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钛合金材料在舰船医学航空领域的应用优势
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钛合金材料在舰船医学航空领域的应用优势

发布时间 :2021-02-20 15:38:31 浏览次数 :

钛及钛合金材料具有高强度、良好的塑性和韧性,并具有足够的耐腐蚀性和高温强度,在航天、造船、化工等方面的应用愈发广泛。虽然钛制设备的一次性投资巨大, 但设备的可靠性和使 用寿命大大提 高, 经济效益明显。 目前, 钛合金管越来越多地应用到各种行业,如石油、化工、能源等行业,作为舰船设备和海水淡化技术领域的应用材料。钛及钛合金的焊接性和焊接工艺发展的研究工作得到了广泛的重视。

我国钛工业在过去几十年的发展过程中 ,取得了很大进展。相关部门对钛及钛合金应用技术的开发及研究相当重视,特别是船用钛合金的应用技术,对于钛合金的消耗比重大大的增加了。目前 , 我国已使用的船用钛合金包括TA2,TA16和TA17等,在船舶上得到了一定程度的应用。关于这些钛合金产品性能研究大部分停留在基本性能的研究,例如拉伸、弯曲等,缺乏能够深入评价的数据,此外,钛合金管道方面的研究也少有报道,需要对钛合金科研继续投入资金,开展低成本的技术研究,在保证产品拥有良好性能的同时,能进一步降低产品的加工及制造成本,同时要在特定的海洋环境下进行试验研究,积累更多的数据用来支撑钛合金工艺改进。

钛合金棒

1、钛及钛合金在舰船领域的应用

舰船性能的优异标志着海军战斗力强度的高低,舰船是海上运输和战斗的平台, 是海军最为重要的装备。因此, 制作军舰的材料性能要非常好, 在降低服役成本的同时,保证舰船系统的运行和维护,增强舰船的作战能力。钛合金优异的机械性能、耐腐蚀性、耐冲刷腐蚀性和较高的强度等特点,被应用在舰船上,用来提高舰船的可靠性和有效性 ,实现减重和增载。 目前,已经有大量舰船中管道材料使用经验可以证明,传统材料的使用寿命是有限的,钢管材料制作的管道, 使用寿命仅为1~2年, 铜镍合金材料制作的管道 , 使用寿命为6~8年,而钛合金材料制作的管道,使用寿命在40年以上。

美国的登陆船、气垫船 ( LVCA) 、水陆两栖强击登陆船( LHD) 、快速作战军需品补给船 (AOE-6) 、双层壳体监视船(SWATH T-GOS19) 、海岸探测船(MHC-51 )和导弹驱逐舰 (DDG-51)等,  舰船上的的海水冷却系统、海水系统和灭火系统、结构件、紧固件等,均使用性能高的钛合金。经过几十年的发展, 中国船用钛合金水平大大的提高,形成了独立舰船用的钛合金体系,对不同舰船的不同强度要求,不同强度的钛合金被用于不同部位,主要用于船舶动力工程中的耐热耐蚀部件和船用特种机械。钛合金广泛用于舰船,包括船体结构、推进系统、动力系统、辅助系统和特殊设备等。可以说钛合金材料可用于除船舶附件和舱室设施之外的所有大型设备和部件。

TC4钛管

2、钛及钛合金在医学领域的应用

钛及钛合金在医学领域的应用也十分广泛,因为钛的弹性模量与人体组织最接近,多用作人体硬组织修复材料,并且由于具有优良的生物相容性和耐腐蚀性, 人体在植入钛合金制作的金属体后可以减轻与骨组织之间的排斥性。研究发现一种多孔钛金属材料, 因其具有质量轻和比表面积大,被视为人体植入的最佳材料。 作为人体植入的 多孔钛材料有以下三个方面的优点: 

1)独特的多孔结构能够促使新生的组织长入到植入体孔隙,使植入体与人体新生组织连接在一起并   最终形成一个整体;

2)多孔结构能使人体吸收的营养在孔隙中传送,使得组织直接吸收,加快伤口愈合;

3)通过改变孔隙率改变多孔钛和钛合金的抗压度和弹性模量等, 使得多孔钛力学性能与人骨骨骼相当。通过粉末烧结的方法制备出的多孔钛其孔隙率一般在10%~80%,  抗压强度通常小于350MPa,  弹性模量在约12GPa ,  孔径通常在准100~准500µm,  孔径尺寸适合人体摄入的营养成分吸收。使用等离子烧结法制备出一种生物医用的多孔钛材料,其孔隙率为50%~70%,孔径一般在准100~准300µm、抗压强度通常为24~69MPa、弹性模量在1.0~1.3 GPa。改进粉体熔化发泡的方法,制备了总孔率高达90%的泡沫钛合金。钛材料的主孔为毫米级的球形孔,大量的微孔分布在孔壁上。目前,泡沫钛的研究主要是钛合金多孔植入材料,而对工程结构材料的研究相对较少140。 在性能研究中,主要是植入钛的生物性能,  关于胞状泡沫钛机械性能研究很少,此外,制得的样品孔隙率不是太高,通常小于75% 。

钛合金板

3)钛及钛合金在航空领域中的应用

在1949年的美国, 道格拉斯飞机公司从雷明顿武器公司订购了第一批实际用于飞行目的钛合金。20世纪50年代,Rem-Cru开发了第一种β钛(Ti-l3V-llCr-3Al) , 这种高强度可热处理合金已广泛应用于SR71高速预警飞机。20 世纪50年代后期,美国钛合金应用从航空领域转向导弹领域。后来, 在20世纪60年代, 钛又被广泛用于非军用的发动机和宽体喷气式飞机。

钛及钛合金精密铸件的使用取得了令人满意的经济效益,钛合金铸件质量不断的提高, 在20世纪80年代~90年代, 欧美飞机钛及钛合金铸件的应用数量显著增加。随着钛及钛合金铸件在飞机上的普及, 许多结构件也开始使用钛合金。波音飞机上CF6-80发动机的安装吊架 , 就是一个具有大应力条件的结构件,Ti-6Al-4V合金铸件现已使用,状况良好。

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