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国内钛合金材料的发展与主要应用领域

发布时间:2021-08-13 15:10:55 浏览次数 :

一、国内外钛合金发展概况

钛合金是以钛为基础加入其他元素组成的合金。在近代工业中,钛合金以其优良的高强度、耐蚀性及耐热性等特点已成为高性能结构件的首选材料。此外,钛具备生物相容性、超导、储氢、形状记忆等独特功能,而被广泛应用在医疗器械、化工、航天航空、舰船等领域。

目前,已有上百种钛合金问世,其中最著名的合金有20~30种。钛合金可以分为α合金、( α+β)合金、 β合金及金属间化物钛合金。近年来,新型钛合金主要有4种类型:高温钛合金、高强高韧β型钛合金、钛铝基合金及其复合材料与阻燃钛合金。我国于1956年开始钛及其合金的研究,60年代中期开始钛材的工业化生产。常见的钛合金为铸造钛合金及变形钛合金。

二、钛合金生产技术的发展现状

钛合金生产技术关系着钛合金 的质量。钛合金熔炼、铸造、成型等技术在近年来得到了极大的发展。

1、钛和钛合金的熔炼技术

钛及钛合金的熔炼主要分为2类:真空自耗和真空非自耗熔炼,见表1。

钛及钛合金熔炼技术

在钛和钛合金的工业化生产中,最常用的技术是真空白耗电弧熔炼(Vacuum arc remelting,VAR)和冷床炉熔炼。

VAR技术在钛合金熔炼中可以细化铸锭组织,提高产品的纯净度。该技术在近年来的主要发展表现在以下几个方面:①全自动VAR重溶工艺。先进的计算机技术的发展也应用到VAR工艺中,自动电控盒数据收集系统可以为特定的铸锭和合金建立优良的熔炼模式。除此之外,还可以分析熔炼过程出现的问题,提高金属成品率。②铸锭尺寸大型化。大型VAR炉可熔炼质量达30t的钛铸锭,国外熔钛用真空白耗电弧炉吨位大多为8~15t,我国近年来也实现了8~15t熔钛吨位。③供电方式采用了同轴型供电方式,可以抵消磁场,防止产生偏析。④数值模拟技术的发展。国内外学者利用数值模拟方法研究VAR工艺取得一定的进展。国内学者探索了铸锭温度场的分布规律并建立了预测凝固组织形貌、铸锭成分及缺陷分布的模型。

冷床炉熔炼是以等离子体(Plasma Arc)或电子束(ElectronBeam)为热量来源,分别形成等离子体冷床炉及电子束冷床炉熔炼的2种工艺。电子束冷床炉熔炼与真空自耗电弧熔炼相比有许多优势:①可以采用如残料、散状海绵钛以及钛屑等多种形式的原材料及经济的原材料;② 可以除去钼(Mo)、钨(W)及钽(Ta)等高密度杂质、氰化物等低密度杂质及易挥发性杂质,是纯净钛合金材料的重要技术;③通过生产多种截面的铸锭提高金属的收得率。近几年来,电子束冷床炉熔炼技术发展主要表现在以下几个方面:①海绵钛垛直接熔炼钛锭;②数值模拟技术;③单次合金锭熔炼技术;④铸锭表面熔修技术;④大型空心锭生产技术。

等离子束冷床熔炼技术利用集中、可控及稳定的等离子弧提供热源的熔炼方法。等离子束冷床熔炼在熔炼钛合金时,可以防止锰(Mn)、锡(sn)等具有较高挥发性元素挥发,精准控制钛合金的元素含量;可以产生高速而旋转的离子束,从而使钛合金成分更加均匀。此外,等离子工作气氛是接近大气压,因而不会受到原材料的限制;等离子冷炉床熔池大且较深,从而实现溶液充分扩散。等离子冷熔炉技术生产的钛合金在美国军用飞机的发动机上应用广泛。我国也开展了等离子束冷床熔炼的相关研究,北京航空材料研究院安装了美国Retech公司生产的离子束冷床炉,该设备生产的TC4和TIAL铸锭在合金的杂质元素含量、夹杂物及合金化元素含量控制等方面均取得了较大的成功。开发一套高均质钛合金铸锭单次电子束冷床炉熔炼控制技术是我国未来钛合金电子束冷床炉熔炼技术发展的趋势所在 。

2、钛和钛合金的其他技术

除了熔炼技术外,对钛和钛合金的技术还涉及到冶炼、熔铸、锻造等,具体应用技术见表2。

钛合金的相关技术方法

三、国内外钛合金主要应用领域分析

当前国内外对钛合金的应用主要集中在以下几个领域:

1、航天航空领域

飞机机身、发动机及火箭部件中,钛是不可或缺的“太空金属”。美国应用钛合金材料研发高性能飞机,如X一31、X-30等,效果非常显著,飞机的M系数上升为原来的3倍左 右,而飞机的整体质量下降为原来的80%。俄罗斯生产钛合金板材、钛锻件等应用于飞机制造的钛合金原材料。我国神州号飞船的研发过程中大量应用到钛合金。此外,国外也研制出高强钛合金Ti-5553【Ti-5A1-5MO-5V-3铬(Cr)】,Ti-55531【Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr-1锆(Zr)】等。高强近β钛合金Ti-5553可替代BT22和Ti一1023钛合金应用于飞机的起落架上。国外成功研制出阻燃钛合金以保障飞机发动机的安全性,其典型代表是美国的AlloyC(Ti一35V一15Cr)和英国的Ti—25V—15Cr_2A—0.2C合金,阻燃性能和力学性能良好,AlloyC已在军用飞机发动机中得到实际应用 。

中国科学院金属所、西北有色金属研究院、北京航空材料研究院也分别研制出耐高温、蠕变性能优异、具有良好力学性能的钛合金。其中TB8(β21s)、TC18(BT22)高强钛合金是理 想的航空结构材料,在飞机燃油箱集体、液压系统、箔材方面应用广泛。在阻燃钛合金方面,西北有色院研制出具有自主知识产权的Til4阻燃钛合金,及成本比AlloyC(Ti-35V-15Cr)阻燃钛合金低的Ti40阻燃钛合金。

2、船舶领域

船舰等设备长期浸泡在水中,在材料的使用上要求具有高耐腐蚀性、安全可靠、寿命长等特性。钛合金由于强度范围很宽、物理性能独特及优异的机械性能、耐腐蚀性、抗冲击 性等特性,在船舰上得到广泛的应用。俄罗斯舰船钛合金应用在泵、过滤器、补给管、灭火系统、压力容器等设备中。美国海军与美国Timet公司联合开发的Timetal5111具有良好的断裂韧性及抗应力腐蚀性能,又具有良好的室温蠕变性能并且易焊接。这些高性能钛合金应用于美国船舰的海水系统、冷却系统、污水处理系统、电器元件等设备。

我国研制出不同强度级别的近α型船用耐蚀钛合金Ti75、Ti31、Ti—B19、Ti91、Ti70及Ti80。西北有色金属研究院研制的Ti75合金具有自主知识产权,与Ti31合金均具有良好的综合性能,并都已获得实际应用。此外,以宝鸡有色金属加工厂为主研制的Ti70和西北有色金属研究院研制的Ti91具有良好的中强高塑、冷加工性能、透声性能和可焊性。这些钛合金在船舶、潜艇、探潜器方面具有广泛的应用。

3、生物医用领域

当前钛合金已经广泛应用在外科植入手术过程中。代表性钛合金Ti一12MO-6Zr-2Fe是一种亚稳态合金,因其高强度和断裂韧性、耐磨性、耐蚀性及弹性模量而适合用于矫形器件。用合金元素Zr、Pd、Nb、Sn、Ta来改善钛合金力学性能、耐蚀性及生物相容性,这是开发生物钛合金的主要途径 。

近年来的各个国家分别研发出新型医用钛合金材料,例如美国生产的Ti13Nb13Zr、瑞士生产的Ti6A17Nb及日本生产的Ti15Zr4Nb4Ta2Pd等。我国在20世纪70年代,致力于开放生物医用钛合金材料。西北有色金属研究院研制出在生物相容性、力学性能、工艺性能均领先于世界水平的新型医用钛合金TAMz。并在之后又研发出生物与力学相容性更优的第3代医用钛合金TLE及TLM。中国科学院金属研究所研发Ti一2448(Ti一24Nb一4Zr一8Sn)显著提高了骨骼与植人物的力学相容性。2008年2月以来,Ti2448合金医疗器件进入批量应用阶段。

4、汽车工业

汽车轻量化是钛材最具开发潜力的市场之一。钛合金主要应用于汽车发动机零部件中,例如:连杆、弹簧、曲轴、紧固件等。

四、国内外钛合金研究比较

终上所述,国内外钛合金的应用水平基本是一致的,甚至国内在某些领域的研究和应用超过国外。例如在新型钛合金的研究应用方面比国外活跃很多。但是,仍然存在一些差距:首先,由于国外在钛合金的研究和应用时间较长,因此与国外相比,我国在传统合金的深入研究方面落后于国外水平。其次,新型钛合金的应用技术较为落后。军用钛比例与国外相比较小,民用钛的领域较窄。美国战机高达40%的用钛量相比,我国战机3%~10%的用钛量明显偏低。最后,基础性研究薄弱,原创性和革命性的钛材设计与工艺技术少 。

钛管

五、国内外钛合金应用前景及研究建议

1、应用前景

全球钛铁矿、锐钛矿和金红石的资源总量超过20亿t,全球钛铁矿储量约为74亿t,占全球钛矿的92%,金红石储量约为4800万t。全球钛资源集中分布地点在中国、澳大利亚、南    非、加拿大等国。中国的钛铁矿储量居世界第1位,占到全球钛铁矿储量的28.6%。

综合钛资源的丰富储量及其广泛用途,我国钛合金的应用前景将呈现以下几点特征:①应用领域继续拓展。将由航天航空和国防军工领域进一步深入到民用领域。据悉,仅高尔夫 所消耗的钛已超过1 000t。②钛工业体系趋于成熟完整,钛合金广泛应用初具条件。中国已经具备完整的钛工业体系,具有一定的钛合金生产、加工技术。③ 中长期的发展势头良好。由于国内经济、大型海洋、航空及体育等因素的影响,钛合金的应用前景较好。

2、研究建议

我国钛合金领域应在以下6个方面深化研究。①钛的低成本化,低成本包括钛的制备、加工、设计的技术低成本化,这是扩大钛合金应用的前提;②高效、短流程钛合金加工技术;③大型优质钛合金坯料制备技术;④近净成形技术;⑤钛的推广应用研究,钛及钛合金的应用的推广仍然是研究的主要目的;⑥开发具有高性能、多功能及低成本的竞争力更强的钛合金。

钛合金是性能优异的主要材料,在经济建设和国家安全中具有战略意义。我国钛合金材料工艺取得一定程度的发展,但是还存在许多问题亟需解决。例如,钛合金生产技术还 有待发展,应用范围有待拓展。在今后,要加强科研和应用推广,从而加快我国钛工业的发展。

参考文献

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