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航空钛合金棒、钛合金板等材料的特性及分类
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航空钛合金棒、钛合金板等材料的特性及分类

发布时间 :2020-11-25 09:20:55 浏览次数 :

钛合金材料作为飞机的心脏,航空发动机一直是各国研究与投入的重点。钛合金以其优良的热强性和高比强度,在航空发动机上获得了广泛的应用。多年来,为了满足高性能航空发动机的需求,欧美、俄罗斯等航空工业发达国家十分重视材料的研发,先后研制出了在 350~600℃使用的钛合金。钛合金是继镍基高温合金以后的第二大喷气式发动机常用的材料,占发动机结构质量的1/ 3 以上。按体积计算,钛合金是发动机上应用最多的材料。 

钛合金板

前苏联在 20 世纪 50 年代末期就开发出了 BT6、BT3-1、BT8、BT9 等牌号的钛合金,六七十年代又研制出了 BT18,BT25 合金,近年来又研发了 BT36 钛合金,分别用于HK8、IIC90A 等发动机。同样,美国也将 Ti64、Ti811、Ti6242 等钛合金分别用于 JT90、F-110等先进发动机中。80 年代以后,欧美设计的各种先进军用战斗机和轰炸机中,钛合金用量已经稳定在 20% 以上,如第三代战斗机 F-15 钛合金用量占 27% ,第四代战斗机 F-22 钛合金用量占 41% 。 

我国于 1956 年开始钛和钛合金研究。在 Ti55 的基础上改进研制出 Ti60,是一种用稀土金属 Nd 强化的近α型热强合金,可在 600℃环境下长时间工作,用于航空发动机高压段的压气机盘、叶片和鼓筒等;TB8 作为航空结构材料,用于飞机液压机系统、箔材用钛基复合材料基体、燃油箱等;Ti40 为全β型阻燃钛合金,用于飞机发动机关键部件的机匣和叶片。 

我国钛资源丰富,已探明拥有 8.7 亿吨的钛(以二氧化钛计)资源储量,占世界已探明可储量的 60%左右。目前我国已成为继美国、俄罗斯、日本之后,具有完整工业体系和生产能力的世界第 4 大钛工业国。如此的储备量也使钛合金将在我国得到更加快速的发展。 

1、钛合金概述 

钛熔点 1668℃,比铁高 138℃,在轻金属中属于熔点较高的金属;密度为 4.51g/cm3,为钢的 57% ;室温下表面形成稳定的氧化膜,具有高的耐蚀性。钛属于稀有元素,在地壳中的丰度占第九位,有 0.42% ,在含量最丰富的结构金属中排第 4 位,仅次于铝、铁和镁。 

目前,己研制出的钛合金有 100 多种,其中的 20~30 种已经达到了商业化应用水平,如 Ti-6Al-4V、Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V、Ti-2Al-1.5Mn、Ti-5Al-2.5Sn、Ti-2Al-2.5Zr、Ti-32Mo、Ti-6242、Ti-1023 等。 

钛合金因具有比强度高,耐热性、耐蚀性好等综合性能,在各个领域(包括:航空航天、生物医学、汽车等)得到了广泛的应用。与其他金属材料相比,具有下列优点:

1)较高的强度。纯钛的抗拉强度 274~417MPa,在加入适量合金元素后,强度显著增加,如 TC4钛合金,强度可达到一般高强度钢,另外有些钛合金具有更高的强度,如Ti-15Mo-5Zr-3Al 合金的屈服强度、抗拉强度分别为 1450MPa、1470MPa。 

2)较高的比强度。比强度是指抗拉强度与密度的比值。多数钛合金抗拉强度可达1000~1400MPa,而密度仅为钢的 0.6 倍。其比强度是不锈钢的 3.5 倍,镁合金的 1.7 倍,铝

合金的 1.3 倍,如表 1 所示。 

表 1   钛与其他金属密度和比强度比较 

金属    钛(合金) 铝(合金) 镁(合金) 高强度钢
相对密度4.57.872.71.747.8
比强度    (N·m/kg)29-211623

3)高、低温性能稳定。通常铝合金在 150℃、不锈钢在 310℃即失去了原有的性能,而钛合金在 500~600℃环境下仍能保持良好的力学性能。同时,某些钛合金的强度随温度的降低而升高,而塑性降低的不多,具有较好的低温延展性和韧性,如 TA7钛合金在-253℃超低温环境下仍能保持一定的塑性。 

4)耐蚀性好。钛表面在大气中会立即形成一层均匀致密的氧化膜,这种氧化膜具有抵抗多种介质侵蚀的能力。在一些腐蚀性介质(如海水、湿氯气、硝酸、铬酸和氯化物溶液)中具有较好的耐蚀性。 

5)除上述突出的优点外,还具有形状记忆特性、超导、吸氢等特性。 

钛合金棒

2、钛合金的分类 

钛是同素异构体,分为α钛和β钛。其中α钛是指低于 882℃时呈密排六方晶格的结构;α钛是指 882℃以上呈体心立方晶格的结构。由于它们结构具有的不同特点,添加适当的合

金元素,使其相变温度及相分含量发生变化可得到不同组织的钛合金。室温下,钛合金有三种基体组织,分为α合金、 β合金和(α+β)合金三类,分别以TA 、TB 、TC 表示。 

1)α型钛合金 

α型钛合金是α固溶体组成的单相合金,无论在一般温度或较高的温度下,均为α相,主要特点是密度小,组织稳定,耐磨性、耐蚀性、焊接性良好及较强的抗氧化性能;缺点是

室温强度较低、变形抗力大、热加工性能差,通常用作耐热、耐蚀材料。 

α钛合金中的合金元素主要是α相稳定元素和中性元素如铝、锡、锆等。工业上,加入铝可以获得 型钛合金,属于Ti-Al 系。铝能够使α相显著强化,但加入量过多会因基体

出现Ti3Al 相而使其塑性不好。为进一步改善 钛合金的耐热性,Ti-Al 系合金中还添加锆、锡等中性元素。 

α钛合金在 500~600℃的温度下,仍保持较高的强度和抗蠕变性能,可进行热处理强化,有很好的热强性和热稳定性,焊接性能好,有较好的室温、超低温和高温性能。航空工业常用的α型钛合金有 TA1~TA7 等,其中 TA7 合金可用作承力较大的饭金件、锻件等。 

2) β型钛合金 

β钛合金是一种未热处理便可达到较高强度的β相固溶体组成的单相合金,淬火、时效后得到进一步强化,室温强度可达 1372~1666MPa;然而, β钛合金存在诸多缺点,如热稳定性能和组织稳定性较差、对杂质元素有较高的敏感性、长期加热易出现脆性化合物、不适合在高温条件下使用等。此外,该类合金还存在焊接性能差和冶金工艺复杂的弊端。 

亚稳定β钛合金是在工业上使用最多的  型钛合金,该类钛合金对其稳定元素含量的要求只需大于KBC即可。因为只要将其加热至  相区淬火便会发生马氏体转变,而马氏体转变 的开始温度SM 与转变终了温度fM 与合金中稳定元素的含量成反比,并且当稳定元素的含量大于KBC时开始温度SM 降低到室温,一般称该KBC为临界浓度。在固溶状态下,亚稳定型钛合金具有较好的工艺塑性,易于加工成形,经过时效处理后可以达到较高的强度。例如TB2 合金,固溶状态σb<1000MPa,δ≥20%;时效后σb≈1350MPa,δ≥8%。

目前,国内β型钛合金在飞机结构件、紧固件等方面得到了应用。常用的有 TB1~5、TB8等。 

钛合金管

3)(α+β)型钛合金 

α+β钛合金是双相合金,平衡状态下合金的组织为α相和 β 相,它兼有α 和 β 钛合金的优点,中等强度,组织稳定性好,有良好的韧性、塑性和高温变形性能。能较好的进行热压力加工,能进行淬火、时效使合金强化,热处理后的强度约比退火状态提高 50%~100%;高温强度高,可在 400~500℃的温度下长期工作,其热稳定性仅次于α钛合金。 

α+β型钛合金可以通过调整成分,使合金的组织在很宽的范围内变动(从近α 型直到近β 型合金),以满足不同的性能及使用要求。由于合金既加入α相稳定元素又加入 β相稳定元素,使得α和 β相同时得到强化。α+β型钛合金的性能主要由 β相稳定元素来决定,β稳定元素的固溶强化效应并不大,但是对β相的稳定作用却很明显,加入量不太高,就可以得到淬火β相,通过退火或时效,可使其室温强度提高到 1400MPa 以上,但应说明,由于钛合金的热导率低,限于大锻件的淬透性,只有少数合金能达到这一强度水平。另外,α+β型钛合金的性能还与加工处理方式有关。 

α+β型钛合金应用广泛,其中 Ti-6Al-4V 合金的产量占全部钛材一半以上。 

另外,钛合金按用途可分为结构钛合金、耐热钛合金、耐蚀钛合金(钛-钼、钛-钯合金等)、

低温钛合金以及特殊功能钛合金(记忆钛合金、超导钛合金、贮氢钛合金)等。 

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