钛合金

1954年美国研发的结构金属

钛合金

钛合金（titaniumalloy）是含有钛和其他化学元素的合金。[0][3]具有α合金、β合金、α+β合金等多种种类，[4]最常使用的钛合金是Ti-6Al-4V合金，即钛与少量的铝和钒形成合金，其中铝和钒通常分别占重量的6%和4%。[3]钛合金一般通过真空电弧炉熔炼、冷床炉熔炼、粉末冶金等方法制备。[5]具有硬度较高、密度低、比强度高、抗疲劳、耐腐蚀等多种优良性能，[1][6]在航空航天领域可以作为飞机和宇宙飞船的制造材料，[7]在军事上可以应用于坦克和火炮的制造，[8]其也常被用作制造油井的钻杆和船舶海水管路系统，具有多种应用。[1][9]虽然钛合金也存在熔炼要求较高、难成型、成本高等问题，[10][11]但随着研究的深入，它的应用还在进一步扩展。[12]

钛合金（titaniumalloy）是含有钛和其他化学元素的合金。[1][4]具有α合金、β合金、α+β合金等多种种类，[5]最常使用的钛合金是Ti-6Al-4V合金，即钛与少量的铝和钒形成合金，其中铝和钒通常分别占重量的6%和4%。[4]钛合金一般通过真空电弧炉熔炼、冷床炉熔炼、粉末冶金等方法制备。[6]具有硬度较高、密度低、比强度高、抗疲劳、耐腐蚀等多种优良性能，[2][7]在航空航天领域可以作为飞机和宇宙飞船的制造材料，[8]在军事上可以应用于坦克和火炮的制造，[9]其也常被用作制造油井的钻杆和船舶海水管路系统，具有多种应用。[2][10]

虽然钛合金也存在熔炼要求较高、难成型、成本高等问题，[11][12]但随着研究的深入，它的应用还在进一步扩展。[13]

钛合金的发展

1954年，美国研制出了第一种实用高温钛合金Ti6Al4V，这种合金兼具α＋β两相特征，具有高的热强性、塑性、韧性、成形性、焊接性、耐腐蚀性以及良好的生物相容性，因为这种合金在300-350℃下长期使用，所以得到了广泛应用。随后其他国家也相继研发出更加具有耐温性能的钛合金，例如450-500℃的IMI679、BT3-1等合金、500-550℃的Ti-6242S、IMI685等合金，自20世纪80年代以来，为满足发动机用材的需求，600℃高温钛合金相继问世，典型的代表有英国的IMI834、美国的Ti1100以及俄罗斯的BT36合金。[3]

中国高温钛合金的研发工作起步较晚，前期以仿制为主。经过不断创新后，逐步形成了以添加稀土元素为特色的近α型高温钛合金体系。其中可以在600℃下使用的高温钛合金有Ti60、Ti600和TG6，而在600℃以上的钛合金为Ti65。[3]

钛合金制造的发动机
钛合金制造的发动机

理化性质

钛合金一般具有较高的强度和硬度，其抗拉强度在686-1176MPa左右，硬度为32-38HRC，[13]钛的密度(20℃)为4.506-4.516熔点较高，为1650℃。但其弹性模量和热膨胀系数较低，约为108GPa(钢约为201GPa)和℃，钛合金耐腐蚀性良好，对HIC(氢致开裂)不敏感，且钛合金无磁性、抗震性好。[2]

α钛合金

只含有中性合金元素（如锡）和/或α稳定剂（如铝或氧）的α合金，是由单固α相溶解形成。这些合金具有良好的高温性能，但不允许通过热处理来改变微观结构而改造性能。它们主要用于化学和工艺工程行业，在这些行业中，优秀的腐蚀性和变形能力是最重要的，而高强度-重量比只排在第二位。[14]如：Ti-5Al-2Sn-ELI，Ti-8Al-1Mo-1V。[15]

近α钛合金

近α合金中除了有α相还有少于10%的β相，因为近α合金中加入了1-2%的β相稳定剂，如钼mù、硅或钒，这提高了合金的强度和可加工性，并促进了α+β合金强度和α合金抗蠕变能力之间的平衡。它们的最高工作温度被限制在大约500到550摄氏度.航空发动机的高温钛合金就是属于这一类。[16]如：Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo，Ti-5Al-5Sn-2Zr-2Mo，IMI685，Ti1100。[15]

α和β钛合金

α+β合金中包含4%-16%的β稳定剂，Ti-6Al-4V是这类里面最常使用的合金，占了钛合金应用市场的50%。在室温下，一般的商用α+β合金通常由10%-20%的β相。如：[15]Ti-6Al-4V，Ti-6Al-4V-ELI，Ti-6Al-6V-2Sn，Ti-6Al-7Nb。

β和近β钛合金

可转移的β和近β合金含有足够的β稳定剂（如钼、硅和钒），使它们在淬cuì火时保持β相，而且还可以进行溶液处理和老化以提高强度。如：[15]Ti-10V-2Fe-3Al，Ti–29Nb–13Ta–4.6Zr，[17]Ti-13V-11Cr-3Al，Ti-8Mo-8V-2Fe-3Al，BetaC，Ti-15-3。

钛合金等级

钛合金根据不同的性质和应用可以分为三十多个等级，最常用的是下面这几种：[18][19][20]

等级成分特性用途
2级90% 的钛、6% 的铝和 4% 的钒耐腐蚀性和焊接性船舶和汽车行业
4级90-95%的钛，4-6%的铝和0.25-1.2%的钒耐腐蚀、优异的机械性能和高强度重量比航空航天和化学工业应用
5级基本元素钛，6%的铝，4%的钒，0.25%的铁，和0.2%的氧承受高达430℃的温度和各种环境因素建造水处理设施、核反应堆
6级含有铝和锡优异的焊接可加工性，微观组织稳定性，抗氧化性和更高的高温强度（480°C）化学加工设备，燃气轮机外壳和环。
8级90%的钛，6%的铝和4%的钒高强度、耐腐蚀、重量轻以及良好的表面处理和热处理工业和化学应用
10级3%的铝，2.5%的钒和94.5%的钛多功能性、耐腐蚀性和耐热能力医疗假肢、植入物和手术器械
12级0.8%的镍niè，0.3%的钼，微量的碳和氧高度耐用，耐高温化学加工、热交换器、泵和阀门。
23级6% 的铝、4% 的钒、0.25% 的铁、0.13% 的氧气以及微量的碳、氮和氢组成更好的延展性和断裂韧性主要用于医疗植入物
38级4%的铝，3%的钒，1.5%的铁，0.2%的氧气以及微量的碳，氮和氢械性能与5级钛非常相似，耐高温工业和化学应用

比强度高、抗疲劳

钛合金具有很高的强度，其抗拉强度在686-1176MPa左右，[13]钛合金管比强度是镍基G3合金管的1.70倍，是普通P110钢管的1.66倍。钛合金疲劳寿命是普通钢材的10倍以上，其耐用性/抗断裂性好，热膨胀系数较低，为℃，是钢的四分之一，熔点较高，为1650℃。[2]

硬度较高、密度低

钛合金(退火态)的硬度为32-38HRC，[13]钛的密度(20℃)为4.506-4.516，约为镍合金的50%，低于常用铁、铜。[2]

耐蚀性好

钛合金耐蚀性优于镍基合金028、825、728，本体90%屈服强度载荷下不发生应力腐蚀开裂，在室温条件下，钛合金材料在、和NaCl混合溶液中浸泡96h无任何裂纹产生，对HIC(氢致开裂)不敏感，钛合金盐雾腐蚀速率是碳钢的万分之一、不锈钢的千分之一。[2]

宽屈服强度“窗口”

屈服强度为380～550MPa(55～80ksi)的钛合金可作成钛合金管线，屈服强度为760～965MPa(110～125ksi)的钛合金可作成油气井的油管和套管，屈服强度为935～1103MPa(125～160ksi)的钛合金可在极其恶劣的环境下使用。钛合金弹性模量小，约为108GPa(钢约为201GPa)，用于钻杆造斜方位角变化会更小，且钛合金无磁性、抗震性好。[2]

生物相容性好

钛及钛合金具有密度小、抗腐蚀性好与人体血液和细胞组织相容性好，无毒副作用与人体的自然骨的各方面性能非常接近等优点。[7]

优异的焊接性和塑性

化学性质活泼的钛合金焊接后容易因气体等杂质污染造成焊接接头脆化、气孔和裂纹，但可采用钨极氩yà弧焊、等离子弧焊、真空电子束焊和激光焊等方式焊接。[2]

高温和低温性能优良

在高温下，钛合金仍能保持良好的力学性能，其耐热性远高于铝合金，且工作温度范围较宽，在低温下，钛合金的强度反而比在常温时增加，且具有良好的韧性。低温钛合金在-253℃时还能保持良好的韧性。[13]

冷床炉熔炼

该法通过利用高能电子束枪或等离子枪的能量使原料熔化，熔融状态的原料在精炼区经过高温熔解、沉淀捕捉等机制去除杂质和夹杂，得到提纯后的熔融原料流入坩gān埚，最后在坩埚底部逐渐凝固被拉出。[6]

粉末冶金制备工艺

该法是以金属粉末作为原料，经过成形和烧结，在低于熔点的温度下得到最终产品。其可以采用氢化脱氢法得到纯钛粉，将其与合金粉末混合，经模压或冷等静压成形，真空烧结得到最终产品。[6]

热处理优化

钛合金需要热处理主要是通过固溶处理和时效来提高强度，以及优化特殊性能，如断裂韧性、疲劳强度和高温蠕变强度。[21]α和近-α的合金不能通过热处理完善性能，但可以采用应力消除和退火工艺。[22]β合金不仅可以进行应力消除或退火处理，而且还可以进行固溶处理和老化。α-β合金是两相合金，在室温下包括α和β相。α-β合金中的相组成、大小和相的分布可以通过热处理在一定范围内进行操纵，从而对性能进行定制生产。[23]

航空航天

钛合金在航天方面上的主要应用是在火箭发动机壳体、火箭喷嘴导管、导弹的外壳及宇宙飞船的船舱或者燃料和氧化剂储存箱及其他高压容器方面，钛合金因为具有耐高温、耐低温、抗辐射等性能，已经成为航天领域的关键材料。[8]其在飞机结构上的应用也多种多样，例如在飞机骨架、舱门、液压管路及接头、起落架等方面，且所使用钛合金的使用温度一般不高于350 ℃，如美国军用大型运输机C-17的安定面转轴等关键部位均采用了高强高韧性的钛合金。[8]

在航空发动机上也常将钛合金应用在压气机叶片、盘和机匣等零件上，其在应用中更注重钛合金在高温下的比强度、热稳定性、抗氧化性以及抗蠕变等性能，如F-22战斗机所用F119发动机的风扇，便采用了宽弦空心钛合金叶片，这可以让发动机在满足性能要求的同时，还可以进一步提高推重比。[8]

生物医疗

钛合金金是在金属医用材料中最佳材料之一，其具有多种优异性能，是骨科的一种常用植入物材料，在骨科领域有广泛应用，其可用于制作接骨板、髓内钉、关节置换物等材料用于外科创伤修复或关节替换，新型的β型医用钛合金弹性模量更接近人体骨骼等优点被广泛应用。[24]

敏感元件

铜钛合金可以用来制作敏感元件和弹簧接插件，日矿金属加工公司针对电子机器的

接线插头铜合金所需要性能，开发出NKT322和NKT180两种型号的高强度铜钛合金，而向铜钛合金中添加一定量的Fe、Al等元素则被称为钛青铜，其在继电器的弹性元件、真空插座、各种控制系统的弹簧、接插元件等方面具有多种应用。[25]

石油天然气开采

高含硫气田在勘探开发钻井和完井过程中，因为H2S的腐蚀性，会造成钻具脆断和穿孔等井下事故，可以通过熔炼钛合金锭锻造钻杆以及使用钛合金管，钛合金不仅具有优良的抗硫化物应力开裂腐蚀性能和更高的屈服强度，并且所打造的钻杆也更加具有灵活性和使用寿命。此外，因为钛合金易于弯曲的特性，还可以用于天然气集气管网的铺设，通过使用单面焊接双面成型技术，保证焊缝更加均匀可靠。[2]

坦克装甲车辆

钛合金可以用于坦克的制造，用于制作钛合金的披挂装甲、舱盖、底盘组件等增加其抗弹性能和降低其重量，例如M2A2布雷拉德利坦克的车长舱盖，便是使用钛锻件打造而成，这种舱盖不仅比钢舱盖更轻，而且抗弹性能也与之相差无几，而M1A2艾布拉姆斯坦克通过使用钛合金减轻了底盘组件的重量，减重超过1500磅。[9]

火炮

通过在火炮制作中使用钛合金，可以使火炮在精度、射程、威力和机动性方面得到显著的提高，对其大量采用钛合金不仅可以降低火炮成本还可以减轻其重量，同时还可以使用精密铸造工艺以减少其部件数量。例如超轻型野战火炮(UFH)M777采用钛合金打造，并采用先进的制造工艺，其重量大约是现役火炮M198重量的一半，具有高速运输、牵引的特点。[9]

海洋领域

钛合金因为其低密度、耐腐蚀的特性，已经成为船舶海水管路系统的理想选择。并且钛合金的极限设计流速超过10m/s，可以为船体系统提供更高的流速设计。此外，它还具有无磁性、透声、抗冲击震动、可加工性(包括铸、锻、焊接)好等特点，使得钛合金在船舶中得到了广泛的应用，如船体结构件、深海调查船及潜艇耐压壳体、管道、阀及配件、动力驱动装置中的推进器和推进器轴、热交换器、冷凝器、冷却器、声纳导流罩等都有钛合金的应用。例如俄罗斯在20世纪60-80年代在船舶上大量使用钛合金，几乎所有的潜艇都采用了钛合金管道，美国的“圣安东尼奥”级两栖船坞运输舰(LPD17)在2个主海水配管系统(压载水和消防系统)也均采用了钛合金制造。[10]

存在问题和缺点

钛合金的熔炼需要要求较高，因为在高温条件下，钛易与氧、氮、硅、碳等元素发生反应，使得在钛在熔炼和热处理过程需要在真空或惰性气体保护下进行，这使得对钛合金的成分纯净性和均匀性控制较为困难。[11]

钛合金较难成形，因为钛合金本身的变形能力差，屈/弹比高，热导率低，所以导致采用常规冷/热加工成形较为困难。[11]

钛合金的制造需要较高成本，这极大限制了钛合金材料的应用推广，也阻碍了钛合金材料在海洋工程、武器装备及民用领域的大量使用。[12]

钛合金废料在回收方面仍存在一些问题，主要包括回收方法单一、表面污染层严重、杂质含量高等问题，这些问题需要进一步开展更为系统、深入地相关熔炼工艺研究。[11]

参考资料 25

  1. SID 135319956 — PubChem
  2. 参考 2
  3. 参考 3
  4. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214785322000281
  5. Characteristics of Alpha, Alpha Beta and Beta Titanium Alloys — AZO Materials
  6. 参考 6
  7. 参考 7
  8. 参考 8
  9. 参考 9
  10. 参考 10
  11. 参考 11
  12. 参考 12
  13. 参考 13
  14. https://www.researchgate.net/profile/A-Loureiro/publication/283863116_Properties_and_applications_of_titanium_alloys_A_brief_review/links/578e0d7a08ae35e97c3f5e6e/Properties-and-applications-of-titanium-alloys-A-brief-review.pdf
  15. 参考 15
  16. 参考 16
  17. 参考 17
  18. Titanium Alloy: Types | Properties | Applications — .rankred
  19. Types of Titanium Alloys: Grades, Properties, and Uses — waykenrm
  20. Types Of Titanium Alloys: Grades, Properties, And Uses — flyingprecision
  21. https://books.google.com/books?hl=en&lr=&id=OWZluNOVc5QC&oi=fnd&pg=PR4&dq=heat+treatment+titanium+alloy&ots=8zMLXAA7Ep&sig=3hpyV6--f7UK1mBh841r7Z3jnyQ#v=onepage&q=heat%20treatment%20titanium%20alloy&f=false
  22. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0921509398011551
  23. https://link.springer.com/article/10.1007/s11661-020-05625-3
  24. 参考 24
  25. 参考 25
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