_鈦合金的研究進(jìn)展

1、第25卷 第1期 Vol.25 No.1 2008年 2月 February 2008鈦合金的研究進(jìn)展汶建宏1,2，楊冠軍2，葛 鵬2，毛小南2，趙映輝2（1. 西安建筑科技大學(xué)，陜西 西安 710055） （2. 西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016）摘 要：本文介紹了鈦合金的分類、在生物醫(yī)學(xué)和航空航天領(lǐng)域的發(fā)展歷史、應(yīng)用范圍，以及其應(yīng)用前景和發(fā)展方向。由于生物醫(yī)用材料擁有巨大的市場(chǎng)潛力，而高強(qiáng)鈦合金和阻燃鈦合金也成為近幾年世界各航空大國(guó)關(guān)注的重要問(wèn)題，所以鈦合金的應(yīng)用具有廣闊的前景。 關(guān)鍵詞：鈦合金；醫(yī)用鈦合金；航空航天1 前 言鈦及鈦合金具有各種優(yōu)良性能（密度小，比強(qiáng)度高，耐腐蝕

2、，耐高、低溫性能好，無(wú)磁，無(wú)毒），隨著鈦及其合金應(yīng)用的廣泛性及人們重視程度的提高，鈦還獲得“第三金屬”、“飛行金屬”等美稱。盡管鈦的工業(yè)化生產(chǎn)只有半個(gè)世紀(jì)的歷史，但現(xiàn)在鈦及其合金已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于航天、航空、航海、石油、化工、輕工、冶金、機(jī)械、醫(yī)療、能源等許多領(lǐng)域。鈦合金是應(yīng)用非常廣泛的一類鈦合金。此類合金具有最高的強(qiáng)度/質(zhì)量比，而且大橫截面的鈦合金零件具有非常優(yōu)異的強(qiáng)度、韌性和抗疲勞性能。2 鈦合金的分類當(dāng)合金中的穩(wěn)定元素含量足夠高時(shí)，固溶處理后經(jīng)快速冷卻將相保留至室溫，這種合金屬于鈦合金1,2。按穩(wěn)定狀態(tài)組織類型分類時(shí)，鈦合金可分為穩(wěn)定型鈦合金、亞穩(wěn)定型鈦合金和近型鈦合金。各國(guó)在研究設(shè)計(jì)高強(qiáng)

3、度合金時(shí)，為保證相的穩(wěn)定性，分別提出了Mo當(dāng)量公式、電子濃度和相穩(wěn)定系數(shù)K。這就意味著研究合金化理論過(guò)程中，不僅運(yùn)用了金屬學(xué)及金屬物理的理論，還深入進(jìn)行了合金元素作用的數(shù)學(xué)模擬，找出規(guī)律，以指導(dǎo)合金設(shè)計(jì)。 2.1 全鈦合金Mo當(dāng)量大于25的鈦合金為全型鈦合金，在 室溫具有穩(wěn)定的相組織，具有良好的耐腐蝕性能、可焊性和冷成型性。無(wú)熱處理效應(yīng)，退火后為全相。典型的全型鈦合金Ti-32Mo在還原性酸性介質(zhì)中具有優(yōu)良的耐腐蝕性能，是最具有前途的耐腐蝕鈦合金之一。2.2 亞穩(wěn)定型鈦合金亞穩(wěn)定型鈦合金含有臨界濃度以上的穩(wěn)定元素，Mo當(dāng)量為13.825，K為1.372.38，電子濃度為4.184.33，從相區(qū)

4、固溶處理后空冷或水淬，幾乎全部為亞穩(wěn)定相。固溶處理狀態(tài)具有中等強(qiáng)度和高的塑性，冷成型性和可焊性好。 2.3 近型鈦合金近型鈦合金含有臨界濃度附近的穩(wěn)定元素，Mo當(dāng)量為8.513.8，K為1.101.21，電子濃度為4.154.16，因此此類合金兼有兩相和亞穩(wěn)定相合金的性能特征，即在固溶狀態(tài)具有良好的冷加工性能，在固溶時(shí)效狀態(tài)下具有良好的強(qiáng)度、塑性和斷裂韌性相匹配，且熱加工工藝性能十分優(yōu)異，加工溫度及變形抗力遠(yuǎn)低于大多數(shù)工業(yè)鈦合金。另外，此類合金淬透性高，可用于大截面結(jié)構(gòu)件。3 鈦合金的應(yīng)用3.1 鈦合金在生物醫(yī)用領(lǐng)域的應(yīng)用生物醫(yī)用材料通常指人體植入材料，在所有生物醫(yī)用材料中，金屬材料應(yīng)用最早，

5、而且在目前的收稿日期：2007-08-12作者簡(jiǎn)介：汶建宏（1979-），男，碩士，主要從事鈦及鈦合金的研發(fā)工作，電話34 25卷臨床應(yīng)用中也最為廣泛。金屬系生物醫(yī)用材料作為人體植入材料應(yīng)具備條件為：1）生物學(xué)上良好的相容性，根據(jù)純金屬及其合金的生物相容性測(cè)試可以看出3，V，Cd，Co，Hg，Cr，Ni等元素對(duì)細(xì)胞的接觸毒性較強(qiáng)，Al，F(xiàn)e元素次之，而Zr，Mo，Sn，Ta，Pd，Hf屬于生物相容性優(yōu)良的合金添加元素，但Pd，Ta，Hf因成本較高可少加或不加；2）化學(xué)上高度的穩(wěn)定性；3）優(yōu)異的抗腐蝕性能及一定的強(qiáng)度、堅(jiān)硬度、韌性、耐磨性和耐疲勞等機(jī)械性能；4）制造上

6、易加工性，價(jià)格便宜，使用方便等。近年來(lái)，在作為人體植入物用金屬材料的不銹鋼系、鈷鉻合金系和鈦系3大系中，鈦及鈦合金尤其是鈦合金以其優(yōu)良的生物相容性、力學(xué)適應(yīng)性、可加工性和在生物環(huán)境下的抗腐蝕性在臨床上得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。其臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用包括：骨科、Ti-35Nb-5Ta-7Zr()Ti-29Nb-13Ta-4Mo()Ti-15Mo-5Zr-3Al()Ti-12Mo-6Zr-6Fe ()Ti-15Mo-3Nb()Ti15Zr4Nb4Ta0.2Pd(+)Ti-6Al-7Nb(+)Ti-13Mo-13Zr(+)Ti-5Al-2.5Fe(+)Ti-6Al-4V(+)CP-Ti()Stainless

7、steel316 LCoCrMoBone0 50 100 150 200E/GPa矯形外科、牙科、口腔醫(yī)學(xué)、耳鼻喉科以及手術(shù)醫(yī)療器械等許多醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。醫(yī)用鈦合金的研發(fā)史可追溯到20世紀(jì)40年代初期，Bothe等人首先把鈦引入到生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，發(fā)現(xiàn)鈦與老鼠股骨之間無(wú)任何不良反應(yīng)。10年后Leventhal又進(jìn)一步研究證實(shí)了純鈦的良好生物相容性。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，人們發(fā)現(xiàn)Al和Fe會(huì)引起人體的不良反應(yīng)，造成如骨質(zhì)疏松和精神紊亂等病癥；另外他們的彈性模量與骨相比仍有較大差距，容易產(chǎn)生“應(yīng)力屏蔽”，從而導(dǎo)致種植體周圍出現(xiàn)骨吸收，最終引起種植體松動(dòng)或斷裂而導(dǎo)致種植失敗。型醫(yī)用鈦合金正是適應(yīng)這一要求而得以

8、迅速發(fā)展的，其彈性模量和抗拉強(qiáng)度對(duì)比如圖1所 示4。Ti-35Nb-5Ta-7Zr()Ti-29Nb-13Ta-4Mo()Ti-15Mo-5Zr-3Al()Ti-15Mo-3Nb ()Ti-12Mo-6Zr-6Fe ()Ti-6Al-11Nb(+)Ti15Zr4Nb4Ta0.2Pd(+)Ti-13Mo-13Zr(+)Ti6Al-4V(+)Ti-5Al-2.5Fe(+)CP-Ti()Stainless steel 316 LCoCrMoBone0 200 400 600 800 1000b/GPa圖1 部分典型生物醫(yī)用鈦合金的彈性模量和抗拉強(qiáng)度對(duì)比美、日等國(guó)開(kāi)始大力發(fā)展以型鈦合金為主的從20世紀(jì)

9、80年代起發(fā)達(dá)國(guó)家就開(kāi)始研究鈦在口腔修復(fù)中的應(yīng)用，首先用于牙種植，以后又用于義齒支架、冠橋和正牙絲。鈦合金具有很高的強(qiáng)度，以及很好的切口性能和韌性，適于作為植入物植入人體。在美國(guó)，已有5種鈦合金被推薦到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，即TMZF，Ti13Nb13Zr，Timeta1121SRX，Tiadyne1610和Ti15Mo。醫(yī)用輪椅材料Ti-4.3Fe- 7.1Cr（TFC alloy）和Ti-4.3Fe-7.1Cr-3.0Al(TFCA alloy)5。新型生物醫(yī)用鈦合金的設(shè)計(jì)原則為：1）是否具有生物相容性；2）是否為相穩(wěn)定元素；3）是否能提高新型鈦合金在生體環(huán)境中的其它使用性能（如高的抗拉強(qiáng)度、耐磨耐蝕

10、性及較好的韌性）；4）加入的合金元素是否有毒，是否為高熔點(diǎn)元素，并且加入的合金元素必須進(jìn)一步降低鈦合金的彈性模量。V，Al，Co，Ni，Cr等為細(xì)胞毒性元素，長(zhǎng)期埋入人體內(nèi)，有可能溶解成自由的單體進(jìn)入體液，從而造成對(duì)生物體的毒害；Ti，Nb，Zr，Ta，Pd，Sn等為無(wú)毒元素，生物相容性好；Mo，F(xiàn)e，Au等具有某種程度的生物相容性。相穩(wěn)定元素有Mo，Nb，Ta，V，Cr，F(xiàn)e等，按照上面所說(shuō)生物醫(yī)用鈦合金的設(shè)計(jì)原則，選用合適的合金元素并第1期 汶建宏等：鈦合金的研究進(jìn)展 35 調(diào)配好各種元素的百分含量，以求達(dá)到最優(yōu)的力學(xué)錠到鍛造加工材料。性能、生物相容性、彈性模量、耐磨耐蝕性等的匹3.2 鈦

11、合金在航空航天工業(yè)中的應(yīng)用 配。通過(guò)綜合的考慮，一般常用的合金元素為：Mo，鈦合金在航空航天工業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣，Nb，Ta，Zr，Sn，F(xiàn)e等。 在軍民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的作用越來(lái)越大。鈦合金性TIMETAL 21SRx合金的組成為T(mén)i-15Mo-3Nb- 能優(yōu)異，可熱處理到較高的強(qiáng)度（1400 MPa），與等強(qiáng)度的或/鈦合金相比，有優(yōu)良的斷裂韌0.3O，是20世紀(jì)80年代作為美國(guó)國(guó)家航天飛機(jī)上的金屬基復(fù)合材料的基體材料開(kāi)發(fā)的6,7。隨著鈦合性，某些合金的抗疲勞性能也很好。使用鈦合金金在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用而被用作生體用植入材料。為可以大幅度降低飛機(jī)重量。型鈦合金具有良好的保持的穩(wěn)定，合金中氧含量稍高。

12、與Ti-6Al-4V冷、熱加工性能，易鍛造，可軋制、焊接，可通過(guò)合金相比，經(jīng)退火后該合金有較高的拉伸強(qiáng)度及較固溶-時(shí)效處理獲得較高的力學(xué)性能、良好的環(huán)境抗低的彈性模量（83 GPa），且其耐腐蝕性增強(qiáng)。力及強(qiáng)度與斷裂韌性的很好配合。隨著工藝的改進(jìn)TMZFTM（Ti-12Mo-6Zr-2Fe）合金是由美國(guó)研制的和低成本鈦合的研究成功，鈦合的應(yīng)用前景更一種亞穩(wěn)態(tài)鈦合金，從754 或更高的轉(zhuǎn)變溫加廣闊。世紀(jì)50年代中期由美國(guó)Crucibl鋼鐵公司研制出了Ti-6Al-4V合金相比，TMZFTM合金有較高的強(qiáng)度、第1種鈦合金 B120VCA 合金（Ti-13V-11Cr- 較低的彈性模量、較高的斷裂韌

13、性及較好的耐磨性。，主要用于制造SR71飛機(jī)的高強(qiáng)度板材零件。它也有優(yōu)良的耐腐蝕性和類似于Ti-6Al-4V合金平3Al）第一個(gè)商業(yè)化的鈦合金Ti-13V-11Cr-3Al滑的疲勞強(qiáng)度。鑒于其高強(qiáng)度、低模量及優(yōu)異的耐（Ti-13-11-3，B120VCA）是在20世紀(jì)50年代由腐蝕性，該合金最適合用于矯形器件，現(xiàn)已投入臨床使用中。 Rem Cru鈦公司研制的。它是早期鈦合金中最成功的例子，應(yīng)用于洛克希德公司的SR-71“黑鳥(niǎo)”Ti-2Mo-2Zr-3Al合金是由我國(guó)西北有色金屬研8,9飛機(jī)1416。Ti-30Mo（及多種改型）穩(wěn)定鈦合金究院自行研制的一種鈦合金。與Ti-6Al-4V相比，這類合

14、金具有較高的拉伸強(qiáng)度、斷裂韌性，更是1952年由Rem Cru研制成功的，主要是為了應(yīng)用于那些要求抗腐蝕性能極好的環(huán)境。該合金存在好的耐磨性能以及較低的彈性模量（75 GPa），是一熔煉方面的問(wèn)題，當(dāng)今坩鍋熔煉技術(shù)的進(jìn)步，有可種很具開(kāi)發(fā)潛力的生物材料。但由其組成可見(jiàn)，這能涉及這類合金。通用電器公司于1968年研制成功種合金含有對(duì)人體有害的鋁元素，為了阻止在植入期間鋁元素的溶出而造成毒害作用，今后可對(duì)其表的近鈦合金Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr（Ti-17）可面進(jìn)行改性處理，如在其表面制備生物活性涂 以作為高強(qiáng)度鍛件。在70年代初期，該公司用此合層羥基磷灰石等。 金作中溫（低于42

15、5 ）范圍的發(fā)動(dòng)機(jī)盤(pán)。早在801012是由日本豐橋科年代中期，每架B-1B轟炸機(jī)上用了100多個(gè)成形Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr合金技大學(xué)與大同特殊鋼公司共同開(kāi)發(fā)的一種由無(wú)毒元的Ti-15-3零件17。普惠公司于1990年發(fā)展的Alloy 素構(gòu)成、其耐磨性和力學(xué)性能都接近于Ti-6Al-4V，C（Ti-35V-15Cr）穩(wěn)定鈦合金，具有抗燃燒性，又有較低的彈性模量的醫(yī)用鈦合金。已用于普惠軍用發(fā)動(dòng)機(jī)的矢量噴口。航空用強(qiáng)韌性Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr合金中，因含有大量高熔點(diǎn)的鈦合金近幾年在我國(guó)受到高度重視，國(guó)內(nèi)研制了超鈮和鉭，所以比傳統(tǒng)Ti-6Al-4V之類鈦合金的熔點(diǎn)高強(qiáng)鈦合金

16、21（TB8），TB8鈦合金在“九五”期高得多（新合金熔點(diǎn)為2163 K）。為了進(jìn)一步改善間進(jìn)行了大量研究工作，像試制了165 mm大規(guī)合金的力學(xué)性能，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)研究得出：該合金經(jīng)過(guò)格棒材，研制出板材、薄板材、緊固件用絲材等該合金的力學(xué)性能達(dá)到b：1250 MPa，s：1105 MPa，1033 K，0.5 h固溶處理后，采用673 K時(shí)效24 h5：8%，：15%，KIC：50 MPa·m1/2。在“十一五”后，其力學(xué)性能和耐磨蝕性能最佳，比現(xiàn)有合金優(yōu)期間，材料研制部分（寶鈦股份和北京有色金屬研越得多。經(jīng)驗(yàn)證，該合金已滿足實(shí)驗(yàn)室規(guī)模作為醫(yī)究總院）將進(jìn)一步開(kāi)展研究工作，努力擴(kuò)大該合金用

17、植入物材料的基本性能，其彈性模量也頗接近于的應(yīng)用范圍。西北有色金屬研究院葛鵬、趙永慶等人體骨骼。接著，又成功的制造具有使用規(guī)模的鑄36 25卷人以“臨界鉬當(dāng)量條件下的多元強(qiáng)化”為設(shè)計(jì)原則于2002年研制出一種新型的高強(qiáng)度亞穩(wěn)鈦合金合金在區(qū)固溶后在500 600 Ti-B2018。由于航天航空工業(yè)中鈦合金主要用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)盤(pán)和葉片、機(jī)匣，發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)航空用鈦合金的要求非?？量蹋哂惺覝匦阅?、高溫強(qiáng)度、蠕變性能、熱穩(wěn)定性、疲勞性能和斷裂韌性的良好匹配19。常規(guī)鈦合金部件間因高速摩擦而可能產(chǎn)生鈦火，會(huì)造成災(zāi)難性的結(jié)果。為避免鈦火的產(chǎn)生，于是出現(xiàn)了阻燃鈦合金的發(fā)展。美國(guó)和俄羅斯從20世紀(jì)90年代

18、初分別研制成功各自的阻燃鈦合金，其中美國(guó)的Alloy C(Ti-35V-15Cr)2022合金已在其第4代戰(zhàn)機(jī)F22上得到應(yīng)用，俄羅斯研制了BTT-1/BTT-3合金。我國(guó)西北有色金屬研究院于1996年研制出Ti40(Ti-25V-15Cr-0.2Si)2329和Ti14(Ti-1Al-13Cr- 0.2Si)阻燃鈦合金。Ti40的阻燃機(jī)制為快速散熱機(jī)制和中斷氧輸送機(jī)制30。一方面，Ti40合金燃燒的熱量能快速散開(kāi)，避免局部溫度升高，達(dá)不到燃燒點(diǎn)；另一方面，其燃燒產(chǎn)物與基體的界面形成具有保護(hù)作用的致密的氧化膜，在一定條件下可有效中總之，斷空氣中氧向基體輸送，降低燃燒的速度31。Ti-40阻燃鈦

19、合金是一種新型的全型高溫鈦合金，具有良好的阻燃性能和力學(xué)性能，具有良好的應(yīng)用前途。Ti-1023(Ti-10V-2Fe-3Al)鈦合金是一種為適應(yīng)損傷容限設(shè)計(jì)原則而產(chǎn)生的高結(jié)構(gòu)效益、高可靠性和低成本的鍛造鈦合金3235。表1為T(mén)i-1023與Ti-6Al-4V和30CrMnSiA的力學(xué)性能對(duì)比36。由表1可以看出，Ti1023合金的拉伸強(qiáng)度、斷裂韌性和疲勞性能明顯優(yōu)于Ti-6Al-4V，并于飛機(jī)機(jī)構(gòu)中常用的30CrMnSiA高強(qiáng)度機(jī)構(gòu)鋼相當(dāng)。這種合金具有優(yōu)異的鍛造性能，在760 可進(jìn)行等溫鍛造，提供各種近凈型加工鍛件36。Ti-10-2-3由波音公司首先應(yīng)用于757，其最低拉伸強(qiáng)度為1195

20、MPa，其在波音777上用量最大，除內(nèi)外作動(dòng)筒外，起落架的全部零件都由該合金制造，取代4340M鋼，每架飛機(jī)減重270 kg。Ti-13V-11Cr-3Al(B120VCA)是早期鈦合金中最成功也是唯一獲得規(guī)模商業(yè)生產(chǎn)的一種合金。該合金由美國(guó)坩鍋鋼公司在20世紀(jì)50年代中期開(kāi)發(fā)。到目前為止，該合金最大的應(yīng)用作為SR-71偵察機(jī)的主要結(jié)構(gòu)材料，包括機(jī)翼、機(jī)身蒙皮、框架、大梁、隔板、鉚釘以及全部的主起落架。其使用的產(chǎn)品形式包括板材、絲材、擠壓件、圓坯、棒材和鍛件。雖然該合金時(shí)效態(tài)的板材也有應(yīng)用，但大量采用的是點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)。由于對(duì)大的點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)時(shí)效是不切實(shí)際的，點(diǎn)焊不得不留在固溶狀態(tài)。由于SR-17的熱結(jié)

21、構(gòu)服役溫度可達(dá)288 ，固溶處理點(diǎn)焊必須足夠穩(wěn)定以抵御長(zhǎng)期暴露在該溫度下的時(shí)效反應(yīng)。除此之外，該合金還用作航空彈簧。與鋼彈簧相比，它具有較低的模量和密度，大約減重70%，節(jié)約空間50%。表1 Ti1023與Ti-6Al-4V和30CrMnSiA的力學(xué)性能對(duì)比性 能 密 度/103 kg·m-3 室溫拉伸強(qiáng)度/MPa比強(qiáng)度 300 拉伸強(qiáng)度/MPa 斷裂韌性/MPa·m1/2Kt=1，R=0.1，N=107R=0.1，N=107Kt=3，Ti1023 Ti-6Al-4V 30CrMnSiA4.65 4.51 1105 238895 1987.75 1080 139 95510

22、05 690 6055 80· 329735 539 341 258注：Kt缺口系數(shù)；R缺口圓角半徑；N周次Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al(Ti-15-3)37,38合金是在美國(guó)空軍的資助下開(kāi)發(fā)的。由洛克希德公司確定成分，TIMET公司規(guī)?；a(chǎn)。合金最初開(kāi)發(fā)作為可以進(jìn)行帶材生產(chǎn)的冷成型、時(shí)效硬化及可焊的合金。該合金顯示了優(yōu)良的鑄造性、氫抗力及損傷抗力。由于可以冷軋帶材，隨著薄板或帶材的減小，該合金的成本可以低于常規(guī)的Ti-6-4的1/10。該合金的冷成形能力與純鈦相當(dāng)，可在固溶狀態(tài)下進(jìn)行各種復(fù)雜零件的冷成形，時(shí)效后室溫拉伸強(qiáng)度可達(dá)1000 MPa以上39，PW公司在其發(fā)動(dòng)機(jī)上

23、大量使用Ti-15-3作為托架。波音777發(fā)動(dòng)機(jī)的環(huán)境控制系統(tǒng)的壓縮空氣導(dǎo)管就是由Ti-15-3替代工業(yè)純鈦，而地扳支撐結(jié)構(gòu)和其他區(qū)域使用許多Ti-15-3卡箍和托架。每架B-1B轟炸機(jī)上用了100多個(gè)成形的其中許多零件用于尾部的發(fā)動(dòng)機(jī)艙結(jié)Ti-15-3零件，構(gòu)。C-17上采用Ti-15-3帶材制作的彈簧用于代替充分硬化狀態(tài)下的301不銹鋼，在Ti-15-3合金的基礎(chǔ)上，有許多仿制或改進(jìn)的合金。比如俄羅斯研制高強(qiáng)度鑄造合金B(yǎng)T-35，其名義成分為第1期 汶建宏等：鈦合金的研究進(jìn)展 37Ti-15V-3Cr-1Mo-3Al-0.5Nb-0.5Zr，用于最小拉伸強(qiáng)度為1100 MPa的場(chǎng)合，合金的

24、塑性比Ti-15-3好。國(guó)內(nèi)西北有色金屬研究院開(kāi)發(fā)的Ti-15-3-1合金的成分同該合金類似，主要針對(duì)緊固件應(yīng)用。日本則開(kāi)發(fā)了適于冷加工的Ti-6V-4Sn-3Al-3Nb，Ti-20V-3Al-1Sn合金。Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.2Si，商品名Beta-21S或Timetal 21S，該合金由TIMET公司在1989年開(kāi)發(fā)，其最初目的是為麥道公司提供一種氧化抗力的箔材作為鈦基復(fù)合材料（MMCS）的基體。相比于該合金的氧化抗力可以提高100倍。另外，Ti-15-3，該合金還顯示了好的高溫強(qiáng)度和蠕變抗力，可用在最高達(dá)540 較低應(yīng)力狀態(tài)下或在260 425 較高應(yīng)力狀態(tài)下。Bet

25、a-21S首次商業(yè)應(yīng)用是波音777的整流錐、噴口和后防護(hù)罩，并將由其薄板、厚板或棒材制作蒙皮。使用Beta-21S將使每架波音777減重74 kg。Airbus A-330的PW-4168發(fā)動(dòng)機(jī)整流錐和噴口也使用Beta-21S。使用該合金的主要原因在于它的高溫性能和抗液壓油的侵蝕能力。從降低成本、減重和改善性能等方面因素，美國(guó)正在考慮用Beta-21S鈦合金代替部分阻燃鈦合金Alloy C用于F119發(fā)動(dòng)機(jī)。Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr的商品名稱為-C或Ti-38644，由RMI在20世紀(jì)60年代后期開(kāi)發(fā)，該合金的淬透性好，固溶狀態(tài)下有較好的冷加工能力。該合金通常在冷加工+時(shí)效

26、狀態(tài)使用，以便促進(jìn)均勻時(shí)效響應(yīng)。該合金最初的商業(yè)應(yīng)用是航空彈簧，許多情況取代Ti-13-11-3。雖然由于熱鐓頭區(qū)域性能略有降低（不能利用冷加工時(shí)效），但仍然取得了廣泛應(yīng)用?？罩锌蛙嘇-330和A-340安裝有該合金制作的彈簧，包括起落架的上、下鎖彈簧、門(mén)平衡彈簧、控制限度和飛行高度的彈簧等。波音777還將其用作高強(qiáng)度的緊固件。另外由于具有高強(qiáng)度和優(yōu)良的腐蝕抗力，該合金也在油井鉆探方面獲得了應(yīng)用。Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe商品名稱為BT-22 40,41，該合金是前蘇聯(lián)在20世紀(jì)70年代開(kāi)發(fā)的一種高強(qiáng)度近鈦合金，有時(shí)也將其歸于富的鈦合金?，F(xiàn)用于最小拉伸強(qiáng)度為1105 MPa的場(chǎng)

27、合。使用的產(chǎn)品形式有擠壓管材、擠壓型材、厚板和棒材。該合金的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是退火處理后具有較高的強(qiáng)度，具有極佳的淬透性。該合金的應(yīng)用范圍包括EL-76的機(jī)身承力框架、起落架支柱，EL-96-300起落架的轉(zhuǎn)向搖桿，副翼軌道裝置及Su-27起落架的輪叉、扭力臂等。用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鈦合金代替目前飛機(jī)結(jié)構(gòu)中常用的30CrMnSiA高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼可減重20%以上。4 鈦合金在其他方面的應(yīng)用4.1 鈦合金在彈簧上的應(yīng)用汽車框架用懸簧由于其要求的彎曲疲勞強(qiáng)度為800 MPa，而只有鈦合金能達(dá)到，并且可以有效減重40%50%，所以其應(yīng)用越來(lái)越受到人們的重 視42。Volkswagen研制出了鈦簧連續(xù)生產(chǎn)工藝，即在自動(dòng)卷

28、絲機(jī)上冷旋，然后時(shí)效和在彈簧設(shè)備上進(jìn)行噴丸處理，于1999年Lupo FSI尾軸上首次采用了鈦簧。4.2 Ti-20V-3Al-1Sn合金的研制與應(yīng)用鈦合金在固溶狀態(tài)下是體心立方單相組織，經(jīng)過(guò)時(shí)效處理檢出六方晶格相，使其強(qiáng)度提高32。希望在冷加工時(shí)加工應(yīng)力降低，不允許產(chǎn)生冷成型時(shí)的表面裂紋，同時(shí)要求能夠冷加工鍛造，冷擠壓成形后優(yōu)良。據(jù)此，日本住友金屬工業(yè)公司開(kāi)發(fā)了新型鈦合金Ti-20V-3Al-1Sn合金。這個(gè)合金的研制比較成功，它與純鈦材料和Ti-6Al-4V相比，通過(guò)壓縮試驗(yàn)，評(píng)價(jià)新鈦合金的冷加工性能，結(jié)果表明：與型鈦合金（Ti-6Al-4V）對(duì)比，冷加工時(shí)極限壓縮率很高，變形抗力低。它比

29、Ti-15-3 合金的極限壓縮率高，可以達(dá)到80%，而變形抗力低，這有利于冷加工成形。這個(gè)鈦合金經(jīng)850 固溶處理之后，在450 保持8 h時(shí)效處理，強(qiáng)度可以達(dá)到1400 MPa。鈦合金Ti-20V-3Al-1Sn具有良好的冷加工性能，可以利用現(xiàn)有的鋼鐵制造設(shè)備生產(chǎn)出板、棒、線材等產(chǎn)品。利用這些產(chǎn)品可進(jìn)行加工高爾夫球桿、球頭、自行車零部件，眼睛架等民生制品和文體用品。4.3 Ti-B20合金的研制與性能特點(diǎn)亞穩(wěn)鈦合金可以通過(guò)彌散強(qiáng)化獲得很高的強(qiáng)度、優(yōu)異的冷熱成型性、深淬透性及良好的抗腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)18,4345?，F(xiàn)有的大部分亞穩(wěn)鈦合金為了將相在固溶淬火后穩(wěn)定的保留到室溫，加入了較多的穩(wěn)定元素，這

30、樣一來(lái)，造成合金熔煉困難、成本升高、偏析加劇、時(shí)效響應(yīng)變慢等一系列缺點(diǎn)。正是基于這樣的考慮，西北有色金屬研究院以“臨界鉬當(dāng)量條件下的多元強(qiáng)化”為設(shè)計(jì)原則研制了一種（Ti-Al-Mo-V-Cr-Fe-Sn-Zr系）亞穩(wěn)鈦合金，即Ti-B20。研究表明，固溶處理后Ti-B20合金具有良好的拉伸塑性，合金由于穩(wěn)定元素含量較低，時(shí)38 25卷效時(shí)的響應(yīng)快、硬化效應(yīng)高，與固溶時(shí)效相比，合金在相變點(diǎn)以下固溶加時(shí)效處理時(shí)，具有更好的強(qiáng)度塑性匹配，時(shí)效溫度控制在500 600 時(shí)，強(qiáng)度在1500 MPa1200 MPa之間，合金兼具亞穩(wěn)合金和近合金的一些優(yōu)點(diǎn)。目前正在研究其應(yīng)用。5 鈦合金的應(yīng)用前景和發(fā)展方向

31、生物醫(yī)用鈦合金擁有巨大的市場(chǎng)資源，據(jù)有關(guān)資料介紹，金屬材料作為人體植入的用量逐漸增加。僅美國(guó)每年用于人體植入金屬件達(dá)到1990年以后，200萬(wàn)件以上，其中髓關(guān)節(jié)、股骨件占2.5%；歐洲市場(chǎng)對(duì)骨折外固定產(chǎn)品和內(nèi)固定產(chǎn)品的供需兩旺，以法國(guó)、德國(guó)、意大利和英國(guó)為主，2004年市場(chǎng)價(jià)值達(dá)到2.8億美元，其中內(nèi)固定產(chǎn)品占85.7%。近生物醫(yī)用材料及制品的市場(chǎng)增長(zhǎng)率一直保10年來(lái)，持在20%25%，預(yù)測(cè)未來(lái)1015年，包括生物醫(yī)用材料在內(nèi)的醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)化發(fā)展快，將達(dá)到規(guī)模經(jīng)濟(jì)，成為世界經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)46。因此，對(duì)于生物醫(yī)用鈦合金來(lái)說(shuō)47，1）深入研究合金元素對(duì)鈦合金的組織和性能的影響，為新型鈦合金材料的開(kāi)

32、發(fā)理論依據(jù)；2）優(yōu)化合金元素，避免有毒元素和高熔點(diǎn)元素的加入，并且必須進(jìn)一步降低鈦合金的彈性模量；3）大力開(kāi)展表面改性研究，如進(jìn)行羥基磷灰石表面涂層、梯度功能化表面離子氮化和氧擴(kuò)滲處理等，進(jìn)一步提高鈦合金的生物相容性、耐磨耐蝕性；4）生物醫(yī)用鈦合金的高成本是制約其大眾化、普及化發(fā)展的最大障礙，所以要在廉價(jià)化合金開(kāi)發(fā)方面作出努力。對(duì)于航空航天領(lǐng)域來(lái)說(shuō)22,48，其在阻燃鈦合金方面的發(fā)展方向?yàn)椋?）加強(qiáng)對(duì)阻燃機(jī)制方面的深入研究；制定出測(cè)試鈦合金阻燃性能的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和2）方法，正確評(píng)價(jià)鈦合金的阻燃性能是研究阻燃鈦合金的關(guān)鍵技術(shù)之一，包括鈦合金燃燒模擬實(shí)驗(yàn)方法和檢測(cè)技術(shù)，目前，關(guān)于阻燃性能的評(píng)價(jià)方法尚無(wú)

33、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，各國(guó)均采用不同的方法測(cè)試，因此制定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的鈦合金的阻燃性能評(píng)價(jià)方法將有效促進(jìn)各國(guó)阻燃鈦合金的交流；3）與Ti-V-Cr系合金相比，Ti-Cu-Al系阻燃鈦合金的綜合力學(xué)性能較差，工作溫度也較低，因此，對(duì)該系合金在改善力學(xué)性能和提高使用溫度方面還要再做進(jìn)一步的研究；4）由于Ti-V-Cr系阻燃鈦合金含有大量昂貴金屬V，導(dǎo)致其成本較高，限制其應(yīng)用，可以考慮用相對(duì)廉價(jià)的Mo代替V，降低成本。鈦合金在高強(qiáng)鈦合金方面的發(fā)展方向?yàn)?9：1）研制b1350 MPa，KIC55 MPa·m1/2的高強(qiáng)高韌鈦合金，現(xiàn)有高強(qiáng)鈦合金的強(qiáng)韌性匹配仍不如現(xiàn)有高強(qiáng)韌鋼（現(xiàn)有超高強(qiáng)合金鋼的強(qiáng)度可達(dá)15

34、00 MPa以上），限制了鈦合金的應(yīng)用；2）由于高強(qiáng)鈦合金一般都含有穩(wěn)定元素（如Mo，這些元素的價(jià)格都比較昂貴，對(duì)鈦合V，Nb等）金的應(yīng)用受到限制，因此開(kāi)發(fā)低成本鈦合金成為主要趨勢(shì)；3）為取得良好的加工和使用性能，應(yīng)加強(qiáng)熱處理和加工工藝與合金組織性能的關(guān)系的研究。對(duì)于民用領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，鈦材的價(jià)格是首先要考慮的因素。因此，鈦合金要成為普及型金屬必須降低成本。主要途徑有：1）降低原材料成本，發(fā)展不含或少含昂貴重金屬元素，以低價(jià)格元素代替高價(jià)元素的合金，如以鐵代替高價(jià)釩等，以及充分利用殘料的合金；2）開(kāi)發(fā)低成本生產(chǎn)工藝，如連鑄連軋，永久模鑄造法等；3）開(kāi)發(fā)新的海綿鈦生產(chǎn)工藝；4）開(kāi)發(fā)可冷變形的鈦合金；5

35、）采用先進(jìn)的熔煉加工技術(shù)和設(shè)備，以提高生產(chǎn)效率；6）采用提高材料利用率的凈成型技術(shù)，如粉末冶金法、激光成型法等；7）改進(jìn)已有鈦合金，擴(kuò)大其使用范圍。參考文獻(xiàn)1 張 翥. 稀有金屬J, 1995, 19(4): 296 2 李殿魁. 上海鋼研J, 1996, 6: 483 許智軒, 張玉梅, 王忠義等. 稀有金屬材料與工程J,2006, 35(1): 1104 于振濤, 周 廉等. 稀有金屬材料與工程J, 2004, 23(1):55 Gunawarman B et al. Materials Science and EngineeringJ, 2005, 29: 3046 于思榮. 稀有金屬J

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