上海大学

本科生课程论文

论文题目：钛合金在多领域的应用与发展

课程名称： 

课程号：

学生姓名： 

学生学号：

所在学院：材料科学与工程学院

日期：2015.05.24

摘要：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。本文综述了钛合金在航空航天飞行器、热氢处理、发动机、高温钛合金、生物医用材料等方面的应用与发展。

关键词：钛合金；航空；氢；发动机；生物医用材料

钛合金在航空方面的应用与发展

钛合金具有比强度高、耐腐蚀性好、耐高温等优点。从20世纪50年代开始,钛合金在航空航天领域中得到了迅速的发展。钛合金是当代飞机和发动机的主要结构材料之一,可以减轻飞机的重量,提高结构效率。在飞机用材中钛的比例,客机波音777为7%,运输机C-17为10.3%,战斗机F-4为8%,F-15为25.8%,F-22为39%。

高性能航空发动机的发展需求牵引着高温钛合金的发展,钛合金的使用温度逐步提高,从20世纪50年代以Ti-6Al-4V合金为代表的350℃ ,经过IMI679和IMI829提高到了以IMI834合金为代表的600℃。目前,代表国际先进的高温钛合金有美国的Ti-6242S,Ti-1100,英国的IMI834,俄罗斯的BT36以及中国的Ti-60。表2为600℃主要高温钛合金的成分及性能特点。

Ti-6242S(Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si)钛合金是美国于20世纪60年代为了满足改善钛合金高温性能的需要,特别是为了满足喷气发动机使用要求而研制的一种近α型钛合金。合金的最高使用温度为540℃,室温的σb=930 MPa。特点是具有强度、蠕变强度、韧性和热稳定性的良好结合,并具有良好的焊接性能,主要应用于燃气涡轮发动机零件,发动机结构板材零件,飞机机体热端零件。

BT36(Ti-6.2A1-2Sn-3.6Zr-0.7Mo-0.1Y-5.0W-0.15Si)合金是俄罗斯于1992年研制成功的一种使用温度在600～650℃的钛合金。合金中加入了5%W和约0.1%Y。加入W对提高合金的热强性有明显作用。加入微量Y可以明显地细化合金的晶粒,改善了合金的塑性和热稳定性。

Ti60(Ti-5.8 Al-4.8 Sn-2.OZr-1.0 Mo-0.35Si-0.85Nd)合金由中国科学院金属研究所在Ti55合金基础上改型设计、宝鸡有色金属加工厂参与研制的一种600℃高温钛合金。Ti60合金的特点之一是合金中加入了1%Nd(质量分数),通过内氧化方式形成富含Nd、Sn和O的稀土相,降低基体中的氧含量,从而起到净化基体,改善合金热稳定性的作用。Ti60合金已进行了半工业性中试试验(包括压气机盘模锻)和全面性能测定。

根据国内外研究现状,未来高温钛合金的发展趋势是:(1)研制600℃以上的新型高温钛合金。可对现有高温钛合金的成分进行调整,改进加工工艺,或研发新的高温钛合金,提高高温钛合金的使用温度。(2)稀土元素在高温钛合金中的作用尚待进一步研究。我国研制的含稀土元素的高温钛合金其使用温度已达到600℃ ,其各项性能显示均为良好。但稀土元素在合金中的机制作用需进一步研究,为含稀土元素的高温钛合金的发展奠定理论基础。(3)合金朝着多元强化的方向发展。合金成分的优化越来越重要,Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si-(RE)系近α钛合金占主导地位;Si元素是高温钛合金中必不可少的重要元素。

钛合金在热氢处理方面的应用与发展

钛合金热氢处理技术是利用氢致塑性、氢致相变以及钛合金中氢的可逆合金化作用以实现钛氢系统最佳组织结构、改善加工性能的一种新体系、新方法和新手段,利用该技术不仅可以改善钛合金的加工性能,而且可以提高钛制件的使用性能,降低钛产品的制造成本,提高钛合金的加工效率。

钛合金室温塑性低,变形极限低,变形抗力大,冷成形容易开裂,大大了钛合金的冷态工艺性;因此,绝大多数钛合金必须在热态下成形,但热变形温度高,流动应力大,应变速率低,特别是对于那些高强、高韧、高模量、耐高温的难变形钛合金,这种现象尤为严重,大大地了它们的应用;此外,由于热变形温度高,造成系统或工艺的高温保护困难,费用高;同时,钛合金热加工时对模具材料要求高,要求模具能够在900℃以上的高温下仍需具有足够的强度,对模具选材和制造带来了很大的困难,造成加工周期长、生产费用高等一系列问题;不仅如此,由于钛合金的热变形温度高和变形抗力大的原因,给成形设备也提出了更高的要求,使得现有成形设备加工钛合金结构件的能力大大降低,为研制新成形设备提出了更高的要求,增加了设备研制的费用和难度。

氢对钛合金高温塑性的影响主要表现为（1）流变应力较低（2）高温拉伸塑性性能提高（3）高温镦粗出现第一个裂纹前的变形极限提高。高温增塑是最早受到关注并得到广泛而深入研究的热氢处理技术方向,国内外学者对此给予了高度重视。早在上世纪70年代,前苏联学者就致力于这方面的研究工作,一系列的研究表明:钛合金加氢可使合金的热压力加工性能得到改善,表现为热变形流动应力的降低和塑性的提高,使热变形更容易在较低温度下实现轧制、热锻等工序;氢增塑效应对高铝含量的热强钛合金及Ti3Al合金的作用特别明显,对近α和α+β合金也是适用的,但对近β合金几乎没有作用。Kolachov对Ti3Al基的CT5合金研究发现:虽在1 050～1 250℃的β区温度范围内变形也很困难,但加入0.6%(质量分数)的氢,甚至在900℃下变形达80%也不产生裂纹,塑性提高伴随有屈服强度的降低,其渗氢试样的压缩流变应力仅为未渗氢试样流变应力的1/3。

铸态的以Ti3Al(α2)为强化相的耐热钛合金Ti-9Al-1Mo-3Zr-4Sn的等温镦锻试验表明:渗氢合金的最大变形量可以达到60%,并可以有效地降低合金的变形抗力,σ0.2分别从950℃和900℃的200 MPa和320 MPa降低到50～60MPa和120～140MPa,且氢对合金变形抗力下降的影响程度随温度的上升而降低。Ti-5Zr-9Al-5Sn-2Mo合金镦锻试验表明:氢含量0.45%(质量分数)的试样在800℃的锻造流变应力比未渗氢试样下降50%左右。BT16合金镦粗试验表明:在600～850℃试验温度范围内,加入0.2～0.3%(质量分数)的氢,屈服应力降低1/3～1/2。BT6高温拉伸试验表明:800℃时置入0.3%氢的试样的流变应力比未渗氢试样的流变应力低一半,延伸率由50%提高到105%。Kerr等人对渗氢Ti-6Al-4V合金进行了等温锻造试验研究,图9和10所示分别是不同氢含量合金在760和820℃时的应力—应变曲线,图11所示是合金在不同温度下氢含量对峰值流动应力的影响曲线。

图9,10和11表明:合金的流动应力随着氢含量的增加而减小,当氢含量达到0.4%(质量分数)时,其流变应力为最低,约为未渗氢合金流变应力的70%;之后,随着氢含量的增加,流变应力反而增加,这主要是因为氢化物TiH2的析出而致。Birla等人在Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo合金中加入0.4%(质量分数)氢,30℃时的锻造流变应力比未加氢时,降低30%～35%。张勇等人对Ti3Al基Ti-25Al-10Nb-3V-1Mo铸态和锻态合金进行热压缩行为研究时发现:氢可以显著降低热压缩的峰值流变应力,在900～1 000℃范围内,铸态的0.2%(质量分数)H渗氢试样的峰值流变应力比未渗氢试样的流变应力降低了37%～53%,锻态的0.2%(质量分数)H渗氢试样的峰值流变应力比未渗氢试样的降低了27%～31%,从流动应力的角度出发,0.2%(质量分数)H可使合金的热压缩温度降低50℃ ,应变速率提高一个数量级;等温压缩时,氢含量增加所产生的组织变化相当于在更高温度压缩所产生的组织变化,随热压温度的提高,Ti3Al相由

部分动态再结晶发展到完全动态再结晶,Ti3Al相的体积分数下降,当氢含量达到0.2%(质量分数)时,温度达到1 000℃ ,变形时显示出β相区变形特征。钛合金氢致热塑性效应在实际生产中具有显著的效果和意义,可以降低等温变形温度50～150℃ ,流变应力下降30%以上,可以采用工艺性更好的模具材料替代现有模具材料,提高模具寿命和金属利用系数。

钛合金中氢的作用具有双重性:一方面,氢作为有害杂质元素对钛合金使用性能有着极为不利的影响;另一方面,可以通过合理有效地控制渗氢、相变、除氢等过程获得适应某种工艺的组织结构以改善其加工性能,否则,氢的积极作用亦不能得到发挥。需要指出的是,氢的有益作用主要体现在钛合金的加工过程中,无论其加工过程是否加氢,必须利用氢的可逆合金化作用经真空退火使其氢含量恢复到安全水平,以保证钛合金制件在使用中不发生氢脆。钛合金热氢处理技术是从氢的可逆合金化角度出发,有效地控制钛氢系统中氢含量、存在状态及相变过程,实现改善塑性加工、扩散加工、切削加工和变质加工工艺性能的目的,并已成为一个新型的学科领域。俄罗斯已经建立了一套完整的技术体系,主要包括热氢处理、氢增塑、氢致密和氢机械加工。钛合金热氢处理技术有利于全面改善钛合金成形性能、提高加工效率、降低加工难度和提高制件使用性能,可以提升钛合金的加工制造水平,其应用前景良好,并有可能推广到与钛性质相近金属的加工过程之中。

钛合金在发动机方面的应用与发展

现代军用战斗机的战术机动性、短距起飞、超音速巡航等优异作战性能在很大程度上依赖于先进的高推重航空发动机的应用，而高推重比航空发动机的发展与高温钛合金的大量应用密切相关。航空发动机压气机叶片、盘和机匣等零件要求在室温至较高的温度范围内具有高的瞬时强度、持久强度、温蠕变抗力、组织稳定性和高低周疲劳性能。

喷气发动机是飞机的心脏。发动机的风扇、高压压气机盘件和叶片等转动部件,不仅要承受很大的应力,而且要有一定的耐热性,即要求钛在300～650℃温度下有良好的抗高温强度、抗蠕变性和抗氧化性能。这样的工况条件,对铝来说温度太高;对钢来说密度太大;钛是最佳的选择。因此,钛在先进发动机上的应用不断扩大。在飞机上使用较多的钛合金有Ｔｉ-6Ａｌ-4Ｖ,Ｔｉ-8Ａｌ-1Ｍ-1Ｖ,Ｔｉ-17,Ｔｉ-6242,Ｔｉ-6246,ＴＣ6,ＴＣ9,ＴＣ11,Ｔｉ-1100,ＩＭＩ829,ＩＭＩ834等。发动机的一个重要性能指标是推重比,即发动机产生的推力与其自重之比。推重比越高,发动机性能越好。早期发动机的推重比只有2～3,现在已达到10。国外正在研制推重比10～20的发动机。提高推重比,必须提高涡轮前进气的压缩比(进气量指标)与进气温度。工作温度越高,发动机的热效率越高。提高推重比也必须提高材料高温下的比强度和比刚度,减轻发动机自身的重量。据计算,当压缩比达到15∶1时,压气机的出口温度为590℃ ,而当压缩比达到25∶1时,压气机的出口温度就达到620～705℃ ,需要耐热性非常好的钛合金。实验证明,常规钛合金只能用于650℃以下,为制造推重比10以上的先进发动机,需要开发以钛基复合材料、Ｔｉ3Al和ＴｉＡｌ型金属间化合物为基的钛合金。目前实用性能最好的耐热钛合金是英国的ＩＭＩ829,ＩＭＩ834和美国的Ｔｉ-1100。它们已分别用于Ｖ2500,ＥＪ2000,55-712改型发动机。

根据钛合金的应用现状,高温钛合金(发动机用)和高损伤容限钛合金(机身用)是钛合金未来发展的两个主要方向。而采用材料设计方法是低成本钛合金制备的有效途径之一。ＩＭＩ834和Ｔｉ-1100是600℃使用的高温钛合金,基本满足推重比为10的发动机的使用要求。但在600℃以上,蠕变抗力和高温抗氧化性的急剧下降是钛合金在更高温应用的两大主要障碍。与一般钛合金相比,钛铝化合物为基的Ｔｉ3Ａｌ(α2)和ＴｉＡｌ(γ)金属间化合物的最大优点是高温性能好(它们的最高使用温度分别为700和850℃)、抗氧化能力强、抗蠕变性能好[17]。为了满足650℃以上,推重比大于10的发动机,需要开发ＴｉＭＭＣ(ｔｉｔａｎｉｕｍ ｍｅｔａｌｍａｔｒｉｘｃｏｍｐｏｓｉｔｅ-钛基金属基复合材料)、Ｔｉ3Ａｌ基和ＴｉＡｌ基钛合金。

然而近年来航空业竞争的加剧,人们不得不考虑飞机的制造成本,而不是单纯地追求飞机的性能。为了使钛合金能够更广泛地应用,必须要降低钛合金的使用成本。钛合金成本高的原因之一是高成本的合金化元属,因此用廉价的Ｆｅ,Ｃｒ,Ｎｉ,Ｍｎ和这些元属的合金代替昂贵的Ｎｂ、Ｍｏ和Ｖ元属,设计新牌号合金,具有非常重大的实用价值。

钛合金在生物医用材料方面的应用与发展

生物医用钛合金材料是专指用于生物医学工程的一类功能结构材料,具体来说是用于外科植入物和矫形器械产品的生产和制造。钛合金医疗器械产品如人工关节、牙种植体和血管支架等用于临床诊断、治疗、修复、替换人体组织或器官,或增进人体组织或器官功能,其作用是药物不能替代的。医用钛合金材料研究涉及材料、物理、化学、生物、医学及先进电子显微及生化分析等多个学科,研究方向包括:医用金属材料的合金设计与评价体系,材料的加工-组织-性能关系与人体软、硬组织的相容性匹配,材料的表面改性(生物相容性、生物功能性、生物活性、耐磨性、耐蚀性等)及材料基体与表面(界面)的相互作用规律等。

按照外科植入物和矫形器械专业标准,钛合金材料可归入“外科植入物用材料”中“金属材料”一类,而钛合金材料在非有源外科植入物、有源外科植入物和矫形器械3大类医疗器械中可充当心血管、骨与关节、骨接合、脊柱、矫形器械、心脏起搏器与除颤器、耳蜗植入物、神经刺激器等植入产品的加工材料。生物医用钛合金材料基本特征见表1所示[2]。生物医用钛合金按材料显微组织类型可分为α型、α+β型和β型钛合金3类。

生物医用钛合金被加工成开放多孔状、三维贯通结构,有利于新骨细胞组织在植入体内粘附、分化和生长及水分和养料的传输,并且其密度、强度和杨氏模量可以通过孔隙率的调整同自然骨相匹配,从而使外科植入件和骨组织最终溶为一体而成为一种特殊的复合材料,增加外科植入件的长期稳定性和有效性。因此,多孔钛及钛合金被认为是目前最有吸引力的生物医用植入材料,也是今后重点的发展方向。2003年荷兰Ｊ.Ｐ.Ｌｉ教授采用多孔海绵法制作了多孔网状钛合金牙种植体,研究发现微孔尺寸为100～500μｍ的多孔钛最有希望用做整形外科牙种植体材料。随后美国Ｅｘａｃｔｅｃｈ公司采用钛珠烧结法在关节柄近端得到平均孔隙尺寸为152μｍ、空隙率为35%的多孔表面,还采用多孔喷涂技术制成了孔径尺寸为250～450μｍ、空隙率达61%的多孔表面。近年来,一些多孔钛加工的新技术不断涌现,引起人们的高度重视,如20世纪90年代以来发展起来的激光立体成形(ＬａｓｅｒＳｏｌｉｄＦｏｒｍｉｎｇ,ＬＳＦ)技术,已成功制备出了多孔纯Ｔｉ,ｉＮｉ和ＴＣ4合金,并在人工关节臼杯上制备出了多孔ＣｏＣｒＭｏ/Ｔｉ6Ａｌ4Ｖ功能梯度材料[37]。西北工业大学凝固技术国家重点实验室黄卫东课题组在这一领域的研究走在国内前列,其自主研制出先进的激光立体成形与修复装备并在国内首次实现商业化应用。西北有色金属研究院于振涛课题组采用激光刻蚀技术也成功地得到了表面多孔化的钛合金材料。清华大学李言祥采用定向凝固技术制备出定向排列规则多孔镁金属材料。

生物医用材料是现代临床医学的重要物质基础,是21世纪材料研究的前沿和热点之一,生物医用材料及制品也是近30年来发展起来的一类技术附加值最高的高新技术产品,已成为全球新兴的一个支柱产业和新的经济增长点。

因此,加强生物医用材料研制单位、医疗器械制造企业与医疗保健机构的有效协作和紧密配合,进一步开发新型优质的医用钛合金材料,加强对传统医用钛合金材料的优化升级,努力降低医用钛材的价格,解决人体软、硬组织修复与替代产品用不同强度水平、塑韧性好、抗疲劳、刚柔并济而又生理相容的各类钛合金植入和介入材料及其医疗器械产品加工制造的核心关键技术,尽早实现国产化,创造民族品牌产品,不仅利国利民,也是大势所趋。

参考文献：

[1]彭艳萍,曾凡昌,王俊杰,等.国外航空钛合金的发展应用及其特点分析[J].材料工程,1997,(10):3.

[2]王金友.　国外抗燃烧钛合金发展动向[J].航空科学技术,1995:(2):38.

[3]沙爱学,王庆如,李兴无.航空用高强度结构钛合金的研究及应用[J].稀有金属,2004,28(1):239.

[4]廖际常.含氢热加工技术在耐热钛合金中应用前景[J].钛工业进展,2002(1):2527.

[5]张少卿.氢在钛合金热加工中的作用[J].材料工程,1992(2):24 29.

[6]张勇.钛合金及Ti3Al基合金的氢处理研究[D].北京:北京航空材料研究院,1996.

[7]张勇,张少卿,陶春虎.Ti-25Al-10Nb-3V-1Mo合金的氢化行为及其热压缩行为[J].中国有色金属学报,1995,5(增刊):218224.

[8]邓炬.　钛与航空[Ｊ].钛工业进展,2004,21(2):15.

[9]毛小南,赵永庆,杨冠军.　国外航空发动机用钛合金的发展现状[Ｊ].稀有金属快报,2007,5:1.

[10]赵永庆,奚正平,曲恒磊.　我国航空用钛合金材料研究现状[Ｊ].航空材料学报,2003,23:215. 

[11]ＺｈａｎｇＸｉｎｐｉｎｇ(张新平),ＹｕＳｉｒｏｎｇ(于思荣),ＬｉｕＹａｏｈｕｉ

(刘耀辉),ｅｔａｌ.基于ＢＰ算法的Ｔｉ-Ｆｅ-Ｍｏ-Ｍｎ-Ｎｂ-Ｚｒ系钛合金成分优化[Ｊ]ＴｈｅＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＮｏｎｆｅｒｒｏｕｓＭｅｔａｌｓ(中国有色金属学报),2002,12(4):753-758.

[12]ＺｈａｎｇＭｉｎｇｈｕａ(张明华),ＣａｉＨｅｐｉｎｇ(蔡和平).微孔涂层植入物与骨组织界面的生物力学关系[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆｔｈｅＦｏｕｒｔｈ ＭｉｌｉｔａｒｙＭｅｄｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ(第四军医大学学报),1999,20(12):1081-1 084.下载本文