第25卷第2期 V ol.25 No.2 2008年 4月 April 2008收稿日期:2007-08-20作者简介:訾群(1968-,女,工程师,主要从事钛及钛合金的研发工作,电话:0379-********,E-mail: ziqun1111@ 。
钛合金研究新进展及应用现状訾群(洛阳船舶材料研究所,河南洛阳 471039摘要:综述了钛合金的发展历程及当今的研究应用新进展,并对我国钛合金的应用前景做出展望。
关键词:钛合金;发展;研究;应用1 钛合金的发展历程钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属,钛合金因具有比强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。
世界上许多国家如美国、日本、俄罗斯以及中国等都认识到钛合金材料的重要性,并相继对其进行了研究开发,得到了实际应用[1~3]。
美国钛工业起步较早,其规模和技术目前都处在世界领先地位,一开始就注重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。
第一个实用的钛合金就是1954年美国研制成功的Ti-6Al-4V 合金,由于它的耐热性、强度、塑性、韧性、成形性、可焊性、耐蚀性和生物相容性均较好,而成为钛合金工业中的王牌合金,该合金使用量已占全部钛合金的75%~85%。
20世纪50~60年代,主要是发展航空发动机用的高温钛合金和机体用的结构钛合金,70年代开发出一批耐蚀钛合金,80年代以来,耐蚀钛合金和高强钛合金得到进一步发展。
耐热钛合金的使用温度已从50年代的400 ℃提高到90年代的600~650℃。
α2 (Ti 3Al和γ(TiAl 基合金的出现,使钛在发动机的使用部位正由发动机的冷端(风扇和压气机向发动机的热端(涡轮方向推进。
结构钛合金向高强、高塑、高强高韧、高模量和高损伤容限方向发展。
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,钛合金的用量已稳定在20%以上[4,5]。
2 钛合金的研究新进展近年来,各国正在开发低成本和高性能的新型钛合金,努力使钛合金进入具有巨大市场潜力的民用工业领域。
国内外钛合金材料的研究新进展主要体现在以下几方面[6]。
2.1 高温钛合金世界上第一个研制成功的高温钛合金使用温度仅为300~350 ℃。
随后相继研制出使用温度达400℃的IMI550,BT3-1等合金,以及使用温度为450~ 500 ℃的IMI679,IMI685,Ti-6246,Ti-6242等合金。
目前已成功的应用在军用和民用飞机发动机中的新型高温钛合金有英国的IMI829,IMI 834合金;美国的Ti-1100合金;俄罗斯的BT18Y ,BT36合金等。
近几年国外把采用快速凝固/粉末冶金技术、纤维或颗粒增强复合材料研制钛合金作为高温钛合金的发展方向,使钛合金的使用温度可提高到650 ℃以上。
美国麦道公司采用快速凝固/粉末冶金技术成功研制出一种高纯度、高致密性钛合金,在760 ℃下其强度相当于目前室温下使用的钛合金强度[7]。
2.2 钛铝化合物为基的钛合金与一般钛合金相比,钛铝化合物为基的Ti 3Al (α2和TiAl (γ金属间化合物的最大优点是高温性能好(最高使用温度分别为816 ℃和982 ℃、抗氧化能力强、抗蠕变性能好和质量轻(密度仅为镍基高温合金的1/2,这些优点使其成为未来航空发动机及飞机结构件最具竞争力的材料。
目前,已有两个Ti 3Al 为基的钛合金Ti-21Nb-14Al 和Ti-24Al-14Nb-3V-0.5Mo 在美国开始批量生产,前者已用作高压压气机机闸、高压涡轮支撑环、导弹尾翼和燃烧室喷管密封片等,后者24 25卷通过形变热处理可获得良好的强度和塑性。
2.3 高强高韧β型钛合金β型钛合金最早是20世纪50年代中期由美国Crucible 公司研制出的B120VCA 合金。
β型钛合金具有良好的冷热加工性能,易锻造,可轧制、焊接,可通过固溶-时效处理获得较高的力学性能、良好的环境抗力及强度与断裂韧性的很好配合。
新型高强高韧β型钛合金最具代表性的有以下几种: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、低成本的可锻钛合金。
该合金与飞机结构件中常用的30CrMnSiA 高强度结构钢性能相当,具有优异的锻造性能,目前已在波音757,737,A300,A320,F14,F18上得到应用[8]。
Ti153合金冷加工性能比工业纯钛还好,可在固溶状态下进行各种复杂零件的冷成型,时效后的室温抗拉强度可达1000 MPa 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。
β21S 合金是由美国钛金属公司Timet 分部研制的一种新型抗氧化、超高强钛合金,具有良好的抗氧化性能,冷热加工性能优良,其应用范围也非常广泛。
2.4 阻燃钛合金常规钛合金在特定的条件下有燃烷的倾向,这在很大程度上限制了其应用。
针对这种情况,各国都展开了对阻燃钛合金的研究并取得一定突破。
美国研制出的Alloy C (也称为Ti-1720,名义成分为Ti-35V-15Cr ,是一种对持续燃烧不敏感的阻燃钛合金,具有较高的室温及高温强度、良好的室温及高温塑性、良好的抗蠕变和疲劳性能,可制成板材、带材、棒材及锻件,目前己用于F119发动机。
BTT-1和BTT-3为俄罗斯研制的阻燃钛合金,均为Ti-Cu-Al 系合金,具有相当好的热变形工艺性能,可用其制成复杂的零件。
3 钛合金在主要领域的发展及应用3.1 钛合金在军事工业上的发展及应用钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属,其最早的应用,就是为军事航空工业提供高性能材料。
随着各国军事工业的发展,钛的应用领域被不断拓宽。
至今,钛已在航空航天、核能、舰船、兵器等诸多领域获得越来越多的应用,成为重要的战略金属材料。
其应用水平也成为衡量一个国家武器装备先进程度,反映一个国家的军事水平和军事实力的重要指标[9]。
钛在军事工业上使用,主要是基于钛及钛合金具有的优异性能:质量轻、比强度高、耐高温、耐腐蚀性好,另外可与复合材料结构匹配。
除上述特性外,钛还具有高韧性、高弹性、无磁等诸多优点。
这些都为钛在军事工业中的应用提供了可选择的条件。
3.1.1 钛合金在飞机上的应用钛合金是当代飞机和发射机的主要结构材料之一,美国在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,钛的用量已在20%以上。
如第3代F-15战斗机的钛合金用量占27%,而第4代F-22战斗机的钛合金用量占41%。
F-22战斗机是美国洛克西德公司、波音公司和通用动力公司设计的战术战斗机,是目前世界上具有代表性的第4代战斗机。
它首次将隐身、高机动性和敏捷性、不加力超音速巡航等特性融于一体,将作为美国空军2000年以后的主力制空机种。
F-22的发动机上还采用了美国新发展的阻燃钛合金Alloy C ,E ,用于高压压气机机匣、加力燃烧室筒体及尾喷管上。
在舰载飞机F/A-18中,钛合金主要用于飞机的承力框纵梁、翼根和尾部结构等关键部位。
所用钛合金主要有Ti-6Al-4V 和Ti-15-3 (Ti-15Mo-3Al-3Sn-3Cr。
机身和机翼接头均采用β退火的Ti-6Al-4V ,而制动器扭力管用Ti-6Al-4V 铸件。
另外,为降低成本,提高材料利用率,在着陆拦阻钩支架接头及发动机安装架还采用了热等静压的Ti-6Al-4V 粉冶金制造。
其他如联合攻击战斗机(JSF 是一种低成本、多用途战术攻击战斗机,将取代美国空军现役的F-16C 和A-10、海军的F/A-18E/F 、海军陆战队的F/A-18和A V-8B 等机型。
V-22是美国贝尔直升机公司为海军陆战队研制的运输型倾转旋翼机,具有直升机能垂直起降、悬停等优点,又增强了固定翼飞机高速飞行与远航的优点。
V-22倾转悬翼机是能与喷气发动机或直升机相媲美的技术。
其中风档密封框架、发动机短舱主结构、主防火墙等使用了钛合金,而作为转子系统、发动机主要支承件的传动接头,则由Howmet 公司用一个整体钛铸件取代了原有的43个元件和536个紧固件。
3.1.2 钛合金在舰船上的应用第2期訾群:钛合金研究新进展及应用现状25钛在地壳中的储存量极其丰富,其密度低而比强度高,又具有优异的耐腐蚀性,耐热耐低温性能良好。
钛有很强的耐酸碱腐蚀能力,在海水中浸5年不锈蚀,钢铁在海水中则会腐蚀变质[10~12]。
用钛合金为船只制造外壳,海水无法腐蚀它,制成的潜艇,既能抗海水腐蚀,又能抗深层压力,其下潜深度比不锈钢潜艇增加80%。
同时,钛无磁性,不会被水雷发现,具有很好的反监测作用。
一般钢铁潜艇下潜超过300 m就容易被水压压坏。
钛潜艇下潜深度超过300 m不但不会被压坏,还能有效的避开深水炸弹的攻击,显示了“钛潜艇”的独特魅力和优异性能。
目前钛是深海领域舰船用材不可替代的材料。
俄罗斯早在1968年便成功制造出全钛潜艇,从20世纪60年代中期开始,俄罗斯先后生产了6~ 7艘双层高压壳“阿尔法”级全钛潜艇,每艘潜艇用钛达3000 t。
“阿尔法”攻击潜艇由于采用了先进的钛合金为壳体材料,最大潜深高达900 m。
另外如“鲨鱼”级核潜艇、多用途的945型及988型核潜艇等,其水下排水量大,水下航速快,极限潜水深度可达800 m,其耐压壳体就是用钛合金建造。
钛合金目前也广泛应用在鱼雷发射水缸、鱼雷发射高压气瓶、危机冷却器上,用钛合金制作的泵、阀、管子、螺旋桨等,使用效果良好,使用寿命大大延长。
3.1.3 钛合金在战车上的应用随着反装甲威胁的日益增加,防护装甲也越来越厚重,战车的质量在最近十年中增加了15%~ 20 %,严重影响其运输能力及机动性。
用钛合金替代轧制均质装甲钢是减重的有效途径。
在美国,钛合金已用于M1“艾布拉母斯”主战坦克、M2“布莱德雷”战车上。
针对M1主战坦克,美国陆军部研究了许多可应用钛合金的部件,还开展了用钛合金取代轧制均质钢制造坦克其它部件的技术项目。
M2战车上,钛主要用于指挥舱盖和顶部攻击装甲的改进。
加强M2战车装甲的一个措施是,在某些特定部位采用锻造钛合金附加装甲以防大口径弹药的攻击。
其他如M113装甲人员运输车也采用钛合金附加装甲,以提高装甲的防弹能力。
火炮系统中,两种155 mm轻型牵引榴弹炮大量使用了钛合金。
在未来“十字军战士”155 mm自行榴弹跑中,有许多部件要使用钛合金。
美国海军陆战队正在寻求减轻先进两栖突击车质量的各种方案。
一种方案是采用轻型装甲。
另一方案是用钛合金式钢制造负重轮、平衡臂、负重齿轮箱等部件。
尽管钛合金性能优良,但因为价格高而不能广泛应用。
近年,美国研制成功一些军用低成本钛合金新材料。
它们的力学性能和抗弹能力等指标等于或超过传统军用Ti-6Al-4V钛合金的相应值,但其成本却较低。