鈦合金介紹

發(fā)展歷史

鈦是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來的一種重要的結(jié)構(gòu)金屬，鈦合金因具有強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點而被廣泛用于各個領(lǐng)域。世界上許多國家都認(rèn)識到鈦合金材料的重要性，相繼對其進(jìn)行研究開發(fā)，并得到了實際應(yīng)用。

第一個實用的鈦合金是1954年美國研制成功的Ti-6Al-4V合金，由于它的耐熱性、強(qiáng)度、塑性、韌性、成形性、可焊性、耐蝕性和生物相容性均較好，而成為鈦合金工業(yè)中的王牌合金，該合金使用量已占全部鈦合金的75%～85%。其他許多鈦合金都可以看作是Ti-6Al-4V合金的改型。

20世紀(jì)50～60年代，主要是發(fā)展航空發(fā)動機(jī)用的高溫鈦合金和機(jī)體用的結(jié)構(gòu)鈦合金，70年代開發(fā)出一批耐蝕鈦合金，80年代以來，耐蝕鈦合金和高強(qiáng)鈦合金得到進(jìn)一步發(fā)展。耐熱鈦合金的使用溫度已從50年代的400℃提高到90年代的600～650℃。A2(Ti3Al)和r（TiAl）基合金的出現(xiàn)，使鈦在發(fā)動機(jī)的使用部位正由發(fā)動機(jī)的冷端（風(fēng)扇和壓氣機(jī)）向發(fā)動機(jī)的熱端（渦輪）方向推進(jìn)。結(jié)構(gòu)鈦合金向高強(qiáng)、高塑、高強(qiáng)高韌、高模量和高損傷容限方向發(fā)展。

另外，20世紀(jì)70年代以來，還出現(xiàn)了Ti-Ni、Ti-Ni-Fe、Ti-Ni-Nb等形狀記憶合金，并在工程上獲得日益廣泛的應(yīng)用。

世界上已研制出的鈦合金有數(shù)百種，最著名的合金有20～30種，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。

據(jù)東莞市赫鋼鋼鐵有限公司相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2012年我國化工行業(yè)用鈦量達(dá)2.5萬鈦合金介紹

發(fā)展歷史

鈦是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來的一種重要的結(jié)構(gòu)金屬，鈦合金因具有強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點而被廣泛用于各個領(lǐng)域。世界上許多國家都認(rèn)識到鈦合金材料的重要性，相繼對其進(jìn)行研究開發(fā)，并得到了實際應(yīng)用。

第一個實用的鈦合金是1954年美國研制成功的Ti-6Al-4V合金，由于它的耐熱性、強(qiáng)度、塑性、韌性、成形性、可焊性、耐蝕性和生物相容性均較好，而成為鈦合金工業(yè)中的王牌合金，該合金使用量已占全部鈦合金的75%～85%。其他許多鈦合金都可以看作是Ti-6Al-4V合金的改型。

20世紀(jì)50～60年代，主要是發(fā)展航空發(fā)動機(jī)用的高溫鈦合金和機(jī)體用的結(jié)構(gòu)鈦合金，70年代開發(fā)出一批耐蝕鈦合金，80年代以來，耐蝕鈦合金和高強(qiáng)鈦合金得到進(jìn)一步發(fā)展。耐熱鈦合金的使用溫度已從50年代的400℃提高到90年代的600～650℃。A2(Ti3Al)和r（TiAl）基合金的出現(xiàn)，使鈦在發(fā)動機(jī)的使用部位正由發(fā)動機(jī)的冷端（風(fēng)扇和壓氣機(jī)）向發(fā)動機(jī)的熱端（渦輪）方向推進(jìn)。結(jié)構(gòu)鈦合金向高強(qiáng)、高塑、高強(qiáng)高韌、高模量和高損傷容限方向發(fā)展。

另外，20世紀(jì)70年代以來，還出現(xiàn)了Ti-Ni、Ti-Ni-Fe、Ti-Ni-Nb等形狀記憶合金，并在工程上獲得日益廣泛的應(yīng)用。

世界上已研制出的鈦合金有數(shù)百種，最著名的合金有20～30種，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。

據(jù)東莞市赫鋼鋼鐵有限公司相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2012年我國化工行業(yè)用鈦量達(dá)2.5萬噸，比2011年有所減少。這是自2009年以來，我國化工用鈦市場首次出現(xiàn)負(fù)增長。近些年來，化工行業(yè)一直是鈦加工材最大的用戶，其用量在鈦材總用量的占比一直保持在50%以上，2011年占比高達(dá)55%。但隨著經(jīng)濟(jì)陷入低迷期，化工行業(yè)不但新建項目明顯減少，同時還將面臨產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，部分產(chǎn)品新建產(chǎn)能受到控制，落后產(chǎn)能也將逐步淘汰的境地。受此影響，其對鈦加工材用量的萎縮也變得順理成章。在此之前，便有業(yè)內(nèi)人士預(yù)測化工行業(yè)用鈦量在2013~2015年間達(dá)到峰值。以當(dāng)前市場表現(xiàn)看來，2012年整體經(jīng)濟(jì)的疲軟有可能使得化工用鈦的衰退期提前。

分類

鈦是同素異構(gòu)體，熔點為1668℃，在低于882℃時呈密排六方晶格結(jié)構(gòu)，稱為α鈦；在882℃以上呈體心立方晶格結(jié)構(gòu)，稱為β鈦。利用鈦的上述兩種結(jié)構(gòu)的不同特點，添加適當(dāng)?shù)暮辖鹪?，使其相變溫度及相分含量逐漸改變而得到不同組織的鈦合金（titanium alloys）。室溫下，鈦合金有三種基體組織，鈦合金也就分為以下三類：α合金,(α+β)合金和β合金。中國分別以TA、TC、TB表示。

α鈦合金

它是α相固溶體組成的單相合金，不論是在一般溫度下還是在較高的實際應(yīng)用溫度下，均是α相，組織穩(wěn)定，耐磨性高于純鈦，抗氧化能力強(qiáng)。在500℃～600℃的溫度下，仍保持其強(qiáng)度和抗蠕變性能，但不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，室溫強(qiáng)度不高。

β鈦合金

它是β相固溶體組成的單相合金，未熱處理即具有較高的強(qiáng)度，淬火、時效后合金得到進(jìn)一步強(qiáng)化，室溫強(qiáng)度可達(dá)1372～1666 MPa；但熱穩(wěn)定性較差，不宜在高溫下使用。

α+β鈦合金

它是雙相合金，具有良好的綜合性能，組織穩(wěn)定性好，有良好的韌性、塑性和高溫變形性能，能較好地進(jìn)行熱壓力加工，能進(jìn)行淬火、時效使合金強(qiáng)化。熱處理后的強(qiáng)度約比退火狀態(tài)提高50%～100%；高溫強(qiáng)度高，可在400℃～500℃的溫度下長期工作，其熱穩(wěn)定性次于α鈦合金。

三種鈦合金中最常用的是α鈦合金和α+β鈦合金；α鈦合金的切削加工性最好，α+β鈦合金次之，β鈦合金最差。α鈦合金代號為TA，β鈦合金代號為TB，α+β鈦合金代號為TC。

鈦合金按用途可分為耐熱合金、高強(qiáng)合金、耐蝕合金（鈦-鉬，鈦-鈀合金等）、低溫合金以及特殊功能合金（鈦-鐵貯氫材料和鈦-鎳記憶合金）等。典型合金的成分和性能見表。

熱處理 鈦合金通過調(diào)整熱處理工藝可以獲得不同的相組成和組織。一般認(rèn)為細(xì)小等軸組織具有較好的塑性、熱穩(wěn)定性和疲勞強(qiáng)度；針狀組織具有較高的持久強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度和斷裂韌性；等軸和針狀混合組織具有較好的綜合性能。

性能

鈦是一種新型金屬，鈦的性能與所含碳、氮、氫、氧等雜質(zhì)含量有關(guān)，最純的碘化鈦雜質(zhì)含量不超過0.1%，但其強(qiáng)度低、塑性高。99.5%工業(yè)純鈦的性能為：密度ρ=4.5g/立方厘米，熔點為1725℃，導(dǎo)熱系數(shù)λ=15.24W/(m.K)，抗拉強(qiáng)度σb=539MPa，伸長率δ=25%，斷面收縮率ψ=25%，彈性模量E=1.078×105MPa，硬度HB195。東莞市赫鋼鋼鐵有限公司

強(qiáng)度高

鈦合金的密度一般在4.51g/立方厘米左右，僅為鋼的60%，純鈦的密度才接近普通鋼的密度，一些高強(qiáng)度鈦合金超過了許多合金結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度。因此鈦合金的比強(qiáng)度(強(qiáng)度/密度)遠(yuǎn)大于其他金屬結(jié)構(gòu)材料，見表7-1，可制出單位強(qiáng)度高、剛性好、質(zhì)輕的零部件。飛機(jī)的發(fā)動機(jī)構(gòu)件、骨架、蒙皮、緊固件及起落架等都使用鈦合金。

熱強(qiáng)度高

使用溫度比鋁合金高幾百度，在中等溫度下仍能保持所要求的強(qiáng)度,可在450～500℃的溫度下長期工作這兩類鈦合金在150℃～500℃范圍內(nèi)仍有很高的比強(qiáng)度，而鋁合金在150℃時比強(qiáng)度明顯下降。鈦合金的工作溫度可達(dá)500℃，鋁合金則在200℃以下。

抗蝕性好

鈦合金在潮濕的大氣和海水介質(zhì)中工作，其抗蝕性遠(yuǎn)優(yōu)于不銹鋼；對點蝕、酸蝕、應(yīng)力腐蝕的抵抗力特別強(qiáng)；對堿、氯化物、氯的有機(jī)物品、硝酸、硫酸等有優(yōu)良的抗腐蝕能力。但鈦對具有還原性氧及鉻鹽介質(zhì)的抗蝕性差。

低溫性能好

鈦合金在低溫和超低溫下，仍能保持其力學(xué)性能。低溫性能好，間隙元素極低的鈦合金，如TA7，在-253℃下還能保持一定的塑性。因此，鈦合金也是一種重要的低溫結(jié)構(gòu)材料。

化學(xué)活性大

鈦的化學(xué)活性大，與大氣中O、N、H、CO、CO2、水蒸氣、氨氣等產(chǎn)生強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)。含碳量大于0.2%時，會在鈦合金中形成硬質(zhì)TiC；溫度較高時，與N作用也會形成TiN硬質(zhì)表層；在600℃以上時，鈦吸收氧形成硬度很高的硬化層；氫含量上升，也會形成脆化層。吸收氣體而產(chǎn)生的硬脆表層深度可達(dá)0.1～0.15 mm，硬化程度為20%～30%。鈦的化學(xué)親和性也大，易與摩擦表面產(chǎn)生粘附現(xiàn)象。

導(dǎo)熱彈性小

鈦的導(dǎo)熱系數(shù)λ=15.24W/（m.K）約為鎳的1/4，鐵的1/5，鋁的1/14，而各種鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)比鈦的導(dǎo)熱系數(shù)約下降50%。鈦合金的彈性模量約為鋼的1/2，故其剛性差、易變形，不宜制作細(xì)長桿和薄壁件，切削時加工表面的回彈量很大，約為不銹鋼的2～3倍，造成刀具后刀面的劇烈摩擦、粘附、粘結(jié)磨損。

鈦的用途：

1、鈦在軍工方面的應(yīng)用

鈦在軍事工業(yè)方面有著十分廣闊的用途。核動力潛艇、水翼艇、迫擊炮身管、、坦克防護(hù)板、防彈背心等大量用鈦。據(jù)資料介紹，一艘臺風(fēng)級核潛艇，用鈦量高達(dá)9000噸，由此可見軍工對鈦材的需求巨大。赫鋼鈦合金

2、鈦在航天航空方面的應(yīng)用

鈦廣泛用于航空工業(yè)，民用飛機(jī)用鈦量約占構(gòu)架重量的20～25%；此外戰(zhàn)略火箭發(fā)動機(jī)、宇宙飛船（如神舟五號、神舟六號）、人造衛(wèi)星天線等也大量用鈦。赫鋼鈦合金

3、鈦在海洋產(chǎn)業(yè)方面的應(yīng)用

在海水中，鈦具有其他金屬材料無法比擬的耐蝕性能，特別是耐受海水的高速沖刷腐蝕。目前，美國、日本、法國等國家都已研制出各種先進(jìn)的鈦制深潛器、潛艇、海底實驗室裝置來進(jìn)行海洋研究。此外，沿海電站、海上采油設(shè)備、海水淡化、海洋化工生產(chǎn)、海水養(yǎng)殖業(yè)等都廣泛采用鈦制設(shè)備和裝置。赫鋼鈦合金

4、鈦在化工方面的應(yīng)用

目前鈦設(shè)備的應(yīng)用已從最初的“純堿與燒堿工業(yè)”擴(kuò)展到整個化工行業(yè)，設(shè)備種類已從小型、單一化發(fā)展到大型、多樣化。據(jù)化工部門預(yù)計，化工行業(yè)的年用鈦量將超過1500噸。二十世紀(jì)70～80年代以后，我國真空制鹽企業(yè)逐步開始采用鈦金屬材料制造設(shè)備，結(jié)果設(shè)備腐蝕情況大大改觀。赫鋼鈦合金

5、鈦在石油精煉中的應(yīng)用

在石油精煉過程中，石油加工產(chǎn)品與冷卻水中的硫化物、氯化物和其他腐蝕劑，對煉油裝置特別是低溫輕油部位的常減壓塔頂冷凝設(shè)備的腐蝕性嚴(yán)重，設(shè)備腐蝕問題已經(jīng)成為困擾煉油工業(yè)的突出問題之一。近年來美國、日本等國將鈦制設(shè)備引入到這些高腐蝕的環(huán)節(jié)，取得了很好的效果。赫鋼鈦合金

6、鈦在汽車工業(yè)方面的應(yīng)用

鈦的輕質(zhì)、高強(qiáng)度等性能早已被汽車制造商所關(guān)注，鈦在賽車上的應(yīng)用已有許多年的歷史，目前賽車幾乎都使用了鈦材，日本汽車用鈦已超過600噸，隨著全球汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車用鈦還在快速增加。赫鋼鈦合金

7、鈦在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

隨著醫(yī)療技術(shù)的提高，在人體內(nèi)植入金屬是十分常見的外科手術(shù)，由于鈦金屬具有與人體組織排異反應(yīng)弱，目前被廣泛于人工骨骼、人工關(guān)節(jié)、人造牙等人體植入物方面得到廣泛的應(yīng)用。此外，鈦在制藥機(jī)械、醫(yī)療器械方面的應(yīng)用也得到進(jìn)一步的認(rèn)識，未來需求不可低估。赫鋼鈦合金

8、鈦在體育和日用品方面的應(yīng)用

鈦在全球高爾夫球具制造領(lǐng)域的消耗數(shù)量巨大，每年用于鈦高爾夫球具制造的鈦材量高達(dá)6000多噸。此外，網(wǎng)球拍、羽毛球拍、滑雪杖、雪鏟、登山冰杖、登山釘、雪撬、擊劍防護(hù)面罩、釣魚桿、自行車、眼鏡架、手表、工藝品以及其它生活用品都廣泛使用鈦材。東莞市赫鋼鋼鐵有限公司

9、鈦在建筑材料方面的應(yīng)用

備受關(guān)注的中國國家大劇院曲面屋頂全部采用鈦金屬板制作，是建筑用鈦的典型案例，這個穹頂用掉約100噸鈦材。據(jù)有關(guān)資料介紹，鈦材在屋面、窗框、屋檐、山墻、防雨墻屏障、圍欄、外部裝飾壁板、內(nèi)裝飾材、以及紀(jì)念碑、墓志銘、名牌、廂屋、化妝柱和空氣調(diào)節(jié)器等方面都有應(yīng)用。赫鋼鈦合金

10、鈦在核工業(yè)方面的應(yīng)用

除上述用途外，鈦是發(fā)展核工業(yè)不可缺少的重要材料，核反應(yīng)堆使用的很多設(shè)備、管道和相關(guān)部件，除使用鋯、鉿外，還需要大量的鈦和鈦基合金材料。隨著核工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，鈦的價值必將會得到更多的體現(xiàn)。赫鋼鈦合金

噸，比2011年有所減少。這是自2009年以來，我國化工用鈦市場首次出現(xiàn)負(fù)增長。近些年來，化工行業(yè)一直是鈦加工材最大的用戶，其用量在鈦材總用量的占比一直保持在50%以上，2011年占比高達(dá)55%。但隨著經(jīng)濟(jì)陷入低迷期，化工行業(yè)不但新建項目明顯減少，同時還將面臨產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，部分產(chǎn)品新建產(chǎn)能受到控制，落后產(chǎn)能也將逐步淘汰的境地。受此影響，其對鈦加工材用量的萎縮也變得順理成章。在此之前，便有業(yè)內(nèi)人士預(yù)測化工行業(yè)用鈦量在2013~2015年間達(dá)到峰值。以當(dāng)前市場表現(xiàn)看來，2012年整體經(jīng)濟(jì)的疲軟有可能使得化工用鈦的衰退期提前。