钛合金的应用与前沿发展X X X （太原科技大学材料学院）摘要：先进材料钛及钛合金的应用与前沿技术的发展一直是当前材料领域的热点研究课题之一。

本文从钛合金的应用与前沿发展为基点出发，列举了钛合金的研究和应用在国内外取得的重大进步，并试图阐述钛合金最近一些前沿技术与中国现代化科技强国目标、西部大开发的关系，分析其优势与局限性，并展望发展趋势。

自从人类1790年发现钛元素，1951年进入工业化生产以来，钛逐渐显示出它独特的优越性能。

它不仅具有金属结构材料的优越性能，而且在许多工艺介质中具有优异的耐腐蚀性能，钛的应用可以获得明显的技术进步和经济效益。

它的蕴藏量是铜的十倍，是继铁、铝之后的"第三金属"，被称为"空间金属"。

从使用钛的意义上看，一个国家使用钛的多少，标志着国家的科技水平、军事实力、经济实力的强弱。

所以，推广使用钛、发挥钛特性的优势作用，对促进工业发展、增强产品竞争的活力，是非常必要的，也是现代技术发展的方向。

关键词：钛 ; 钛合金 ; 开发应用 ; 前沿发展报告正文：钛是周期表中第ⅣB类元素，外观似钢，熔点达1 672 ℃，属难熔金属。

钛在地壳中含量较丰富，远高于Cu、Zn、Sn、Pb等常见金属。

我国钛的资源极为丰富，仅四川攀枝花地区发现的特大型钒钛磁铁矿中，伴生钛金属储量约达4.2亿吨。

纯钛机械性能强，可塑性好，易于加工，如有杂质，特别是0、N、C等元素存在，会提高钛的强度和硬度，但会降低其塑性，增加脆性。

钛是容易钝化的金属，且在含氧环境中，其钝化膜在受到破坏后还能自行愈合。

因此，钛对空气、水和若干腐蚀介质都是稳定的。

钛和钛合金有优异的耐蚀性，只能被氢氟酸和中等浓度的强碱溶液所侵蚀。

特别是钛对海水很稳定，将钛或钛合金放入海水中数年，取出后，仍光亮如初，远优于不锈钢。

钛的另一重要特性是密度小。

其强度是不锈钢的3.5倍，铝合金的1.3倍，是目前所有工业金属材料中最高的。

液态的钛几乎能溶解所有的金属，形成固溶体或金属化合物等各种合金。

合金元素如A1、V、Zr、Sn、Si、Mo和Mn等的加入，可改善钛的性能，以适应不同部门的需要。

由于上述优异性能，钛享有“未来的金属”的美称，钛合金已广泛用于国民经济各部门，它是火箭、导弹和航天飞机不可缺少的材料。

船舶、化工、电子器件和通讯设备以及若干轻工业部门中要大量应用钛合金。

为促进我国钛工业的发展，选准"十一五"期间我国钛冶炼技术的发展方向，中国有色金属工业协会科技部和钛业分会合作，于2005年5月10日在北京召开了"钛冶炼技术发展规划研讨会"。

曹春晓院士等28名我国钛行业的专家出席了会议。

中国有色金属工业协会钮因键副会长、国家发改委肖春泉处长、国家科技部黄世兴处长、国防科工委贺守华处长等也应邀出席了会议。

会议中首先由中国有色金属工业协会钮因键副会长和协会科技部张洪国主任作会议主旨发言；北京有色金属研究总院的邓国珠教授介绍了国内外钛冶炼技术的现状、我国钛冶炼技术所存在的问题，初步提出了我国"十一五"期间技术发展的主要方向；遵义钛厂胥力厂长和抚顺钛厂刘禹明副厂长分别介绍了各厂在建钛项目的进展情况、存在及需要解决的问题；北京科技大学的朱鸿民教授分析了FFC法的优缺点，介绍了一种钛冶炼新方法的初步研究结果；锦铁集团的梁志忠高工介绍了该企业大型熔盐氯化和矿物油除钒的技术。

经过与会专家的认真讨论，大家一致认为，目前我国钛行业已具备相当的生产和科研实力，钛的市场需求远大于钛的实际供应能力，现在是我国钛行业发展的极为有利的时机。

与其他金属相比，钛在化学、物理和机械性能方面有其自已的特点，概括起来主要有以下六项性能。

1)密度小，比强度高金属钛的密度为4.5g/cm3,在相同尺寸条件下，使用钛制造的设备比钢约轻一半，所以钛是一种轻型材料；钛合金的强度与钢接近，远高于铝，所以钛合金又是一种轻型高强度金属结构材料。

由于这种优异特性，钛合金在航空、航天、导弹、兵器等尖端技术中被大量采用。

2)耐腐蚀性能钛在很多介质中是非常稳定的，如果说钛合金的比强度高是航空、航天用钛的重要依据，那么钛的耐腐蚀性能优异是民用工业使用的基础。

钛和氧有很大的亲和力，在空气中或含氧的介质中，钛表面生成一层致密、附着力强、惰性大的氧化膜，保护了钛基体不被腐蚀，即使由于机械磨损也会很快自愈或重新再生，而且介质温度在315℃以下时钛的氧化膜始终保持这一特性，这是各国民用工业使用钛材的基础保障。

3)无磁性、无毒钛合金是无磁性金属，在很大的磁场中也不会被磁化。

这一特性可使钛合金应用于磁控设备中，钛制舰艇外壳可以避免磁性雷的爆炸。

钛合金无毒，与人体组织及血液有良好的相容性，所以被医疗界采纳，用于人工关节、心脏起博器等设备。

另外钛设备也是制药行业理想的设备。

4)抗阻尼性能钛合金受到机械振动、电振动后，与钢、铜相比，其自身振动衰减时间最长。

利用这一性能钛合金可制作音叉、医学上的超声粉碎机振动元件和高级音响扬声器的振动薄膜等。

5)耐热性能通过固溶强化α相研制出的高温钛合金，可以在600℃以下长期使用，800℃以下短时间使用。

当飞机的飞行速度马赫数高于2．7以上，其发动机的盘、叶片、后机身、导向器、进气机匣等部件都采用高温钛合金。

6)耐低温性能以TA7、TC4为代表的低温钛合金，其强度随温度的降低而提高，但塑性变化不大，可在－196～－253℃低温下保持较好的延性及韧性，避免了金属冷脆性，是低温容器、储箱等设备的理想材料。

纯钛的塑性高，但强度低，因而限制了它在工业上的应用。

为了获得要求的性能，扩大钛的使用范围，在钛中添加不同的合金元素，得到各种不同牌号的钛合金。

钛合金中最常用的合金元素有10余种，其主要强化途径是固溶强化和沉淀强化。

前者是通过提高α相或β相的固溶浓度而提高合金的性能；后者是借助热处理获得高度弥散的α+β或α+金属间化合物（α+TiXMy）以达到强化的目的。

按现有水平，钛合金利用单相或复相固溶强化效果，可使抗拉强度从纯钛的约450MPa提高到1000～1200MPa，即提高1倍左右；如再结合适当的热处理，还可进一步提高到1200～1500MPa，个别合金的σb可达1800～2000MPa。

如前所述，钛中加入元素不同，可获得组织为单相或多相的合金，溶解浓度的差异、组织形态、晶粒大小等因素对钛合金的力学性能均有影响，下面分别作一简单介绍。

（1）α钛合金若要使钛合金退火组织由单相α构成，添加元素应以α稳定元素为主。

工业上，主要靠加入铝获得α钛合金。

因此，此类钛合金，多半属于钛-铝系。

添加合金元素铝是因为铝有较低的密度，能抵消加入合金中重过渡金属元素对钛合金密度的影响作用。

铝能显著地使室温和高温下的α相强化，但加入量过多会出现Ti3Al相而引起脆性，因此，铝的添加量一般不超过7%（质量）。

为进一步改善α-Ti合金的耐热性，钛-铝系合金中还添加锆、锡等中性元素和少量的β稳定元素。

α钛合金为单相合金，不能热处理强化，只有中等水平的室温强度。

但由于这类合金的组织稳定，抗蠕变性能好，可在较高温度下长期稳定地工作，是创制新型耐热钛合金的基础。

航空工业常用的α钛合金有TA4，TA5，TA6和TA7等。

TA7可用来制作承力较大的钣金件和锻件。

对于α钛合金，惟一的热处理方式是退火。

（2）β钛合金是退火组织完全由β相构成的合金。

从钛与同晶型β稳定元素的状态图可知，要得到单相β组织，合金中β稳定元素的含量必须大于Cβ，才能使β转变温度降低到室温或室温以下。

据实验结果，要使合金的β转变温度下降到600℃，应分别加入30%Mo，或70%V，或50%Nb，或70%Ta；如要将β转变温度下降到温室，则加入量还要更大。

这样就可能使钛由主要元素变为非主要元素，加大合金密度，降低比强度。

所以，稳定的β钛合金在工业上并没有多大的实际意义。

目前，稳定型β合金只有作耐蚀材料的Ti-32Mo。

工业常用的β钛合金是亚稳定型近β钛合金。

这类合金中β稳定元素含量无须大于Cβ，而只要大于CKB。

这是因为此类合金当其加热到β相区淬火时，将发生马氏体转变，和钢一样，钛合金中马氏体转变也有一个开始温度Ms和转变终了温度Mf，它们随合金中β稳定元素含量的增加而降低，当β稳定元素含量超过CKB时，Ms下降到室温。

通常将CKB称为临界浓度。

亚稳定近β钛合金在固溶状态有良好的工艺塑性，便于加工成形，时效处理后可获得很高的强度性能。

例如TB2（Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al）合金，固溶状态σb＜1000MPa，δ≥20%；时效后σb≈1350MPa，δ≥8%。

目前，国内试制的亚稳定近β钛合金牌号有：TB1，TB2，Ti-22，Ti-15-3，Ti-1023等，主要用于紧固件和飞机结构件。

这类合金的缺点是对杂元素敏感性高，组织不够稳定，耐热性较低，不宜在高温下使用。

另外，该类合金的冶金工艺也较一般合金复杂，焊接性较差。

（3）（α+β）钛合金该合金退火组织由（α+β）两相组成。

它兼有α和β钛合金的优点，即具有较高的耐热性，热加工较容易并能通过热处理强化。

（α+β）型合金的优点是可以通过调整成分，使合金的组织，即α相和β相的性质与比例在很宽的范围内变动，从近α型直到近β型合金，以满足不同的设计和使用要求。

从成分上，（α+β）合金一般是以Ti-Al为基再添加适量的β稳定元素。

因在周期表中具有实用价值的合金元素当中大多属β稳定的组元，故（α+β）型合金成分的选择余地远远超过α合金。

如在我国冶标中规定的（α+β）钛合金，就分别属于：Ti-Al-Mn系：TC1（Ti-2Al-1.5Mn），TC2（Ti-3Al-1.5Mn）；Ti-Al-V系：TC3（Ti-5Al-4V），TC4（Ti-6Al-4V），TC10（Ti-6Al-6V-2Sn-0.5Cu-0.5Fe）；Ti-Al-Cr系：TC5（Ti-5Al-2.5Cr），TC6（Ti-2-5.5Al-2Cr-1Fe-2Mo）； Ti-Al-Mo系：TC8（Ti-6.5Al-3.5Mo-0.25Si，TC9（Ti-6.5Al-3.5Mo-2.5Sn-0.3Si），TC11（Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.25Si）。

其中TC10为高强钛合金，TC6，TC8，TC9，TC11，属热强钛合金，工作温度为400～500℃。

（α+β）钛合金的性能不仅与β稳定元素含量而且还与热处理方式有关，α+β合金的强度在较大范围内是可调整的，只要控制合金成分和选择适当的热处理方法，就能获得不同的组织形态，从而具有不同的性能水平。

目前，有人把钛叫做“时髦金属”，也有人根据钛在工业上发挥的重要作用及其在未来发展趋势，把钛称为第三金属或未来的钢铁。