TC4合金背景現(xiàn)狀進(jìn)展

1、主體2.1歷史背景l(fā) 鈦合金是20世紀(jì)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(yīng)用于各個領(lǐng)域。近年來更是迅速發(fā)展成為具有強大生命力的新型關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料，在軍工、民用等部門獲得了關(guān)泛的應(yīng)用。鈦合金的應(yīng)用決定于鈦及鈦合金的特點和對產(chǎn)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(dá)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(xué)活性很高，極易受氫、氧、氮的污染，難以冶煉和加工，使得生產(chǎn)成本較高。(5)導(dǎo)熱性差(只有鐵的1/5，鋁的1/3) ,摩擦系數(shù)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(gòu)件的剛度，也使細(xì)長構(gòu)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(jìn)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(guān)鍵結(jié)

3、構(gòu)材料，在軍工、民用等部門獲得了關(guān)泛的應(yīng)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(xiàn)狀目前已研究出的鈦合金有100多種，然而只有2030種達(dá)到商業(yè)應(yīng)用水平。20世紀(jì)50年代初期，由美國的Illinois技術(shù)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(xué)性能，如表1所示其應(yīng)用率占50%以上，主要用于航空工業(yè)。鍛造和鑄造方法生產(chǎn)鈦合金，工藝復(fù)雜、成材率低，阻礙了其更為廣泛的應(yīng)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(dá)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(chǎn)復(fù)雜形狀零件的近凈成形技術(shù)，具有工藝流程短、材料利用率高、組織細(xì)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(xiàn)燒結(jié)致密化。但鈦在高溫下流動應(yīng)力高、原子擴散能力低，需要140

7、0的燒結(jié)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(dá)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(chǎn)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(jié))過程中實現(xiàn)，與前一種方法相比該法工序減少并降低了合金生產(chǎn)過程中被污染的可能性，因此可以降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本并提高其最終性能。l TiH:具有脆性，容易破碎獲得細(xì)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(zhì)少的鈦產(chǎn)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(shù)

8、巨M習(xí).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(jìn)展巨J習(xí).材料導(dǎo)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(shù)的發(fā)展巨J習(xí).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(xí).稀有金屬，2007,31(3);311B現(xiàn)實狀況、應(yīng)用1.1鈦及鈦合金的應(yīng)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(dǎo)彈和高速飛機的結(jié)構(gòu)件。60年代中期，鈦及其合金己在一般工業(yè)中應(yīng)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(jié)構(gòu)材料。此外還用于生產(chǎn)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(xué)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(hù)，導(dǎo)致其壓力加工周期長、設(shè)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(lǐng)域，而開辟鈦及鈦合金的民用市場的關(guān)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(yīng)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(nèi)鈦粉末冶金技術(shù)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(shù)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(jù)國內(nèi)外鈦合金的研究和開發(fā)現(xiàn)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(chǎn)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(jìn)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(xiàn)工藝和控制優(yōu)化，提高材料的力學(xué)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(dāng)?shù)脑u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(jìn)TC4合金的推廣應(yīng)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(biāo)，因為不飽和氫化鈦粉的性能評估體系尚未建立，如何準(zhǔn)確控制及評估其不飽和度，仍需進(jìn)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(chǎn)（棒料、鍛件和中厚板