本科生課程論文1

1、7/7上海大學(xué)本科生課程論文論文題目：鈦合金在多領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展課程名稱： 課程號：學(xué)生姓名： 學(xué)生學(xué)號：所在學(xué)院：材料科學(xué)與工程學(xué)院日期：2015.05.24摘要：鈦合金因具有強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點(diǎn)而被廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域。世界上許多國家都認(rèn)識(shí)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(shí)際應(yīng)用。本文綜述了鈦合金在航空航天飛行器、熱氫處理、發(fā)動(dòng)機(jī)、高溫鈦合金、生物醫(yī)用材料等方面的應(yīng)用與發(fā)展。關(guān)鍵詞：鈦合金；航空；氫；發(fā)動(dòng)機(jī)；生物醫(yī)用材料鈦合金在航空方面的應(yīng)用與發(fā)展鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)。從20世紀(jì)50年代開始,鈦合金在航空航天領(lǐng)域中得到了迅速的發(fā)展。鈦合金

2、是當(dāng)代飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)材料之一,可以減輕飛機(jī)的重量,提高結(jié)構(gòu)效率。在飛機(jī)用材中鈦的比例,客機(jī)波音777為7%,運(yùn)輸機(jī)C-17為10.3%,戰(zhàn)斗機(jī)F-4為8%,F-15為25.8%,F-22為39%。高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展需求牽引著高溫鈦合金的發(fā)展,鈦合金的使用溫度逐步提高,從20世紀(jì)50年代以Ti-6Al-4V合金為代表的350 ,經(jīng)過IMI679和IMI829提高到了以IMI834合金為代表的600。目前,代表國際先進(jìn)的高溫鈦合金有美國的Ti-6242S,Ti-1100,英國的IMI834,俄羅斯的BT36以及中國的Ti-60。表2為600主要高溫鈦合金的成分及性能特點(diǎn)。 Ti-624

3、2S(Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si)鈦合金是美國于20世紀(jì)60年代為了滿足改善鈦合金高溫性能的需要,特別是為了滿足噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)使用要求而研制的一種近型鈦合金。合金的最高使用溫度為540,室溫的b=930 MPa。特點(diǎn)是具有強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度、韌性和熱穩(wěn)定性的良好結(jié)合,并具有良好的焊接性能,主要應(yīng)用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)零件,發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)板材零件,飛機(jī)機(jī)體熱端零件。BT36(Ti-6.2A1-2Sn-3.6Zr-0.7Mo-0.1Y-5.0W-0.15Si)合金是俄羅斯于1992年研制成功的一種使用溫度在600650的鈦合金。合金中加入了5%W和約0.1%Y。加入W對提高合金的熱強(qiáng)性有明顯

4、作用。加入微量Y可以明顯地細(xì)化合金的晶粒,改善了合金的塑性和熱穩(wěn)定性。Ti60(Ti-5.8 Al-4.8 Sn-2.OZr-1.0 Mo-0.35Si-0.85Nd)合金由中國科學(xué)院金屬研究所在Ti55合金基礎(chǔ)上改型設(shè)計(jì)、寶雞有色金屬加工廠參與研制的一種600高溫鈦合金。Ti60合金的特點(diǎn)之一是合金中加入了1%Nd(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),通過內(nèi)氧化方式形成富含Nd、Sn和O的稀土相,降低基體中的氧含量,從而起到凈化基體,改善合金熱穩(wěn)定性的作用。Ti60合金已進(jìn)行了半工業(yè)性中試試驗(yàn)(包括壓氣機(jī)盤模鍛)和全面性能測定。根據(jù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,未來高溫鈦合金的發(fā)展趨勢是:(1)研制600以上的新型高溫鈦合金。可

5、對現(xiàn)有高溫鈦合金的成分進(jìn)行調(diào)整,改進(jìn)加工工藝,或研發(fā)新的高溫鈦合金,提高高溫鈦合金的使用溫度。(2)稀土元素在高溫鈦合金中的作用尚待進(jìn)一步研究。我國研制的含稀土元素的高溫鈦合金其使用溫度已達(dá)到600 ,其各項(xiàng)性能顯示均為良好。但稀土元素在合金中的機(jī)制作用需進(jìn)一步研究,為含稀土元素的高溫鈦合金的發(fā)展奠定理論基礎(chǔ)。(3)合金朝著多元強(qiáng)化的方向發(fā)展。合金成分的優(yōu)化越來越重要,Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si-(RE)系近鈦合金占主導(dǎo)地位;Si元素是高溫鈦合金中必不可少的重要元素。鈦合金在熱氫處理方面的應(yīng)用與發(fā)展鈦合金熱氫處理技術(shù)是利用氫致塑性、氫致相變以及鈦合金中氫的可逆合金化作用以實(shí)現(xiàn)鈦氫系統(tǒng)最

6、佳組織結(jié)構(gòu)、改善加工性能的一種新體系、新方法和新手段,利用該技術(shù)不僅可以改善鈦合金的加工性能,而且可以提高鈦制件的使用性能,降低鈦產(chǎn)品的制造成本,提高鈦合金的加工效率。鈦合金室溫塑性低,變形極限低,變形抗力大,冷成形容易開裂,大大限制了鈦合金的冷態(tài)工藝性;因此,絕大多數(shù)鈦合金必須在熱態(tài)下成形,但熱變形溫度高,流動(dòng)應(yīng)力大,應(yīng)變速率低,特別是對于那些高強(qiáng)、高韌、高模量、耐高溫的難變形鈦合金,這種現(xiàn)象尤為嚴(yán)重,大大地限制了它們的應(yīng)用;此外,由于熱變形溫度高,造成系統(tǒng)或工藝的高溫保護(hù)困難,費(fèi)用高;同時(shí),鈦合金熱加工時(shí)對模具材料要求高,要求模具能夠在900以上的高溫下仍需具有足夠的強(qiáng)度,對模具選材和制造

7、帶來了很大的困難,造成加工周期長、生產(chǎn)費(fèi)用高等一系列問題;不僅如此,由于鈦合金的熱變形溫度高和變形抗力大的原因,給成形設(shè)備也提出了更高的要求,使得現(xiàn)有成形設(shè)備加工鈦合金結(jié)構(gòu)件的能力大大降低,為研制新成形設(shè)備提出了更高的要求,增加了設(shè)備研制的費(fèi)用和難度。氫對鈦合金高溫塑性的影響主要表現(xiàn)為（1）流變應(yīng)力較低（2）高溫拉伸塑性性能提高（3）高溫鐓粗出現(xiàn)第一個(gè)裂紋前的變形極限提高。高溫增塑是最早受到關(guān)注并得到廣泛而深入研究的熱氫處理技術(shù)方向,國內(nèi)外學(xué)者對此給予了高度重視。早在上世紀(jì)70年代,前蘇聯(lián)學(xué)者就致力于這方面的研究工作,一系列的研究表明:鈦合金加氫可使合金的熱壓力加工性能得到改善,表現(xiàn)為熱變形流

8、動(dòng)應(yīng)力的降低和塑性的提高,使熱變形更容易在較低溫度下實(shí)現(xiàn)軋制、熱鍛等工序;氫增塑效應(yīng)對高鋁含量的熱強(qiáng)鈦合金及Ti3Al合金的作用特別明顯,對近和+合金也是適用的,但對近合金幾乎沒有作用。Kolachov對Ti3Al基的CT5合金研究發(fā)現(xiàn):雖在1 0501 250的區(qū)溫度范圍內(nèi)變形也很困難,但加入0.6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的氫,甚至在900下變形達(dá)80%也不產(chǎn)生裂紋,塑性提高伴隨有屈服強(qiáng)度的降低,其滲氫試樣的壓縮流變應(yīng)力僅為未滲氫試樣流變應(yīng)力的1/3。鑄態(tài)的以Ti3Al(2)為強(qiáng)化相的耐熱鈦合金Ti-9Al-1Mo-3Zr-4Sn的等溫鐓鍛試驗(yàn)表明:滲氫合金的最大變形量可以達(dá)到60%,并可以有效地降低

9、合金的變形抗力,0.2分別從950和900的200 MPa和320 MPa降低到5060MPa和120140MPa,且氫對合金變形抗力下降的影響程度隨溫度的上升而降低。Ti-5Zr-9Al-5Sn-2Mo合金鐓鍛試驗(yàn)表明:氫含量0.45%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的試樣在800的鍛造流變應(yīng)力比未滲氫試樣下降50%左右。BT16合金鐓粗試驗(yàn)表明:在600850試驗(yàn)溫度范圍內(nèi),加入0.20.3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的氫,屈服應(yīng)力降低1/31/2。BT6高溫拉伸試驗(yàn)表明:800時(shí)置入0.3%氫的試樣的流變應(yīng)力比未滲氫試樣的流變應(yīng)力低一半,延伸率由50%提高到105%。Kerr等人對滲氫Ti-6Al-4V合金進(jìn)行了等溫鍛造

10、試驗(yàn)研究,圖9和10所示分別是不同氫含量合金在760和820時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線,圖11所示是合金在不同溫度下氫含量對峰值流動(dòng)應(yīng)力的影響曲線。圖9,10和11表明:合金的流動(dòng)應(yīng)力隨著氫含量的增加而減小,當(dāng)氫含量達(dá)到0.4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí),其流變應(yīng)力為最低,約為未滲氫合金流變應(yīng)力的70%;之后,隨著氫含量的增加,流變應(yīng)力反而增加,這主要是因?yàn)闅浠颰iH2的析出而致。Birla等人在Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo合金中加入0.4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))氫,30時(shí)的鍛造流變應(yīng)力比未加氫時(shí),降低30%35%。張勇等人對Ti3Al基Ti-25Al-10Nb-3V-1Mo鑄態(tài)和鍛態(tài)合金進(jìn)行熱壓縮行為研究時(shí)發(fā)現(xiàn):

11、氫可以顯著降低熱壓縮的峰值流變應(yīng)力,在9001 000范圍內(nèi),鑄態(tài)的0.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))H滲氫試樣的峰值流變應(yīng)力比未滲氫試樣的流變應(yīng)力降低了37%53%,鍛態(tài)的0.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))H滲氫試樣的峰值流變應(yīng)力比未滲氫試樣的降低了27%31%,從流動(dòng)應(yīng)力的角度出發(fā),0.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))H可使合金的熱壓縮溫度降低50 ,應(yīng)變速率提高一個(gè)數(shù)量級;等溫壓縮時(shí),氫含量增加所產(chǎn)生的組織變化相當(dāng)于在更高溫度壓縮所產(chǎn)生的組織變化,隨熱壓溫度的提高,Ti3Al相由部分動(dòng)態(tài)再結(jié)晶發(fā)展到完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,Ti3Al相的體積分?jǐn)?shù)下降,當(dāng)氫含量達(dá)到0.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí),溫度達(dá)到1 000 ,變形時(shí)顯示出相區(qū)變形特征。鈦合金

12、氫致熱塑性效應(yīng)在實(shí)際生產(chǎn)中具有顯著的效果和意義,可以降低等溫變形溫度50150 ,流變應(yīng)力下降30%以上,可以采用工藝性更好的模具材料替代現(xiàn)有模具材料,提高模具壽命和金屬利用系數(shù)。鈦合金中氫的作用具有雙重性:一方面,氫作為有害雜質(zhì)元素對鈦合金使用性能有著極為不利的影響;另一方面,可以通過合理有效地控制滲氫、相變、除氫等過程獲得適應(yīng)某種工藝的組織結(jié)構(gòu)以改善其加工性能,否則,氫的積極作用亦不能得到發(fā)揮。需要指出的是,氫的有益作用主要體現(xiàn)在鈦合金的加工過程中,無論其加工過程是否加氫,必須利用氫的可逆合金化作用經(jīng)真空退火使其氫含量恢復(fù)到安全水平,以保證鈦合金制件在使用中不發(fā)生氫脆。鈦合金熱氫處理技術(shù)是

13、從氫的可逆合金化角度出發(fā),有效地控制鈦氫系統(tǒng)中氫含量、存在狀態(tài)及相變過程,實(shí)現(xiàn)改善塑性加工、擴(kuò)散加工、切削加工和變質(zhì)加工工藝性能的目的,并已成為一個(gè)新型的學(xué)科領(lǐng)域。俄羅斯已經(jīng)建立了一套完整的技術(shù)體系,主要包括熱氫處理、氫增塑、氫致密和氫機(jī)械加工。鈦合金熱氫處理技術(shù)有利于全面改善鈦合金成形性能、提高加工效率、降低加工難度和提高制件使用性能,可以提升鈦合金的加工制造水平,其應(yīng)用前景良好,并有可能推廣到與鈦性質(zhì)相近金屬的加工過程之中。鈦合金在發(fā)動(dòng)機(jī)方面的應(yīng)用與發(fā)展現(xiàn)代軍用戰(zhàn)斗機(jī)的戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)性、短距起飛、超音速巡航等優(yōu)異作戰(zhàn)性能在很大程度上依賴于先進(jìn)的高推重航空發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用，而高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展與

14、高溫鈦合金的大量應(yīng)用密切相關(guān)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片、盤和機(jī)匣等零件要求在室溫至較高的溫度范圍內(nèi)具有高的瞬時(shí)強(qiáng)度、持久強(qiáng)度、溫蠕變抗力、組織穩(wěn)定性和高低周疲勞性能。噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的心臟。發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇、高壓壓氣機(jī)盤件和葉片等轉(zhuǎn)動(dòng)部件,不僅要承受很大的應(yīng)力,而且要有一定的耐熱性,即要求鈦在300650溫度下有良好的抗高溫強(qiáng)度、抗蠕變性和抗氧化性能。這樣的工況條件,對鋁來說溫度太高;對鋼來說密度太大;鈦是最佳的選擇。因此,鈦在先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用不斷擴(kuò)大。在飛機(jī)上使用較多的鈦合金有-6-4,-8-1-1,-17,-6242,-6246,6,9,11,-1100,829,834等。發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要性能指

15、標(biāo)是推重比,即發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的推力與其自重之比。推重比越高,發(fā)動(dòng)機(jī)性能越好。早期發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比只有23,現(xiàn)在已達(dá)到10。國外正在研制推重比1020的發(fā)動(dòng)機(jī)。提高推重比,必須提高渦輪前進(jìn)氣的壓縮比(進(jìn)氣量指標(biāo))與進(jìn)氣溫度。工作溫度越高,發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率越高。提高推重比也必須提高材料高溫下的比強(qiáng)度和比剛度,減輕發(fā)動(dòng)機(jī)自身的重量。據(jù)計(jì)算,當(dāng)壓縮比達(dá)到151時(shí),壓氣機(jī)的出口溫度為590 ,而當(dāng)壓縮比達(dá)到251時(shí),壓氣機(jī)的出口溫度就達(dá)到620705 ,需要耐熱性非常好的鈦合金。實(shí)驗(yàn)證明,常規(guī)鈦合金只能用于650以下,為制造推重比10以上的先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī),需要開發(fā)以鈦基復(fù)合材料、3Al和型金屬間化合物為基的鈦合金。

16、目前實(shí)用性能最好的耐熱鈦合金是英國的829,834和美國的-1100。它們已分別用于2500,2000,55-712改型發(fā)動(dòng)機(jī)。根據(jù)鈦合金的應(yīng)用現(xiàn)狀,高溫鈦合金(發(fā)動(dòng)機(jī)用)和高損傷容限鈦合金(機(jī)身用)是鈦合金未來發(fā)展的兩個(gè)主要方向。而采用材料設(shè)計(jì)方法是低成本鈦合金制備的有效途徑之一。834和-1100是600使用的高溫鈦合金,基本滿足推重比為10的發(fā)動(dòng)機(jī)的使用要求。但在600以上,蠕變抗力和高溫抗氧化性的急劇下降是限制鈦合金在更高溫應(yīng)用的兩大主要障礙。與一般鈦合金相比,鈦鋁化合物為基的3(2)和()金屬間化合物的最大優(yōu)點(diǎn)是高溫性能好(它們的最高使用溫度分別為700和850)、抗氧化能力強(qiáng)、抗蠕

17、變性能好17。為了滿足650以上,推重比大于10的發(fā)動(dòng)機(jī),需要開發(fā)( -鈦基金屬基復(fù)合材料)、3基和基鈦合金。然而近年來航空業(yè)競爭的加劇,人們不得不考慮飛機(jī)的制造成本,而不是單純地追求飛機(jī)的性能。為了使鈦合金能夠更廣泛地應(yīng)用,必須要降低鈦合金的使用成本。鈦合金成本高的原因之一是高成本的合金化元屬,因此用廉價(jià)的,和這些元屬的合金代替昂貴的、和元屬,設(shè)計(jì)新牌號合金,具有非常重大的實(shí)用價(jià)值。鈦合金在生物醫(yī)用材料方面的應(yīng)用與發(fā)展生物醫(yī)用鈦合金材料是專指用于生物醫(yī)學(xué)工程的一類功能結(jié)構(gòu)材料,具體來說是用于外科植入物和矯形器械產(chǎn)品的生產(chǎn)和制造。鈦合金醫(yī)療器械產(chǎn)品如人工關(guān)節(jié)、牙種植體和血管支架等用于臨床診斷、

18、治療、修復(fù)、替換人體組織或器官,或增進(jìn)人體組織或器官功能,其作用是藥物不能替代的。醫(yī)用鈦合金材料研究涉及材料、物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)及先進(jìn)電子顯微及生化分析等多個(gè)學(xué)科,研究方向包括:醫(yī)用金屬材料的合金設(shè)計(jì)與評價(jià)體系,材料的加工-組織-性能關(guān)系與人體軟、硬組織的相容性匹配,材料的表面改性(生物相容性、生物功能性、生物活性、耐磨性、耐蝕性等)及材料基體與表面(界面)的相互作用規(guī)律等。按照外科植入物和矯形器械專業(yè)標(biāo)準(zhǔn),鈦合金材料可歸入“外科植入物用材料”中“金屬材料”一類,而鈦合金材料在非有源外科植入物、有源外科植入物和矯形器械3大類醫(yī)療器械中可充當(dāng)心血管、骨與關(guān)節(jié)、骨接合、脊柱、矯形器械、心臟起搏

19、器與除顫器、耳蝸植入物、神經(jīng)刺激器等植入產(chǎn)品的加工材料。生物醫(yī)用鈦合金材料基本特征見表1所示2。生物醫(yī)用鈦合金按材料顯微組織類型可分為型、+型和型鈦合金3類。生物醫(yī)用鈦合金被加工成開放多孔狀、三維貫通結(jié)構(gòu),有利于新骨細(xì)胞組織在植入體內(nèi)粘附、分化和生長及水分和養(yǎng)料的傳輸,并且其密度、強(qiáng)度和楊氏模量可以通過孔隙率的調(diào)整同自然骨相匹配,從而使外科植入件和骨組織最終溶為一體而成為一種特殊的復(fù)合材料,增加外科植入件的長期穩(wěn)定性和有效性。因此,多孔鈦及鈦合金被認(rèn)為是目前最有吸引力的生物醫(yī)用植入材料,也是今后重點(diǎn)的發(fā)展方向。2003年荷蘭.教授采用多孔海綿法制作了多孔網(wǎng)狀鈦合金牙種植體,研究發(fā)現(xiàn)微孔尺寸為1

20、00500的多孔鈦?zhàn)钣邢Ｍ米稣瓮饪蒲婪N植體材料。隨后美國公司采用鈦珠燒結(jié)法在關(guān)節(jié)柄近端得到平均孔隙尺寸為152、空隙率為35%的多孔表面,還采用多孔噴涂技術(shù)制成了孔徑尺寸為250450、空隙率達(dá)61%的多孔表面。近年來,一些多孔鈦加工的新技術(shù)不斷涌現(xiàn),引起人們的高度重視,如20世紀(jì)90年代以來發(fā)展起來的激光立體成形(,)技術(shù),已成功制備出了多孔純,和4合金,并在人工關(guān)節(jié)臼杯上制備出了多孔/64功能梯度材料37。西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室黃衛(wèi)東課題組在這一領(lǐng)域的研究走在國內(nèi)前列,其自主研制出先進(jìn)的激光立體成形與修復(fù)裝備并在國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。西北有色金屬研究院于振濤課題組采用激光刻蝕技術(shù)也成功地得到了表面多孔化的鈦合金材料。清華大學(xué)李言祥采用定向凝固技術(shù)制備出定向排列規(guī)則多孔鎂金屬材料。生物醫(yī)用材料是現(xiàn)代臨床醫(yī)學(xué)的重要物質(zhì)基礎(chǔ),是21世紀(jì)材料研究的前沿和熱點(diǎn)之一,生物醫(yī)用材料及制品也是近30年來發(fā)展起來的一類技術(shù)附加值最高的高新技術(shù)產(chǎn)品,已成為全球新興的一個(gè)支柱產(chǎn)業(yè)和新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。因此,加強(qiáng)生物醫(yī)用材料研制單位、醫(yī)療器械制造企業(yè)與醫(yī)療保健機(jī)構(gòu)的有效協(xié)作和緊密配合,進(jìn)一步開發(fā)新型優(yōu)質(zhì)的醫(yī)用鈦合金材料,加強(qiáng)對傳統(tǒng)醫(yī)用鈦合金材料的優(yōu)化升級,努力降低醫(yī)用鈦材的價(jià)格,解決人體軟、硬組織修復(fù)與替代產(chǎn)品