钛合金和钛合金加工材的生产和消费都达到了很高的水平，在航空航天领域、舰艇及兵器等军品制造中的应用日益广泛，在汽车、化学和能源等行业也有着巨大的应用潜力。
一、钛及钛合金的特性
钛及钛合金具有许多优良特性，主要体现在如下几个方面：
1.强度高。钛合金具有很高的强度，其抗拉强度为686—1176MPa，而密度仅为钢的60%左右，所以比强度很高。
2.硬度较高。钛合金(退火态)的硬度HRC为32—38。
3.弹性模量低。钛合金(退火态)的弹性模量为1.078×10－1.176×10MPa，约为钢和不锈钢的一半。
4.高温和低温性能优良。在高温下，钛合金仍能保持良好的机械性能，其耐热性远高于铝合金，且工作温度范围较宽，目前新型耐热钛合金的工作温度可达550—600℃；在低温下，钛合金的强度反而比在常温时增加，且具有良好的韧性，低温钛合金在－253℃时还能保持良好的韧性。
5.钛的抗腐蚀性强。钛在550℃以下的空气中，表面会迅速形成薄而致密的氧化钛膜，故在大气、海水、硝酸和硫酸等氧化性介质及强碱中，其耐蚀性优于大多数不锈钢。
二、钛及钛合金的加工性能
1.切削加工性能
钛合金强度高、硬度大，所以要求加工设备功率大，模具、刀具应有较高的强度和硬度。切削加工时，切屑与前刀面接触面积小，刀尖应力大。与45钢相比，钛合金的切削力虽然只有其2/3—3/4，可是切屑与前刀面的接触面积却更小(只有45钢的1/2—2/3)，所以刀具切削刃承受的应力反而更大，刀尖或切削刃容易磨损；钛合金摩擦因数大，而热导率低(分别仅为铁和铝的1/4和1/16)；刀具与切屑的接触长度短，切削热积聚于切削刃附近的小面积内而不易散发，这些因素使得钛合金的切削温度很高，造成刀具磨损加快并影响加工质量。由于钛合金弹性模量低，切削加工时工件回弹大，容易造成刀具后刀面磨损的加剧和工件变形；钛合金高温时化学活性很高，容易与空气中的氢、氧等气体杂质发生化学反应，生成硬化层，同时进一步加剧了刀具的磨损；钛合金切削加工中，工件材料极易与刀具表面粘结，加上很高的切削温度，所以刀具易于产生扩散磨损和粘结磨损。
2.磨削加工性能
钛合金化学性质活泼、在高温下易与磨料亲和并粘附，堵塞砂轮，导致砂轮磨损加剧，磨削性能降低，磨削精度不易保证。砂轮磨损同时也增大了砂轮与工件之间的接触面积，致使散热条件恶化，磨削区温度急剧升高，在磨削表面层形成较大的热应力，造成工件的局部烧伤，产生磨削裂纹。钛合金强度高、韧性大，使磨削时磨屑不易分离、磨削力增大、磨削功耗相应增加。钛合金热导率低、比
热小、磨削时热传导慢，致使热量积聚在磨削弧区，造成磨削区温度急剧升高。
3.挤压加工性能
对钛及钛合金进行挤压加工时，要求挤压温度高，挤压速度快，以防温降过快，同时应尽量缩短高\温坯锭与模具的接触时间。因此挤压模具应选用新型耐热模具材料，坯锭由加热炉到挤压筒的输送速度也要快。鉴于在加热和挤压过程中金属易被气体污染，故还应采用适当的保护措施。挤压时应选择合适的润滑剂，以防粘结模具，如采用包套挤压和玻璃润滑挤压。因钛及钛合金的变形热效应较大，导热性较差，故在挤压变形时还要特别注意防止过热现象。钛合金的挤压过程比铝合金、铜合金、甚至钢的挤压过程更为复杂，这是由钛合金特殊物理化学性能所决定的。钛合金在常规热反挤成形时，模具温度低，与模具接触的坯料表面温度迅速下降，而坯料内部因变形热而温度升高。由于钛合金热导率低，表层温度下降后，内层坯料热量不能及时传输到表层补充，会出现表面硬化层，而使得变形难以继续进行。同时，表层与内层会产生很大的温度梯度，即使能成形，也容易造成变形和组织不均匀。
4.锻压加工性能
钛合金对锻造工艺参数非常敏感，锻造温度、变形量、变形及冷却速度的改变都会引起钛合金组织性能的变化。为更好地控制锻件的组织性能，近几年，热模锻造、等温锻造等先进的锻造技术在钛合金的锻造生产中得到了广泛应用。
钛合金的塑性随温度升高而增大，在1000—1200℃温度范围内，塑性达到最大值，允许变形程度达70%—80%。钛合金锻造温度范围较窄，应严格按(α+β)/β转变温度进行掌握(铸锭开坯除外)，否则β晶粒会剧烈长大，降低室温塑性；α钛合金通常在(α+β)两相区锻造，因(α+β)/β相变线以上锻造温度过高，将导致β脆相，β钛合金其始锻和终锻都必须高于(α+β)/β转变温度。钛合金的变形抗力随变形速度的增加提高较快，锻造温度对钛合金变形抗力影响更大，因此常规锻造必须在锻模内冷却最少的情况下完成。间隙元素(如O、N、C)的含量对钛合金的锻造性也有显著影响。 5.铸造工艺性能
由于钛和钛合金的化学活性高，易与空气中的N、O、N发生剧烈化学反应，且易与铸造中常用的耐火材料发生化学反应。钛和钛合金的铸造，特别是熔模精铸要比铝和钢的熔模精铸难度大得多，需借助特殊手段才能实现。铸钛发展初期，由于铸造工艺的发展落后于压力加工工艺，因此，先选用已有一定变形的中强钛合金，如TiΟ6AlΟ4V，TiΟ5AlΟ2.5Sn等作为铸造合金材料。这些合金至今还在广泛应用。但随着铸钛工艺的发展和应用领域对铸造钛合金各方面性能要求的提高，以及铸件结构复杂程度的加大，过去那种认为“所有的变形钛合金都适合用作铸造合金”的论点应加以修正。随着合金使用温度和工作强度的提高，合金中所添加元素的数量和加入量也相应增加，但同时必须考虑到合金的铸造性能、流动性凝固区间结晶组织、力学性能等等，即合金的化学成分必须根据铸造工艺的要求进行调整。
三、钛合金的应用
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）。
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臵等。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。
1．化学工业
钛在各种酸、碱、盐介质中，除上述四种无机酸和腐蚀性很强的氯化铝外，都具有很好的稳定性。所以，钛是化学工业中优良的抗腐蚀材料，得到了越来越广泛的应用。例如，在氯碱工业中使用钛金属阳极和钛制湿氯气冷却器，收到很好的经济效果，被誉为氯碱工业中的一大革命。
2．石油工业
钛在有机化合物中，除了温度较高下的五种有机酸（甲酸、乙酸、草酸、三氯乙酸和三氟乙酸）外，都具有非常好的稳定性。因此，钛是石油炼制和石油化工中优良的结构材料，可以用来制作各种热交换器、反应器、高压容器和蒸馏塔等。
3．冶金工业
钛属活性金属，具有良好的吸气性能，是炼钢工业中优良的脱气剂，它能化合钢在冷却时析出的氧和氮。在钢中加入少量的钛（<0.1%）可使钢坚韧而富有弹性。钛也是炼钢，炼铝等工业中重要的合金添加剂。钛具有超导性，是一种常见的超导材料。另外，钛在含有金属离子的酸性溶液中具有很好的稳定性，因此钛在湿法冶金工业中，如铜、镍、钴、锰等有色金属的电解生产中，有着十分广泛的应用。
4．化肥工业
尿素是重要的化肥，在生产过程中尿素、氨、氨基甲酸铵和它们的混合液，在高温高压的条件下腐蚀性很强，使用钛取代不锈钢后设备寿命大大增加，检修时间大大减少。因此目前尿素生产中的主要设备都使用钛材。
5．海水淡化和造船工业
钛抗海水腐蚀的能力比其它所有金属都好，无论是在静止的或高速流动的海水中钛都具有特殊的稳定性。因此，钛是海水淡化装臵的理想材料。钛在这个领域的应用数量将越来越大。钛抗海水和海洋空气腐蚀能力很强，而且强度大，重量轻，是造船工业的理想结构材料，已广泛应用在各种舰艇、深水潜艇的许多部件中。
6．电力工业
钛在含有氯化物、硫化物等许多腐蚀性较强的热水中具有较好的稳定性，因此钛已经大量在火力发电厂中用作为热交换器的冷却管。用薄壁钛管取代铜镍合金管后，不仅大大提高了使用寿命，而且大大减少了检修时间，经济效果十分显著。
［参 考 文 献］
［1］中国航空材料手册编辑委员会：《中国航空材料手册》，中国标准出版社2001年版。
［2］任敬心、康仁科：《难加工材料的磨削》，国防工业出版社1999年版。
［3］杨冠军：《钛合金研究和加工技术的新进展》，《钛工业进展》2001年。
［4］李明怡：《航空用钛合金结构材料》，《世界有色金属》2000年第6期。
［5］曹春晓：《我国航空用钛合金面临的21世纪的挑战》，《钛工业进展》1995年第5期。
［6］张喜燕、赵永庆、白晨光：《钛合金及应用》，化学工业出版社2005年版。