钛合金的研究应用现状及其发展方向

2003年第2期钛工业进展9钛合金的研究应用现状及其发展方向娄贯涛洛阳船舶材料研究所,河南洛阳471039摘要综述了美、日、俄及中国的钛合金研究应用现状及其新进展,并指出了钛合金的发展应用方向。关键词钛合金;研究;应用;发展1钛合金的研究应用现状金属钛作为工程材料也只不过50多年的历史,但钛及其合金因其比强高、耐高温,是宇航工业的理想材料;因其良好的耐腐蚀性,又是航海、石油、化工、医药等行业的理想材料;钛镍合金因其形状记忆功能,可用于卫星和飞船的天线、宇航系统的油管密封和其它自控装置;钛合金的无磁性,钛铌合金的超导性,钛铁、钛镁合金的储氢能力使其在高技术和尖端科学方面也发挥着重要作用[1]。世界上许多国家都逐渐认识到钛的重要性,相继对其进行了大量的研究和开发,因其应用的侧重点不同,各国研究的侧重点也不尽相同。1.1美国美国钛工业起步早,其规模和技术目前都处在世界领先地位,一开始就重视钛合金材料的基础研究,并以此指导钛合金材料的应用和开发,取得了举世瞩目的成就。所研制的一系列实用性高温和高强钛合金为其航空航天工业的发展提供了强大的动力,也使其在高强钛合金、Ti3Al金属间化合物、钛基和TiAl基复合材料及其相关的高新技术研究和应用方面都遥遥领先。目前,美国航空航天用钛量最大,在20世纪80年代以后设计的各种先进军用战斗机和轰炸机中,钛合金的用量已经稳定在20%以上[2,3]。应用最广的是多用途的Þ+þ型Ti-6Al-4V合金和Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo(Ti6242)高温钛合金。近年来开发出的新型钛合金主要有4类:高强高韧þ型钛合金;高温钛合金;钛铝基合金及其复合材料;¼阻燃钛合金[4]。高强高韧þ型钛合金有Ti1023(Ti-10V-2Fe-3Al),Ti153(Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn)和þ21S(Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si)。Ti1023是为适应损伤容限设计原则而研制的具有高的结构效益、可靠性和低成本的可锻钛合金,目前已在波音757,737,A300,A320,F14,F18,B1B上得到应用[5]。Ti153的冷成形性比工业纯钛还要好,可在固溶状态下进行各种复杂零件的冷成形,时效后室温拉伸强度可达1000MPa以上,目前已用于飞机短舱、紧固件、液压管、弹簧、直升机旋翼等。高强度和抗氧化的钛合金þ21S,其应用范围也非常广泛。高温钛合金主要是Ti1100,其名义成分为Ti-6Al-2.7Sn-4Zr-0.4Mo-0.45Si,使用温度可达600℃。钛铝基合金中以Ti3Al为基的Ti-21Nb-14Al和Ti-24Al-14Nb-3V-0.5Mo在美国已批量生产,前者已用作高压压气机机匣、高压涡轮支撑环、导弹尾翼和燃烧室喷管密封片*娄贯涛,男,在读硕士,河南省洛阳市023信箱7分箱,电话:[phone]钛工业进展2003年第2期10等[6];后者通过形变热处理(TMP)可获得良好的强度、塑性。阻燃钛合金主要有AlloyC(Ti1270),名义成分为Ti-35V-15Cr,具有较高的室温及高温强度,良好的室温和高温塑性,良好的抗蠕变和疲劳性能,可制成板材、带材、棒材及锻件。在降低成本方面,Timet公司以Fe元素代替价格昂贵的V元素,开发了一种新型高强þ型钛合金TimetalLCB(Ti-4.5Fe-6.8Mo-1.5Al)以取代成本较高的Ti-1023合金;Timet公司开发的另一种新型低成本高强þ钛合金是Timetal125(Ti-6V-6Mo-5.7Fe-2.7Al),具有优良的冷成形性,非常适宜于做飞机紧固件[7]。除航空用钛外,美国也将钛用在海洋开发、海水淡化、地热发电、排烟脱硫以及制作放射性废物处理的容器等方面。目前,美国钛合金发展的总动向是[8]:由军品到民品;由飞机发动机到机体;由航空航天到一般产业;由一般性合金产品到高附加值合金产品。重点放在基础研究、合金设计、熔炼技术、加工工艺方面,为此海绵钛生产采取了大型、间歇化生产技术,并通过改善工程管理,提高生产效率来进一步降低生产成本,不断开拓新的钛市场等;在熔炼方面由以VAR为主流的熔炼方式向冷床熔炼、感应渣壳熔炼方式转变;铸造方面,由熔模铸造向金属模铸造转变;加工方面,正在开发和推广超塑成形加工、激光成形加工等新技术。今后10年,美国用钛将仍然以航空航天和军事工业为主体,在汽车等方面也将有所加大。1.2日本1952年日本首次开发生产出了海绵钛,标志着日本钛工业的起步。随后逐渐研究开发了一系列耐蚀钛合金、高强钛合金和可冷锻钛合金。由于钛合金的生产成本高、价格贵,所研制的钛合金大都没有得到工业应用,目前使用最广的仍以工业纯钛和Ti-6Al-4V合金为主[9,10]。20世纪70年代日本在钛合金材料发展方面采取引进和仿制的模式;20世纪80年代以来,日本在钛合金材料发展方面,则强调创新。在美国重视Ti3Al基金属间化合物研究时,日本却致力于TiAl金属间化合物的研究。近年来,日本在钛及钛合金的开发上,主要以低成本钛合金和特殊用途钛合金为发展方向。开发的钛合金主要有[11～15]低成本钛合金,在钛中加入Fe,S等廉价合金元素,性能达到某一要求,如SP-700(Ti-4.5Al-3V-2Fe-2Mo)是为了得到冷热加工性能优于Ti-6Al-4V合金而设计的一种富þ的Þ+þ型合金,并具有低温超塑性;Ti-Fe-O-N系列钛合金,强度水平处在700MPa～1000MPa范围内,成本大大低于Ti-6Al-4V合金,由于O,N的加入,高温强度低,稳定性差,但这类合金可在中等温度下使用。特殊用途钛合金,如DAT52F是在Ti-3Al-2.5V合金的基础上,添加S,Ce,La等元素,其名义成分为Ti-3Al-2V-0.2S-0.47Ce-0.27La,该合金也具有良好的机械能、疲劳性能和耐蚀性能。另外,为改善冷加工性能开发了Ti-10Zr,DAT51,KS100和KS120等合金,Ti-10Zr的成分为Ti-10Zr-0.15Fe-0.1O,其强度高,冷加工性能好,加入的Zr对人体无毒性,该合金主要用作眼镜架、表带、表壳等材料;DAT51是可进行冷加工的亚稳þ合金,成分为Ti-22V-4Al,该合金可用于汽车发动机部件的气门弹簧护圈,也可用作高尔夫球头和球杆材料;KS100和KS120也是强度高、加工性能好的钛合金,主要用于医疗器械、体育用品和精密器械等。为提高耐蚀性而开发的钛合金,如SMI-ACE和AKOT合金,其中SMI-ACE合金又包括4种合金:ST40P,ST50P,ST50PC,ST70PC,具有良好的加工性能和焊接性能;AKOT合金主要用于化工领域,作热交换器和电解槽2003年第2期钛工业进展11等。¼KSTi-19合金是日本近期研制的新型钛合金,其名义成分为Ti-4.5Al-2Mo-1.6V-0.5Fe-0.3Si,是Þ+þ型钛合金,合金具有优良的加工性能,采用热轧加冷轧的工艺方法,成功地生产出了厚度为0.8mm的薄板,而且有可能轧出更薄的板材,是Ti-6Al-4V合金的替代合金之一。它的研制成功,使钛合金薄板的生产成本下降,扩大了钛合金的应用范围;Ti-33.5Al-1Nb-0.5Cr-0.5Si是日本近期开发研制的新型钛铝合金,它可用于制造汽车发动机的排气门,大大改善发动机的性能,该合金与排气门常用的马氏体耐热钢和镍基合金相比,突出的优点是密度小,其蠕变强度也高于镍基合金,并且具有很好的耐磨性。为得到功能特性开发的合金,如钛镁储氢合金,据报道[13],这种合金的储氢能力为自身质量的5%,比现在达到实用化的镧系合金的储氢能力(1.4%)提高了2倍以上,且质量也比镧系合金的轻大约30%。日本近年来在钛合金的开发应用方面,除了继续开拓航空工业应用外,仍以民用为主。主要有以下几个方面:热交换器、海洋建筑物、手表、工艺美术品、人工关节、义齿、高尔夫球头和球杆、渔具、自行车、照相机、汽车等。1.3俄罗斯俄罗斯早在上个世纪50年代初期,就开始了有关钛及钛合金的研究和工业化生产,和美国一样,在钛合金的研究方面主要是面向航空航天工业,但在造船工业方面也进行了大量的开发工作,尤其是在核潜艇应用方面。主要研究方向为[5,12]:钛初级产品生产工艺的开发;钛基耐热合金、结构合金以及这些合金的铸锭、模铸件及高性能半成品的开发等;钛合金的结构和结构强化;钛合金热处理新工艺及超塑性研究。特殊目的的研究方向为:金属间化合物,目前主要集中在6-TiAl金属间化合物上,对Ti3Al(Þ2)研究较少;阻燃钛合金;氢处理技术,把氢作为临时合金化元素,改善组织,改进成品件性能;钛基形状记忆合金,主要集中在合金的先进热塑性处理工艺上,以增加性能稳定性;正在开发钛合金部件表面的离子注入,以改进耐磨性能。目前,俄罗斯航空工业使用的钛合金:板材主要有具有中等强度和良好加工性能的BT1-00,BT1-0等;锻件主要有BT22,其淬透深度可达200mm,可用于制造各种高负载航空零部件;铸件有BT18Y,其使用温度在500℃～600℃之间,BT36合金使用温度可到600℃,目前已用其做压气机盘;阻燃钛合金以Ti-Cu二元系为基体,用铝、钼、钒、锡、锆对二元系合金进行强化,主要有BTT-1～BTT-3,该系列合金具有好的热变形工艺性能,可用其制造形状复杂的零件;航空紧固件广泛使用BT16合金;异型铸造使用BT6V,BT5,BT6,BT20,BT35合金;焊丝采用BT2CB,BT6CB,BT20-1CB,BT20-2CB合金;管接头广泛采用THK形状记忆合金;BT37合金是俄罗斯近期开发的一种新型钛合金[14],是根据钛合金组织与性能关系的新观念,选择合金组织中Þ相和þ相数量大致相等的原则而设计的,强度和热强性均超过BT22合金,成分为Ti-5Al-5Mo-5V-1Fe-1Cr-1.7Sn-2.5Zr,其静载荷下的强度比BT3-1合金高出25%,但质量轻20%以上。目前该合金处于工业实验性试用阶段。今后,俄罗斯钛合金的发展方向是:对结构钛合金,在保证断裂韧性和抗疲劳性能的前提下,不断提高材料强度,同时使材料具有良好的加工性能;对耐热钛合金,在保持良好抗蠕变强度、疲劳强度、抗氧化性能和热稳定性能的前提下,将使用温度提高到700℃～800℃;在熔炼技术上则采用电弧炉床熔炼技术。1.4中国我国钛资源十分丰富,是一个钛资源大国,总储量世界第一[15]。我国从事钛的科学钛工业进展2003年第2期12研究起始于1954年北京有色金属研究总院,经过近50年,我国的钛工业有了很大的发展,已经仿制和研究了50多种钛合金,列入国家标准的钛及钛合金牌号有24种[16],除了广泛应用的工业纯钛和Ti-6Al-4V合金外,还包括高温、高强、高韧钛合金,耐蚀、功能和医用钛合金等。80年代发展的有耐蚀钛合金Ti75,Ti31和Ti631;高强高韧钛合金TB2,TB3,TB4;阻燃钛合金Ti-V-Cr-Si系列;功能钛合金主要集中在钛基形状记忆合金:TiNi或TiNiX(X为Cu,Fe,Pd,Nb等第三元素),其次是TiFe及TiMn系储氢合金;此外也研究了高电阻钛合金(主要是Ti-Al-Cr-(Mo,V)系)、高模量钛合金及电解二氧化锰阳极用钛合金[17～19];也广泛开展了TiAl,Ti3Al基金属间化合物和钛基复合材料的研究,并取得了突破性进展[20]。但总的来看,我国在金属间化合物和钛基复合材料的工程化应用方面与美、日、俄等国还有较大差距。近期研制的钛合金主要有:CT20,Ti-600,Ti-60,7715D,Ti-40,Ti-26,TP-650,Ti-B19,Ti-91等[14],其中CT20合金是一种应用于火箭发动机液氢管路的新型低温钛合金。Ti-600合金是一种新型高温钛合金,其成分为:Ti-6Al-2.8Sn-4Zr-0.5Mo-0.4Si-0.1Y,该合金在600℃～650℃均具有良好的力学性能,尤其是蠕变性能;Ti-60合金也是一种600℃