专题 | 钛合金的发展及应用

2019-09-19 14:01:17 作者：本网整理来源：《腐蚀与防护之友》分享至：

钛是20 世纪50 年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。世界上许多国家都认识到钛合金材料的重要性，相继对其进行研究开发，并得到了实际应用。

第一个实用的钛合金是1954 年美国研制成功的Ti-6Al-4V 合金，由于它的耐热性、强度、塑性、韧性、成形性、可焊性、耐蚀性和生物相容性均较好，而成为钛合金工业中的王牌合金，该合金使用量已占全部钛合金的75% ～ 85%。其他许多钛合金都可以看作是Ti-6Al-4V 合金的改型。

20 世纪50 ～ 60 年代，主要是发展航空发动机用的高温钛合金和机体用的结构钛合金，70 年代开发出一批耐蚀钛合金，80 年代以来，耐蚀钛合金和高强钛合金得到进一步发展。耐热钛合金的使用温度已从50 年代的400℃提高到90 年代的600 ～ 650 ℃。A2（Ti3Al）和r（TiAl）基合金的出现，使钛在发动机的使用部位正由发动机的冷端（风扇和压气机）向发动机的热端（涡轮）方向推进。结构钛合金向高强、高塑、高强高韧、高模量和高损伤容限方向发展。

另外，20 世纪70 年代以来，还出现了Ti-Ni、Ti-Ni-Fe、Ti-Ni-Nb 等形状记忆合金，并在工程上获得日益广泛的应用。

世界上已研制出的钛合金有数百种，最著名的合金有20 ～ 30 种，如Ti-6Al-4V、Ti-5Al-2.5Sn、Ti-2Al-2.5Zr、Ti-32Mo、Ti-Mo-Ni、Ti-Pd、SP-700、Ti-6242、Ti-10-5-3、Ti-1023、BT9、BT20、IMI829、IMI834 等。

目前，钛合金已广泛用于国民经济各部门，它是火箭、导弹和航天飞机不可缺少的材料。船舶、化工、电子器件和通讯设备以及若干轻工业部门中都需要大量应用钛合金。

钛合金特性

强度高，钛合金的密度一般在4.51g/cm3 左右，仅为钢的60%，纯钛的强度才接近普通钢的强度，一些高强度钛合金超过了许多合金结构钢的强度。因此钛合金的比强度（强度/ 密度）远大于其他金属结构材料，可制出单位强度高、刚性好、质轻的零、部件。目前飞机的发动机构件、骨架、蒙皮、紧固件及起落架等都使用钛合金。

热强度高，使用温度比铝合金高几百度，在中等温度下仍能保持所要求的强度，可在450 ～ 500℃的温度下长期工作这两类钛合金在150℃～ 500℃范围内仍有很高的比强度，而铝合金在150℃时比强度明显下降。钛合金的工作温度可达500℃，铝合金则在200℃以下。

抗蚀性好，钛合金在潮湿的大气和海水介质中工作，其抗蚀性远优于不锈钢；对点蚀、酸蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强；对碱、氯化物、氯的有机物品、硝酸、硫酸等有优良的抗腐蚀能力。但钛对具有还原性氧及铬盐介质的抗蚀性差。

低温性能好，钛合金在低温和超低温下，仍能保持其力学性能。低温性能好，间隙元素极低的钛合金，如TA7,在-253℃下还能保持一定的塑性。因此，钛合金也是一种重要的低温结构材料。

化学活性大，钛的化学活性大，与大气中O、N、H、CO、CO2、水蒸气、氨气等产生强烈的化学反应。含碳量大于0.2% 时，会在钛合金中形成硬质TiC；温度较高时，与N 作用也会形成TiN 硬质表层；在600℃以上时，钛吸收氧形成硬度很高的硬化层；氢含量上升，也会形成脆化层。

吸收气体而产生的硬脆表层深度可达0.1 ～ 0.15mm，硬化程度为20% ～ 30%。钛的化学亲和性也大，易与摩擦表面产生粘附现象。

导热系数小、弹性模量小，钛的导热系数λ=15.24W/（m.K）约为镍的1/4，铁的1/5，铝的1/14，而各种钛合金的导热系数比钛的导热系数约下降50%。钛合金的弹性模量约为钢的1/2，故其刚性差、易变形，不宜制作细长杆和薄壁件，切削时加工表面的回弹量很大，约为不锈钢的2 ～ 3 倍，造成刀具后刀面的剧烈摩擦、粘附、粘结磨损。

钛合金的主要用途

1、在航空航天领域中，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。

以前用钛大国集中在西方国家，尤其是美国，60% 的钛材都应用到这个领域。

亚洲国家，日本和中国在此领域中钛的投入量均在10% 左右。但是近年来随着亚洲航空航天的飞速发展，钛在航空航天领域的消费量将会随之增长。从全球角度来看，航空业对钛市场起着决定性的作用，从历史上看，钛行业大的周期轮回都和航空业的冷暖密切相关。

2、民用飞机

（1）减轻结构重量、提高结构效率；（2）符合高温部位的使用要求；（3）符合与复合材料结构相匹配的要求；（4）符合高抗蚀性和长寿命的要求；

3、军事飞机

军用武器的开发与采购不断向着轻便、灵活方向发展，为了满足战斗机对战斗性能要求，除了采用先进的设计技术外，还必须采用额性能优良的材料以及先进的工艺制造技术。大量选用钛合金、提高先进钛合金应用水平就是重要措施之一。

自20 世纪60 年代以来，国外军用飞机的钛量逐年增加，当前欧美设计的各种先进军用战斗机和轰炸机中钛合金用量已经稳定在20% 以上，并且新机型的用钛量占比正在大幅提升。

4、汽车

降低燃油消耗、减少有害废弃物（CO2、NOX 等）排放已经成为汽车行业技术进步的主要动力和方向之一。研究表明，轻量化是实现节省燃料、减少污染的有效措施。汽车的质量每降低10%，燃料消耗可节省8%-10%，废气排放可减少10%。

在驾驶方面，汽车轻量化后加速性能提高，车辆控制稳定性、噪音、振动方面也都有改善。从碰撞安全性考虑，汽车轻量化后，碰撞时惯性小，制动距离减少。