钛和钛合金的优点和用途,包括它的物理性质和化学性质

钛和钛合金的优点和用途,包括它的物理性质和化学性质
钛和钛合金的优点和用途,包括它的物理性质和化学性质

钛和钛合金的优点和用途,包括它的物理性质和化学性质
钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属,钛合金因具有比强度高、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锨合金材料的重要性,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做是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. 目前,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-1023、Ti-10-5-3、Ti-1023、BT9、BT20、IMI829、IMI834等[2,4]. 钛合金可以分为α、α+β、β型合金及钛铝金属间化合物（TixAl,此处x=1）四类. 2. 钛合金的新进展 近年来,各国正在开发低成本和高性能的新型钛合金,努力使钛合金进入具有巨大市场潜力的民用工业领域阳.国内外钛合金材料的研究新进展主要体现在以下几方面. （1）高温钛合金. 世界上第一个研制成功的高温钛合金是Ti-6Al-4V,使用温度为300-350℃.随后相继研制出使用温度达400℃的IMI550、BT3-1等合金,以及使用温度为450~500℃的IMI679、IMI685、Ti-6246、Ti-6242等合金.目前已成功地应用在军用和民用飞机发动机中的新型高温钛合金有.英国的IMI829、IMI834合金；美国的Ti-1100合金；俄罗斯的BT18Y、BT36合金等.表7为部分国家新型高温钛合金的最高使用温度[26]. 近几年国外把采用快速凝固／粉末冶金技术、纤维或颗粒增强复合材料研制钛合金作为高温钛合金的发展方向,使钛合金的使用温度可提高到650℃以上[1,27,29,31].美国麦道公司采用快速凝固／粉末冶金技术戚功地研制出一种高纯度、高致密性钛合金,在760℃下其强度相当于目前室温下使用的钛合金强度[26]. （2）钛铝化合物为基的钛合金. 与一般钛合金相比,钛铝化合物为基钠Ti3Al（α2）和TiAl（γ）金属间化合物的最大优点是高温性能好（最高使用温度分别为816和982℃）、抗氧化能力强、抗蠕变性能好和重量轻（密度仅为镍基高温合金的1/2）,这些优点使其成为未来航空发动机及飞机结构件最具竞争力的材料[26]. 目前,已有两个Ti3Al为基的钛合金Ti-21Nb-14Al和Ti-24Al-14Nb-#v-0.5Mo在美国开始批量生产.其他近年来发展的Ti3Al为基的钛合金有Ti-24Al-11Nb、Ti25Al-17Nb-1Mo和Ti-25Al-10Nb-3V-1Mo等[29].TiAl（γ）为基的钛合金受关注的成分范围为Ti-（46-52）Al-（1-10）M（at.％）,此处M为v、Cr、Mn、Nb、Mn、Mo和W中的至少一种元素.最近,TiAl3为基的钛合金开始引起注意,如Ti-65Al-10Ni合金[1]. （3）高强高韧β型钛合金. β型钛合金最早是20世纪50年代中期由美国Crucible公司研制出的B120VCA合金（Ti-13v-11Cr-3Al）.β型钛合金具有良好的冷热加工性能,易锻造,可轧制、焊接,可通过固溶-时效处理获得较高的机械性能、良好的环境抗力及强度与断裂韧性的很好配合.新型高强高韧β型钛合金最具代表性的有以下几种[26,30]: Ti1023（Ti-10v-2Fe-#al）,该合金与飞机结构件中常用的30CrMnSiA高强度结构钢性能相当,具有优异的锻造性能； Ti153（Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn）,该合金冷加工性能比工业纯钛还好,时效后的室温抗拉强度可达1000MPa以上； β21S（Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si）,该合金是由美国钛金属公司Timet分部研制的一种新型抗氧化、超高强钛合金,具有良好的抗氧化性能,冷热加工性能优良,可制成厚度为0.064mm的箔材； 日本钢管公司（NKK）研制成功的SP-700（Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe）钛合金,该合金强度高,超塑性延伸率高达2000％,且超塑成形温度比Ti-6Al-4V低140℃,可取代Ti-6Al-4V合金用超塑成型-扩散连接（SPF/DB）技术制造各种航空航天构件； 俄罗斯研制出的BT-22（TI-5v-5Mo-1Cr-5Al）,其抗拉强度可达1105MPA以上 （4）阻燃钛合金.常规钛合金在特定的条件下有燃烷的倾向,这在很大程度上限制了其应用.针对这种情况,各国都展开了对阻燃钛合金的研究并取得一定突破.羌国研制出的Alloy c（也称为Ti-1720）,名义成分为50Ti-35v-15Cr（质量分数）,是一种对持续燃烧不敏感的阻燃钛合金,己用于F119发动机.BTT-1和BTT-3为俄罗斯研制的阻燃钛合金,均为Ti-Cu-Al系合金,具有相当好的热变形工艺性能,可用其制成复杂的零件[26]. （5）医用钛合金. 钛无毒、质轻、强度高且具有优良的生物相容性,是非常理想的医用金属材料,可用作植人人体的植人物等.目前,在医学领域中广泛使用的仍是Ti-6Al-4v ELI合金.但后者会析出极微量的钒和铝离子,降低了其细胞适应性且有可能对人体造成危害,这一问题早已引起医学界的广泛关注.羌国早在20世纪80年代中期便开始研制无铝、无钒、具有生物相容性的钛合金,将其用于矫形术.日本、英国等也在该方面做了大量的研究工作,并取得一些新的进展.例如,日本已开发出一系列具有优良生物相容性的α+β钛合金,包括Ti-15Zr-4Nb_4ta-0.2Pd、Ti-15Zr-4Nb-aTa-0.2Pd-0.20~0.05N、Ti-15Sn-4Nb-2Ta-0.2Pd和Ti-15Sn-4nb-2Ta-0.2Pd-0.20,这些合金的腐蚀强度、疲劳强度和抗腐蚀性能均优于Ti-6Al-4v ELI.与α+β钛合金相比,β钛合金具有更高的强度水乎,以及更好的切口性能和韧性,更适于作为植入物植入人体.在美国,已有5种β钛合金被推荐至医学领域,即TMZFTM（TI-12Mo-^Zr-2Fe）、Ti-13Nb-13Zr、Timetal 21SRx（TI-15Mo-2.5Nb-0.2Si）、Tiadyne 1610（Ti-16Nb-9.5Hf）和Ti-15Mo.估计在不久的将来,此类具有高强度、低弹性模量以及优异成形性和抗腐蚀性能的庐钛合金很有可能取代目前医学领域中广泛使用的Ti-6Al-4V ELI合金[28,32].