【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 學(xué)號(hào)：139024178鈦合金的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)范孝衛(wèi)139024178 料131班摘要：本文綜述了鈦合金材料的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀，著重介紹了鈦合金的主要性能及其在航空航天、汽車制造和生物醫(yī)藥等方面的應(yīng)用，并對(duì)鈦合金未來(lái)的發(fā)展進(jìn)行了展望。關(guān)鍵字： 鈦合金，性能，應(yīng)用，發(fā)展趨勢(shì) 引言金屬元素鈦在地殼中的分布范圍比較廣泛，據(jù)估計(jì)和推算，%還要多一點(diǎn)，世界儲(chǔ)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）[1]。其豐富的儲(chǔ)量，為金屬鈦及鈦合金的生產(chǎn)和發(fā)展提供了主要的原料來(lái)源。自20世紀(jì)50年代以來(lái)，鈦及鈦合金的發(fā)展已經(jīng)歷了半個(gè)多世紀(jì)的歷程，鈦合金的種類已從1954年的Ti6Al4V合金[2]發(fā)展到數(shù)百種。因?yàn)榫哂斜葟?qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點(diǎn)，鈦合金被廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域，包括航空航天、汽車制造、醫(yī)藥衛(wèi)生以及其他日常生活領(lǐng)域。世界上的許多國(guó)家如美國(guó)、日本、俄羅斯以及中國(guó)等都認(rèn)識(shí)到鈦合金材料的重要性，并相繼對(duì)其進(jìn)行了研究開發(fā)，得到了實(shí)際應(yīng)用[2,3]。鈦合金的性能 鈦合金的高溫性能在高溫下，鈦合金仍能保持良好的機(jī)械性能，其耐熱性遠(yuǎn)高于鋁合金，且工作溫度范圍較寬。高溫鈦合金不僅具有良好的室溫性能和高溫強(qiáng)度，并且在蠕變性能、熱穩(wěn)定性、疲勞性能和斷裂韌性等方面具有良好的匹配。世界上第一個(gè)研制成功的高溫鈦合金使用溫度僅為 300~350℃，經(jīng)歷了40多年的發(fā)展，目前新型耐熱鈦合金的工作溫度可達(dá)550~600℃，而TiAl金屬間化合物的崛起，打破了600℃的使用溫度界限，將使用溫度升至700℃以上。[4] 鈦合金的腐蝕性能鈦的抗腐蝕性強(qiáng)，在550℃以下的空氣中，表面會(huì)迅速氧化形成薄而致密的TiO2鈍化膜，故在大氣、海水、硝酸和硫酸等氧化性介質(zhì)及堿性溶液中，其耐蝕性優(yōu)于大多數(shù)不銹鋼。由于合金可以調(diào)整成分、改變組織，因而鈦合金在多數(shù)情況下具有比純鈦更好的耐蝕性和其他性能，更能在某些苛刻的腐蝕環(huán)境中工作。 鈦合金的加工性能 切削加工性能鈦合金強(qiáng)度高、硬度大，所以要求加工設(shè)備功率大，模具、刀具應(yīng)有較高的強(qiáng)度和硬度。切削加工時(shí)，切屑與前刀面接觸面積小，刀尖應(yīng)力大，所以刀具切削刃承受的應(yīng)力更大，刀尖或切削刃容易磨損。鈦合金摩擦因數(shù)大，而熱導(dǎo)率低，切削熱積聚于切削刃附近的小面積內(nèi)而不易散發(fā)，這些因素使得鈦合金的切削溫度很高，造成刀具磨損加快并影響加工質(zhì)量。鈦合金在切削加工中，工件材料極易與刀具表面粘結(jié)，加上很高的切削溫度，所以刀具易產(chǎn)生擴(kuò)散磨損和粘結(jié)磨損。 磨削加工性能鈦合金化學(xué)性質(zhì)活潑，在高溫下易與磨料親和并粘附，堵塞砂輪，導(dǎo)致砂輪磨損加劇，磨削性能降低，磨削精度不易保證。砂輪磨損的同時(shí)也增大了砂輪與工件之間的接觸面積，致使散熱條件惡化，磨削區(qū)溫度急劇升高，在磨削表面層形成較大的熱應(yīng)力，造成工件的局部燒傷，產(chǎn)生磨削裂紋。鈦合金強(qiáng)度高、韌性大，使磨削時(shí)磨屑不易分離、磨削力增大、磨削功耗相應(yīng)增加。另外，鈦合金熱導(dǎo)率低、比熱小，磨削時(shí)熱傳導(dǎo)慢，致使熱量積聚在磨削弧區(qū)，造成磨削區(qū)溫度急劇升高。 擠壓加工性能對(duì)鈦及鈦合金進(jìn)行擠壓加工時(shí)，要求擠壓溫度高，擠壓速度快，以防溫降過(guò)快，同時(shí)應(yīng)盡量縮短高溫坯錠與模具的接觸時(shí)間[4,5]。因此擠壓模具應(yīng)選用新型耐熱模具材料，坯錠由加熱爐到擠壓筒的輸送速度也要快。鑒于在加熱和擠壓過(guò)程中金屬易被氣體污染，故還應(yīng)采用適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施。擠壓時(shí)應(yīng)選擇合適的潤(rùn)滑劑，以防粘結(jié)模具，如采用包套擠壓和玻璃潤(rùn)滑擠壓。因鈦及鈦合金的變形熱效應(yīng)較大，導(dǎo)熱性較差，故在擠壓變形時(shí)還要特別注意防止過(guò)熱現(xiàn)象。鈦合金的擠壓過(guò)程比鋁合金、銅合金、甚至鋼的擠壓過(guò)程更為復(fù)雜，這是由鈦合金特殊物理化學(xué)性能所決定的。鈦合金的應(yīng)用 在航空航天中的應(yīng)用從20世紀(jì)50年代開始, 鈦合金在航空航天領(lǐng)域中得到了迅速的發(fā)展。該應(yīng)用主要是利用了鈦合金優(yōu)異的綜合力學(xué)性能、低密度已及良好的耐蝕性，比如航空構(gòu)架要求高抗拉強(qiáng)度并結(jié)合有良好的疲勞強(qiáng)度和斷裂韌性。而鈦合金的優(yōu)異的高溫抗拉強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度和高溫穩(wěn)定性也使之被應(yīng)用于噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)上。鈦合金是當(dāng)代飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)材料之一, 應(yīng)用它可以減輕飛機(jī)的重量, 提高結(jié)構(gòu)效率[6~8]。太空飛行器的有效載荷相對(duì)飛機(jī)較小，因此其結(jié)構(gòu)的減重就顯得更為重要。鈦合金已在最早的阿波羅和水星計(jì)劃中得到了應(yīng)用，燃料箱和衛(wèi)星艙體等都是鈦合金的典型應(yīng)用。鈦合金質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、與燃料的長(zhǎng)期化學(xué)穩(wěn)定性好，因而比高強(qiáng)度鋼更有優(yōu)勢(shì)。[9]是作為低溫應(yīng)用而研制的，在太空的深冷條件下仍有良好的韌性和塑性。 在汽車制造中的應(yīng)用汽車工業(yè)是一個(gè)潛力巨大的鈦制品市場(chǎng)，多年來(lái)發(fā)展緩慢，主要是因?yàn)殁伜辖甬a(chǎn)品價(jià)格太高。近年來(lái)鈦合金技術(shù)的改進(jìn)和發(fā)展，使得很多鈦制品的生產(chǎn)成本逐年降低。在當(dāng)前的汽車市場(chǎng)上，豪華轎車、跑車和賽車需求逐年增加，可望促進(jìn)鈦用量的增長(zhǎng)[10,11]。鈦及其合金可用做發(fā)動(dòng)機(jī)閥門、軸承座、閥簧、連桿以及半軸、螺栓、緊固件、懸簧和排氣系統(tǒng)元件等。在轎車中使用鈦，可達(dá)到節(jié)油、降低發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲及振動(dòng)、提高壽命的作用。目前，新的低成本原料、合金體系的開發(fā)與設(shè)計(jì)和先進(jìn)的粉末冶金成形技術(shù)結(jié)合可望使鈦大量進(jìn)入汽車制造業(yè)。 在生物醫(yī)藥中的應(yīng)用鈦合金具有高強(qiáng)度、低密度、無(wú)毒性以及良好的生物相容性和耐蝕性等特性，已被廣泛用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，成為人工關(guān)節(jié)、骨創(chuàng)傷、脊柱矯形內(nèi)固定系統(tǒng)、牙種植體、人工心臟瓣膜、介入性心血管支架、手術(shù)器械等醫(yī)用產(chǎn)品的首選材料[12~14]。在用于人體硬組織修復(fù)的金屬材料中，鈦的彈性模量與人體組織最接近，約為80~110GPa,這可以減輕金屬種植體與骨組織之間的機(jī)械不適應(yīng)性。鑒于鈦合金在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域優(yōu)良的使用效果，人們對(duì)其也越來(lái)越重視。隨著醫(yī)療事業(yè)的不斷發(fā)展，鈦?zhàn)鳛橐阎飳W(xué)性能最好的金屬材料，其醫(yī)用領(lǐng)域的市場(chǎng)需求將不斷擴(kuò)大，應(yīng)用前景廣闊。 其他方面的應(yīng)用鈦合金憑借其優(yōu)異的性能，在運(yùn)動(dòng)器械上，如自行車、摩托艇、網(wǎng)球拍和馬具上都獲得了廣泛的應(yīng)用，但影響最大的還是高爾夫球頭。鈦合金密度小、強(qiáng)度高，與不銹鋼相比，它可以制作打擊面與容積更大的球頭，因此它打得準(zhǔn)、打得遠(yuǎn)。在日本第一桿球頭90%為鈦球頭，其中鑄鈦的占70%以上。目前第二~第四桿也已推廣使用精鑄鈦合金球頭，精鑄件的制造已經(jīng)形成具有一定生產(chǎn)規(guī)模的產(chǎn)業(yè)。日本市場(chǎng)1991年鑄鈦高爾夫球頭銷售量為6萬(wàn)件，1995年則猛增至150萬(wàn)件，年銷售額已達(dá)7000萬(wàn)美元。鈦合金在體育領(lǐng)域的使用量不容小視。另外，由于鈦易于陽(yáng)極化成各種顏色，這使其應(yīng)用于建筑物、手表和珠寶行業(yè)[15]。鈦合金的發(fā)展趨勢(shì)目前 ,鈦合金材料主要的應(yīng)用領(lǐng)域是航空航天等軍事工業(yè)部門 ,開發(fā)新的應(yīng)用領(lǐng)域 ,特別是在汽車、火車、磁浮列車、鈦?zhàn)孕熊?、高樓外墻裝飾等民用領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣闊。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外結(jié)構(gòu)鈦合金、高溫鈦合金、耐蝕鈦合金、高強(qiáng)鈦合金、低溫鈦合金等均取得了很大的進(jìn)展，一些合金也得到了實(shí)際的應(yīng)用。但是，總的來(lái)看，鈦合金研究的多、應(yīng)用的少的現(xiàn)象仍然嚴(yán)重，另外鈦合金的高成本也限制了鈦合金更加廣泛的應(yīng)用。根據(jù)國(guó)內(nèi)外鈦合金的研究和開發(fā)的現(xiàn)狀，鈦合金將來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)是：（1）通過(guò)設(shè)備和工藝改進(jìn)，改善現(xiàn)有鈦合金的使用性能，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。（2）大力發(fā)展民用鈦合金，如汽車用低成本鈦合金，生物鈦合金等。（3）采用先進(jìn)的熔煉加工技術(shù)和設(shè)備，以提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。（4）開發(fā)更先進(jìn)的鈦合金制備技術(shù)和鈦的新產(chǎn)品。（5）采用提高材料利用率的凈成型技術(shù)。結(jié)語(yǔ)鈦合金因其優(yōu)良的性能在航空航天和其他領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景 ,但其應(yīng)用受到加工效率和生產(chǎn)成本的制約。因此，現(xiàn)在急需改進(jìn)和開發(fā)新的鈦合金冶煉技術(shù),降低生產(chǎn)成本，擴(kuò)大應(yīng)用。隨著鈦合金的開發(fā)研制，鈦材品種的不斷增多,其在民用工業(yè)中的應(yīng)用將成倍增加。與此同時(shí)，市場(chǎng)的需求的增長(zhǎng)也將促進(jìn)鈦工業(yè)與鈦合金加工技術(shù)的發(fā)展。參考文獻(xiàn)[1] 張喜燕，趙永慶，[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005，3.[2] 陳國(guó)琳，吳鵬煒，冷文軍，[J]