一、國內(nèi)外鈦合金發(fā)展概況

鈦合金是以鈦為基礎(chǔ)加入其他元素組成的合金。在近代工業(yè)中，鈦合金以其優(yōu)良的高強(qiáng)度、耐蝕性及耐熱性等特點(diǎn)已成為高性能結(jié)構(gòu)件的首選材料。此外，鈦具備生物相容性、超導(dǎo)、儲氫、形狀記憶等獨(dú)特功能，而被廣泛應(yīng)用在醫(yī)療器械、化工、航天航空、艦船等領(lǐng)域。

目前，已有上百種鈦合金問世，其中最著名的合金有20～30種。鈦合金可以分為α合金、( α+β)合金、 β合金及金屬間化物鈦合金。近年來，新型鈦合金主要有4種類型：高溫鈦合金、高強(qiáng)高韌β型鈦合金、鈦鋁基合金及其復(fù)合材料與阻燃鈦合金。我國于1956年開始鈦及其合金的研究，60年代中期開始鈦材的工業(yè)化生產(chǎn)。常見的鈦合金為鑄造鈦合金及變形鈦合金。

二、鈦合金生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

鈦合金生產(chǎn)技術(shù)關(guān)系著鈦合金 的質(zhì)量。鈦合金熔煉、鑄造、成型等技術(shù)在近年來得到了極大的發(fā)展。

1、鈦和鈦合金的熔煉技術(shù)

鈦及鈦合金的熔煉主要分為2類：真空自耗和真空非自耗熔煉，見表1。

在鈦和鈦合金的工業(yè)化生產(chǎn)中，最常用的技術(shù)是真空白耗電弧熔煉(Vacuum arc remelting，VAR)和冷床爐熔煉。

VAR技術(shù)在鈦合金熔煉中可以細(xì)化鑄錠組織，提高產(chǎn)品的純凈度。該技術(shù)在近年來的主要發(fā)展表現(xiàn)在以下幾個方面：①全自動VAR重溶工藝。先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展也應(yīng)用到VAR工藝中，自動電控盒數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)可以為特定的鑄錠和合金建立優(yōu)良的熔煉模式。除此之外，還可以分析熔煉過程出現(xiàn)的問題，提高金屬成品率。②鑄錠尺寸大型化。大型VAR爐可熔煉質(zhì)量達(dá)30t的鈦鑄錠，國外熔鈦用真空白耗電弧爐噸位大多為8~15t，我國近年來也實(shí)現(xiàn)了8～15t熔鈦噸位。③供電方式采用了同軸型供電方式，可以抵消磁場，防止產(chǎn)生偏析。④數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展。國內(nèi)外學(xué)者利用數(shù)值模擬方法研究VAR工藝取得一定的進(jìn)展。國內(nèi)學(xué)者探索了鑄錠溫度場的分布規(guī)律并建立了預(yù)測凝固組織形貌、鑄錠成分及缺陷分布的模型。

冷床爐熔煉是以等離子體(Plasma Arc)或電子束(ElectronBeam)為熱量來源，分別形成等離子體冷床爐及電子束冷床爐熔煉的2種工藝。電子束冷床爐熔煉與真空自耗電弧熔煉相比有許多優(yōu)勢：①可以采用如殘料、散狀海綿鈦以及鈦屑等多種形式的原材料及經(jīng)濟(jì)的原材料；② 可以除去鉬(Mo)、鎢(W)及鉭(Ta)等高密度雜質(zhì)、氰化物等低密度雜質(zhì)及易揮發(fā)性雜質(zhì)，是純凈鈦合金材料的重要技術(shù)；③通過生產(chǎn)多種截面的鑄錠提高金屬的收得率。近幾年來，電子束冷床爐熔煉技術(shù)發(fā)展主要表現(xiàn)在以下幾個方面：①海綿鈦垛直接熔煉鈦錠；②數(shù)值模擬技術(shù)；③單次合金錠熔煉技術(shù)；④鑄錠表面熔修技術(shù)；④大型空心錠生產(chǎn)技術(shù)。

等離子束冷床熔煉技術(shù)利用集中、可控及穩(wěn)定的等離子弧提供熱源的熔煉方法。等離子束冷床熔煉在熔煉鈦合金時，可以防止錳(Mn)、錫(sn)等具有較高揮發(fā)性元素?fù)]發(fā)，精準(zhǔn)控制鈦合金的元素含量；可以產(chǎn)生高速而旋轉(zhuǎn)的離子束，從而使鈦合金成分更加均勻。此外，等離子工作氣氛是接近大氣壓，因而不會受到原材料的限制；等離子冷爐床熔池大且較深，從而實(shí)現(xiàn)溶液充分?jǐn)U散。等離子冷熔爐技術(shù)生產(chǎn)的鈦合金在美國軍用飛機(jī)的發(fā)動機(jī)上應(yīng)用廣泛。我國也開展了等離子束冷床熔煉的相關(guān)研究，北京航空材料研究院安裝了美國Retech公司生產(chǎn)的離子束冷床爐，該設(shè)備生產(chǎn)的TC4和TIAL鑄錠在合金的雜質(zhì)元素含量、夾雜物及合金化元素含量控制等方面均取得了較大的成功。開發(fā)一套高均質(zhì)鈦合金鑄錠單次電子束冷床爐熔煉控制技術(shù)是我國未來鈦合金電子束冷床爐熔煉技術(shù)發(fā)展的趨勢所在 。

2、鈦和鈦合金的其他技術(shù)

除了熔煉技術(shù)外，對鈦及鈦合金的技術(shù)還涉及到冶煉、熔鑄、鍛造等，具體應(yīng)用技術(shù)見表2。

三、國內(nèi)外鈦合金主要應(yīng)用領(lǐng)域分析

當(dāng)前國內(nèi)外對鈦合金的應(yīng)用主要集中在以下幾個領(lǐng)域：

1、航天航空領(lǐng)域

飛機(jī)機(jī)身、發(fā)動機(jī)及火箭部件中，鈦是不可或缺的“太空金屬”。美國應(yīng)用鈦合金材料研發(fā)高性能飛機(jī)，如X一31、X-30等，效果非常顯著，飛機(jī)的M系數(shù)上升為原來的3倍左 右，而飛機(jī)的整體質(zhì)量下降為原來的80％。俄羅斯生產(chǎn)鈦合金板材、鈦鍛件等應(yīng)用于飛機(jī)制造的鈦合金原材料。我國神州號飛船的研發(fā)過程中大量應(yīng)用到鈦合金。此外，國外也研制出高強(qiáng)鈦合金Ti-5553【Ti-5A1-5MO-5V-3鉻(Cr)】，Ti-55531【Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr-1鋯(Zr)】等。高強(qiáng)近β鈦合金Ti-5553可替代BT22和Ti一1023鈦合金應(yīng)用于飛機(jī)的起落架上。國外成功研制出阻燃鈦合金以保障飛機(jī)發(fā)動機(jī)的安全性，其典型代表是美國的AlloyC(Ti一35V一15Cr)和英國的Ti—25V—15Cr_2A—0.2C合金，阻燃性能和力學(xué)性能良好，AlloyC已在軍用飛機(jī)發(fā)動機(jī)中得到實(shí)際應(yīng)用 。

中國科學(xué)院金屬所、西北有色金屬研究院、北京航空材料研究院也分別研制出耐高溫、蠕變性能優(yōu)異、具有良好力學(xué)性能的鈦合金。其中TB8(β21s)、TC18(BT22)高強(qiáng)鈦合金是理 想的航空結(jié)構(gòu)材料，在飛機(jī)燃油箱集體、液壓系統(tǒng)、箔材方面應(yīng)用廣泛。在阻燃鈦合金方面，西北有色院研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的Til4阻燃鈦合金，及成本比AlloyC(Ti-35V-15Cr)阻燃鈦合金低的Ti40阻燃鈦合金。

2、船舶領(lǐng)域

船艦等設(shè)備長期浸泡在水中，在材料的使用上要求具有高耐腐蝕性、安全可靠、壽命長等特性。TA15鈦板由于強(qiáng)度范圍很寬、物理性能獨(dú)特及優(yōu)異的機(jī)械性能、耐腐蝕性、抗沖擊 性等特性，在船艦上得到廣泛的應(yīng)用。俄羅斯艦船鈦合金應(yīng)用在泵、過濾器、補(bǔ)給管、滅火系統(tǒng)、壓力容器等設(shè)備中。美國海軍與美國Timet公司聯(lián)合開發(fā)的Timetal5111具有良好的斷裂韌性及抗應(yīng)力腐蝕性能，又具有良好的室溫蠕變性能并且易焊接。這些高性能鈦合金應(yīng)用于美國船艦的海水系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、污水處理系統(tǒng)、電器元件等設(shè)備。

我國研制出不同強(qiáng)度級別的近α型船用耐蝕鈦合金Ti75、Ti31、Ti—B19、Ti91、Ti70、Ti80、TA15。西北有色金屬研究院研制的Ti75合金具有自主知識產(chǎn)權(quán)，與Ti31合金均具有良好的綜合性能，并都已獲得實(shí)際應(yīng)用。此外，以寶雞有色金屬加工廠為主研制的Ti70和西北有色金屬研究院研制的Ti91具有良好的中強(qiáng)高塑、冷加工性能、透聲性能和可焊性。這些鈦合金在船舶、潛艇、探潛器方面具有廣泛的應(yīng)用。

3、生物醫(yī)用領(lǐng)域

當(dāng)前鈦合金已經(jīng)廣泛應(yīng)用在外科植入手術(shù)過程中。代表性鈦合金Ti一12MO-6Zr-2Fe是一種亞穩(wěn)態(tài)合金，因其高強(qiáng)度和斷裂韌性、耐磨性、耐蝕性及彈性模量而適合用于矯形器件。用合金元素Zr、Pd、Nb、Sn、Ta來改善鈦合金力學(xué)性能、耐蝕性及生物相容性，這是開發(fā)生物鈦合金的主要途徑 。

近年來的各個國家分別研發(fā)出新型醫(yī)用鈦合金材料，例如美國生產(chǎn)的Ti13Nb13Zr、瑞士生產(chǎn)的Ti6A17Nb及日本生產(chǎn)的Ti15Zr4Nb4Ta2Pd等。我國在20世紀(jì)70年代，致力于開放生物醫(yī)用鈦合金材料。西北有色金屬研究院研制出在生物相容性、力學(xué)性能、工藝性能均領(lǐng)先于世界水平的新型醫(yī)用鈦合金TAMz。并在之后又研發(fā)出生物與力學(xué)相容性更優(yōu)的第3代醫(yī)用鈦合金TLE及TLM。中國科學(xué)院金屬研究所研發(fā)Ti一2448(Ti一24Nb一4Zr一8Sn)顯著提高了骨骼與植人物的力學(xué)相容性。2008年2月以來，Ti2448合金醫(yī)療器件進(jìn)入批量應(yīng)用階段。

4、汽車工業(yè)

汽車輕量化是鈦材最具開發(fā)潛力的市場之一。鈦合金主要應(yīng)用于汽車發(fā)動機(jī)零部件中，例如：連桿、彈簧、曲軸、緊固件等。

四、國內(nèi)外鈦合金研究比較

終上所述，國內(nèi)外鈦合金的應(yīng)用水平基本是一致的，甚至國內(nèi)在某些領(lǐng)域的研究和應(yīng)用超過國外。例如在新型鈦合金的研究應(yīng)用方面比國外活躍很多。但是，仍然存在一些差距：首先，由于國外在鈦合金的研究和應(yīng)用時間較長，因此與國外相比，我國在傳統(tǒng)合金的深入研究方面落后于國外水平。其次，新型鈦合金的應(yīng)用技術(shù)較為落后。軍用鈦比例與國外相比較小，民用鈦的領(lǐng)域較窄。美國戰(zhàn)機(jī)高達(dá)40％的用鈦量相比，我國戰(zhàn)機(jī)3％～10％的用鈦量明顯偏低。最后，基礎(chǔ)性研究薄弱，原創(chuàng)性和革命性的鈦材設(shè)計(jì)與工藝技術(shù)少 。

五、國內(nèi)外鈦合金應(yīng)用前景及研究建議

1、應(yīng)用前景

全球鈦鐵礦、銳鈦礦和金紅石的資源總量超過20億t，全球鈦鐵礦儲量約為74億t，占全球鈦礦的92％，金紅石儲量約為4800萬t。全球鈦資源集中分布地點(diǎn)在中國、澳大利亞、南    非、加拿大等國。中國的鈦鐵礦儲量居世界第1位，占到全球鈦鐵礦儲量的28.6％。

綜合鈦資源的豐富儲量及其廣泛用途，我國鈦合金的應(yīng)用前景將呈現(xiàn)以下幾點(diǎn)特征：①應(yīng)用領(lǐng)域繼續(xù)拓展。將由航天航空和國防軍工領(lǐng)域進(jìn)一步深入到民用領(lǐng)域。據(jù)悉，僅高爾夫 所消耗的鈦已超過1 000t。②鈦工業(yè)體系趨于成熟完整，鈦合金廣泛應(yīng)用初具條件。中國已經(jīng)具備完整的鈦工業(yè)體系，具有一定的鈦合金生產(chǎn)、加工技術(shù)。③ 中長期的發(fā)展勢頭良好。由于國內(nèi)經(jīng)濟(jì)、大型海洋、航空及體育等因素的影響，鈦合金的應(yīng)用前景較好。

2、研究建議

我國鈦合金領(lǐng)域應(yīng)在以下6個方面深化研究。①鈦的低成本化，低成本包括鈦的制備、加工、設(shè)計(jì)的技術(shù)低成本化，這是擴(kuò)大鈦合金應(yīng)用的前提；②高效、短流程鈦合金加工技術(shù)；③大型優(yōu)質(zhì)鈦合金坯料制備技術(shù)；④近凈成形技術(shù)；⑤鈦的推廣應(yīng)用研究，鈦及鈦合金的應(yīng)用的推廣仍然是研究的主要目的；⑥開發(fā)具有高性能、多功能及低成本的競爭力更強(qiáng)的鈦合金。

鈦合金是性能優(yōu)異的主要材料，在經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國家安全中具有戰(zhàn)略意義。我國鈦合金材料工藝取得一定程度的發(fā)展，但是還存在許多問題亟需解決。例如，鈦合金生產(chǎn)技術(shù)還 有待發(fā)展，應(yīng)用范圍有待拓展。在今后，要加強(qiáng)科研和應(yīng)用推廣，從而加快我國鈦工業(yè)的發(fā)展。

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