TC4合金背景現狀進展

1、主體2.1歷史背景l(fā) 鈦合金是20世紀50年代發(fā)展起來的一種重要金屬材料，鈦合金因具有比強度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點而被廣泛應用于各個領域。近年來更是迅速發(fā)展成為具有強大生命力的新型關鍵結構材料，在軍工、民用等部門獲得了關泛的應用。鈦合金的應用決定于鈦及鈦合金的特點和對產品的要求。概括起來，鈦及鈦合金的特點有如下(1)鈦的密度小、比強度高。鈦的密度為4510kg/ m3，介于鋁(2700kg/m)和鐵(7600kg/m)之間。鈦合金的比強度高于鋁合金和鋼。C2)鈦合金的工作溫度范圍較寬，低溫鈦合金在一253 0C還能保持良好的塑性，而耐熱鈦合金的工作溫度可達5500C左右，其耐熱性且，鈦的

2、腐蝕性能的突出特點是不發(fā)生局部腐蝕和晶間腐蝕，一般為均勻腐蝕。(4)鈦的化學活性很高，極易受氫、氧、氮的污染，難以冶煉和加工，使得生產成本較高。(5)導熱性差(只有鐵的1/5，鋁的1/3) ,摩擦系數大(0.42),抗磨性也較差，故在切削加工時，容易使工件及刀具溫度升高，造成粘刀，降低刀具壽命，故切削加工性差。C6)彈性模量低，影響構件的剛度，也使細長構件的使用受到限制，不過在某些情況下，也可利用鈦的a/E比值大的特點制作彈性元件。氫化鈦粉制備鈦及鈦合金材料研究進展Cl 鈦及鈦合金具有耐腐蝕、比強度高等突出優(yōu)點而被稱作“太空金屬”或“海洋金屬”，近年來更是迅速發(fā)展成為具有強大生命力的新型關鍵結

3、構材料，在軍工、民用等部門獲得了關泛的應用1-4。1ARCELLA F G, FROES F H. Producing titanium aerospace components from powder using laser forming J. JOM, 2000,52(5): 28-302FROES F H, HEBEISEN J. Advances in powder metallurgy applications-A review: FROES F H. Proceedings of the Advanced Particulate Materials&ProcessesC. USA

4、: MetalPowder Industries Federation, 1997: 1-263喻嵐，李益民，鄧中勇，等采用氫化鈦粉制備Ti-6A1-4V合金J湖南冶金，2004, 32(5): 17-19.YU Lan, LI Yi-min, DENG Zhong-gong, et al. Preparation ofP/M Ti-6A1-4V alloy using TiHZ powder J. Hunan Metallurgy,2004, 32(5): 17-194KEINATH議MOHS R, BUNK W. Development in powdermetallurgy(P/M) T

5、i6A14V technology for aircraft parts:KIMURA H, IZUMI O. Titanium 80 Science and Technology:Proceedings of the Fourth International Conference on Titanium,Kyoto 1980C. USA: Metallurgical Society of AIME, 1980:2215-2222B現狀目前已研究出的鈦合金有100多種，然而只有2030種達到商業(yè)應用水平。20世紀50年代初期，由美國的Illinois技術研究所開發(fā)的屬于。型的Ti6A14 V合

6、金是最典型、研究最為深入的鈦合金，具有良好的綜合力學性能，如表1所示其應用率占50%以上，主要用于航空工業(yè)。鍛造和鑄造方法生產鈦合金，工藝復雜、成材率低，阻礙了其更為廣泛的應用。因此，需要尋找流程簡單且成本較低的鈦合金制備工藝，使其達到汽車、體育器械等民用行業(yè)所能接受的材料性能及成本水平。l 粉末冶金是一種生產復雜形狀零件的近凈成形技術，具有工藝流程短、材料利用率高、組織細小均勻、成分可控以及近凈成形等優(yōu)點79，是制備高性能、低成木鈦合金的理想工藝。l 傳統(tǒng)粉末冶金方法是在加熱加壓條件下使鈦合金粉末成形，利用微塑性變形和原子擴散實現燒結致密化。但鈦在高溫下流動應力高、原子擴散能力低，需要140

7、0的燒結溫度才能獲得理論密度超過90%的鈦材。鈦合金在此高溫下會形成有害的過熱組織相，材料孔隙度較高，尺寸大且分布不均勻3，致密度僅能達到95%左右4,5。l 采用以TiH粉為原料的粉末冶金工藝制造鈦產品是近年國際研究熱點。以成本較低的氫化鈦粉為原料、采用一步法也可以制得鈦合金，即脫氫在脫脂(或燒結)過程中實現，與前一種方法相比該法工序減少并降低了合金生產過程中被污染的可能性，因此可以降低產品的生產成本并提高其最終性能。l TiH:具有脆性，容易破碎獲得細粉，滿足工藝需求。l 因此，采用TiH為原料可以制得成本低且雜質少的鈦產品，直接降低了鈦的制造成本6及使用門檻。l 【3】馬?？?等靜壓技術

8、巨M習.北京:冶金工業(yè)出版社，1992l 4韋偉峰，黃伯云，劉詠，等.混合元素法PM鈦合金的研究進展巨J習.材料導報，2002,16(11);20l 5趙嘉琪，南海，黃東，等.氫合金化鈦合金粉末成形制件技術的發(fā)展巨J習.特種鑄造及有色合金，2007,27(8);593l 6洪艷，曲濤，沈化森，等.氫化脫氫法制備鈦粉工藝研究巨J習.稀有金屬，2007,31(3);311B現實狀況、應用1.1鈦及鈦合金的應用 鈦合金主要用于制作飛機發(fā)動機壓氣機部件，其次為火箭、導彈和高速飛機的結構件。60年代中期，鈦及其合金己在一般工業(yè)中應用，用于制作電解工業(yè)的電極，發(fā)電站的冷凝器，石油精煉和海水淡化的加熱器以及

9、環(huán)境污染控制裝置等。鈦及其合金己成為一種耐蝕結構材料。此外還用于生產貯氫材料和形狀記憶合金等。鈦及鈦合金密度小、比強度高、耐蝕性好，然而鈦化學活性高，冶煉難度大、能耗高;鈦極易受氫、氧、氮的污染，加工過程需要真空或氣氛保護，導致其壓力加工周期長、設備投入高;同時，鈦合金的切削加工性較差，切削效率低，僅為鋁合金加工效率的15%，且尺寸控制難、刀具壽命短。目前航空航天工業(yè)是鈦合金的主要消費領域，而開辟鈦及鈦合金的民用市場的關鍵在于降低其價格。近幾年，研究人員在降低鈦礦冶煉成本、減少鈦材加工環(huán)節(jié)、擴大鈦材應用范圍等方而開展工作，以期降低鈦及鈦合金的價格。但降低鈦合金加工成本比改善鈦合金的性能更具研究

10、空間。國內鈦粉末冶金技術還處于起步階段，對于以氫化鈦粉為原料制備鈦合金的工藝研究不多，該工藝為我國鈦粉末冶金技術發(fā)展指出了新的方向。但該工藝仍需要開展系統(tǒng)研究，特別是大尺寸成型件的脫氫研究口前仍然是空白。C發(fā)展方向根據國內外鈦合金的研究和開發(fā)現狀，TC4合金未來的發(fā)展趨勢可能為: (1)研究TiH2性能對鈦合金產品性能影響；(2)以TiH2粉末為原料的粉末注射成形工藝；(3)高能球磨法制備鈦合金；(4)以TiH2粉末為原料制備醫(yī)用鈦及鈦合金；（5）進一步完善Ti6A14V合金的熱加工和熱處理工藝，并通過完善的有限元模擬程序研究其冶金模型，在降低成本的同時，實現工藝和控制優(yōu)化，提高材料的力學性能；（6）通過表而修飾或添加增強相等方法提高Ti6A14V合金的性能。D恰當的評價l原料選取合理：原料從傳統(tǒng)的鈦粉改為用氫化鈦粉，因為高純鈦粉成本高，氫化鈦粉價格更低，能促進TC4合金的推廣應用。l選取脫脂體中氫飽和度而不是氫化鈦粉中氫飽和度為指標，因為不飽和氫化鈦粉的性能評估體系尚未建立，如何準確控制及評估其不飽和度，仍需進一步研究。l TC4合金研究價值：TC4合金綜合性能良好，使用溫度范圍寬(400-196)，合金組織和性能穩(wěn)定，合金化簡單，工藝易掌握，適合大規(guī)模生產（棒料、鍛件和中厚板