鈦合金的應(yīng)用與發(fā)展

鈦合金的應(yīng)用與發(fā)展

1鈦為綠化材料的應(yīng)用鈦和鈦的特性（密度低、比強(qiáng)、耐腐蝕、耐高、低溫、無磁、無害）。隨著鈦及其合金的廣泛應(yīng)用和人們的關(guān)注，鈦也被稱為“第三金屬”和“飛機(jī)金屬”。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。β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狀態(tài)組織類型分類當(dāng)合金中的β穩(wěn)定元素含量足夠高時(shí),β固溶處理后經(jīng)快速冷卻將β相保留至室溫,這種合金屬于β鈦合金。按穩(wěn)定狀態(tài)組織類型分類時(shí),β鈦合金可分為穩(wěn)定β型鈦合金、亞穩(wěn)定β型鈦合金和近β型鈦合金。各國(guó)在研究設(shè)計(jì)β高強(qiáng)度合金時(shí),為保證β相的穩(wěn)定性,分別提出了Mo當(dāng)量公式、電子濃度和β相穩(wěn)定系數(shù)Kβ。這就意味著研究合金化理論過程中,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熱處理組織作用Mo當(dāng)量大于25的鈦合金為全β型鈦合金,在室溫具有穩(wěn)定的β相組織,具有良好的耐腐蝕性能、可焊性和冷成型性。無熱處理效應(yīng),退火后為全β相。典型的全β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)定性相亞穩(wěn)定β型鈦合金含有臨界濃度以上的β穩(wěn)定元素,Mo當(dāng)量為13.8~25,Kβ為1.37~2.38,電子濃度為4.18~4.33,從β相區(qū)固溶處理后空冷或水淬,幾乎全部為亞穩(wěn)定β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采用+兩相和亞穩(wěn)定相合金近β型鈦合金含有臨界濃度附近的β穩(wěn)定元素,Mo當(dāng)量為8.5~13.8,Kβ為1.10~1.21,電子濃度為4.15~4.16,因此此類合金兼有α+β兩相和亞穩(wěn)定β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鈦合金的使用3.1接觸毒性元素的測(cè)試生物醫(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,而且在目前的臨床應(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,V,Cd,Co,Hg,Cr,Ni等元素對(duì)細(xì)胞的接觸毒性較強(qiáng),Al,Fe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)制造上易加工性,價(jià)格便宜,使用方便等。近年來,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β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越廣泛的應(yīng)用。其臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用包括:骨科、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。3.1.1金屬酶學(xué)和微生物活性醫(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。β型醫(yī)用鈦合金正是適應(yīng)這一要求而得以迅速發(fā)展的,其彈性模量和抗拉強(qiáng)度對(duì)比如圖1所示。美、日等國(guó)開始大力發(fā)展以β型鈦合金為主的第三代新型生物醫(yī)用鈦合金。Ti-13Nb-13Zr是美國(guó)1996年研制成功且最早被正式列入國(guó)際ISO標(biāo)準(zhǔn)的β型醫(yī)用鈦合金。我國(guó)“十五”期間才開始對(duì)第三代β型醫(yī)用鈦合金進(jìn)行研究,目前有TAMZ,TLM和TLE等獲得國(guó)家發(fā)明專利。TAMZ是α型鈦合金,生物相容性優(yōu)良,適于充當(dāng)夾骨板、隧內(nèi)針和螺釘?shù)柔t(yī)療內(nèi)固定器械。TLE和TLM可用作牙種植體、骨、關(guān)節(jié)等人體硬組織的修復(fù)與替代材料。3.1.2生物活性涂層從20世紀(jì)80年代起發(fā)達(dá)國(guó)家就開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。β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β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(TFCalloy)和Ti-4.3Fe-7.1Cr-3.0Al(TFCAalloy)。新型生物醫(yī)用β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β相穩(wěn)定元素;3)是否能提高新型β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β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等為無毒元素,生物相容性好;Mo,Fe,Au等具有某種程度的生物相容性。β相穩(wěn)定元素有Mo,Nb,Ta,V,Cr,Fe等,按照上面所說生物醫(yī)用β鈦合金的設(shè)計(jì)原則,選用合適的合金元素并調(diào)配好各種元素的百分含量,以求達(dá)到最優(yōu)的力學(xué)性能、生物相容性、彈性模量、耐磨耐蝕性等的匹配。通過綜合的考慮,一般常用的合金元素為:Mo,Nb,Ta,Zr,Sn,Fe等。TIMETAL21SRx合金的組成為Ti-15Mo-3Nb-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發(fā)的。隨著鈦合金在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用而被用作生體用植入材料。為保持β的穩(wěn)定,合金中氧含量稍高。與Ti-6Al-4V合金相比,經(jīng)退火后該合金有較高的拉伸強(qiáng)度及較低的彈性模量(83GPa),且其耐腐蝕性增強(qiáng)。TMZFTM(Ti-12Mo-6Zr-2Fe)合金是由美國(guó)研制的一種亞穩(wěn)態(tài)β鈦合金,從754℃或更高的β轉(zhuǎn)變溫度快冷后,合金保持全β組織。該全β組織在隨后的時(shí)效過程中將沉淀析出細(xì)的α相。通過時(shí)效處理,固溶退火TMZFTM合金的強(qiáng)度能進(jìn)一步增大。與Ti-6Al-4V合金相比,TMZFTM合金有較高的強(qiáng)度、較低的彈性模量、較高的斷裂韌性及較好的耐磨性。它也有優(yōu)良的耐腐蝕性和類似于Ti-6Al-4V合金平滑的疲勞強(qiáng)度。鑒于其高強(qiáng)度、低模量及優(yōu)異的耐腐蝕性,該合金最適合用于矯形器件,現(xiàn)已投入臨床使用中。Ti-2Mo-2Zr-3Al合金是由我國(guó)西北有色金屬研究院自行研制的一種β鈦合金。與Ti-6Al-4V相比,這類合金具有較高的拉伸強(qiáng)度、斷裂韌性,更好的耐磨性能以及較低的彈性模量(75GPa),是一種很具開發(fā)潛力的生物材料。但由其組成可見,這種合金含有對(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)其表面進(jìn)行改性處理,如在其表面制備生物活性涂層——羥基磷灰石等。Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr合金[10~12]是由日本豐橋科技大學(xué)與大同特殊鋼公司共同開發(fā)的一種由無毒元素構(gòu)成、其耐磨性和力學(xué)性能都接近于Ti-6Al-4V,又有較低的彈性模量的醫(yī)用β鈦合金。Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr合金中,因含有大量高熔點(diǎn)的鈮和鉭,所以比傳統(tǒng)Ti-6Al-4V之類鈦合金的熔點(diǎn)高得多(新合金熔點(diǎn)為2163K)。為了進(jìn)一步改善合金的力學(xué)性能,經(jīng)過試驗(yàn)研究得出:該合金經(jīng)過1033K,0.5h固溶處理后,采用673K時(shí)效24h后,其力學(xué)性能和耐磨蝕性能最佳,比現(xiàn)有合金優(yōu)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)用植入物材料的基本性能,其彈性模量也頗接近于人體骨骼。接著,又成功的制造具有使用規(guī)模的鑄錠到鍛造加工材料。3.2、鈦合金的力學(xué)性能β鈦合金在航空航天工業(yè)中的應(yīng)用越來越廣,在軍民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的作用越來越大。β鈦合金性能優(yōu)異,可熱處理到較高的強(qiáng)度(>1400MPa),與等強(qiáng)度的α或α/β鈦合金相比,有優(yōu)良的斷裂韌性,某些合金的抗疲勞性能也很好。使用β鈦合金可以大幅度降低飛機(jī)重量。β型鈦合金具有良好的冷、熱加工性能,易鍛造,可軋制、焊接,可通過固溶-時(shí)效處理獲得較高的力學(xué)性能、良好的環(huán)境抗力及強(qiáng)度與斷裂韌性的很好配合。隨著工藝的改進(jìn)和低成本β鈦合的研究成功,β鈦合的應(yīng)用前景更加廣闊。3.2.1試驗(yàn)研究和材料研究1949年在美國(guó),DouglasAircraft從RemingtonArms定購(gòu)了真正用于飛行目的的第一批鈦。20世紀(jì)50年代中期由美國(guó)Crucibl鋼鐵公司研制出了第1種β鈦合金B(yǎng)120VCA合金(Ti-13V-11Cr-3Al),主要用于制造SR71飛機(jī)的高強(qiáng)度板材零件。第一個(gè)商業(yè)化的β鈦合金Ti-13V-11Cr-3Al(Ti-13-11-3,B120VCA)是在20世紀(jì)50年代由RemCru鈦公司研制的。它是早期β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”飛機(jī)[14~16]。Ti-30Mo(及多種改型)穩(wěn)定β鈦合金是1952年由RemCru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。該合金存在熔煉方面的問題,當(dāng)今坩鍋熔煉技術(shù)的進(jìn)步,有可能涉及這類合金。通用電器公司于1968年研制成功的近β鈦合金Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr(Ti-17)可以作為高強(qiáng)度鍛件。在70年代初期,該公司用此合金作中溫(低于425℃)范圍的發(fā)動(dòng)機(jī)盤。早在80年代中期,每架B-1B轟炸機(jī)上用了100多個(gè)成形的Ti-15-3零件。普惠公司于1990年發(fā)展的AlloyC(Ti-35V-15Cr)穩(wěn)定β鈦合金,具有抗燃燒性,已用于普惠軍用發(fā)動(dòng)機(jī)的矢量噴口。航空用強(qiáng)韌性鈦合金近幾年在我國(guó)受到高度重視,國(guó)內(nèi)研制了超高強(qiáng)鈦合金β21(TB8),TB8鈦合金在“九五”期間進(jìn)行了大量研究工作,像試制了Φ165mm大規(guī)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σb:1250MPa,σs:1105MPa,δ5:8%,ψ:15%,KIC:50MPa·m1/2。在“十一五”期間,材料研制部分(寶鈦股份和北京有色金屬研究總院)將進(jìn)一步開展研究工作,努力擴(kuò)大該合金的應(yīng)用范圍。西北有色金屬研究院葛鵬、趙永慶等人以“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)β鈦合金Ti-B20。合金在α+β區(qū)固溶后在500℃~600℃時(shí)效時(shí)可以獲得優(yōu)良的強(qiáng)度和塑性匹配(抗拉強(qiáng)度:1200MPa~1500MPa;延伸率:8%~18%)。3.2.2ti1033和ti-15-3由于航天航空工業(yè)中β鈦合金主要用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)盤和葉片、機(jī)匣,發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)航空用鈦合金的要求非?？量?要具有室溫性能、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。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年代初分別研制成功各自的阻燃鈦合金,其中美國(guó)的AlloyC(Ti-35V-15Cr)[20~22]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)[23~29]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。一方面,Ti40合金燃燒的熱量能快速散開,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斷空氣中氧向基體輸送,降低燃燒的速度?？傊?Ti-40阻燃鈦合金是一種新型的全β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[32~35]。表1為Ti-1023與Ti-6Al-4V和30CrMnSiA的力學(xué)性能對(duì)比。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。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1195MPa,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270kg。Ti-13V-11Cr-3Al(B120VCA)是早期β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)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%。Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al(Ti-15-3)合金是在美國(guó)空軍的資助下開發(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)1000MPa以上,PW公司在其發(fā)動(dòng)機(jī)上大量使用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Ti-15-3零件,其中許多零件用于尾部的發(fā)動(dòng)機(jī)艙結(jié)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Ti-15V-3Cr-1Mo-3Al-0.5Nb-0.5Zr,用于最小拉伸強(qiáng)度為1100MPa的場(chǎng)合,合金的塑性比Ti-15-3好。國(guó)內(nèi)西北有色金屬研究院開發(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Timetal21S,該合金由TIMET公司在1989年開發(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(MMC’S)的基體。相比于Ti-15-3,該合金的氧化抗力可以提高100倍。另外,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。Beta-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74kg。AirbusA-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AlloyC用于F119發(fā)動(dòng)機(jī)。Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr的商品名稱為β-C或Ti-38644,由RMI在20世紀(jì)60年代后期開發(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,該合金是前蘇聯(lián)在20世紀(jì)70年代開發(fā)的一種高強(qiáng)度近β鈦合金,有時(shí)也將其歸于富β的α+β鈦合金?，F(xiàn)用于最小拉伸強(qiáng)度為1105MPa的場(chǎng)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鈦合金用于其他用途4.1應(yīng)用減輕劑的應(yīng)用汽車框架用懸簧由于其要求的彎曲疲勞強(qiáng)度為800MPa,而只有β鈦合金能達(dá)到,并且可以有效減重40%~50%,所以其應(yīng)用越來越受到人們的重視。Volkswagen研制出了鈦簧連續(xù)生產(chǎn)工藝,即在自動(dòng)卷絲機(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LupoFSI尾軸上首次采用了鈦簧。4.2鈦合金ti-20v-3al-1sn的冷加工性能β鈦合金在固溶狀態(tài)下是體心立方單相組織,經(jīng)過時(shí)效處理檢出六方晶格β相,使其強(qiáng)度提高。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)公司開發(fā)了新型β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,通過壓縮試驗(yàn),評(píng)價(jià)新β鈦合金的冷加工性能,結(jié)果表明:與α+β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Ti-15-3β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)β鈦合金經(jīng)850℃固溶處理之后,在450℃保持8h時(shí)效處理,強(qiáng)度可以達(dá)到1400MPa。β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固溶過程設(shè)計(jì)原則為ti-s10亞穩(wěn)β鈦合金可以通過彌散強(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)?，F(xiàn)有的大部分亞穩(wěn)β鈦合金為了將β相在固溶淬火后穩(wěn)定的保留到室溫,加入了較多的β穩(wěn)定元素,這樣一來,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)β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β穩(wěn)定元素含量較低,時(shí)效時(shí)的響應(yīng)快、硬化效應(yīng)高,與β固溶時(shí)效相比,合金在β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1500MPa~1200MPa之間,合金兼具亞穩(wěn)β合金和近β合金的一些優(yōu)點(diǎn)。目前正在研究其應(yīng)用。5阻燃鈦合金的發(fā)展趨勢(shì)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。1990年以后,僅美國(guó)每年用于人體植入金屬件達(dá)到200萬件以上,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10年來,生物醫(yī)用材料及制品的市場(chǎng)增長(zhǎng)率一直保持在20%~25%,預(yù)測(cè)未來10~15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)。因此,對(duì)于生物醫(yī)用β鈦合金來說,1)深入研究合金元素對(duì)β鈦合金的組織和性能的影響,為新型β鈦合金材料的開發(fā)理論依據(jù);2)優(yōu)