探討鈦合金的特性及其應(yīng)用

1、探討鈦合金的特性及其應(yīng)用摘要：綜述了鈦合金材料的應(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、軍事工業(yè)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Ti在地殼中的豐度為（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(guó)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，

2、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6861176MPa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X 10-X lOMPa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機(jī)

3、械性能，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)550600C ;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253C時(shí)還能保持良好的韌性。5. 鈦的抗腐蝕性強(qiáng)。鈦在550C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。、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

4、前刀面的接觸面積卻 更?。ㄖ挥?5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(zhǎng)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

5、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。3. 擠壓加工性能對(duì)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 溫坯錠與模具的接觸時(shí)間。

6、因此擠壓模具應(yīng)選用新型 耐熱模具材料，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(rùn)滑 劑，以防粘結(jié)模具，如采用包套擠壓和玻璃潤(rùn)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，這是由鈦合金特殊物理 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

7、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(duì)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- 1200C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（a +P ）/ P轉(zhuǎn)變溫度進(jìn)行掌握（鑄錠開坯除外），否則P晶粒會(huì)劇烈長(zhǎng)大，降低 室溫塑性；a鈦合金通常在（a + 3 ）兩

8、相區(qū)鍛造，因（a +P ）/ P相變線以上鍛造 溫度過高，將導(dǎo)致3脆相，3鈦合金其始鍛和終鍛都必須高于（a +3 ）/ 3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(duì)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(duì)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

9、用已有一定變形的中強(qiáng)鈦合金，如Ti 0 6AI 0 4V, Ti O 5AI O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)成本的制約。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，鈦在民用工業(yè)中的應(yīng)用將成倍增加，特別是在造船、汽車制造、化工、電 子、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)，市場(chǎng)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(guó)航空材料手冊(cè)編輯委員會(huì)：中國(guó)航空材料手冊(cè)，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版 社20XX年版。任敬心、康仁科：難加工材料的磨削，國(guó)防工業(yè)出版