鈦工業(yè)新技術的發(fā)展

鈦工業(yè)新技術的開展鈦合金研究所

TRC－NIN.TRC－NIN被稱為崛起的“第三金屬〞的鈦因性能優(yōu)良，在航空航天、化工冶金、能源電力、船舶汽車制造、建筑、文體用品中具有廣闊的應用前景。然而鈦的提取、熔煉、加工和設備制造的工藝復雜，能耗高，本錢高；因而鈦材價格是普通鋼的十幾倍至二十幾倍，是不銹鋼的5～8倍，嚴重地阻礙了鈦的應用和開展。降低本錢的途徑主要有四條：★擴大生產規(guī)模；★降低原料和能量消耗，提高冶煉廠的金屬回收率、加工廠的成材率和設備制造廠的成品率；★研究新技術新工藝；★開發(fā)研制低本錢新型鈦合金。.TRC－NIN▲鈦的冶煉現階段鈦的冶煉方法主要為：→Kroll鎂復原法；→導電體介入復原法(EMR)；→Hunter法；→Armstrong法。.TRC－NIN海綿鈦的生產方法---鎂復原法.TRC－NINbeforecrushingaftercrushingTisponge:.TRC－NIN英國劍橋大學、日本京都大學分別報道了“FFC劍橋工藝〞和“OS京都工藝〞生產電解鈦的新方法(2002~2003)FCCCambridge法.TRC－NINFCCCambridge原理圖OS原理圖以上新工藝縮短了海綿鈦的生產周期，可大大提高海綿鈦的生產率.TRC－NIN由于FFC存在固相傳質，電解效率較低，西北有色金屬研究院杜繼紅等人利用電解化學反響原理，探索出了在TiO2中參加CaCO3，提高了電解效率.TRC－NIN▲鈦合金研究近年來，鈦合金的研發(fā)一直十分活潑。近期國內外研制的鈦合金主要有：BT37、CT20、Ti-600、Ti-60、7715D、Ti-40、Ti-26、Ti-6Al-4V-2Mo-1Fe+10vol.%TiB2,TP-650、橡膠金屬、Ti-B19、Ti-91等，這些合金可以滿足不同構件對材料應用性能的要求，如CT20合金是一種應用于火箭發(fā)動機液氫管路的新型低溫鈦合金；Timetal511合金、Ti-B19合金和Ti-91合金等因具有良好的韌性、抗腐蝕性和透聲性等，將有望用于大型艦船制造和海洋工業(yè)中。.TRC－NIN▲鈦合金研究?高溫鈦合金國內開展的600用鈦合金Ti60和Ti600合金均是以Ti-A1-Sn-Zr-Mo-Si等高溫系的根底上參加少量的稀土元素Nd，通過內氧化方式形成富有Nd、Sn和O的稀土相，降低基體中的氧含量，從而起到凈化基體，改善合金熱穩(wěn)定性的作用，同時稀土第二相粒子的析出強化改善了其高溫強度和蠕變性能。特別是西北有色金屬研究院(NIN)自主研發(fā)的600C高溫鈦合金，合金中含有少量的Y，使合金在保證較高高溫強度的同時，具有穩(wěn)定的蠕變性能。.TRC－NIN拉伸性能：〔2mm板材〕Rm＝1075MPa；Rp0.2＝987MPa；A＝12％；Z＝18%蠕變性能：600C/150MPa/100hredu=0.03％；650C/100MPa/100hredu=0.07％。Ti600的性能.TRC－NIN鈦基復合材料是600oC以上溫度使用鈦合金的延伸，TP-650合金是NIN自主研發(fā)的TiC顆粒增強的鈦基復合材料，其設計使用溫度為650

C,該合金具有高的比強度、比剛度和良好的耐蝕性能，具有良好的綜合力學性能TP－650復合材料.TRC－NIN50萬個復合材料〔Ti-6Al-4V-2Mo-1Fe+10vol.%TiB2〕汽車發(fā)動機排氣閥必用在ToyotaAlzeta汽車上。.TRC－NIN美國坩鍋材料公司通過冷壁坩鍋熔煉技術和氬氣霧化法，用鈦錠，Al－V中間合金，碳化鈦，硼化鈦制成復合材料粉末，再經1000℃/103MPa/3hr熱等靜壓制成擠壓坯，經9：1擠壓成

12mm的棒材。.TRC－NIN有望進一步提高鈦合金使用溫度的合金：700oC：O相TiAl合金800℃：

-TiAl合金變形困難，塑性低.TRC－NIN?損傷容限型鈦合金在BT37、BT22型高強合金的改型上，如VT22PT(0.25％C+0.2％B)，它比BT22具有更高的室溫、中溫強度及蠕變持久性能;TC21高強高韌損傷容限型鈦合金Ti-Bl9高強高韌耐蝕鈦合金TC4-DT中強高韌鈦合金國內研制情況：國外研制情況：.TRC－NIN合金強度（MPa）延伸率（％）斷裂韌性Mpa

m0.5TC211100890Ti-Bl91250885TC4-DT9801495幾種損傷容限型鈦合金的性能比照.西北有色金屬研究院研制的高強韌損傷容限型鈦合金Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Cr-Nb-Si系α＋β兩相鈦合金

UTS=1100MPa,YS=1000MPa,EL=8%,RA=12%KIC=70MPam，疲勞裂紋擴展速率da/dN同Ti-6-4合金相當

TC21合金TRC－NIN.船用鈦合金Timetal-5111S合金美國Timet公司與美國和海軍聯合開發(fā)了一種具有強度適中，韌性高、焊接性能好的近

鈦合金名義化學成分：Ti-5Al-1Zr-1Sn-1V-0.8Mo-0.1Si特點：－良好的斷裂韌性及抗氧化腐蝕性能。其沖擊韌性約為Ti-6Al-4V的3倍－具有良好的室溫蠕變性能－易于焊接，可以進行大規(guī)格型材的焊接，主要用于艦船制造和海洋工程TRC－NIN.幾種合金斷裂韌性比較參加0.05%Pd－Timetal5111Pd，提高耐縫隙腐蝕性能幾種合金的耐蝕性能比較TRC－NIN.Ti-Al-Mo-Zr-Cr-V系特點：－具有高強度〔1250MPa〕－具有很好的韌性〔KIC70MPam〕，在相同的斷裂韌性條件下，Ti-B19比c的強度高50～100MPaTi-B19合金西北有色金屬研究院研制，彈射裝置用缸體用材TRC－NIN.TRC－NINAlloy

g/cm3ThermaltreatmentconditionUTSMPaYSMPaEL％RA％

c(Ti-38644)4.821097

C/5hAC+816C/0.5AC+534

C/24hAC117311034.59.21097

C/5hAC+927C/0.5AC+510

C/24hAC1178112012.515.8Ti-B204.70780

CWQ+500

Cageing153614878.033780

CAC+550

Cageing142913711041?Ti-B20NIN自主研發(fā)的一種

鈦合金。固溶強化后，合金的最大拉伸強度為1400MPa，延伸率為8

10％，斷面收縮率為30

40%。.西北有色金屬研究院研制，艦船導流罩裝置用透聲鈦合金，用于我國艦船聲納裝置

名義化學成分：

Ti-3.5Al-1V-1Fe-0.5Zr特點：－良好的機械性能，透聲性能和冷成型性能Ti-91合金TRC－NIN.TRC－NIN?低本錢鈦合金以廉價的合金化元素如Fe、Si等代替昂貴的V，Mo、Nb等元素，實現原材料本錢降低三分之一。幾種低本錢鈦合金的室溫機械性能AlloyUTS/MPaYS/MPaEL/%RA/%AlloytypeDesignationerTi8LC118011201636near

+

NIN(China)Ti12LC120011002048near

NIN(China)Ti62S10249961426near

AmericanTimetalLCB105010051649near

American.TRC－NIN?橡膠金屬“GumMetal,〞：——超低模量－40GPa、高的強度－2000MPa；——超塑性性能超出正常2.5%；——非線性塑性變形行為；——冷加工性能可達99.9%，無加工硬化；——成分：Ti+25mole%(Ta,Nb,V)+(Zr,Hf,O).TRC－NIN▲鈦合金熔煉鈦熔煉技術的進步：電子束冷床爐(EB)等離子冷床爐〔PLAMSA〕熔煉烏克蘭的ANTARES公司.TRC－NIN凝殼——自耗電極熔煉技術：俄羅斯開展的一種類似于冷床爐的新型熔煉技術，其特點：——能有效去除熔融金屬中密度和熔點高于基體金屬的顆粒；——難熔金屬組元可以純金屬的形式參加；——可制備異型鑄錠；——同時可大量回收利用殘鈦；——爐子造價比冷床爐的低，耗電量較小。一次熔煉采用該工藝，二次采用真空自耗進行熔煉.TRC－NIN▲電渣重熔爐(ESR):ESR和VAR的區(qū)別是電極熔滴經過熔渣進入熔池而被提純了，非金屬的雜質和熔渣發(fā)生反響，由于屬于非直接結晶，消除了中心結晶孔，提高了均勻性，目前德國的ALD公司已可用ESR生產長方形扁錠。.TRC－NIN在惰性氣體保護下ALD真空技術電渣重熔爐.TRC－NIN置氫－脫氫處理技術

置氫－脫氫處理技術是通過氫的可逆合金化作用，即利用鈦合金的吸氫－放氫過程，可以把氫作為一種臨時性的合金元素，使鈦合金具有良好的熱加工性能，待加工完畢后，通過真空去氫處理，使材料的氫含量恢復到常溫下的平安水平，對鈦合金的微觀組織、力學性能和加工性能進行調整的一種新興熱加工技術。▲鈦加工.TRC－NIN運用氫處理技術提高鈦合金性能的途徑有兩種：——利用氫增塑效應；——利用氫處理細化鈦合金的微觀組織。.TRC－NIN?氫增塑效應在鈦合金超塑性成形之前參加適量的氫，降低合金的最正確應變速率敏感性指數m和延伸率，使形變激活能升高，降低超塑性變形時的流變應力，到達改善鈦合金超塑性性能的目的。對Ti-6A1-4V合金來說，在給定溫度的超塑性變形條件下，氫含量為0.17wt%時可到降低流變應力和增加m值的作用，同時使合金的超塑變形溫度降低100℃以上〔由900℃降低至785℃〕。.TRC－NIN?氫處理細化鈦合金的微觀組織結合塑性變形技術制備超細晶鈦合金，使鈦合金在較低的變形溫度和較高的變形速率下具有優(yōu)異的超塑性性能。600

700

C，如將Ti-6Al-4V中添加0.5wt%H,合金晶粒尺寸可降低至0.3

0.5

m；變形溫度為800

C,應變速率為1.0

10-3s-1時，合金的延伸率將高達6000%。.TRC－NIN?氫處理細化鈦合金的微觀組織結合塑性變形技術制備超細晶鈦合金，使鈦合金在較低的變形溫度和較高的變形速率下具有優(yōu)異的超塑性性能。600

700

C時，如將Ti-6Al-4V中添加0.5wt%H,合金晶粒尺寸可降低至0.3

0.5

m；變形溫度為800

C,應變速率為1.0

10-3s-1時，合金的延伸率將高達6000%。.TRC－NIN▲SPF／DB〔超塑性成型／擴散連接〕技術在航空航天部件的生產上已得到越來越廣泛的應用。超塑性成型結構可使本錢節(jié)省20％～40％。晶粒的超細化不僅使材料在常溫下具有優(yōu)異的力學性能，高應變速率超塑性或低溫超塑性的實現，有利于提高超塑成形的效率及節(jié)省能源和降低模具的損耗——在細晶超塑性研究中，首先要獲得等軸細晶組織.TRC－NIN?大塑性變形制備細晶的方法利用大變形量獲得超細晶材料：截面擠壓(E-CAP)、高壓扭轉變形(TorsionStrainingunderHighPressure)、多道次軋制、高溫多重等溫鍛造以及壓縮變形等。其中獲得工業(yè)應用的主要有等溫鍛造工藝，目前我國已研制出萬噸數控等溫鈦合金鍛造液壓機，其技術性能指標到達世界先進水平。該機的等溫鍛造超塑性成型速度可到達0.0050.05mm／s。.TRC－NIN利用大塑性變形法，已在TC4、TC11、Ti-10-2-3、TiAl等合金中獲得了亞微米晶或納米晶，變形溫度為750

800

C時，利用SPF／DB技術可將亞微米晶的Ti-6A1-4V合金板材成型出形狀復雜、組織高度均勻的空心近凈型件多層蜂窩結構〔SPF／DB技術〕.TRC－NIN▲固態(tài)自由成型技術〔SolidFreeformFabrication〕

——成型無需硬模；——省時：一次成型，無需后續(xù)加工；——節(jié)省本錢：本錢降低15－30%，材料利用率提高5％；——既可制造簡單零件，也可成型形狀復雜的零件，特別有利于復雜形狀、多品種、小批量零件的生產；——成型材料性能介與鑄造與鍛造之間。.TRC－NINSTLFileEBeamProcessFinishedSFFPart——電子束熔化成型:由CAD文件控制電子束對鈦金屬粉末床進行熔化掃描,融化所需要的工件形狀,這樣將粉末一層層鋪上去在掃描熔化.形成三維結構。.TRC－NINPrincipleofAeroMetLaserAdditiveManufacturingunit——激光熔化成型技術:同EBM相似,加熱源換成了激光束..TRC－NIN德國Trumpf公司、美國的AeroMet公司利用激光熔化成型技術生產出形狀復雜的零件，其中AeroMet公司利用該技術制成F－22飛機支架，F/A-18E/