鈦合金的特性及其應(yīng)用
［摘 要］綜述了鈦合金的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀，著重介紹了鈦及鈦合金的主要特性，加工性能及其在航空航天、軍事和汽車制造方面的應(yīng)用，并在此基礎(chǔ)上展望了鈦合金的發(fā)展方向。?
［關(guān)鍵詞］鈦合金 特性 加工性能 應(yīng)用領(lǐng)域?
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Ti在地殼中的豐度為0.56%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，在所有按元素中居第9位，而在可作為結(jié)構(gòu)材料的金屬中居第4位，僅次于Al、Fe、Mg，其儲(chǔ)量比常見金屬Cu，Pb，Zn儲(chǔ)量的總和還多。我國鈦資源豐富，儲(chǔ)量為世界第一。鈦合金的密度小，比強(qiáng)度、比剛度高，抗腐蝕性能、高溫力學(xué)性能、抗疲勞和蠕變性能都很好，具有優(yōu)良的綜合性能，是一種新型的、很有發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景的結(jié)構(gòu)材料。近年來，世界鈦工業(yè)和鈦材加工技術(shù)得到了飛速發(fā)展，海綿鈦、變形鈦合金和鈦合金加工材的生產(chǎn)和消費(fèi)都達(dá)到了很高的水平，在航空航天領(lǐng)域、艦艇及兵器等軍品制造中的應(yīng)用日益廣泛，在汽車、化學(xué)和能源等行業(yè)也有著巨大的應(yīng)用潛力。?
一、鈦及鈦合金的特性?
鈦及鈦合金具有許多優(yōu)良特性，主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：?
1.強(qiáng)度高。鈦合金具有很高的強(qiáng)度，其抗拉強(qiáng)度為686—1176MPa，而密度僅為鋼的60%左右，所以比強(qiáng)度很高。?
2.硬度較高。鈦合金(退火態(tài))的硬度HRC為32—38。?
3.彈性模量低。鈦合金(退火態(tài))的彈性模量為1.078×10－1.176×10MPa，約為鋼和不銹鋼的一半。?
4.高溫和低溫性能優(yōu)良。在高溫下，鈦合金仍能保持良好的性能，其耐熱性遠(yuǎn)高于鋁合金，且工作溫度范圍較寬，目前新型耐熱鈦合金的工作溫度可達(dá)550—600℃；在低溫下，鈦合金的強(qiáng)度反而比在常溫時(shí)增加，且具有良好的韌性，低溫鈦合金在－253℃時(shí)還能保持良好的韌性。?
5.鈦的抗腐蝕性強(qiáng)。鈦在550℃以下的空氣中，表面會(huì)迅速形成薄而致密的氧化鈦膜，故在大氣、海水、硝酸和硫酸等氧化性介質(zhì)及強(qiáng)堿中，其耐蝕性優(yōu)于大多數(shù)不銹鋼。?
二、鈦及鈦合金的加工性能?
1.切削加工性能?
鈦合金強(qiáng)度高、硬度大，所以要求加工設(shè)備功率大，模具、刀具應(yīng)有較高的強(qiáng)度和硬度。切削加工時(shí)，切屑與前刀面接觸面積小，刀尖應(yīng)力大。與45鋼相比，鈦合金的切削力雖然只有其2/3—3/4，可是切屑與前刀面的接觸面積卻更小(只有45鋼的1/2—2/3)，所以刀具切削刃承受的應(yīng)力反而更大，刀尖或切削刃容易磨損；鈦合金摩擦因數(shù)大，而熱導(dǎo)率低(分別僅為鐵和鋁的1/4和1/16)；刀具與切屑的接觸長度短，切削熱積聚于切削刃附近的小面積內(nèi)而不易散發(fā)，這些因素使得鈦合金的切削溫度很高，造成刀具磨損加快并影響加工質(zhì)量。由于鈦合金彈性模量低，切削加工時(shí)工件回彈大，容易造成刀具后刀面磨損的加劇和工件變形；鈦合金高溫時(shí)化學(xué)活性很高，容易與空氣中的氫、氧等氣體雜質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成硬化層，同時(shí)進(jìn)一步加劇了刀具的磨損；鈦合金切削加工中，工件材料極易與刀具表面粘結(jié)，加上很高的切削溫度，所以刀具易于產(chǎn)生擴(kuò)散磨損和粘結(jié)磨損。?
2.磨削加工性能?
鈦合金化學(xué)性質(zhì)活潑、在高溫下易與磨料親和并粘附，堵塞砂輪，導(dǎo)致砂輪磨損加劇，磨削性能降低，磨削精度不易保證。砂輪磨損同時(shí)也增大了砂輪與工件之間的接觸面積，致使散熱條件惡化，磨削區(qū)溫度急劇升高，在磨削表面層形成較大的熱應(yīng)力，造成工件的局部燒傷，產(chǎn)生磨削裂紋。鈦合金強(qiáng)度高、韌性大，使磨削時(shí)磨屑不易分離、磨削力增大、磨削功耗相應(yīng)增加。鈦合金熱導(dǎo)率低、比熱小、磨削時(shí)熱傳導(dǎo)慢，致使熱量積聚在磨削弧區(qū)，造成磨削區(qū)溫度急劇升高。
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?3.擠壓加工性能?
對鈦及鈦合金進(jìn)行擠壓加工時(shí)，要求擠壓溫度高，擠壓速度快，以防溫降過快，同時(shí)應(yīng)盡量縮短高\(yùn)溫坯錠與模具的接觸時(shí)間。因此擠壓模具應(yīng)選用新型耐熱模具，坯錠由加熱爐到擠壓筒的輸送速度也要快。鑒于在加熱和擠壓過程中金屬易被氣體污染，故還應(yīng)采用適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施。擠壓時(shí)應(yīng)選擇合適的潤滑劑，以防粘結(jié)模具，如采用包套擠壓和玻璃潤滑擠壓。因鈦及鈦合金的變形熱效應(yīng)較大，導(dǎo)熱性較差，故在擠壓變形時(shí)還要特別注意防止過熱現(xiàn)象。鈦合金的擠壓過程比鋁合金、銅合金、甚至鋼的擠壓過程更為復(fù)雜，這是由鈦合金特殊化學(xué)性能所決定的。鈦合金在常規(guī)熱反擠成形時(shí)，模具溫度低，與模具接觸的坯料表面溫度迅速下降，而坯料內(nèi)部因變形熱而溫度升高。由于鈦合金熱導(dǎo)率低，表層溫度下降后，內(nèi)層坯料熱量不能及時(shí)傳輸?shù)奖韺友a(bǔ)充，會(huì)出現(xiàn)表面硬化層，而使得變形難以繼續(xù)進(jìn)行。同時(shí)，表層與內(nèi)層會(huì)產(chǎn)生很大的溫度梯度，即使能成形，也容易造成變形和組織不均勻。?
4.鍛壓加工性能?
鈦合金對鍛造工藝參數(shù)非常敏感，鍛造溫度、變形量、變形及冷卻速度的改變都會(huì)引起鈦合金組織性能的變化。為更好地控制鍛件的組織性能，近幾年，熱模鍛造、等溫鍛造等先進(jìn)的鍛造技術(shù)在鈦合金的鍛造生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。?
鈦合金的塑性隨溫度升高而增大，在1000—1200℃溫度范圍內(nèi)，塑性達(dá)到最大值，允許變形程度達(dá)70%—80%。鈦合金鍛造溫度范圍較窄，應(yīng)嚴(yán)格按(α+β)/β轉(zhuǎn)變溫度進(jìn)行掌握(鑄錠開坯除外)，否則β晶粒會(huì)劇烈長大，降低室溫塑性；α鈦合金通常在(α+β)兩相區(qū)鍛造，因(α+β)/β相變線以上鍛造溫度過高，將導(dǎo)致β脆相，β鈦合金其始鍛和終鍛都必須高于(α+β)/β轉(zhuǎn)變溫度。鈦合金的變形抗力隨變形速度的增加提高較快，鍛造溫度對鈦合金變形抗力影響更大，因此常規(guī)鍛造必須在鍛模內(nèi)冷卻最少的情況下完成。間隙元素(如O、N、C)的含量對鈦合金的鍛造性也有顯著影響。?
5.鑄造工藝性能?
由于鈦和鈦合金的化學(xué)活性高，易與空氣中的N、O、N發(fā)生劇烈化學(xué)反應(yīng)，且易與鑄造中常用的耐火材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。鈦和鈦合金的鑄造，特別是熔模精鑄要比鋁和鋼的熔模精鑄難度大得多，需借助特殊手段才能實(shí)現(xiàn)。鑄鈦發(fā)展初期，由于鑄造工藝的發(fā)展落后于壓力加工工藝，因此，先選用已有一定變形的中強(qiáng)鈦合金，如TiΟ6AlΟ4V，TiΟ5AlΟ2.5Sn等作為鑄造合金材料。這些合金至今還在廣泛應(yīng)用。但隨著鑄鈦工藝的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域?qū)﹁T造鈦合金各方面性能要求的提高，以及鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的加大，過去那種認(rèn)為“所有的變形鈦合金都適合用作鑄造合金”的論點(diǎn)應(yīng)加以修正。隨著合金使用溫度和工作強(qiáng)度的提高，合金中所添加元素的數(shù)量和加入量也相應(yīng)增加，但同時(shí)必須考慮到合金的鑄造性能、流動(dòng)性凝固區(qū)間結(jié)晶組織、力學(xué)性能等等，即合金的化學(xué)成分必須根據(jù)鑄造工藝的要求進(jìn)行調(diào)整。?
三、結(jié)論?
綜上所述，鈦合金因其優(yōu)良的性能在航空航天和其他領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，但也受其加工效率和生產(chǎn)的制約。鈦的冶煉技術(shù)一旦有所突破，其價(jià)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(jià)格的降低，鈦在民用中的應(yīng)用將成倍增加，特別是在造船、汽車制造、化工、、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(shí)，的需求也將加速鈦工業(yè)與鈦材加工技術(shù)的發(fā)展。
?［參?考?文?獻(xiàn)］?
［1］中國航空材料手冊編輯委員會(huì)：《中國航空材料手冊》，中國標(biāo)準(zhǔn)出版社2001年版。?
［2］任敬心、康仁科：《難加工材料的磨削》，國防工業(yè)出版社1999年版。?
［3］楊冠軍：《鈦合金研究和加工技術(shù)的新進(jìn)展》，《鈦工業(yè)進(jìn)展》2001年。?
［4］李明怡：《航空用鈦合金結(jié)構(gòu)材料》，《世界有色金屬》2000年第6期。?
［5］曹春曉：《我國航空用鈦合金面臨的21世紀(jì)的挑戰(zhàn)》，《鈦工業(yè)進(jìn)展》1995年第5期。
［6］張喜燕、趙永慶、白晨光：《鈦合金及應(yīng)用》，化學(xué)工業(yè)出版社2005年版。
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