鈦金屬的主要物理性能

2.1鈦的根本性質(zhì)C1?8］工業(yè)純鈦鈦的礦物在自然界中分布很廣，處于分散狀態(tài)，主要形成礦物鈦鐵礦 Fe—TiO3、金紅石TiO2及釩鈦鐵礦等，約占地殼重的0.6%,在金屬世界里排行第7,含鈦的礦物多達70多種，在海水中含量是1Ug/L,在海底結(jié)核中也含有大量的鈦。鈦的根本性質(zhì)主要包括以下幾個方面。2.1.1物理性質(zhì)純潔的鈦是銀白色金屬，具有銀灰色光澤。鈦屬難熔金屬，原子序數(shù)為22,相對原子質(zhì)量為47.90，位于周期表WB族。鈦有兩種同素異構(gòu)體，。一Ti在882'C以下穩(wěn)定，為密排六方晶格〔hep〕結(jié)構(gòu)；p—Ti在882~C與熔點1678~C±間穩(wěn)定存在，具有體心立方晶格〔bbc〕結(jié)構(gòu)。在882~C發(fā)生。一p轉(zhuǎn)變。。一Ti的點陣常數(shù)〔20'C〕為a=0.2950nm‘=0.4683nm‘/o/=1.587;p—Ti的點陣常數(shù)為o=0.3282nm〔20C〕或o=0.3306nm〔900~C〕。鈦的密度為4.51g/cm3只相當(dāng)于鋼的57%，屬輕金屬。鈦的熔點較高，導(dǎo)電性差，熱導(dǎo)率和線膨脹系數(shù)均較低，鈦的熱導(dǎo)率只有鐵的 1/4,是銅的1/7。鈦無磁性，在很強的磁場下也不會磁化，用鈦制人造骨和關(guān)節(jié)植入人體內(nèi)不會受雷雨天氣的影響。當(dāng)溫度低于 0.49K時，鈦呈現(xiàn)超導(dǎo)電性，經(jīng)合金化后，超導(dǎo)溫度可提高到9?10K,鈦的根本物理性能數(shù)據(jù)列于表2—1。1111名稱丨數(shù)值丨1相對原子質(zhì)量丨47.9|1.. --門11原子半徑/nm|0.145|n 11e—Ti-~-Ti相變潛熱/(kJ/mo1)|3.47|111比密度續(xù)表2.1,2力學(xué)性能室溫下純鈦的晶體結(jié)構(gòu)為密排六方結(jié)構(gòu)，其點陣長短軸比 c/aGI.633,室溫變形時主要以＜1010}＜1210＞柱面滑移為主，并常誘發(fā)孿生［9］;鈦同時兼有鋼〔強度高〕和鋁〔質(zhì)地輕〕的優(yōu)點。高純鈦具有良好的塑性，但雜質(zhì)含量超過一定時，變得硬而脆Ilo］。工業(yè)純鈦在冷變形過程中，沒有明顯的屈服點，其屈服強度與強度極限接近，在冷變形加工過程中有產(chǎn)生裂紋的傾向，工業(yè)純鈦具有極高的冷加工硬化效應(yīng)，因此可利用冷加工變形工藝進行強化。當(dāng)變形度大于20%?30%時，強度增加速度減慢，塑性幾乎不降低。;鈦的屈服強度與抗拉強度接近，屈強比〔do.2/db〕較高，而且鈦的彈性模量小，約為鐵的54%,成形加工時回彈量大，冷成形困難。有時利用這一特性，將鈦合金作為彈性材料使用［11'12］，但是，高彈鈦合金多屬。+p〔或近a〕合金，具有六方晶系結(jié)構(gòu)，其物理性能呈強的各向異性，如彈性模量繞c軸呈對稱分布，c軸方向彈性模量為14313GPa底面各取向的彈性模量為10414GPa因此需要仔細考慮合金板材的各向異性、彈性模量以及合金織構(gòu)與彈性各向異性之間的關(guān)系，通過合金化與工藝的調(diào)整，有目的地控制織構(gòu)與彈性各向異性

以滿足設(shè)計和使用要求。圖2—1所示為鈦單晶彈性模量取向分布［13］圖2?1鈦單晶彈性模量取向分布〔單位：GPa〕工業(yè)純鈦與高純鈦〔99.9%〕相比強度明顯提高，而塑性顯著降低，二者的力學(xué)性能數(shù)據(jù)列于表2—2。衰2-2純鈦的力學(xué)性能I性能丨高純鈦丨工業(yè)純鈦丨性能丨高純鈦丨工業(yè)純鈦|11111111111111111 1I抗拉強度o~/MPa|250|300~600|正彈性模量E/MPa|108X1031112X103111111111111111111 1I屈服強度fo.2/MPa|190|250~500|切變彈性模量G/MPa|40X103)41X103)I I I I I11111111111111111 1I伸長率a/%|40|20~30|泊松比f|0.34|0.32|1111.11111111111 1I斷面收縮率％| 60|45| ,I|||沖擊韌性oh/MJ-m—2|>2.5|0.5—1.5|1111111111|體彈性模量K/MPa|126X109|104X103||||丨丨丨丨I鈦的另一特點是在高溫能保持比較高的比強度。作為難熔金屬，鈦熔點高，隨著溫度的升高，其強度逐漸下降，但是，其高的比強度可保持到 550?600r。同時，在低溫下，鈦仍具有良好的力學(xué)性能：強度高，保持良好的塑性和韌性。曾經(jīng)對工業(yè)純鈦在一196C下進行拉伸和低周循環(huán)疲勞實驗L1‘］，結(jié)果說明，變形后的強度較之室溫拉伸變形有了明顯提高，同時塑性也有明顯增加。但其循環(huán)變形具有明顯的循環(huán)硬化特性并伴隨有大量的孿晶生成，從而顯示出低溫循環(huán)疲勞在微觀結(jié)構(gòu)演化上可能與室溫的情況不同 ［1s］，室溫循環(huán)疲勞中位錯的行為起了關(guān)鍵性的影響［“］。表2—3列出了工業(yè)純鈦的低溫力學(xué)性能。表2-3工業(yè)純鈦的低溫力學(xué)性能111溫度/r|fb/mp1111|Oo.2/MP|f/%|矽％|n i i i iI20|520|400|24|59|1 I I I I In I I I II—196|990|750|44|68|I I I I II I I I II—253|1280|900|29|64|I I I I II I I I II—269|1210|870|35|58|1111112.1.3化學(xué)性能工業(yè)上大量應(yīng)用的工業(yè)純鈦純度約為99.5%,鈦在淡水和海水中有極高的抗蝕性，在海水中的抗蝕性比鋁合金、不銹鋼和鎳基合金都好。鈦與氧形成高化學(xué)穩(wěn)定性的致密的氧化物保護膜，因而在低溫和高溫氣體中具有極高的抗蝕性。在室溫條件下，鈦不與氯氣、稀硫酸、稀鹽酸、硝酸和鉻酸作用，在堿溶液和大多數(shù)的有機酸和化合物中抗蝕性也很高，但能被氫氟酸、磷酸、熔融轅侵蝕。鈦是一種非常活潑的金屬，其平衡電位很低，在介質(zhì)中的熱力學(xué)腐蝕傾向大。但實際上鈦在許多介質(zhì)中很穩(wěn)定。如鈦在氧化性、中性和弱復(fù)原性等介質(zhì)中是耐腐蝕的，這是因為鈦和氧的親和力大，在空氣中或含氧介質(zhì)中，鈦外表生成一層致密、附著力強、惰性大的氧化膜，保護了鈦基體不被腐蝕，即使受到機械磨損，也會很快自愈或再生，這說明鈦是具有強烈鈍化傾向的金屬，介質(zhì)溫度在315C以下，鈦的氧化膜始終保持這一特性，完全滿足鈦在一般環(huán)境中的耐蝕性。鈦最突出的性能是對海水的抗腐蝕性很強。工業(yè)純鈦的耐蝕性與高純鈦相似，但低溫性能那么差得多。張樹霞 cl，]等通過實驗發(fā)現(xiàn)，工業(yè)純鈦在稀鹽酸溶液中存在一個腐蝕臨界濃度 (0.74%)，當(dāng)鹽酸濃度低于該值時，在任何情況下鈦都不會發(fā)生腐蝕，同時工業(yè)純鈦還在一定濃度的鹽酸中有一個臨界腐蝕溫度，當(dāng)溶液溫度高于此臨界溫度，鈦外表的保護膜很快就被破壞，而低于此臨界溫度時，鈦處于鈍化狀態(tài)。圖 2—2所示為工業(yè)純鈦在稀鹽酸中腐蝕臨界溫度和鹽酸濃度之間的關(guān)系。500.000.400.801.201.602.002.40鹽酸濃度工業(yè)純鈦在稀鹽酸中腐蝕臨界溫度和鹽酸濃度之間的關(guān)系2.2雜質(zhì)元素對鈦性能的影響雜質(zhì)對工業(yè)純鈦的性能影響很大，雜質(zhì)含量高那么強度提高，塑性急劇降低，生產(chǎn)上常以硬度作為測定工業(yè)純鈦的純度標準[1?3)，鈦的純度與硬度的關(guān)系見表2—4。鈦是一種化學(xué)性質(zhì)非?；顫姷慕饘伲觾r是可變的。在較高的溫度下，衰2-4鈦的純度與硬度的關(guān)系I純度/%|99.95|99.8|99.6|99.5|99.4|111111111111111111I硬度(HV)|90|145|165|195|225|鈦金屬的主要物理性能名？??稱單？??位數(shù)???據(jù)名???稱單???位數(shù)???據(jù)原子序數(shù)22比？??熱卡/克.度0.138原子量47.9熱膨脹系數(shù)x10-6/C(0-100C)8.2克原子體積厘米3/克原子10.7彈性模量公斤/毫米210850密度20克/厘米34.505拉伸公斤/毫米210340熔點C1668±4壓縮公斤/毫米210550沸點C3535剪切公斤/毫米24500熔化潛熱千卡/克分5導(dǎo)熱系數(shù)卡/厘米.秒.C0.036子二汽化潛熱千卡/克分子112.5±0.3%電阻系數(shù)x10-6歐母.厘米47.8同素異晶轉(zhuǎn)變溫度882轉(zhuǎn)變時體積的變化%5.5轉(zhuǎn)變時熵的變化C0.587磁化率x10-6厘米3/克3.2轉(zhuǎn)變潛熱千卡/克分子678±10%泊桑比0.41鈦的性質(zhì)?原子結(jié)構(gòu)「\I鈦位于元素周期表中WB族，原子序數(shù)為22,原子核由22個質(zhì)子和20-32個中子組成，核外電子、卜夕寸"二廠?結(jié)構(gòu)排列為1S22S22P63S23D24S2原子核半徑5x10-13厘米。'■I'< .?物理性質(zhì)鈦的密度為克/立方厘米〔20C〕，熔點1668±4C，熔化潛熱千卡/克I、 /|Pg./|'J#原子，沸點3260±20C,汽化潛熱千卡/克原子，臨界溫度4350C，臨界壓力1130大氣壓。?鈦的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性能較差，近似或略低于不銹鋼，鈦具有超導(dǎo)性，純鈦的超導(dǎo)臨界溫度為\1、。在25E時，鈦的熱容為0.126卡/克原子?度，熱焓1149卡/克原子，熵為7.33卡/克原子?度，金屬鈦是順磁性物質(zhì)，導(dǎo)磁率為1.00004。'J\ ''鈦具有可塑性，高純鈦的延伸率可達50-60%,斷面收縮率可達70-80%,但強度低，不宜作結(jié)構(gòu)材料。鈦中雜質(zhì)的存在，對其機械性能影響極大，特別是間隙雜質(zhì)〔氧、氮、碳〕可大大提高鈦的強度，顯著降低其塑性。鈦作為結(jié)構(gòu)材料所具有的良好機械性能，就是通過嚴格控制其中適當(dāng)?shù)碾s質(zhì)含量和添加合金元素而到達的?；瘜W(xué)性質(zhì)鈦在較高的溫度下，可與許多元素和化合物發(fā)生反響。各種元素，按其與鈦發(fā)生不同反響可分為四類：第一類：鹵素和氧族元素與鈦生成共價鍵與離子鍵化合物；第二類：過渡元素、氫、鈹、硼族、碳族和氮族元素與鈦生成金屬間化物和有限固溶體；第三類：鋯、鉿、釩族、鉻族、鈧元素與鈦生成無限固溶體;第四類：惰性氣體、堿金屬、堿土金屬、稀土元素〔除鈧外〕，錒、釷等不與鈦發(fā)生反響或基本上不發(fā)生反響。*與化合物的反響：HF和氟化物氟化氫氣體在加熱時與鈦發(fā)生反響生成TiF4，反響式為〔1〕;不含水的氟化氫液體可在鈦外表上生成一層致密的四氟化鈦膜，可防止 HF浸入鈦的內(nèi)部。氫氟酸是鈦的最強熔劑。即使是濃度為1%勺氫氟酸，也能與鈦發(fā)生劇烈反響，見式〔2〕;無水的氟化物及其水溶液在低溫下不與鈦發(fā)生反響，僅在高溫下熔融的氟化物與鈦發(fā)生顯著反響。門“TiJ"?i->Ti+4HF=TiF4+2H2+135.0千卡〔1〕2Ti+6HF=2TiF4+3H2〔2〕!I17HCl和氯化物氯化氫氣體能腐蝕金屬鈦，枯燥的氯化氫在>300C時與鈦反響生成TiCl4，見式〔3〕;濃度<5%勺鹽酸在室溫下不與鈦反響，20%勺鹽酸在常溫下與鈦發(fā)生瓜在生成紫色的 TiCl3，見式〔4〕;當(dāng)溫度長高時，即使稀鹽酸也會腐蝕鈦。各種無水的氯化物，如鎂、錳、鐵、鎳、銅、鋅、汞、錫、鈣、鈉、鋇和NH4離子及其水溶液，都不與鈦發(fā)生反響，鈦在這些氯化物中具有__、Xf/ I|很好的穩(wěn)定性。Ti+4HCI=TiCl4+2H2+94.75千卡〔3〕2Ti+6HCI=TiCl3+3H2⑷?硫酸和硫化氫T、FI鈦與<5%勺稀硫酸反響后在鈦外表上生成保護性氧化膜，可保護鈦不被稀酸繼續(xù)腐蝕。但 >5%的硫酸與鈦有明顯的反響，在常溫下，約 40%勺硫酸對鈦的腐蝕速度最快，當(dāng)濃度大于 40%達到60%寸腐蝕速度反而變慢，80%又到達最快。加熱的稀酸或50%勺濃硫酸可與鈦反響生成硫酸鈦，見式〔5〕,〔6〕,加熱的濃硫酸可被鈦復(fù)原，生成 SO2見式〔7〕。常溫下鈦與硫化氫反響，在其外表生成一層保護膜，可阻止硫化氫與鈦的進一步反響。但在高溫下，硫化氫與鈦反響析出氫，見式〔8〕，粉末鈦在600°C開始與硫化氫反響生成鈦的硫化物，在900°C時反響產(chǎn)物主要為TiS，1200C時為Ti2S3。Ti+H2SO牟TiSO4+H2(5)2Ti+3H2SO牟Ti2(SO4)3+H2(6)2Ti+6H2SO牟Ti2(SO4)3+3S0甘6H23202千卡(7)Ti+H2S=TiS+H2+70千卡(8)?硝酸和王水致密的外表光滑的鈦對硝酸具有很好的穩(wěn)定性，這是由于硝酸能快速在鈦外表生成一層牢固的氧化膜，但是外表粗糙，特別是海綿鈦或粉末鈦，可與次、熱稀硝酸發(fā)生反響，見式( 9)、(10)，高于70C的濃硝酸也可與鈦發(fā)生反響，見式(11);常溫下，鈦不與王水反響。溫度高時，鈦可與王水反響生成TiCI2。3Ti+4HN0+4H283H4TiO4+4NO(9)3Ti+4HN0+H283H2TiO3+4NO(10)Ti+8HNO^Ti(NO3)4+4NO+4H2O(11)綜上所述，鈦的性質(zhì)與溫度及其存在形態(tài)、純度有著極其密切的關(guān)系。致密的金屬鈦在自然界廠1 戶中是相當(dāng)穩(wěn)定的，但是，粉末鈦在空氣中可引起自燃。鈦中雜質(zhì)的存在，顯著的影響鈦的物理、化學(xué)性能、機械性能和耐腐蝕性能。特別是一些間隙雜質(zhì)，它們可以使鈦晶格發(fā)生畸變，而影Lf-'*? '] /I響鈦的的各種性能。常溫下鈦的化學(xué)活性很小，能與氫氟酸等少數(shù)幾種物質(zhì)發(fā)生反響，但溫度增加時鈦的活性迅速增加，特別是在高溫下鈦可與許多物質(zhì)發(fā)生劇烈反響。鈦的冶煉過程二|般都在800C以上的高溫下進行，因此必須在真空中或在惰性氣氛保護下操作。中國美國俄羅斯TAD碘化鈦Grade11號純鈦BT1-00工業(yè)純鈦TA1工業(yè)純鈦Grade22號純鈦BT1-0工業(yè)純鈦TA2工業(yè)純鈦Grade33號純鈦0T4-0Ti-0.8A1-0.7SnTA3工業(yè)純鈦Grade44號純鈦0T4-1Ti-2a1-1.5MNTA4Ti-3AlGrade5Ti-6a1-4v0T4Ti-3A1-1.5MnTA5Ti-4AI-0.005BGrade6Ti-5A1-2.5VBT5Ti-5A1TA6Ti-5AIGrade7Ti-0.2pdBT5-1Ti-5A1-2.5SnTA7Ti-5Al-2.5SnGrade9Ti-3A1-2.5vBT6Ti-6A1-4vTA8Ti-5Al-2.5Sn-3Cu-1.5ZrGrade10Ti-11.5Mo-4.5Sn-6ZrBT6cTi-6A1-4vTC1Ti-2A1-1.5MnGrade11Ti-0.2pdBT3-1TC2Ti-3A1-1.5MnGrade12BT9TC3Ti-4A1-4vA-1Ti-5A1-2.5SnBT/4Ti-5A1-3Mo-0.3SiTC4Ti-6A1-4vA-3Ti-6A1-2Nb-仃aBT16Ti-8A1-5Mo-5VTC6A-4Ti-8A1-1Mo-1VBT18Ti-8a1-0.6Mo-11Zr-1nTC7AB-1Ti-6a1-4vBT19TC9Ti-6A1-3.5Mo-2.5Sn-0.3SiAB-3Ti-6A1-6V-2SnBT20TC1AB-4Ti-6A1-2Sn-4Zr-2MoBT22Ti-5.5A1-5V-5Mo-1.5Cr-1.0TC11AB-5Ti-3A1-2.5VBT-3BTi-4A1-2V鈦合金的具體分類按照合金在平衡和亞穩(wěn)定狀態(tài)的相組成，鈦合金可分為 a、近a、a+?、近？、？等五類；但習(xí)慣上將鈦合金分為a、a+?和？三大類。鈦合金分類如圖所示。假設(shè)按照使用性能特點，那么可分為結(jié)構(gòu)鈦合金、耐熱〔熱強〕鈦合金和抗鈦合金等類。我國鈦合金國標牌號中，TA系列代表a型鈦合金；TB系列代表?型鈦合金；TC系列代表a+?型鈦合金。中國鈦合金的牌號及其名義成分牌號名義成分合金類型二工作溫度〔C〕TA7VTi-5A-2.5Sna500TC1Ti-2Al-1.5Mn近a350TC3Ti-5Al-4Va+?400TC4Ti-6Al-4Va+?400TC6a+?450 '.JTC11Ja+?500TB2二Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al?300Ti-22Ti-10Mo-8V-1Fe-3.5Al?:.30047121Ti-7Mo-10V-2Fe-1Zr-4AI?^J二300ZTC4Ti-6Al-4Va+?L 350ZT3a+?廠500世界各國鈦合金的特性及應(yīng)用合金牌號\ 特性及應(yīng)用Ti-5Al-2.5Sn'A.''J'/ \1鍛造時抗裂紋的能力較好，成型性尚可，焊接性良好，熱處理不能強化。用于傳動齒輪箱外殼，噴氣發(fā)動機外殼裝置及導(dǎo)向葉片罩，管道結(jié)構(gòu)等Ti-8Al-1Mo-1V成型性及鍛造時抗裂紋的能力尚可，焊接性好，但不可熱處理強化。用地制作噴氣發(fā)動機葉片，葉輪和外殼，陀螺儀萬向?qū)蛉~片罩，噴管裝置的內(nèi)蒙皮和框架等1\ % ■i""-—■' !1HTi-6Al-4V屬于熱處理強化的鈦合金，它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)動機壓縮機葉片，葉輪等。其他如起落架輪和結(jié)構(gòu)件，緊固件，支架，飛機附件，框架、桁條結(jié)構(gòu)、管道，應(yīng)用非常廣泛Ti-6Al-6V-2Sn屬于可熱處理強化的鈦合金，鍛造時抗裂紋的能力好，但焊接性差，用于制造緊固件，入風(fēng)口控制導(dǎo)向裝置，試驗結(jié)構(gòu)件Ti-13V-11Cr-3Al屬于可熱處理強化的鈦合金，成型性良好，鍛造時有一定抗裂紋能力，焊接性尚可，用作結(jié)構(gòu)鍛件，板狀桁條結(jié)構(gòu)，蒙皮，框架、支架、飛機附件，緊固件Ti-2.25Al-11Sn-5Zr-1Mo-0.2Si屬于可熱處理強化的鈦合金，鍛造時抗裂紋的能力好，用于制造噴氣發(fā)動機葉片，葉輪，起落架滾輪，飛機骨架、緊固件等Ti-6AI-2Sn-4Zr-2Mo成型性焊接性好，鍛造時有良好的抗裂紋能力，但不熱處理強化。用于制造壓縮機葉片，葉輪，起落架滾輪，隔圈壓氣機箱組合件，飛機骨架，蒙皮構(gòu)件等Ti-4AI-3Mo-1V屬于可熱處理強化的鈦合金，鍛造性、成型性好。用于制造飛機骨架構(gòu)件IMI125IMI130IMI160工業(yè)純鈦，抗蝕性優(yōu)異，比強度較咼，疲勞極限較好，鍛造性好，可用普通方法鍛造、成形和焊接?？芍瞥砂?、棒、絲材。應(yīng)用于航空、醫(yī)療、化工等方面，如排氣管，防火墻、受熱蒙皮以及要求塑性好、能抗蝕的零件IMI317屬于a型鈦合金，可焊接，在315~593oC具有良好的抗氧化性、強度和高溫穩(wěn)定性，可制造鍛件及板材零件，如航空發(fā)動機壓氣機葉片、殼體、支架IMI315屬于a+?型鈦合金，可熱處理強化，用于航空發(fā)動機壓氣機盤和葉片、導(dǎo)彈部件等IMI318a+?型合金，鍛造性及綜合性能良好，是各國普遍使用的鈦合金，用于航空發(fā)動機壓氣機盤和葉片等部件IMI550■■a+?型鈦合金，易鍛造，室溫強度好，蠕變抗力較高〔400oC以下〕，持久強度高，廣泛用于制造發(fā)動機及機翼滑軌，動力控制裝置外殼等。IMI551__『11\?-1屬于a+?型鈦合金高強度鈦合金，它具有強度咼、蠕變極限咼〔400oC以卜〕，鍛造性良好等特性，用于制造飛機構(gòu)件如起落架、安裝座、燃氣渦輪部件，亦可用于一般工程和化工、汽輪機葉片，壓氣機零件及其他高速旋轉(zhuǎn)的部件IMI685是一種屬于a+?型鈦合金，在室溫及中溫的比強度咼，在咼溫〔520oC〕抗蠕變性能良好，咼溫穩(wěn)定性好，可焊接，容易加工，其使用溫度較咼。用于制作航空發(fā)動機零部件IMI684屬于a+?型鈦合金，可焊接、抗蠕變性能〔535oC以下〕好，熱穩(wěn)定性優(yōu)良。該合金與IMI685性能相近，用途相同。用于制作高壓壓氣機盤及葉片等IMI679是一種復(fù)雜的a型鈦合金，在450~500oC具有較好的強度、高的蠕變極限以及高溫穩(wěn)定性和良好的抗氧化性，它的缸口疲勞強度咼。用于制造航空發(fā)動機壓氣機盤、葉片，飛機骨架等IMI230a型鈦合金，中等強度，塑性好，可焊接，能時效強化，易成形，合金在退火狀態(tài)下使用，具有較高的力學(xué)性能。用于制作350oC以下工作的發(fā)動機導(dǎo)管，飛機結(jié)構(gòu)等T-A5E在-253oC下具有好的塑性和韌性T-A6V綜合性能好，是宇航工「業(yè)用的優(yōu)質(zhì)材料T-A7D可焊性中等，力學(xué)性能高，用作鍛件T-A6V6E2主要用于制作燃氣渦輪發(fā)動機和飛機導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)件T-TU2淬火狀態(tài)下具有可焊性和成形性，在350oC以下使用T-T6Zr4DE可焊接，用于噴氣發(fā)動機葉片和盤Ti-6246可制作燃氣渦輪盤、風(fēng)扇葉片及飛機和導(dǎo)彈的結(jié)構(gòu)件T-V13CA用于制作250oC以下的框架、蜂窩結(jié)構(gòu)件等T-A6Z5W可焊接的高強度鈦合金，在520oC有良好的抗蠕變性能T-A6ZD用于制作噴氣發(fā)動機的零件〔如葉片、盤等〕T-A4DE2合金在400oC以下具有咼強度和抗蠕變性能3.7114可焊接，成型性合格,強度中等3.7124塑性、焊接性和高溫強度與工業(yè)純鈦相似，用于350oC以下的零件及抗蝕件3.7134密度小，彈性模量高，用于制作在450oC以下工作的壓氣機盤、葉片等，是航空工業(yè)的重要材料3.7144用于制作在450oC以下工作的航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子和葉片3.7164綜合性能好，用于350oC以下工作的高應(yīng)力機械零件3.7154合金的強度咼、抗蠕變性能好，可焊接。用于500oC以下長期工作的零件，如航空發(fā)動機壓氣機部件等3.7174屬于高強度鈦合金，可熱處理強化，鍛造性能良好3.7184用于制作在400oC以下工作的航空發(fā)動機部件，如壓氣機盤、葉片等LT32合金的強度高、淬透性好，用于制作427oC以下工作的飛機骨架，導(dǎo)彈鍛件等LT41是一種可熱處理化的鈦合金，它的成形性優(yōu)異，用于制作飛機的骨架、蒙皮、蜂窩結(jié)構(gòu)、壓力容器以及高強度緊固件等全球鈦金屬產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)況與趨勢經(jīng)濟部技術(shù)處ITIS計畫/產(chǎn)業(yè)分析師蔡幸甫鈦〔Ti，比重4.5〕為輕金屬之一，其比重較同為輕金屬的鋁〔Al，比重2.7〕、鎂〔Mg比重1.74,〕二者要大，但仍較一般的結(jié)構(gòu)用金屬為輕〔如：鐵、鎳、銅、鋅等〕。鈦因提煉困難，一直未成為商用上大量實用化的金屬；直到I960年前後，美國為開展高性能戰(zhàn)機，才投入巨大的人力物力資源建立其鈦合金的軍事工業(yè)體系。鈦合金除了是航太方面的重要材料以外，最近十余年來，鈦合金也逐漸拓展出商業(yè)方面的用途，其中較知名的為鈦制高爾夫球具。其主要原因為，鈦雖然是三種輕金屬當(dāng)中比重最大者，但仍有其特色：鈦的耐蝕性甚佳，在一般的環(huán)境〔如：辦公室環(huán)境、普通的大氣環(huán)境、 〕下，其耐蝕性甚至還超過不銹鋼，且其外表還可施以外表處理來表現(xiàn)各種金屬顏色。鈦的外表金屬原色為所有結(jié)構(gòu)材最高級的，因此只要外表予以拋光就可以有 '很好的效果，這一點特色已經(jīng)有許多高級相機利用來展現(xiàn)產(chǎn)品的高級感。純鈦為所有金屬中，與人體的適配性最正確，最不容易發(fā)生過敏、排斥反響的現(xiàn)象，又有足夠的強度、硬度、耐蝕性，因此在生醫(yī)材料〔如人工骨骼〕的應(yīng)用上，亦迅速取得一席之地。鈦合金的強度可藉加工/熱處理方法到達高強度合金鋼的程度，假設(shè)以這樣的強度水準加上比重來衡量〔即：強度/重量比〕，那么鈦合金金的強度/重量比可到達極高的比值，遠超過鋁合金、鎂合金、工程塑膠等常用的輕量化材料，十分適合需求求高性能的航空 /太空用途，因此鈦合金一向在航太產(chǎn)業(yè)是極重要的高級材料。在目前資訊電子產(chǎn)品應(yīng)用輕金屬作為機殼構(gòu)件的熱潮中，鈦金屬〔包括鈦合金〕由於其具有高強度、高耐蝕性及極佳的外表質(zhì)感，看起來應(yīng)是十分適合用來作為可攜式資訊電子產(chǎn)品的機殼材料，因此也一直都是深受矚目的材料，其應(yīng)用產(chǎn)品也都不斷地在高階產(chǎn)品有應(yīng)用例〔如筆記型電腦及等〕。但在全球的鈦材市場，仍以傳統(tǒng)的航太及工業(yè)等用途為主，圖 1顯示最近3年全球鈦材〔MillProducts〕之需求量及用途分析。全球鈦產(chǎn)業(yè)〔以供應(yīng)歐美軍用/航太的鈦產(chǎn)業(yè)為主〕於1999~2000年初到達谷底，2000年本已逐漸恢復(fù)景氣的狀況，但在2001年受911事件的沖擊，導(dǎo)致航太產(chǎn)業(yè)陷入極端不景氣的狀況， 至今仍未恢復(fù)，鈦結(jié)構(gòu)材產(chǎn)業(yè)亦深受影響，2002年全球的鈦材需求量，據(jù)國際鈦協(xié)會〔ITA〕的統(tǒng)計，較2001年大幅下跌19.6%，只有約4.1萬噸。短期的未來，此方面的鈦結(jié)構(gòu)材產(chǎn)業(yè)仍難望有明顯的成長，惟鈦金屬中屬於民生/休閑、建筑、資訊電子方面應(yīng)用的新興市場那么是較不受不景氣沖擊的部份，這也是全球鈦產(chǎn)業(yè)的業(yè)者寄予厚望的部份，此外在商用汽車輕量化、新能源應(yīng)用方面也可望開發(fā)新市場。這些都是鈦合金產(chǎn)業(yè)未來開拓產(chǎn)品應(yīng)用新領(lǐng)域的重點，依國際鈦協(xié)會的估計，新興市場的規(guī)?？赏?001年的5,000噸鈦材需求量倍增至2006年的10,000噸，如圖1所示。鈦材生產(chǎn)工藝目前，金屬鈦生產(chǎn)的工業(yè)方法是可勞爾法，產(chǎn)品為海綿鈦。制取鈦材傳統(tǒng)的工藝是將海綿鈦經(jīng)熔鑄成錠，再加工而成鈦材。按此，從采礦到制成鈦材的工藝過程的主要步驟為：鈦礦->采礦->選礦->太精礦->富集->富鈦料->氯化->粗TiCI4->精制->純TiCl4->鎂復(fù)原->海綿鈦->熔鑄->鈦錠->加工->鈦材或鈦部件上述步驟中如果采礦得到的是金紅石，那么不必經(jīng)過富集，可以直接進行氯化制取粗TiCI4另外，熔鑄作業(yè)應(yīng)屬冶金工藝，但有時也歸入加工工藝。上述工藝過程中的加工過程是指塑性加工和鑄造而言。塑性加工方法又包括鍛造、擠壓、軋制、拉伸等。它可將鈦錠加工成各種尺寸的餅材、環(huán)材、板材、管材、棒材、型材等制品，也可用鑄造方法制成各種形狀的零件、部鈦和鈦合金塑性加工具有變形抗力大；常溫塑性差、屈服極限和強度極限比值咼、回彈大、對缺口敏感、變形過程易與模具粘結(jié)、加熱時又易吸咐有害氣體等特點，塑性加工較鋼、銅困難。故鈦和鈦合金的加工工藝必須考慮它們的這些特點鈦采用塑性加工，加土尺寸不受限制，又能夠大批量生產(chǎn)，但成材率低,加工過程中產(chǎn)生大量廢屑殘料。鈦材生產(chǎn)的原那么流程如圖 1—1。針對鈦塑性加工的上述缺點，近年來開展了鈦的粉末冶金工藝。鈦的粉末冶金流程與普通粉末冶金相同，只是燒結(jié)必須要在真空下進行。它適用乎生產(chǎn)大批量、小尺寸的零件，特別適用于生產(chǎn)復(fù)雜的零部件。這種方法幾乎無須再經(jīng)過加工處理，成材率高，既可充分利用鈦廢料作原料，又可以降低生產(chǎn)本錢，但不能生產(chǎn)大尺寸的鈦件。鈦的粉末冶金工藝流程為 ：鈦粉〔或鈦合金粉〕->篩分->混合->壓制成形->燒結(jié)->輔助加工->鈦制品。鈦材生產(chǎn)的原那么流程鈦材除了純鈦外，目前世界上已經(jīng)生產(chǎn)出近30種牌號的鈦合金。使用最廣泛的鈦合金是Ti-6AI-4V，Ti-5AI—2.5Sn等。我國常見的鈦合金牌號及其成分，詳見表8—9。圖1鈦合金、鋁合金和鋼的強度比照1.1復(fù)合材料先進復(fù)合材料是比通用復(fù)合材料有更高綜合性能的新型材料， 它包括樹脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料和碳基復(fù)合材料等， 它在軍事工業(yè)的開展中起著舉足輕重的作用。 先進復(fù)合材料具有高的比強度、高的比模量、耐燒蝕、抗侵蝕、抗核、抗粒子云、透波、吸波、隱身、抗高速撞擊等一系列優(yōu)點，是國防工業(yè)開展中最重要的一類工程材料。樹脂基復(fù)合材料樹脂基復(fù)合材料具有良好的成形工藝性、 高的比強度、高的比模量、低的密度、抗疲勞性、減震性、耐化學(xué)腐蝕性、良好的介電性能、較低的熱導(dǎo)率等特點，廣泛應(yīng)用于軍事工業(yè)中。樹脂基復(fù)合材料可分為熱固性和熱塑性兩類。熱固性樹脂基復(fù)合材料是以各種熱固性樹脂為基體，參加各種增強纖維復(fù)合而成的一類復(fù)合材料；而熱塑性樹脂那么是一類線性高分子化合物， 它可以溶解在溶劑中，也可以在加熱時軟化和熔融變成粘性液體，冷卻后硬化成為固體。樹脂基復(fù)合材料具有優(yōu)異的綜合性能，制備工藝容易實現(xiàn)，原料豐富。在航空工業(yè)中，樹脂基復(fù)合材料用于制造飛機機翼、機身、鴨翼、平尾和發(fā)動機外涵道；在航天領(lǐng)域，樹脂基復(fù)合材料不僅是方向舵、雷達、進氣道的重要材料，而且可以制造固體火箭發(fā)動機燃燒室的絕熱殼體，也可用作發(fā)動機噴管的燒蝕防熱材料。近年來研制的新型氰酸樹脂復(fù)合材料具有耐濕性強，微波介電性能佳，尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)點，廣泛用于制作宇航結(jié)構(gòu)件、飛機的主次承力結(jié)構(gòu)件和雷達天線罩。金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料具有高的比強度、高的比模量、良好的高溫性能、低的熱膨脹系數(shù)、 良好的尺寸穩(wěn)定性、優(yōu)異的導(dǎo)電導(dǎo)熱性在軍事工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。鋁、鎂、 鈦是金屬基復(fù)合材料的主要基體，而增強材料一般可分為纖維、顆粒和晶須三類，其中顆粒增強鋁基復(fù)合材料已進入型號驗證，如用于F-16戰(zhàn)斗機作為腹鰭代替鋁合金，其剛度和壽命大幅度提高。碳纖維增強鋁、鎂基復(fù)合材料在具有高比強度的同時，還有接近于零的熱膨脹系數(shù)和良好的尺寸穩(wěn)定性，成功地用于制作人造衛(wèi)星支架、L頻帶平面天線、空間望遠鏡、人造衛(wèi)星拋物面天線等；碳化硅顆粒增強鋁基復(fù)合材料具有良好的高溫性能和抗磨損的特點，可用于制作火箭、導(dǎo)彈構(gòu)件，紅外及激光制導(dǎo)系統(tǒng)構(gòu)件， 精密航空電子器件等；碳化硅纖維增強鈦基復(fù)合材料具有良好的耐高溫和抗氧化性能， 是高推重比發(fā)動機的理想結(jié)構(gòu)材料，目前已進入先進發(fā)動機的試車階段。在兵器工業(yè)領(lǐng)域，金屬基復(fù)合材料可用于大口徑尾翼穩(wěn)定脫殼穿甲彈彈托，反直升機/反坦克多用途導(dǎo)彈固體發(fā)動機殼體等零部件，以此來減輕戰(zhàn)斗部重量，提高作戰(zhàn)能力。陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料是以纖維、晶須或顆粒為增強體，與陶瓷基體通過一定的復(fù)合工藝結(jié)合在一起組成一 I的材料的總稱，由此可見，陶瓷基復(fù)合材料是在陶瓷基體中引入第二相組元構(gòu)成的多相材料， 它克服了陶瓷材料固有的脆性，已成為當(dāng)前材料科學(xué)研究中最為活潑的一個方面。 陶瓷基復(fù)合材料具有密度低、比強度高、熱機械性能和抗熱震沖擊性能好的特點， 是未來軍事工業(yè)開展的關(guān)鍵支撐材料之一。陶瓷材料的高溫性能雖好，但其脆性大。改善陶瓷材料脆性的方法包括相變增韌、微裂紋增韌、彌散金屬增韌和連續(xù)纖維增韌等。陶瓷基復(fù)合材料主要用于制作飛機燃氣渦輪發(fā)動機噴嘴閥，它在提高發(fā)動機的推重比和降低燃料消耗方面具有重要的作用。碳—碳復(fù)合材料碳-碳復(fù)合材料是由碳纖維增強劑與碳基體組成的復(fù)合材料。 碳-碳復(fù)合材料具有比強度高、抗熱震性好、耐燒蝕性強、性能可設(shè)計等一系列優(yōu)點。碳-碳復(fù)合材料的開展是和航空航天技術(shù)所提出的苛刻要求緊密相關(guān)。80年代以來，碳-碳復(fù)合材料的研究進入了提高性能和擴大應(yīng)用的階段。在軍事工業(yè)中，碳-碳復(fù)合材料最引人注目的應(yīng)用是航天飛機的抗氧化碳-碳鼻錐帽和機翼前緣，用量最大的碳-碳產(chǎn)品是超音速飛機的剎車片。碳-碳復(fù)合材料在宇航方面主要用作燒蝕材料和熱結(jié)構(gòu)材料，具體而言，它是用作洲際導(dǎo)彈彈頭的鼻錐帽、固體火箭噴管和航天飛機的機翼前緣。目前先進的碳—碳噴管材料密度為1.87~1.97克/厘米3,環(huán)向拉伸強度為75~115兆帕。近期研制的遠程洲際導(dǎo)彈端頭帽幾乎都采用了碳-碳復(fù)合材料。隨著現(xiàn)代航空技術(shù)的開展，飛機裝載質(zhì)量不斷增加，飛行著陸速度不斷提高，對飛機的緊急制動提出了更高的要求。碳-碳復(fù)合材料質(zhì)量輕、耐高溫、吸收能量大、摩擦性能好，用它制作剎車片廣泛用于高速軍用飛機中。1.2超高強度鋼和先進高溫合金超高強度鋼是屈服強度和抗拉強度分別超過1200兆帕和1400兆帕的鋼，它是為了滿足飛機結(jié)構(gòu)上要求高比強度的材料而研究和開發(fā)的。超高強度鋼大量用于制造火箭發(fā)動機外殼，飛機機身骨架、蒙皮和著陸部件以及高壓容器和一些常規(guī)武器。 由于鈦合金和復(fù)合材料在飛機上應(yīng)用的擴大， 鋼在飛機上用量有所減少，但是飛機上的關(guān)鍵承力構(gòu)件仍采用超高強度鋼制造。 目前，在國際上有代表性的低合金超高強度鋼300M是典型的飛機起落架用鋼。此外，低合金超高強度鋼D6AC是典型的固體火箭發(fā)動機殼體材料。超高強度鋼的開展趨勢是在保證超高強度的同時，不斷提高韌性和抗應(yīng)力腐蝕能力。高溫合金是航空航天動力系統(tǒng)的關(guān)鍵材料。高溫合金是在 600~120(JC高溫下能承受一定應(yīng)力并具有抗氧化和抗腐蝕能力的合金，它是航空航天發(fā)動機渦輪盤的首選材料。按照基體組元的不同，高溫合金分為鐵基、鎳基和鉆基三大類。發(fā)動機渦輪盤在 60年代前一直是用鍛造高溫合金制造，典型的牌號有A286和Inconel718。70年代，美國GE公司采用快速凝固粉末Rene95合金制作了CFM56發(fā)動機渦輪盤，大大增加了它的推重比，使用溫度顯著提高。從此，粉末冶金渦輪盤得以迅速開展。最近美國采用噴射沉積快速凝固工藝制造的高溫合金渦輪盤， 與粉末高溫合金相比，工序一簡單，本錢降低，具有良好的鍛造加工性能，是一種有極大開展?jié)摿Φ闹苽浼夹g(shù)。圖2為美國戰(zhàn)斗機各種材料結(jié)構(gòu)的重量比。2軍用功能材料2.1光電功能材料光電功能材料是指在光電子技術(shù)中使用的材料， 它能將光電結(jié)合的信息傳輸與處理，是現(xiàn)代信息科技的重要組成局部。光電功能材料在軍事工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。碲鎘汞、銻化銦是紅外探測器的重要材料；硫化鋅、硒化鋅、砷化鎵主要用于制作飛行器、 導(dǎo)彈以及地面武器裝備紅外探測系統(tǒng)的窗口、頭罩、整流罩等。氟化鎂具有較高的透過率、較強的抗雨蝕、抗沖刷能力，它是較好的紅外透射材料。激光晶體和激光玻璃是高功率和高能量固體激光器的材料， 典型的激光材料有紅寶石晶體、摻釹釔鋁石榴石、半導(dǎo)體激光材料等。2.2貯氫材料某些過渡簇金屬，合金和金屬間化合物，由于其特殊的晶格結(jié)構(gòu)的原因，氫原子比較容易透入金屬晶格的四面體或八面體間隙位中，形成了金屬氫化物，這種材料稱為貯氫材料。在兵器工業(yè)中，坦克車輛使用的鉛酸蓄電池因容量低、 自放電率高而需經(jīng)常充電，此時維護和搬運十分不便。放電輸出功率容易受電池壽命、充電狀態(tài)和溫度的影響，在寒冷的氣候條件下，坦克車輛起動速度會顯著減慢，甚至不能起動，這樣就會影響坦克的作戰(zhàn)能力。貯氫合金蓄電池具有能量密度高、耐過充、抗震、低溫性能好、壽命長等優(yōu)點，在未來主戰(zhàn)坦克蓄電池開展過程中具有廣闊的應(yīng)用前景。2.3阻尼減震材料阻尼是指一個自由振動的固體即使與外界完全隔離， 它的機械性能也會轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿默F(xiàn)象。采用高阻尼功能材料的目的是減震降噪。因此阻尼減震材料在軍事工業(yè)中具有十分重要的意義。國外金屬阻尼材料的應(yīng)用主要集中在船舶、航空、航天等工業(yè)部門。美國海軍已采用Mn-Cu高阻尼合金制造潛艇螺旋槳，取得了明顯的減震效果。在西方，阻尼材料及技術(shù)在武器上的應(yīng)用研究工作受到了極大的關(guān)注，一些興旺國家專門成立了阻尼材料在武器裝備上應(yīng)用的研究機構(gòu)。 80年代后，國外阻尼減震降噪技術(shù)有了更大的開展，他們借助CAD/CAMfe減震降噪技術(shù)中的應(yīng)用，把設(shè)計一材料-工藝-試驗一體化，進行了整體結(jié)構(gòu)的阻尼減震降噪設(shè)計。我國在 70年代前后進行了阻尼減震降噪材料的研究工作，并取得了一定的成果，但與興旺國家相比，仍有一定的差距。 阻尼材料在航空航天領(lǐng)域主要用于制造火箭、導(dǎo)彈、噴氣機等控制盤或陀螺儀的外殼；在船舶工業(yè)中，阻尼材料用于制造推