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一、鈦合金在海洋工程上的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景展望

 

㈠、引言

 

占地球表面積約71% 的海洋中蘊藏著豐富的資源， 開發(fā)海洋、利用海洋，讓海洋成為我們巨大財富的源泉， 這已成為人們多年來努力的方向之一。但是，由于海水中含有大約3.5% 的含鹽量，因此， 海水具有腐蝕性。此外， 海洋中的某些生物污染也加速了海水的腐蝕。

 

鈦是一種物理性能優(yōu)良、化學(xué)性能穩(wěn)定的材料。鈦及其合金強度高、比重小， 耐海水腐蝕和海洋氣氛腐蝕， 可以很好地滿足人們在海洋工程方面應(yīng)用的要求。經(jīng)過鈦業(yè)界人士和海洋工程應(yīng)用研究人員多年的努力， 鈦已經(jīng)在海洋油氣開發(fā)、海港建筑、沿海發(fā)電站、海水淡化、船舶、海洋漁業(yè)及海洋熱能轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)在， 海洋工程用鈦已成為鈦民用應(yīng)用的主要領(lǐng)域之一。

 

㈡、應(yīng)用現(xiàn)狀

 

2.1 海洋油氣開發(fā)

 

石油是一個國家的經(jīng)濟命脈。據(jù)估計， 世界可開采的石油資源儲量為3000億噸， 其中海底石油儲量約為1300 億噸。海底石油的開發(fā)， 開始于20 世紀(jì)初。它的發(fā)展經(jīng)歷了從近海到遠(yuǎn)海、從淺海到深海的過程。受技術(shù)條件和材料發(fā)展的限制， 最初只能開采從海岸直接向淺海延伸的石油、天然氣礦藏。20 世紀(jì)80 年代以來， 在能源危機和技術(shù)進步的刺激下， 近海石油勘探與開發(fā)飛速發(fā)展， 海洋石油開發(fā)迅速向大陸架挺進， 逐漸形成了嶄新的近海石油工業(yè)部門。海上鉆井平臺是實施海底油氣勘探和開采的工作基地， 它標(biāo)志著海底油氣開發(fā)技術(shù)的水平。海上石油開采設(shè)備主要包括采油平臺和附屬設(shè)備， 附屬設(shè)備有原油冷卻器、升油管、泵、閥、接頭和夾具等。這些設(shè)備均與海水及原油中的硫化物、氨、氯等介質(zhì)接觸。由于鈦在這些介質(zhì)中具有優(yōu)異的耐蝕性， 所以美國在上世紀(jì)70 年代初就在其油田中使用了鈦制造的近海石油平臺支柱， 同時用鈦制造了列管式換熱器和板式換熱器。鈦列管式換熱器利用海水作為冷卻介質(zhì)， 把從油井里抽出的高溫汽/ 油混合物冷卻。鈦板式換熱器也是利用海水作為冷卻介質(zhì)， 把碳鋼換熱器內(nèi)冷卻原油的淡水冷卻。美國在北海油田鉆井平臺上大約使用了100 個鈦熱交換器。位于英國蘇格蘭阿伯丁的亨廷油田服務(wù)公司訂購的鈦制部件據(jù)說是世界上第一個鈦制高壓立管式豎井， 用于美國大陸石油公司（Conoco） 挪威的Heidrum 工程項目中。

 

石油鈦合金鈦鉆探管的使用壽命較長，其重量僅為不銹鋼的一半， 而使用靈活性卻是不銹鋼的二倍， 使用壽命為鋼的10 倍。這些優(yōu)異的性能使得鈦成為一種用于鉆探難度較大的近圓形、且深度深的油井的極佳材料。包含有鈦鉆探管的組合鉆具可以極大地減少鉆探時間、降低鉆探總成本。美國的GrantPrideco 公司、RTI 能源系統(tǒng)公司及Torch 鉆探服務(wù)公司在2000 年首次將鈦鉆探管用于工業(yè)應(yīng)用。

 

GrantPrideco 公司和RTI 能源系統(tǒng)公司共同生產(chǎn)和供應(yīng)的鈦鉆探管還配有GrantPrideco 抗疲勞公司提供的鋼工具接頭。這種接頭的重量輕、使用靈活性好，且可以使鈦鉆探管堅固結(jié)實。

 

 

海水管道系統(tǒng)是海底石油開采不可缺少的部分， 由于鈦對海水具有很高的耐蝕性， 其使用壽命為鋼系的10 倍，因此， 鈦管系的成本與Cu-Ni 系統(tǒng)相比是合算的。美國活性金屬公司與精密管技術(shù)公司合辦了一個鈦管技術(shù)公司， 生產(chǎn)一種大口徑鈦合金管。這種管子所使用的合金是Ti-3Al-2.5V 合金， 口徑為650mm, 壁厚為22 ～ 25mm, 長度為350m, 一根管子重達(dá)80 ～ 90t, 計劃用于海底石油開采。美國另一家公司利用長度為15m、外徑為600mm、壁厚為25mm 的無縫鈦合金管通過擠壓方法制成了近500m 長的豎井管， 已經(jīng)用于一個近海鉆井平臺。據(jù)稱， 這種豎井管的重量可以減輕一半， 從而大大降低壓載成本， 另外， 還具有很高的斷裂韌性和較長的疲勞壽命。

 

據(jù)資料報道， 在美國北海油田開發(fā)項目中， 船上浮體裝置和海底固定裝置的用鈦量比以前有所增加。24 臺船上浮體裝置和64 臺海底固定裝置對鈦材的需求量為：安全保護裝置50 ～ 100t,連接裝置50 ～ 100t, 通用升降設(shè)備400 ～ 1000t, 鉆桿1400 ～ 4200t。海上石油開采平臺生物污染引起的結(jié)構(gòu)件腐蝕是相當(dāng)嚴(yán)重的， 美國一家公司在開采平臺上使用了鈦管制成的長套管， 對平臺上的部位進行保護。

 

在過去幾年里， 鈦合金部件在石油鉆探和海濱生產(chǎn)作業(yè)中的應(yīng)用明顯增加。鈦合金部件使得石油鉆探可以進入更深的水域和更深的油井， 包括更高的溫度和腐蝕嚴(yán)重（ 即多鹽） 的生產(chǎn)環(huán)境。

 

對于這類應(yīng)用， 從綜合性能來考慮，TC4 鈦棒（Ti-6Al-4V） 基合金是最適用的， 且成本最低。海水管道系統(tǒng)是海底石油開采不可缺少的部分， 由于鈦對海水具有很高的耐蝕性， 其使用壽命為鋼系的10 倍， 因此， 鈦管系的成本與Cu-Ni 系統(tǒng)相比是合算的。美國活性金屬公司與精密管技術(shù)公司合辦了一個鈦管技術(shù)公司， 生產(chǎn)一種大口徑鈦合金管。這種管子所使用的合金是TA18（Ti-3Al-2.5V） 合金， 口徑為650mm, 壁厚為22 ～ 25mm, 長度為350m, 一根管子重達(dá)80 ～ 90t, 計劃用于海底石油開采。美國另一家公司利用長度為15m、外徑為600mm、壁厚為25mm 的無縫鈦合金管通過擠壓方法制成了近500m 長的豎井管， 已經(jīng)用于一個近海鉆井平臺。據(jù)稱， 這種豎井管的重量可以減輕一半， 從而大大降低壓載成本， 另外， 還具有很高的斷裂韌性和較長的疲勞壽命。

 

實踐證明，Ti-6Al-4V（Gr.5_TC4） 合金是鉆井管的最佳材料， 作為鉆井應(yīng)用，屈服強度和疲勞強度是最重要的， 因此，兩種特別低間隙元素的Gr.5 合金適用于比較關(guān)鍵的動態(tài)提升裝置。當(dāng)使用溫度超過75 ～ 80℃時， 為了防止縫隙腐蝕或應(yīng)力腐蝕， 使用含釕的Gr29 合金。

 

最常用的部件包括海濱鉆井提升裝置、鉆探管、錐形應(yīng)力接頭（TSJ） 和鈦/ 鋼混合提升裝置。

 

鈦泵、閥、接頭、緊固件、夾具和零配件等小型鈦部件在石油開采平臺上已經(jīng)廣泛使用。國外海上石油勘探測井儀器外殼上也大量使用了鈦合金。

 

2.2 海港建筑

 

鈦材表面有一層厚度不超過10nm的氧化膜， 它在腐蝕環(huán)境中非常穩(wěn)定，對空氣、海水及海洋環(huán)境具有優(yōu)異的耐蝕性， 是目前最能適應(yīng)各種海洋環(huán)境的原材料。日本大力進行海洋開發(fā)， 如本洲到四國的大橋、東京灣橫跨道路、關(guān)西機場、浮式儲油基地等。日本建設(shè)省和鋼鐵俱樂部在大井川洋面進行的暴露試驗以及運輸省和鋼管樁協(xié)會在波崎漂沙棧橋上的各種防腐暴露試驗等的調(diào)查報告也都顯示了鈦是最合適的材料。鈦除了具有優(yōu)異的防腐性能外， 還具有海水環(huán)境下溶出離子極少， 無毒性， 不必?fù)?dān)心污染環(huán)境等優(yōu)點。日本還建造了一個超大型浮式海洋建筑物， 在海水沖刷處使用了鈦鋼復(fù)合材；在東京灣橫跨公路的建設(shè)中使用了鈦材做橋墩的防濺軀干， 每個橋墩的用鈦量為0.9t。已經(jīng)使用或計劃中的大型浮式海洋建筑有機場、港灣物流基地、體育設(shè)施等等。

 

2.3 沿海發(fā)電站

 

海水的綜合利用是海洋工程中的重要項目之一， 沿海發(fā)電站凝汽器是利用海水量較大的設(shè)備。沿海電站用鈦主要是凝汽器用鈦。由于冷凝器是用海水做冷卻水的， 而海水中含有大量的泥砂、懸浮物質(zhì)、海生物和各種腐蝕性物質(zhì)，在海水與河水交替變化的淡鹽水中的情況更為嚴(yán)重。傳統(tǒng)的凝汽器是用銅合金管， 這種銅合金管在海水中因各種腐蝕， 經(jīng)常遭到嚴(yán)重破壞。鈦在海水， 特別是污染海水中具有良好的耐蝕性， 耐海水的高速沖刷腐蝕性能尤為突出。

 

2.4 海水淡化裝置

 

“水是生命之源”。目前， 水資源缺乏成為困擾全世界的問題。世界上約25% 的人口沒有充足的飲用水資源。世界上的陸地河流、地下水資源已遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了工業(yè)發(fā)展的需要， 因此， 將來海水淡化將是人類解決淡水資源的有效的方法。

 

從國內(nèi)外海水淡化的發(fā)展來看， 主要由兩種方法：蒸餾法和反滲透法。前者是將海水加熱使其汽化， 然后將蒸汽冷凝而獲得淡水。后者是將海水加壓，使其中的淡水透過一種特殊的膜而將鹽分截留獲得淡水。早期的海水淡化裝置使用銅合金、碳素鋼等材料， 因這些材料不耐海水腐蝕， 生產(chǎn)效率低， 很快被耐海水腐蝕性能優(yōu)異的鈦所代替。在海水淡化中， 鈦的主要應(yīng)用是淡化裝置的加熱器傳熱管。海水淡化裝置的主要生產(chǎn)國是美國和日本。到2004 年， 全世界已建和在建海水淡化裝置已有15000多臺， 日產(chǎn)淡水約3200 萬噸。日本公司為沙特建造日產(chǎn)淡水3 萬噸的蒸餾法裝置10 臺， 用鈦管3200 噸， 平均日產(chǎn)1 萬噸的裝置， 需用鈦107 噸。

 

我國的天津、山東等地均建有或在建海水淡化裝置。如天津市海水淡化的初步規(guī)劃是到2007 年日產(chǎn)淡水量達(dá)50萬噸， 到2010 年達(dá)到70 萬噸。預(yù)計天津和山東的海水淡化工程用鈦量大約是250 噸。

 

2.5 船舶

 

鈦及其合金在海水及海洋氣氛中耐腐蝕， 且比重輕、強度高、抗沖擊、無磁、透聲、膨脹系數(shù)小， 被認(rèn)為是良好的船舶材料。近年來， 鈦在船舶上的應(yīng)用備受人們的關(guān)注。各國海軍和船舶工業(yè)對鈦在船舶上的應(yīng)用研究也十分重視， 研制出了許多牌號的船用鈦合金。鈦及其合金在船舶中的應(yīng)用十分廣泛， 如船體結(jié)構(gòu)件、深海調(diào)查船及潛艇耐壓殼體、管道、閥、船舵、軸托架、配件、動力驅(qū)動裝置中的推進器和推進器軸、熱交換器、冷卻器、船殼聲吶導(dǎo)流罩等等。

 

鈦在艦船殼體上首次應(yīng)用是前蘇聯(lián)的α 級潛水艇。隨后， 鈦被用于人工或者無人駕駛的深海研究及深海援助潛水艇。一般的結(jié)構(gòu)件用工業(yè)純鈦， 壓力容器用Ti-6Al-4V 合金。據(jù)資料報道，船體結(jié)構(gòu)用鈦不但可以減輕船體自身重量， 增加有效載入重量， 而且可以減少維護、延長船舶的使用壽命。鋁合金、軟鋼等船體結(jié)構(gòu)材， 一般10 年就要維護， 而鈦材幾乎不需要維護修理， 壽命也可從一般的20 年左右延長到30 ～ 40年。

 

日本在深海調(diào)查船用鈦合金方面的研究卓有成效， 在“深海6500”可容納3 名操作員的耐壓倉中幾乎全部都使用了鈦合金材料。這是三菱重工業(yè)神戶造船廠長時間努力的結(jié)果。潛艇用鈦量較大， 如一艘下潛深度900m 的核潛艇的用鈦量高達(dá)3500t。

 

2.6 海洋漁業(yè)

 

據(jù)報道， 日本漁業(yè)已經(jīng)由撈魚向魚類養(yǎng)殖業(yè)轉(zhuǎn)變， 獅魚、比目魚、鰻魚等已實現(xiàn)人工養(yǎng)殖。在人工養(yǎng)殖技術(shù)中，大量使用了鈦金屬網(wǎng)和維持一定海水溫度的鈦管式熱交換器。我國福建沿海一帶地區(qū)實現(xiàn)了人工養(yǎng)殖石斑魚， 所用的鈦板式養(yǎng)殖筐對養(yǎng)殖石斑魚帶來了極好的效益。

 

2.7 海洋熱能轉(zhuǎn)換

 

海洋中蘊藏著巨大的能量， 如潮汐能、波浪能、溫差能、海流能和鹽差能等等。隨著世界能源的日益緊缺， 人們對海洋能源進行開發(fā)和利用的興趣會更大。已研究和開發(fā)了溫差發(fā)電和潮汐發(fā)電項目。溫差發(fā)電的原理是利用海洋表面溫度較高的海水將氨或者氟里昂汽化來驅(qū)動渦輪機轉(zhuǎn)動發(fā)電， 再用海洋深層的低溫海水將汽化的氨或者氟里昂冷卻， 構(gòu)成一個不斷循環(huán)的熱機系統(tǒng)。

 

溫差發(fā)電的主要設(shè)備是蒸發(fā)器、凝縮器及海水吸管、環(huán)路等， 要求設(shè)備不僅要耐腐蝕， 而且還要耐氨和氟的腐蝕， 鈦及其合金不但具有良好的耐海水腐蝕性能， 而且還耐氨和氟的腐蝕， 所以鈦是最理想的材料。

 

美國、日本的溫差發(fā)電站上都使用了鈦管式蒸發(fā)器和凝縮器， 取得了良好的效果。

 

㈢、前景展望

 

海洋工程作為新興的鈦的民用市場， 近年來發(fā)展很快。隨著世界能源危機的進一步加劇， 世界各國將投入大量的人力和物力開采海底石油資源和其它礦物資源；全球性淡水日益缺乏的趨勢中， 各個沿海國家都將利用海水來制取淡水；況且， 各軍事大國的海軍裝備競爭日益激烈等等， 這些都離不開鈦及鈦合金材料。因此， 鈦及其合金在海洋工程上的應(yīng)用會越來越廣泛。預(yù)計海洋工程用鈦有望成為鈦材的一個較大的應(yīng)用市場。

 

二、鈦合金民用健康產(chǎn)品市場情況

 

1、目前市場情況

 

目前，國內(nèi)外餐具、炊具材料廣泛使用的是鐵、鋁、不銹鋼這些材料，在使用中對人體都或多或少會產(chǎn)生一些不利于健康的因素：

 

①鐵鍋：到了菜里的鐵，是三價鐵，人體是不能吸收，人體只能吸收二價鐵。

 

②鋁鍋：在高溫酸、堿條件下會有鋁溶出，引發(fā)鋁中毒，是不安全的。國際衛(wèi)生組織明文禁止鋁鍋接觸含有鹽類的食品使用。

 

③不粘鍋：大部分是采用“特富龍”

 

涂料，美國政府指控它是致癌物質(zhì)。特富龍在高溫下，會釋放出十幾種有害氣體，導(dǎo)致一些呼吸道敏感的動物死亡。

 

但這些氣體對人體的毒害作用還沒有確定。

 

④搪瓷餐具：涂在搪瓷制品外層的實際上是一層琺瑯質(zhì)，含有硅酸鋁一類物質(zhì)。因為翻炒的碰撞摩擦，極易造成破損，使硅酸鋁一類物質(zhì)便會轉(zhuǎn)移到食物中去。

 

⑤陶鍋、砂鍋：潛在危害主要有兩方面：一是土砂鍋的釉質(zhì)，二是“偽紫砂”。“偽紫砂”添加鐵紅粉、二氧化錳等化學(xué)顏料配制加工而成，用化工制劑進行增色制造而成，而非真正紫砂。

 

2、鈦健康產(chǎn)品優(yōu)勢

 

鈦健康產(chǎn)品的優(yōu)勢是在鈦金屬表面生有一層牢固的氧化鈦化合物薄膜，化學(xué)性質(zhì)極其穩(wěn)定，甚至酸中的“王水”都奈何不了它。鈦鍋在烹飪時不與食材發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。所以能烹飪出食材的原汁原味，純鈦鍋是唯一可以用來煎中藥的金屬鍋。

 

在美國和日本，人們稱鈦鍋是美味鍋，原汁原味的美味就是健康元素。

 

鈦鍋的熱功能優(yōu)異：能低溫、快速、低油脂的烹飪出綠色佳肴，最大限度的保留食材的營養(yǎng)成分和口感。高營養(yǎng)的綠色食品是健康元素。

 

鈦制餐具、炊具的使用優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾個方面：

 

⑴強防腐蝕性：比不銹鋼更耐腐蝕，即使盛裝腐蝕性最強的“王水”（濃硫酸與濃硝酸的混合物）也毫無銹跡，長時間烹煮和存放酸性和堿性的食物也不會產(chǎn)生金屬異味，還可以用來煲中藥。

 

其它金屬的鍋具無法做到這一點。

 

⑵高硬度：比不銹鋼的硬度高很多，耐磨、耐刮，半永久使用。

 

⑶重量輕：太太使用很輕松，重量只有鐵鍋的一半，使用輕便。

 

⑷無需保養(yǎng)：丈夫使用很放心 高溫?zé)粔模げ粔模瑹o需保養(yǎng)。

 

⑸抗菌性：具有天然的光觸媒抗菌效果，在自然光線下具有天然的抗菌作用，衛(wèi)生、無細(xì)菌污染。

 

⑹不粘效果：良好的不粘效果，和鐵鍋相當(dāng)，但不能完全不粘。

 

⑺節(jié)能：省時節(jié)能，傳熱速度是鐵鍋的7 倍，是復(fù)合底鋼鍋和合金鍋的數(shù)十倍，炒菜節(jié)省能源。

 

⑻生物親合性：是人體親和金屬長時間接觸也不會過敏，醫(yī)療上已取代不銹鋼作為“人骨”植入人體內(nèi)。

 

⑼使用范圍：可以使用火爐和陶磁爐⑽健康性：99.75％高純度的鈦金屬制成無涂層，是最健康安全的金屬鍋具。

 

⑾表面不粘性：電解研磨更加全面徹底，不存在機械拋光遺留的有害粉塵顆粒，電解研磨的鈦鍋呈現(xiàn)細(xì)微的凹凸表面，可以提升傳熱速度和不粘性。

 

⑿眾人眼中的形象：在公眾眼中鈦是用來做航天飛機、核反應(yīng)堆、首飾、眼睛架高爾夫球棍等奢侈品。

 

鈦金屬擁有這樣絕佳的特性，同時鈦也是非常難以加工的金屬。對鈦加工技術(shù)和加工手段的了解和認(rèn)識制約了相關(guān)企業(yè)進入這一領(lǐng)域，到目前，國內(nèi)鈦制餐具、炊具還是一塊處女地，正在等待有識之士的開發(fā)。本項目技術(shù)生產(chǎn)的鈦制餐具、炊具克服了純鈦金屬難展現(xiàn)藝術(shù)性的難度和美感的刻板印象，并有著鮮艷的顏色， 讓科技與生活工藝完美結(jié)合。使千家萬戶真正體會到“要健康，用鈦鍋！”

 

三、鈦合金建筑裝飾材料應(yīng)用介紹

 

金屬材料用于建筑，特別是屋頂，首先應(yīng)用的是銅，依次開發(fā)使用的是表面處理過的鋼板、鋁、不銹鋼和鈦。隨著國民經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，人們對城市建筑物的要求，特別對建筑物的美觀性要求越來越高。

 

近年來建筑師追求使用比傳統(tǒng)材料更高級的新型建筑材料。鈦金屬具有許多非常優(yōu)異性能，完全滿足對建筑材料的許多特殊性能要求，因而倍受建筑師和建筑業(yè)的青睞。

 

日本是首先將鈦應(yīng)用于建筑物的國家，也是在建筑物上應(yīng)用鈦最多的國家。

 

其主要是應(yīng)用于建筑物的屋頂，以及大廈幕墻、港口、橋梁、隧道、外壁、門牌、欄桿、管道等。英國、法國、美國、西班牙、荷蘭、加拿大、比利時、瑞士均有建筑物使用鈦金屬作屋頂和幕墻的范例，瑞典、新加坡和埃及等國家也在一些新建筑上開始使用鈦金屬。1997 年西班牙畢爾巴鄂市的古根海姆博物館就是采用鈦金屬板構(gòu)造出去曲面的建筑造型。阿布扎比機場也選用了鈦，且用量幾百噸，該機場是世界上第一將鈦作為建筑結(jié)構(gòu)材料使用的機場。

 

我國最先提出應(yīng)用鈦金屬的建筑是國家大劇院，最先應(yīng)用的是杭州大劇院。

 

應(yīng)用鈦金屬的建筑還有中國有色工程設(shè)計研究總院大門廳、杭州臨平東來第一閣、上海馬戲雜技場屋頂和大連圣亞極地世界等。用于城市雕塑的有陜西省寶雞市河濱公園內(nèi)的鈦雕塑“海豚與人”、河北省邢臺市中心廣場的鈦雕塑“乾坤球”、陜西省寶雞市步行街的鈦雕塑“雄雞報曉”等。

 

我國鈦金屬生產(chǎn)技術(shù)基本成熟，生產(chǎn)設(shè)計規(guī)模很大，但銷售市場不大，經(jīng)濟效益不理想，主要是缺少客戶滿意的技術(shù)經(jīng)濟性能好的產(chǎn)品。我國目前的建筑用鈦現(xiàn)狀如下：

 

1、產(chǎn)品單一：作為結(jié)構(gòu)材料，沒有足夠的品種以供使用者選擇。作為表面裝飾材料，目前我國沒有形成較大的鈦表面處理規(guī)模生產(chǎn)企業(yè)，加工還停留在手工作坊生產(chǎn)方式階段，這不利于大面積使用鈦作為裝飾用材。

 

2、品位低：沒有較高品質(zhì)的產(chǎn)品，更沒有鈦及相關(guān)復(fù)合材料的大量供應(yīng)，只能生產(chǎn)一些模型、城雕、工藝品等，沒有品位較高的表面裝飾材料及其生產(chǎn)手段。

 

3、價格高：由于沒有穩(wěn)定的高品質(zhì)的產(chǎn)品，不可能有大面積的廣泛應(yīng)用，導(dǎo)致使用量小、價格高，更不利于推廣使用。

 

4、設(shè)計者因素：我國沒有類似職業(yè)培訓(xùn)制度，新材料發(fā)明后沒有在建筑設(shè)計師思維中儲存下來，導(dǎo)致在建筑原創(chuàng)設(shè)計圖很少把鈦金屬設(shè)計進去，用途就顯然少了。

 

近年來隨著全球海洋化的進展以及鈦原材料價格不斷下跌，鈦在建筑、裝飾領(lǐng)域的需求量和應(yīng)用范圍正在不斷拓展，預(yù)計今后幾年在建筑、裝飾行業(yè)鈦材需求量將達(dá)5000 噸以上，海洋工程和海島建設(shè)鈦材需求量將達(dá)5000 噸以上，造船工業(yè)用鈦量將達(dá)5000 噸以上。

 

而我國現(xiàn)在還沒有一家專業(yè)從事建筑裝飾用鈦材生產(chǎn)企業(yè)，只是將工業(yè)用材料簡單的應(yīng)用于民用領(lǐng)域，與市場和行業(yè)需求差距較大，急需建立專業(yè)化生產(chǎn)線，滿足這一領(lǐng)域的各項專業(yè)化需求。

 

鈦是目前能大量生產(chǎn)的、價格最低的、幾乎完全不被海水腐蝕的金屬。作為建筑材料，鈦材的反射率較小，并呈現(xiàn)淡銀灰色，擁有迷人的金屬自然光澤。

 

寶雞鈦產(chǎn)業(yè)研究院將生產(chǎn)建筑裝飾用鈦材，主要是應(yīng)用于建筑物的屋頂，其次是大廈的幕墻、港灣設(shè)施、橋梁、海底隧道、外壁、裝飾物、小配件類、立柱裝飾、外裝、紀(jì)念碑、標(biāo)牌、門牌、欄桿、管道、防蝕被覆等。項目利用國內(nèi)現(xiàn)有鈦板、鈦卷帶為原料，采用整形拋光、壓花技術(shù)，使板材表面光亮，色澤一致并具有金屬花紋；采用大面積板材陽極氧化著色技術(shù)，為板材表面著色，形成多彩顏色，滿足建筑、裝飾類材料的需求。

 

四、航空用鈦合金研究進展

 

鈦元素分布比較廣泛，其含量超過地殼質(zhì)量的0.4%，全球探明儲量約34 億噸，在所有元素中含量居第10 位（氧、硅、鋁、鐵、鈣、鈉、鉀、鎂、氫、鈦）。

 

美國科學(xué)家在1910 年采用“鈉法”（鈉還原TiCl4）最早獲得金屬鈦，但是鈦工業(yè)并沒有隨著鈦的發(fā)現(xiàn)立即得以發(fā)展。

 

直到第二次世界大戰(zhàn)后的1948 年，盧森堡科學(xué)家發(fā)明的“鎂法”（鎂還原TiCl4）在美國用于生產(chǎn)之后鈦工業(yè)才開始起步。

 

鈦比鋼密度小40%，而鈦的強度和鋼的相當(dāng)，這可以提高結(jié)構(gòu)效率。同時，鈦的耐熱性、耐蝕性、彈性、抗彈性和成形加工性良好。由于鈦具備上述特性，從一出現(xiàn)鈦合金就應(yīng)用于航空工業(yè)。1953 年，美國道格拉斯公司出產(chǎn)的DC-T 機發(fā)動機防火壁和短艙上首次使用鈦材，開始鈦合金應(yīng)用于航空的歷史。

 

航天飛機是最主要的、應(yīng)用范圍最廣的航空器。鈦是飛機的主要結(jié)構(gòu)材料，也是航空發(fā)動機風(fēng)扇、壓氣機輪盤和葉片等重要構(gòu)件的首選材料，被譽為“太空金屬”。飛機越先進，鈦用量越多，如美國 F22 第四代機用鈦含量為41%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），其F119 發(fā)動機用鈦含量為39%，是目前用鈦含量最高的飛機。鈦合金研究起源于航空，航空工業(yè)的發(fā)展也促進了鈦合金的發(fā)展。航空用鈦合金的研究一直是鈦合金領(lǐng)域中最重要、最活躍的一個分支，但其發(fā)展也極其艱辛，如人們花費十幾年的精力克服航空發(fā)動機用鈦合金的“熱障”問題。

 

本文從合金基體相組成角度對鈦合金進行歸類。以飛機為航空器的代表，著重介紹鈦合金在航空發(fā)動機、飛機機身、航空緊固件等方面的應(yīng)用研究情況。最后，分析航空用鈦合金發(fā)展過程中存在的問題。

 

1 鈦合金的分類

 

美、英、俄、法、日等國鈦合金的分類多為廠家自定，名目繁多。某些公司直接采用元素的化學(xué)符號和數(shù)字代替所加合金元素及其含量命名，如Ti-6Al-4V（相當(dāng)于我國的TC4），各國牌號對照及化學(xué)成分如表1 所列 。按相組成鈦合金可分為：密排六方結(jié)構(gòu)（HCP）的α 型鈦合金（包括近α 型合金）—即國內(nèi)牌號TA、兩相混合的α+β 型鈦合金—即國內(nèi)牌號 TC 和體心立方結(jié)構(gòu)（BCC）的β 型鈦合金（包括近β型合金）—即國內(nèi)牌號為 TB 。

 

 

 

1.1 α 型鈦合金

 

退火狀態(tài)以α 鈦為基體的單相固溶體合金為α 型鈦合金， 它主要含Al、Sn 等元素。Al 能增加合金的抗拉和蠕變強度，減小鈦合金的密度，提高比強度，是鈦合金中重要的合金元素。為了最大限度地發(fā)揮鋁的固溶強化作用，避免因過量Al 引起合金脆化，高溫鈦合金的合金化工作應(yīng)遵循ROSENBERG 提出的當(dāng)量經(jīng)驗公式，只有這樣才能保證合金在提高耐熱強度的同時保持良好的熱穩(wěn)定性。α 鈦合金中的這些元素通過在相變溫度下抑制相變或者提高相變溫度而起到穩(wěn)定作用。與β 型鈦合金相比，α 型合金具有良好的抗蠕變性能，強度、可焊性以及韌性，是高溫下使用的首選合金 。同時，α 型合金不存在冷脆性，它也適合在低溫環(huán)境中使用，擴大了其應(yīng)用范圍。α 型合金鍛造性較差，容易產(chǎn)生鍛造缺陷，可通過減少每道次加工率和頻繁熱處理來控制鍛造缺陷。α 基體為穩(wěn)定相，對于給定成分合金而言，其性能變化主要是晶粒大小的變化 ，因為屈服強度和抗蠕變強度均與晶粒大小、變形時儲存的能量有關(guān)。α 型鈦合金不能通過熱處理來提高強度，退火后強度基本無變化或少有變化。有些合金含有較多的 Al、Sn、Zr 及少量的β 穩(wěn)定元素（一般小于2%）。盡管這些合金中含有β 相，但基體主要由α 相組成，在熱處理敏感性和加工性能上都與α 型合金很接近，被稱為近α 型鈦合金。近α 型合金是在人們認(rèn)識到采用固溶合金元素強化α 基體可以得到高的蠕變強度基礎(chǔ)上開發(fā)的，大多數(shù)近α型合金因具有較好的熱穩(wěn)定性，現(xiàn)在已成為高溫鈦合金的重要合金種類。它的強化機制是β 相中原子擴散快，易于發(fā)生蠕變，β 穩(wěn)定元素還有抑制α 相脆化的作用（即延緩α 中形成有序相的過程）。

 

常見的α 型鈦合金（包括近α 型合金） 有Ti811（Ti-8Al-1Mo-1V）、Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V、Ti-679（Ti-2.25Al-11Sn-5Zr-1Mo-0.25Si）、BT18（Ti-7.7Al-11Zr-0.6Mo-1Nb-0.3Si） 和Ti6242S（Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si）等，其成分和性能如表2所列。

 

1.2 α+β 型鈦合金

 

為提高鈦合金的強度和韌性，人們研制出α+β 型鈦合金。與其他鈦合金相比，α+β 合金中同時加入α 穩(wěn)定元素和β 穩(wěn)定元素，使α 和β 相得到強化。α+β 合金具有優(yōu)良的綜合性能，如其室溫強度高于α 合金的，熱加工工藝性能良好，可以進行熱處理強化，因此適用于航空結(jié)構(gòu)件。α+β 型鈦合金退火組織為α+β 相，β 相含量一般為5%~40%。但其組織不夠穩(wěn)定，使用溫度最高只能到500℃，焊接性能和耐熱性低于α 型鈦合金。

 

α+β 型鈦合金主要有TC4（Ti-6 A l – 4 V ） 、T C 6 （ T i – 6 A l – 1 . 5 C r -2.5Mo-0.5Fe-0.3Si）、TC11（Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si）、TC17（Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr）、TC19（Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo）和TC21（Ti-6.2Al-2.8Mo-2Nb-2Sn-2.1Zr-1.3Cr）等。其中TC11 合金也被稱為近β 合金。

 

ZHOU 提出了一種TC11 合金加工工藝，先將合金在低于β- 轉(zhuǎn)變溫度15°下進行熱處理，隨后快速水冷，再經(jīng)過高溫和低溫增韌強化熱處理，獲得一種新的顯微組織。這種新組織基體由15%等軸α 晶粒、50%~60% 層狀α 晶粒和已轉(zhuǎn)變完成的β 晶粒組成。其研究結(jié)果顯示該合金表現(xiàn)出較高的抗疲勞性能，較長的蠕變疲勞壽命，高韌性和優(yōu)良的高溫服役性能，并且不降低塑性和熱穩(wěn)定性。

 

并且對該新工藝和強韌化機理的實驗原理進行了討論。該加工工藝實際應(yīng)用的關(guān)鍵問題就是對溫度的準(zhǔn)確控制。

 

這種TC11 鈦合金加工工藝已應(yīng)用于生產(chǎn)可靠的航空發(fā)動機壓氣機盤、旋轉(zhuǎn)子和其他部件。

 

1.3 β 型鈦合金

 

β 穩(wěn)定元素含量足夠高，且固溶處理后快速冷卻β 相保留至室溫得到的合金稱為β 型鈦合金。按照穩(wěn)定狀態(tài)組織類型分類，β 鈦合金可分為穩(wěn)定型β 鈦合金，亞穩(wěn)型β 鈦合金，如圖1所示。在圖1 中，MS 為馬氏體相變溫度線，βC 為亞穩(wěn)型合金的β 穩(wěn)定元素最低含量，βS 為穩(wěn)定型合金β 穩(wěn)定元素最低含量。

 

 

 

圖1 β穩(wěn)定劑含量和鈦合金相組成的關(guān)系

 

β 合金在固溶狀態(tài)下冷成形性能良好，而且淬透性和熱處理響應(yīng)性也優(yōu)良。

 

常用的熱處理方法是先固溶處理，然后在 450~650℃時效，合金原β 基體上會析出細(xì)小的α 相，形成彌散分布的第二相，這就是β 合金的強化機理。由于β 鈦合金比其他類型鈦合金在時效時析出更多的α 相，含有更多的α-β相界面阻礙位錯運動 ，因此β 鈦合金的室溫強度最高。

 

金屬材料在變形和斷裂過程中吸收能量的能力稱為韌性，材料吸收的能量越多，韌性也就越好。斷裂韌性是表示材料韌性的指標(biāo)，反映材料對裂紋和其他尖銳缺陷擴展的抵抗能力。通常來說，鈦合金的斷裂韌性和強度呈反比趨勢，即強度提高的同時斷裂韌性下降。研究β 鈦合金在航空航天工業(yè)的應(yīng)用，需要設(shè)計同時具備良好強度和斷裂韌性的顯微組織以及加工工藝和熱處理制度。合金成分和顯微組織是決定β 鈦合金斷裂韌性的兩個主要因素。合金成分決定合金中β 相的數(shù)量，也決定合金的類型和斷裂韌性。顯微組織的形態(tài)、數(shù)量、體積同樣影響合金斷裂韌性的高低。付艷艷等認(rèn)為β 鈦合金的β 穩(wěn)定元素和中型元素Zr 可以提高合金的強度，降低斷裂韌性。細(xì)小的β 晶粒并不能有效提高時效態(tài)β 鈦合金的強度，會降低Ti-15-3 合金的斷裂韌性，但對β-C和Ti-1023 合金的斷裂韌性無明顯影響。

 

時效態(tài)β 鈦合金的強度主要取決于時效析出的次生α 相的含量和尺寸，在含有同樣初生α 相的情況下，細(xì)小的次生α 相可以顯著提高合金的強度。

 

初生α 相的粗化以及初生相從球狀轉(zhuǎn)變?yōu)槠瑺顣?dǎo)致β 鈦合金塑性降低，斷裂韌性提高。β 鈦合金的雙態(tài)組織具有良好的強度、塑性和韌性的匹配。

 

β 鈦合金之所以得到廣泛的應(yīng)用，也是因為其時效后具有其他類型的鈦合金無法比擬的高強度和高塑性優(yōu)勢。同時，β 鈦合金所具有的可熱處理強化性和深淬透能力使得它逐漸代替α+β兩相鈦合金成為用于飛機機身和機翼的首選結(jié)構(gòu)材料，在航空航天工業(yè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。

 

2 航空用鈦合金的發(fā)展及應(yīng)用

 

20 世紀(jì)50 年代，軍用飛機進入超音速時代，原有的鋁、鋼結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足新的需求，鈦合金恰恰在這個時候進入了工業(yè)性發(fā)展階段。鈦合金因密度小、比強度高、耐蝕、耐高溫、無磁、可焊、使用溫度范圍寬（269~600℃）等優(yōu)異性能，而且能夠進行各種零件成形、焊接和機械加工，在航空領(lǐng)域很快得到廣泛應(yīng)用。20 世紀(jì)50 年代初期的軍用飛機上開始使用工業(yè)純鈦制造后機身的隔熱板、機尾罩、減速板等受力較小的結(jié)構(gòu)件。20 世紀(jì)60 年代，鈦合金進一步應(yīng)用到飛機襟翼滑軋、承力隔框、中翼盒形梁、起落架梁等主要受力結(jié)構(gòu)件中。到20 世紀(jì)70 年代，鈦合金在飛機結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用，又從戰(zhàn)斗機擴大到軍用大型轟炸機和運輸機，而且在民用飛機上也開始大量采用鈦合金結(jié)構(gòu)。

 

進入20 世紀(jì)80 年代后，民用飛機用鈦逐步增加，并已超過軍用飛機用鈦。飛機越先進，鈦用量越多。表3~5 所列分別為美國第3 代、第4 代戰(zhàn)斗機及先進轟炸機、運輸機用鈦材的質(zhì)量分?jǐn)?shù) 、一般飛機使用的鈦合金種類和空客飛機鈦合金和復(fù)合材料的用量。由表5 可知，空客A380 飛機上的鈦材使用量已達(dá)10%，鈦材已經(jīng)成為現(xiàn)代飛機不可缺少的結(jié)構(gòu)材料。根據(jù)用途不同，可將航空用鈦合金分為飛機發(fā)動機用鈦合金、飛機機身用鈦合金和航空緊固件用鈦合金。近年來，人們對航空用鈦合金在上述 3 個方面的應(yīng)用進行了深入研究。

 

 

 

2.1 航空發(fā)動機用鈦合金

 

發(fā)動機是飛機的心臟。發(fā)動機的風(fēng)扇、高壓壓氣機盤件和葉片等轉(zhuǎn)動部件，不僅要承受很大的應(yīng)力，而且要有一定的耐熱性。這樣的工況條件對鋁來說溫度太高；對鋼來說密度太大。鈦是最佳的選擇，鈦在300~650℃溫度下具有良好的抗高溫強度、抗蠕變性和抗氧化性能。同時，發(fā)動機的一個重要性能指標(biāo)是推重比，即發(fā)動機產(chǎn)生的推力與其質(zhì)量之比。最早發(fā)動機的推重比為2~3，現(xiàn)在能夠達(dá)到10。推重比越高，發(fā)動機性能越好。使用鈦合金替代原鎳基高溫合金可使發(fā)動機的質(zhì)量降低，大大提高飛機發(fā)動機的推重比。鈦在飛機發(fā)動機上的用量越來越多。在國外先進航空發(fā)動機中，高溫鈦合金用量已占發(fā)動機總質(zhì)量的25%~40%，如第3 代發(fā)動機F100 的鈦合金用量為25%，第4 代發(fā)動機F119 的鈦合金用量為40% 。

 

航空發(fā)動機部件要求鈦合金在室溫至較高的溫度范圍內(nèi)具有很好的瞬時強度、耐熱性能、持久強度、高溫蠕變抗力、組織穩(wěn)定性。β 型和近β 型鈦合金盡管在室溫至300℃左右具有高的拉伸強度，但在更高的溫度下，合金的蠕變抗力和耐熱穩(wěn)定性急劇下降，所以β 型鈦合金很少用于飛機發(fā)動機。α 型和近α 型鈦合金具有良好的蠕變、持久性能和焊接性，適合于在高溫環(huán)境下使用。

 

α+β 型鈦合金不僅具有良好的熱加工性能，而且在中高溫環(huán)境下還具有良好的綜合性能。因此，α 型、近α 型和α+β 型鈦合金被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機。表6 所列為世界各國研制的飛機發(fā)動機用鈦合金。

 

目前，航空發(fā)動機用高溫鈦合金的最高工作溫度已由350℃提高到600℃，能夠滿足先進發(fā)動機對材料的需求。經(jīng)過世界各國鈦合金研究者半個世紀(jì)的努力，研制出 Ti811（Ti-8Al-1Mo-1V）、Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V、Ti-679（Ti-2.25Al-11Sn-5Zr-1Mo-0.25Si）、TC6（Ti-6Al-1.5Cr-2.5Mo-0.5Fe-0.3Si）、TC17（Ti-5Al-4Mo-4Cr-2Sn-2Zr）、TC19（Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo）、TC21（Ti-6.2Al-2.8Mo-2Nb-2Sn-2.1Zr-1.3Cr）、Ti1100（Ti-6Al-2.75Sn-4Zr-4Mo-0.45Si）、IMI834（Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.7Nb-0.5Mo-0.35Si-0.06C）等合金。

 

Ti811（Ti-8Al-1Mo-1V） 合金具有密度低、彈性模量高、振動阻尼性能優(yōu)良、熱穩(wěn)定性好、焊接性能和成型性能好等諸多優(yōu)點，其比剛度是所有工業(yè)鈦合金中最高的。趙永慶等對Ti811合金熱穩(wěn)定性和高溫疲勞性能等問題進行深入研究，研究顯微組織和試樣表面狀態(tài)對Ti811 合金熱穩(wěn)定性能的影響。結(jié)果表明：具有等軸組織和雙態(tài)組織的Ti811 合金有很好的熱穩(wěn)定性能；針狀組織的存在使Ti811 合金熱穩(wěn)定性能惡化。此外，研究認(rèn)為Ti811 合金在425℃熱暴露下，表面氧化層及暴露時間對合金的熱穩(wěn)定性能沒有明顯影響。

 

高廣睿等利用高頻疲勞實驗機和自制高溫微動疲勞裝置研究溫度、位移幅度、接觸壓力等因素對Ti811 鈦合金高溫微動疲勞（FF）行為的影響。結(jié)果表明：

 

在350℃和500℃的高溫下，Ti811 合金微動疲勞敏感性隨著溫度的升高微動疲勞的敏感性增強，蠕變是高溫下Ti811合金FF 失效的重要影響因素，位移幅度變化影響疲勞應(yīng)力因素和磨損在FF 過程中所起作用和機制。

 

Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V 是前蘇聯(lián)20世紀(jì)60 年代研制成功的一種通用性合金， 該合金能夠在300~500 ℃ 溫度下工作，主要用于生產(chǎn)飛機發(fā)動機匣。

 

OUYANG 等在研究Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V鈦合金不同溫度和應(yīng)變速率下的再結(jié)晶行為方面做了大量工作。研究結(jié)果表明：

 

在變形溫度高于1050℃、應(yīng)變速率低于0.01s-1 時，合金的動態(tài)再結(jié)晶機制以不連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶為主；在變形溫度低于1050℃、應(yīng)變速率高于0.01s-1 時，合金的動態(tài)再結(jié)晶機制以連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶為主，同時存在少量的不連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶。此外，Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V 合金相變時的位向關(guān)系與其他鈦合金有所不同，HE 等對影響該合金相變位向關(guān)系的因素進行研究。結(jié)果表明：外部因素（如變形應(yīng)力、應(yīng)變速率和冷卻速率）在β → α 階段轉(zhuǎn)換遵守Burgers 位向轉(zhuǎn)換規(guī)則。然而，應(yīng)變速率和冷卻速率能顯著影響α 沉淀相的形態(tài)。

 

Ti-679 合金為低鋁高錫，再添加鋯、鉬、硅等合金元素而得到的，可用作發(fā)動機高壓壓氣機葉片和盤。在它的合金元素中，鋁的作用是提高合金強度，但易導(dǎo)致塑形變差，用低鋁高錫配合，可以獲得較好的塑形和強度；鉬的作用是避免形成過多的β 相，使蠕變強度下降；而鋯的作用是補充強化α 相 。Ti-679合金的抗蠕變性能和熱穩(wěn)定性都比較好，其工作溫度可達(dá)450℃。

 

TC6 鈦合金的熱強性和熱穩(wěn)定性良好，它在高溫下的力學(xué)行為與微結(jié)構(gòu)的變化引起全世界研究者的廣泛關(guān)注。白新房等對TC6 鈦合金進行990℃保溫?zé)崽幚恚芯勘剡^程中氧原子、合金元素分布變化對內(nèi)表層組織及硬度的影響。結(jié)果表明：在990℃熱處理后試樣內(nèi)表層富氧α 層從邊部到基體內(nèi)部顯微硬度呈現(xiàn)低- 高- 低的變化規(guī)律，在距邊部約55μm 處達(dá)到最大值449HV1。內(nèi)表層顯微硬度的變化是由于氧化作用而導(dǎo)致內(nèi)表層合金元素分布變化和氧原子的富集引起的。孫坤等研究 4種典型組織TC6 鈦合金試樣在高應(yīng)變率加載條件（1×103s-1）下的動態(tài)力學(xué)行為。結(jié)果表明：不同組織TC6 鈦合金的流變應(yīng)力隨應(yīng)變增加快速增加。

 

TC17 鈦合金是一種富β 穩(wěn)定元素的過渡型兩相鈦合金，該合金在中溫（300~450℃）具有抗蠕變性能高，淬透性好、斷裂韌度高等優(yōu)點，廣泛用于制造航空發(fā)動機風(fēng)扇盤、壓氣機盤。作為兩相鈦合金，TC17 可以通過熱處理調(diào)整其顯微組織，進而提高綜合力學(xué)性能，其標(biāo)準(zhǔn)熱處理工藝為：（840℃，1hAC）+（800 ℃，4hWQ）+（630 ℃，8hACTC4）。孫曉敏等研究激光熔化沉積TC17 鈦合金原態(tài)及固溶時效后的顯微組織。結(jié)果表明：當(dāng)固溶溫度從 800℃升高到835℃時，初生α 相體積分?jǐn)?shù)由 53% 減少到34%，時效后相片層顯著增粗，寬 0.7~0.8μm，次生α 相含量伴隨固溶溫度升高逐漸增多。TC19鈦合金是20 世紀(jì)美國開發(fā)的一種富β的α+β 型鈦合金，是在Ti-6242 合金（Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo） 基礎(chǔ)上發(fā)展而來，是一種高強度高韌性鈦合金。與Ti-6242 合金相比，TC19 鈦合金提高Mo 含量，使室溫和高溫拉伸性能得到改善。而Sn 和Zr 的加入，使該合金的相變行為變得非常緩慢 。朱寶輝等研究不同鍛造工藝制備的TC19 鈦合金棒材。結(jié)果表明：常規(guī)鍛造工藝和高- 低-高鍛造工藝均可用來鍛造TCl9 合金棒材，但采用高- 低- 高鍛造工藝得到的棒材的力學(xué)性能優(yōu)于常規(guī)鍛造工藝。

 

TC21 合金是我國自行研制的具有獨立知識產(chǎn)權(quán)的新型兩相高強韌鈦合金，在航空、航天領(lǐng)域作為重要的結(jié)構(gòu)材料使用。人們對該合金的冷卻速度、熱處理和組織性能的關(guān)系先后展開了較多研究。王義紅等提出：當(dāng)冷卻速率大于122e/s 時，β 相轉(zhuǎn)變形成正交馬氏體，冷卻速率介于 122~3℃ /s 之間時，發(fā)生塊狀轉(zhuǎn)變，冷卻速率繼續(xù)降低，相變由擴散控制，形成兩種不同形貌的魏氏體片層。宋穎剛等的研究結(jié)果表明：

 

TC21 鈦合金表面經(jīng)噴丸強化后，在表層形成一個彈塑性變形層。強化過程中由于密排六方晶體的基面、柱面和錐面滑移系的開動造成位錯密度升高，A 相中位錯形貌呈現(xiàn)網(wǎng)狀；強化前納米壓痕硬度為3.2GPa，強化后為6.7GPa，提高1 倍以上。在強化層內(nèi)形成很高的宏觀殘余壓應(yīng)力，并且表現(xiàn)為由表面向里逐漸減少的梯度變化。強化層深度達(dá)到370μm。宮旭輝等研究TC21 鈦合金的高溫動態(tài)拉伸力學(xué)行為。結(jié)果表明：當(dāng)應(yīng)變速率為0.001 和0.05s-1 的屈服應(yīng)力- 溫度曲線存在轉(zhuǎn)折點，且轉(zhuǎn)折點溫度隨應(yīng)變速率的增大而升高；當(dāng)溫度低于轉(zhuǎn)折點溫度時，相同氧含量的TC21鈦合金和多晶純鈦的屈服應(yīng)力具有相似的溫度相關(guān)性。曲恒磊等對TC21 鈦合金進行應(yīng)變速率為 0.01~50s-1、溫度為973~1373K 的壓縮試驗后得出結(jié)論，在試樣的不同部位存在變形組織的不均勻現(xiàn)象，該合金在不同溫度區(qū)域變形時分別發(fā)生重結(jié)晶和動態(tài)再結(jié)晶。重結(jié)晶導(dǎo)致晶粒粗化（ 尺寸約100~200μm）。

 

而動態(tài)再結(jié)晶導(dǎo)致晶粒細(xì)化（最小尺寸為1~2μm）。

 

以上幾種合金為常規(guī)航空發(fā)動機用鈦合金，其使用溫度均在 650 ℃以下。

 

目前實用性能耐熱鈦合金是Ti1100 和IMI834，它們已經(jīng)分別應(yīng)用于EJ2000 和55-712 改型發(fā)動機。由于“鈦火”事故的出現(xiàn)，阻燃鈦合金越來越受到人們的關(guān)注。美、俄等國進行了阻燃性能良好新型鈦合金的研制。由美國普惠公司研制的高強阻燃鈦合金 Alloy C，已用作F119 發(fā)動機的矢量噴口零件，該合金的名義成分為Ti-35V-15Cr（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%），合金中含大量昂貴金屬釩，再加上Alloy-C 合金鑄錠熱變形工藝要采用一些專用設(shè)備，進一步提高了材料價格。俄國對成本較低的Ti-Cu 合金進行了研究， 并報導(dǎo)了BT25 和BT36 合金。中國科研工作者對前人的發(fā)動機用鈦合金研究工作進行過系統(tǒng)總結(jié)和中肯評價。

 

2.2 飛機機身用鈦合金

 

飛機發(fā)動機要求所用合金熱強度、比強度好，而機身則要求合金在中等溫度下具備強度好、耐腐蝕、質(zhì)輕等優(yōu)良特性。鈦合金能很好的達(dá)到這些要求，采用鈦合金做機身材料有以下5 方面優(yōu)勢：1）替代鋼和鎳基高溫合金可大大降低飛機質(zhì)量。高推重比讓鈦合金能夠替代強度稍好的鋼而用于飛機零部件中。2）能夠滿足飛機強度要求。

 

與鋁合金相比，60% 左右質(zhì)量的鈦合金即可達(dá)到相同的強度。在使用溫度超過 130℃時，鈦合金能取代鋁合金，因為這一溫度是傳統(tǒng)鋁合金的極限適用溫度。3）耐腐蝕性良好。大部分飛機支撐機構(gòu)在廚房、廁所下面，很容易產(chǎn)生腐蝕，鈦合金不需要表面防腐涂層或者鍍膜。4）與聚合物復(fù)合材料電化學(xué)相容性好。5）空間的限制，替代鋼和鋁合金。因空間限制而使用鈦合金的典型例子是波音747 的鈦合金起落架梁。這種梁是最大的鈦合金鍛件，盡管其他合金（比如7075 鋁合金）成本更低，但承載需要質(zhì)量時，鋁合金起落架體積超出機翼范圍而不符合要求。鋼的強度足可以承載質(zhì)量，但它會使飛機質(zhì)量大大增加。圖2 所示是波音777 飛機機身使用材料示意圖 。在飛機機身中應(yīng)用較廣泛的鈦合金有β-21S（Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si）、Ti-10-2-3（Ti-10V-2Fe-3Al）、Ti-15-3（Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn）、Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr 等。BOYER 曾就鈦合金在機身的應(yīng)用情況進行過總結(jié)，本文作者僅討論前兩種合金。

 

β-21S（Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.25Si）合金是美國Timet 公司為國家航天飛機開發(fā)的，可制成帶材，具有抗氧化性，可作為復(fù)合材料來使用。

 

它具有較好的高溫特性，并比Ti-6-4具有更好的抗蠕變性能（ 一般β 合金在高溫環(huán)境下抗蠕變性并不好）。

 

β-21S 已被波音和P&W 用在瞬時650℃的高溫環(huán)境，它的持續(xù)工作溫度是480~565℃。β-21S 合金的突出優(yōu)點在于它可以較好地抗高溫液壓機液體腐蝕。這種液壓機液體是一種少數(shù)能在航天環(huán)境下腐蝕鈦合金的物質(zhì)，在超過130℃時會分解并形成一種含有機金屬的磷酸，會腐蝕鈦合金，更重要的是會使含有大量氫的發(fā)動機泵產(chǎn)生嚴(yán)重的脆裂。β-21S 是唯一一種能抵抗這種腐蝕劑的金屬 ，這是因為β-21S 含有鉬和鈮，可用于引擎機艙和噴射引擎部位（原先使用鋼或鎳基合金）。此外，β-21S可減少質(zhì)量，用于制造波音777 的3 種引擎（P&W4084，GE90 和Trent800）中的噴嘴、塞子、蒙皮和各種縱梁結(jié)構(gòu)，這些可以為每架飛機減少質(zhì)量74 kg。

 

Ti-10-2-3（Ti-10V-2Fe-3Al）是迄今為止應(yīng)用最為廣泛的一種高強韌近β 鈦合金，最早也由美國Timet 公司在1971 年研制而成。它是一種為適應(yīng)損傷容限性設(shè)計原則而產(chǎn)生的高結(jié)構(gòu)效益、高可靠性和低成本的鍛造鈦合金，V 和Fe 為主要的β 穩(wěn)定元素。為了提高合金的鍛造性能和斷裂韌性，F(xiàn)e 的含量低于2%，O 的含量限制在 0.13% 以下。

 

該鍛件抗拉強度可達(dá)11901Mpa，用Ti-10-2-3 可為每架飛機減少質(zhì)量270kg。

 

波音公司生產(chǎn)飛機時選擇高強度合金并最大限度減少質(zhì)量，該鈦合金是波音777 中用量最大的β 鈦合金，該種飛機起落架幾乎全部由該合金制成，僅內(nèi)、外氣缸和輪軸由4340M 制成（強度為1895MPa）。空客A380 的主起落架支柱也是采用的Ti-10-2-3 合金。該合金還具有很好的抗疲勞性能，還能消除用鋼時產(chǎn)生的應(yīng)力腐蝕開裂。McDonnellDouglas 采用Ti-10-2-3（1105 MPa）制成貨艙門、引擎機艙、尾翼以及C-17運輸機的其他部分。Ti-10-2-3 在疲勞強度方面的優(yōu)勢也使其廣泛應(yīng)用于直升機。Bell，Westland，Sikorsky 和Eurocopter 等公司都采用Ti-10-2-3 合金做他們的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。

 

2.3 航空緊固件用鈦合金

 

不論軍民用飛機還是航天器上，除了金屬構(gòu)件還有很多碳纖維復(fù)合材料。

 

鈦與碳纖維復(fù)合材料的電極電位相近，鈦合金又成為復(fù)合材料惟一的連接材料。因此，隨著先進軍民用飛機鈦合金和復(fù)合材料用量的不斷增加，對鈦合金緊固件的需求日益加大。鈦合金用作航空緊固件，至少具備以下4 點優(yōu)勢：1）減重效果好。俄羅斯的一架伊爾-96 飛機用緊固件14.2 萬件，可減少質(zhì)量近600kg。我國航空航天系統(tǒng)鈦合金緊固件的使用也有明顯的減重效果。飛機和航天器減少質(zhì)量后，可以提高推力、增加射程、節(jié)省燃料、減少發(fā)射費用等。

 

2）鈦合金優(yōu)異的耐腐蝕性能，尤其是它正電位與碳纖維復(fù)合材料匹配，可以有效防止緊固件發(fā)生電偶腐蝕。3）在飛機結(jié)構(gòu)中，緊固件部位因溫度較高，不能采用鋁合金，只能使用鈦合金。4）鈦具有良好彈性和無磁，對于防止緊固螺栓的松動和防磁場干擾至關(guān)重要。

 

現(xiàn)代飛機采用多種鈦合金緊固件主要有普通鈦螺栓、干涉螺栓、特種緊固件等。美國、法國等航空發(fā) 達(dá) 國 家，95% 以 上 的 鈦 合 金 緊 固 件 都 采用Ti-6Al-4V（TC4）材料制造。除此之外，還有TB2、β III、Ti-44.5、Ti-15-3（TB5）、TB8 和TB3，其典型性能參數(shù)如表7 所列。

Ti-6Al-4V（TC4）合金β 穩(wěn)定系數(shù)最低，為0.27。它的優(yōu)點是密度最低，強度和疲勞性能良好，合金成分簡單，半成品成本最低。但由于室溫塑性沒有達(dá)到足夠高，所以加工緊固件時需要采用感應(yīng)加熱進行熱鐓成形，以及真空固溶處理和時效處理加工成本較高。

 

TB2、TB3、TB8 和TB16 為亞穩(wěn)型β 鈦合金，β 穩(wěn)定系數(shù)均比合金高，缺點是密度較高，強度雖與Ti-6Al-4V 相當(dāng)，但疲勞性能不如 Ti-6Al-4V，而且成分復(fù)雜，半成品成本高。由于同樣需要進行真空時效處理，所以成品緊固件的成本還要高于Ti-6Al-4V。

 

 

 

3 存在的問題與前景展望

 

鈦是一種性能優(yōu)異而又儲量豐富的金屬，有“現(xiàn)代金屬”的美稱，經(jīng)過半個世紀(jì)的發(fā)展，鈦合金制備技術(shù)和應(yīng)用研究都取得了很大進展，在航空領(lǐng)域中尤其得到廣泛的應(yīng)用。但存在的一些問題也逐漸暴露出來，航空用鈦合金進一步發(fā)展面臨著不小的挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)在以下3 個方面：

 

（1） 用量方面。不論是軍民用飛機或航空器中，鈦合金用量高低直接反應(yīng)出一個國家的航空水平。目前航空發(fā)動機鈦用量都較低，要進一步提高至 50%左右，其難度仍相當(dāng)大。

 

（2） 性能方面。與其他航空結(jié)構(gòu)材料一樣，高性能是要求具有良好的性能匹配，即必須綜合考慮其力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能、工藝性能和缺陷的可控性。現(xiàn)有的鈦合金在600℃以上，蠕變抗力和高溫抗氧化性的急劇下降是限制鈦合金擴大應(yīng)用的兩大主要障礙。

 

本文作者認(rèn)為，在整個航空鈦合金技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用過程中，新的制造技術(shù)將會是開發(fā)和研究的重點，如超塑成形等近凈型加工、粉末冶金成型法等。

 

（3） 成本方面。目前人們在降低成本航空鈦合金方面雖然取得了一些成就，但仍有許多領(lǐng)域有待研究和開發(fā)。以阻燃鈦合金為例，美國發(fā)明的Alloy-C 雖然具有優(yōu)良的阻燃特性和高溫力學(xué)性能，但由于它需要添加大量昂貴的V 和較差的可鍛性而導(dǎo)致價格很高，因此只有在F119 發(fā)動機中正式應(yīng)用。

 

由于管理和技術(shù)落后等原因，國內(nèi)鈦合金產(chǎn)品價格在國際上競爭力差，在國內(nèi)不利于進一步擴大應(yīng)用。因此，首先必須認(rèn)真研討降低鈦產(chǎn)品成本的途徑，確定近、中、長期發(fā)展規(guī)劃。其次，我國應(yīng)建立自己的鈦合金體系，確保每一用途有多種合金備選，逐步擺脫航空關(guān)鍵材料對國外的長期依賴，形成主干材料或通用材料，從根本上為實現(xiàn)低成本制造奠定基礎(chǔ)。最后，用價格較低的元素取代貴的合金元素，通過工藝途徑降低鈦合金零部件的成本，是今后鈦合金研究工作中的重要課題。

 

綜上所述，鈦合金推重比大、韌性高、強度和可焊接性好，是一種綜合性能優(yōu)良的航空材料。在過去幾十年中，航空用鈦合金的合金化理論、綜合強韌化技術(shù)和熱處理工藝均得到了很大發(fā)展。目前，鈦合金的研究主要集中在高溫下熱穩(wěn)定性、蠕變抗力和低成本的鈦合金設(shè)計及制造工藝等方面。隨著研究的深入，將以航空高端應(yīng)用帶動鈦合金低成本加工的技術(shù)進步，從而在根本上突破制約航空用鈦合金用量和應(yīng)用水平提升的成本瓶頸。全鈦制造的飛機也許在不遠(yuǎn)的將來即會成為現(xiàn)實。