鈦合金指的是多種用鈦與其他金屬制成的合金金屬。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,鈦合金強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性高。20世紀(jì)50~60年代,主要是發(fā)展航空發(fā)動(dòng)機(jī)用的高溫鈦合金和機(jī)體用的結(jié)構(gòu)鈦合金。
鈦合金是以鈦為基礎(chǔ)加入其他元素組成的合金。鈦有兩種同質(zhì)異晶體:882℃以下為密排六方結(jié)構(gòu)α鈦,882℃以上為體心立方的β鈦。
牌號(hào):TC1
TC1合金是一種低強(qiáng)度、高塑性近 α 型鈦合金,該合金具有良好的工藝塑性、焊接性能和熱穩(wěn)定性,在航空和航天工業(yè)中獲得了廣泛應(yīng)用。該合金長時(shí)間工作溫度可達(dá)350℃。
主要半成品是板材、帶材、棒材、管材、鍛件、型材和絲材等。
牌號(hào):TC2
TC2合金是一種具有中等強(qiáng)度和較好塑性的近 α 型鈦合金,這種合金不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化,只在退火狀態(tài)下使用。TC2合金具有較滿意的工藝塑性、焊接性和熱穩(wěn)定性,長期工作溫度可達(dá)350℃,短時(shí)使用溫度為750℃。
TC2合金的半成品有板材、帶材、棒材、管材、鍛件和模鍛件等。該合金適合于制造板材沖壓與焊接的零件等。
牌號(hào):TC3
沖壓性差 , 熱塑性良好??蛇M(jìn)行各種形式的焊接 , 焊接接頭強(qiáng)度可達(dá)基體金屬強(qiáng)度 90%。機(jī)械加工性能尚好 , 需要用硬質(zhì)合金 , 大走刀量、慢速 , 充分冷卻。耐蝕性能良好 , 熱穩(wěn)定性好。應(yīng)用最廣的鈦合金之一做 400℃以下長期工作的零件。
牌號(hào):TC4
屬于熱處理強(qiáng)化的鈦合金,它具有較好的焊接性薄板成型性和鍛造性能。具有較好的焊接性薄板成型性和鍛造性能。用于制造噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮機(jī)葉片,葉輪等。其他如起落架輪和結(jié)構(gòu)件,緊固件,支架,飛機(jī)附件,框架、桁條結(jié)構(gòu)、管道,在航空航天、石油化工、造船、汽車,模具、醫(yī)藥等部門都得到成功的應(yīng)用。
牌號(hào):TC5
在 350以下穩(wěn)定 , 在更高的溫度下塑性下降。在熱狀態(tài)下可進(jìn)行鍛造、沖壓等變形在 350℃以下工作的零件 。
牌號(hào):TC6
屬馬氏體+型鈦合金,可在450℃下長期工作,具有良好的熱強(qiáng)性能,兼具優(yōu)良的熱加工性能。適于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)盤和葉片以及飛機(jī)的高推、接頭等承力件。
牌號(hào):TC8
牌號(hào):TC9
熱塑性尚好。機(jī)加工性與 T 合金相同??刮g性高。熱穩(wěn)定性尚好 400℃以下長期工作的零件。可制造壓氣機(jī)盤和葉片。
牌號(hào): TC10
沖壓性差 , 熱塑性良好??蛇M(jìn)行各種形式的焊接 , 焊接接頭強(qiáng)度可達(dá)基體金屬強(qiáng)度 90%。機(jī)械加工性能與 T 合金相同。耐蝕性能好。熱穩(wěn)定性較好 , 熱處理效果顯著 , 淬透性好 做 450℃以下長期工作的零件。
牌號(hào): TC11
是一種綜合力學(xué)性能優(yōu)異的α+β型高溫鈦合金,具有良好的室溫/高溫強(qiáng)度、韌性、抗蠕變性、熱穩(wěn)定性等性能,被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、運(yùn)載火箭等航空航天飛行器上。在500℃以下有優(yōu)異的熱強(qiáng)性能,并且具有較高室溫強(qiáng)度,主要用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)盤、葉 片、鼓筒等零件.
牌號(hào):TC12
具有強(qiáng)度高而密度又小,機(jī)械性能好,韌性和抗蝕性能很好。另外,鈦合金的工藝性能差,切削加工困難,在熱加工中,非常容易吸收氫氧氮碳等雜質(zhì)。還有抗磨性差,生產(chǎn)工藝復(fù)雜。 鈦合金主要用于制作飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)部件,其次為火箭、導(dǎo)彈和高速飛機(jī)的結(jié)構(gòu)件。
牌號(hào):TC15
牌號(hào):TC16
屬馬氏體+型鈦合金,準(zhǔn)高強(qiáng)鈦合金,固溶時(shí)效后強(qiáng)度可達(dá)1030+MPa以上,且應(yīng)力集中敏感性小,適于制造緊固件。
牌號(hào):TC17
屬富穩(wěn)定元素的+型高強(qiáng)鈦合金。具有高強(qiáng)、斷裂韌性好、淬透性高和鍛造溫度寬等優(yōu)點(diǎn)。適于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇和壓氣機(jī)等大截面鍛件,并能在490℃下長期工作。
牌號(hào):TC18
退火狀態(tài)有高的強(qiáng)度,淬火狀態(tài)有高的淬透性(250mm),適宜制造承力構(gòu)件和起落架零件。
牌號(hào):TC19
適合于中等溫度、高強(qiáng)度的發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)盤、風(fēng)扇盤和葉片等重要構(gòu)件。
牌號(hào):牌號(hào):TC20
本合金用無毒元素Nb取代TC4合金中的有毒元素V。其主要力學(xué)性能與TC4相當(dāng)。是一種外科植人物醫(yī)用鈦合金,迄今用量已超過200+,目前在國內(nèi)已有臨床應(yīng)用。
牌號(hào):TC21
TC21鈦合金是由西北有色金屬研究院研制的一種新型高強(qiáng)、高韌、高損失容限鈦合金,具有良好的強(qiáng)度、塑性、斷裂韌性和較低的裂紋擴(kuò)展速率。
可用于航空飛機(jī)的機(jī)翼接頭結(jié)構(gòu)件、機(jī)身與起落架連接框、吊掛發(fā)動(dòng)機(jī)接頭等部位,以及對(duì)強(qiáng)度及耐久性要求高的重要或關(guān)鍵承力部件的制作。
牌號(hào):TC22
牌號(hào):TC23
牌號(hào):TC24
牌號(hào):TC25
牌號(hào):TC26
牌號(hào):TA1、TA2、TA3
沖壓性能優(yōu)良??蛇M(jìn)行各種形式的焊接 , 焊接性能良好 , 焊接接頭可達(dá)基體屬強(qiáng)度的 90%。易于鋸和砂輪切割 , 機(jī)械加工性能良好。耐蝕性能優(yōu)良用于 350℃以下、受力小的零件及沖壓成各種復(fù)雜形狀的零件。如火電站凝汽器;船用海水腐蝕的管道系統(tǒng)、閥門、泵;化工熱交換器、泵體、蒸餾塔;海水淡化系統(tǒng)、鍍鉑陽極;飛機(jī)的骨架、蒙皮、發(fā)動(dòng)機(jī)部件、橫梁等。
牌號(hào):TA6
鍛造時(shí)抗裂紋的能力較好,成型性尚可,焊接性良好,熱處理不能強(qiáng)化。用于傳動(dòng)齒輪箱外殼,噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)外殼裝置及導(dǎo)向葉片罩,管道結(jié)構(gòu)等。主要用于制造壓氣機(jī)部件,如鍛造鈦風(fēng)扇、壓氣機(jī)盤和葉片、鑄鈦壓氣機(jī)機(jī)匣、中介機(jī)匣、軸承殼體等。航天器主要利用鈦合金的高比強(qiáng)度,耐腐蝕和耐低溫性能來制造各種壓力容器、燃料貯箱、緊固件、儀器綁帶、構(gòu)架和火箭殼體。 人造地球衛(wèi)星 、登月艙、載人飛船和航天飛機(jī) 也都使用鈦合金板材焊接件。
牌號(hào):TA7
沖壓性能差 , 熱塑性尚好??蛇M(jìn)行各種形式的焊接 , 性能良好 , 焊接接頭強(qiáng)度和塑性可與基體金屬相等。機(jī)械加工性能與工業(yè)純鈦相同。耐蝕性良好 , 高溫?zé)岱€(wěn)定性良好做 500℃以下長期工作的結(jié)構(gòu)件, 可做各種模鍛件。
牌號(hào):TA8
熱塑性良好??蛇M(jìn)行各種形式焊接 , 焊接性良好。機(jī)加工性與工業(yè)純鈦相同??寡趸粤己?500℃以下長期工作零件??梢灾圃彀l(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)盤和葉片。
牌號(hào):TA9
少量鈀的加入改善了在氧化性介質(zhì)中的耐蝕性,特別是抗縫隙腐蝕能力,可在化工和防腐工程中應(yīng)用。
牌號(hào):TA10
耐蝕性能顯著優(yōu)于純鈦而接近TA9。
牌號(hào):TA11
屬于近型鈦合金,具有較高彈性模量和較低的密度。TA11+溫強(qiáng)度與+TC4相當(dāng),但高溫性能高于TC4。適于制造發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)盤、葉片和機(jī)匣等零件。
牌號(hào):TA12
屬近型熱強(qiáng)鈦合金,可在550℃下長期工作,具有良好的工藝塑性,藝塑性,適于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣盤、鼓筒和葉片等零件。
牌號(hào):TA16
低強(qiáng)度、高塑性、耐腐蝕性能和焊接性能好的管材合金。
牌號(hào):TA18
屬近型鈦合金,主要用于可冷加工管材,其焊接性能和冷成形優(yōu)于TC4合金。4合金。該合金無縫管用于承壓的航空液壓和燃油等管路系統(tǒng)。
牌號(hào):TA19
可在500℃下長期工作的近型鈦合金,高溫強(qiáng)度和蠕變性能優(yōu)于TA11合金。適于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)匣和飛機(jī)蒙皮等。
牌號(hào):TA21
低強(qiáng)度、高塑性,耐腐蝕性能和焊接性能好,主要用作管材TA21+和鈑金零件。
牌號(hào):TB2
在固溶狀態(tài)有優(yōu)良的冷成形性能和焊接性能。在固溶時(shí)效態(tài)有高強(qiáng)度和良好塑性匹配。適于作星箭連接帶和航空航天用緊固件。
牌號(hào):TB3
在固溶態(tài)有優(yōu)異冷成形性能,在固溶時(shí),強(qiáng)韌性匹配良好。適于作航空航天緊固件和彈性元件
牌號(hào):TB5
也可在700℃以上超塑成形,焊接性能優(yōu)良。適于制造航空航天鈑金件和緊固件。
牌號(hào):TB6
屬于高強(qiáng)高韌型鈦合金,可用于等溫鍛造。可用于飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼和起落架結(jié)構(gòu)中,若取代同等強(qiáng)度的高強(qiáng)鋼,可減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量約40%。
牌號(hào):TB7
優(yōu)異的耐蝕性能,用于鑄造化工機(jī)械的泵、閥等零件。
牌號(hào):TB8
良好的抗氧化、耐腐蝕、高強(qiáng)合金。用于制造中等復(fù)雜程度的冷成形鈑金零件和高強(qiáng)、抗氧化的承力構(gòu)件。鈦箔為復(fù)合材料的基體。
牌號(hào):TB9
高強(qiáng)、耐腐蝕,可制作緊固件、彈簧、扭力棒,油、氣、地?zé)峋木芎蜌んw,鈦箔為復(fù)合材料的基體。
牌號(hào):TB10
比強(qiáng)度高,斷裂韌性好,淬透性高,熱加工性能和切削性能優(yōu)良。已用于石化承壓構(gòu)件及航空航天高強(qiáng)構(gòu)件。
鈦的基本信息
1791年被Pfarrer Gregor 在Manaccan, Cornwall 發(fā)現(xiàn)。
二戰(zhàn)后在技術(shù)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用
地殼中第四豐富的金屬
以金紅石(Rutil)、鈦鐵礦(Ilmenit)、銳鈦礦(Anatas)等形式出現(xiàn)
密度4.5g/cm^3
晶格形式:室溫下為六方最密堆積(hexagonal) 大于1155K時(shí)為體心立方堆積(kubisch raumzentriert)
溶點(diǎn) 大約1950K
Titan + Ni 記憶金屬
Titan + Nb 超導(dǎo)材料
Titan + Fe/Al/Nb 生物材料(Biomaterial)
Titan + Pd Ni+Mo 防銹材料
優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn):低密度和高強(qiáng)度Niedrige Dichte(4.5g/cm^3) bei hoher Festigkeit(1100Mpa)
缺點(diǎn):高價(jià)格(能耗極高,冶煉一噸鈦的能量消耗是同樣的鋁的1.7倍,機(jī)加工也十分耗能),低抗氧化性(Oxidationgsbest?ndigkeit)
此外鈦還具有低的導(dǎo)熱導(dǎo)電性。
鈦的生產(chǎn)制備過程Krollprozess
金紅石(Rutil) 和鈦鐵礦(Ilmenit) 在氯氣中被氧化成四氯化鈦,再通過純鎂在惰性氣體中的去氯過程生成氯化鎂和鈦單質(zhì),這一過程稱為Kroll過程(如圖1)。此時(shí)為海綿鈦(如圖2)。
然后在電弧爐(Lichtbogenofen) 中熔化成塊。再在真空(Vakuum)中多次重熔(Umschmelzen) 實(shí)現(xiàn)均質(zhì)化(Homogenisierung) 和降低氣體含量(Erniedrigung des Gasgehaltes)。
為什么鈦的生產(chǎn)特別的耗能?
高溫下鈦非?;顫?sehr unedle),容易與氧發(fā)生反應(yīng),因此采用氯氣生成TiCl4,并用Mg進(jìn)行還原。這一過程遠(yuǎn)比冶煉鋼鐵時(shí)耗費(fèi)能量。
在將海綿鈦通過高壓預(yù)壓緊(vorverdichten)后,還需要通過對(duì)鈦電極(Titanelektrode)的重熔來進(jìn)行精煉(Raffination),這一過程消耗大量的電能。
由于鈦具有很高的強(qiáng)度,因此在機(jī)械加工(mechanische Verarbeitung) 過程中也需要更多的能量。
鈦的微觀結(jié)構(gòu)
鈦的兩種晶格形式, Alpha-Phase 和 Beta-Phase。Alpha-Phase是六方最密堆積(hexagonal), Beta- Phase是體心立方堆積(kubisch-raumzentriert)
TiAl6V4的熱處理
溫度:955攝氏度
持續(xù)時(shí)間:10min
冷卻介質(zhì):H2O
保持溫度:600攝氏度
持續(xù)時(shí)間:4h
目的是生成 Alpha和Beta的混合相。
如圖4所示。
氧氣含量對(duì)TiAl6V4性能的影響
如圖5所示,相同溫度下隨著氧氣含量升高,更容易到達(dá)Alpha相,Alpha相為六方最密堆積(hexagonal)具有更高的硬度和強(qiáng)度。Alpha相本身就很“結(jié)實(shí)”和硬了,隨著氧氣含量的上升,合金表層溶解了更多的氧原子和氮原子,A%最大伸長量(Bruchdehnung )下降,HV10硬度(H?rte)上升,Rp0.2屈服點(diǎn)(Dehngrenze)上升,也就是說,TiAl6V4變得更硬更脆了,如圖6所示。原因是Alpha-Phase的表層溶解了更多的氧原子和氮原子,它們進(jìn)一步強(qiáng)化了合金表層的強(qiáng)度和硬度(個(gè)人理解,這個(gè)地方的目的是更像人體的骨骼,骨頭外層就有一層堅(jiān)硬的致密骨)。
那既然這樣說,既然具有更高的強(qiáng)度,我們豈不是全生成Alpha相就更好了嗎?
這個(gè)觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的,因?yàn)锳lpha相隨然具有更高的硬度和強(qiáng)度,但是同時(shí)它的疲勞強(qiáng)度(Festigkeit)也更差,因此壽命更短,因此我們既需要Alpha相的相對(duì)較高的強(qiáng)度,也需要Beta相的相對(duì)好的壽命,所以我們采用Alpha相和Beta相的組合。
SPF/DB (Superplastic Forming and Diffusion Bonding)超塑性成形與擴(kuò)散接合
由于鈦的機(jī)械加工成本高,凈成形工藝發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力特別大。鑄造、超塑性成形和粉末冶金就是這樣的工藝。
超塑性成形和擴(kuò)散結(jié)合工藝如圖7所示,實(shí)心箭頭表示為熱空氣(Hei?gas) ,通過熱空氣加壓力,使鈦合金板嵌入模具中,最終形成鈑金(Blech)。
因?yàn)殁伒纳锵嗳菪?Biokompatibilit?t)好,因此一些器械采用鈦合金外殼,所以采用這種方式進(jìn)行加工。
鈦合金的發(fā)展
由于TiAl6V4中的金屬釩(Vanadium)具有細(xì)胞毒性(Zytotoxisch) ,因此我們嘗試發(fā)展新的合金,來提升生物相容性并減少毒性。
從TiAl6V4第一代鈦合金發(fā)展到第四代的TiNb-Basislegierungen,漸漸從合金中剔除了V,Al,Mo 元素。
鈦合金為什么比別的金屬貴?這里為您給出答案。
鈦合金是以鈦為基添加其他元素構(gòu)成的合金。鈦元素
鈦有兩種同質(zhì)異晶體:882℃以下為密排六方構(gòu)造α鈦,882℃以上為體心立方的β鈦。合金元素按照它們對(duì)相變溫度的影響可分為三類①穩(wěn)定α相、增強(qiáng)相改變溫度的元素為α穩(wěn)定元素,有鋁、碳、氧和氮等。其鋁是鈦合金首要合金元素,它對(duì)增加合金的常溫與高溫強(qiáng)度、降低比重、增強(qiáng)彈性模量有明顯成效。②穩(wěn)定β相、降低相變溫度的元素為β穩(wěn)定元素,又可分同晶型和共析型二種。前者有鉬、鈮、釩等;后者有鉻、錳、銅、鐵、硅等。③對(duì)相變溫度影響不大的元素為中性元素,有鋯、錫等。鈦錠
氮、碳和氫是鈦合金的首要雜質(zhì)。氧和氮在α相中有較大的溶解度,對(duì)鈦合金有明顯強(qiáng)化成效,但卻使塑性減弱。一般規(guī)定鈦中氧和氮的含量分手在0.15~0.2%和0.04~0.05%以下。氫在α相中溶解度很小,鈦合金中溶解過多的氫會(huì)有氫化物,使合金變脆。一般鈦合金中氫含量控制在 0.015%以下。氫在鈦中是可逆的,可以利用真空退火除去。