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记事

授课进程：

题目：

钛合金的特点、应用及工艺装备

一、钛合金的特性

近几年钛合金的研究和应用为什么越来越火呢？

究其原因是钛合金具有如下特点和优点。

1）钛的熔点为1668℃，比铁高138℃，是轻金属中的高熔点金属。

2）钛的密度是4.51克/厘米立方,仅为铁的57.4%,铜的50.7%,最常用的合金Ti-6Al-4V的密度更低一些，仅为4.42克/厘米立方。

3）比强度高。

因为钛合金，特别是高强钛合金强度与高强钢相当，而密度几乎小一半，因此钛合金具有很高的比强度见表2

表2几种常见合金的比强度

合金镁合金铝合金高强钢30钢钛合金TC4合金

比强度16212314.1-15.42926.4

4）耐蚀性能好。

钛及其合金具有很好的耐蚀性，常温下，在5％以下的硫酸、盐酸、磷酸中有很好的耐蚀性，在海水中几乎不被腐蚀；

在盐类溶液中有很好的耐蚀性，除草酸和大于10％的甲酸外，钛在有机酸中有很好的耐蚀性。

5）高低温性能好。

有些钛合金的工作温度可高达600℃，同时在－200℃下，仍然保持很好的塑性，适合在低温下作结构材料。

6）无磁性，不磁化。

7）具有形状记忆特性，钛镍合金是很好的形状记忆合金。

8）吸氢特性，钛是很好的吸氢储氢材料。

9）低阻尼特性，声波在钛中传播的阻尼小，有的钛合金，在4毫米厚的条件下，透声系数可达98％。

10）具有很好的生物相容性，大量用作人工关节及血管支架等。

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年月日

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11）与碳复合材料有很好的相容性。

二、钛合金的应用

钛合金的上述优点和特点，决定了钛合金具有广泛的应用领域。

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、兵器等诸多领域得到越来越广泛的应用，成为重要的战略金属材料。

1）钛合金在飞机上的应用（拿美国的军用飞机为例）

这里我们就美国的军用飞机用钛就可以看出，钛合金在中国军用的前景。

F-15鹰是美国波音公司麦克唐纳飞机和导弹部研制的双发重型超音速制空战斗机，主要用于夺取战区制空权，同时兼具对地攻击能力是美国空军等的主力战机。

1965年研制，至今交付美国空军1100多架，早期的F-15钛材用量7000公斤，占其总机体质量的25%，后期的F-15钛材用量达到其总机体质量的近30%。

发动机为普拉特惠特尼公司涡轮风扇发动机，其压气机涡轮叶片、压气机导向叶片、压气机圆盘、圆环件、起动装置、各种衬板护板、油箱燃烧仓壁、两发动机之间的防火隔离墙等多处关键部件均采用钛合金材料。

发动机用钛毛坯大约7吨左右。

F-15堪称世界当代歼击机的精品。

F-16“战隼”轻型战机是美国通用动力公司为美国空军研制的单发单座轻型战斗机，是一种“低档配置”的轻型战斗机，主要用于空战，也可用于近距空中支援，是美国空军的主力机种之一，于1978年12月交付美军使用，美空军前后共采购2200多架。

飞机结构件的15%是钛合金。

其发动机可以与F-15互换。

其压气机涡轮叶片、压气机导向叶片、压气机圆盘、圆环件、起动装置、各种衬板护板、油箱燃烧仓壁、两发动机之间的防火隔离墙等多处关键部件均采用钛合金材料。

F-22“猛禽”战斗机美国洛克希德公司研制，是目前现实意义上的第四代战机。

目前交付100多架。

它是使用钛合金与复合材料最多的机型，约占其结构重量的41%，其中机身35%是钛材，包括4个舱壁；

后机身67%是钛材。

一架F-22发动机机体钛合金使用毛坯量达到惊人的36吨。

F-22发动机由普拉特惠特尼公司F119发动机，发动机舱门主要由钛板制成，发动机机匣、燃烧加力室筒体、叶片、叶轮盘结构、起动装置、油管、各种衬板、护板均使用了钛合金材料。

由此不难看出，钛合金在我国的航空市场上将会有大了发展。

2）钛合金在舰船上的应用

钛有很强的耐腐蚀能力，在海水中浸5年都不腐蚀，钢铁在海水中则会腐蚀变质。

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300m就容易被水压坏。

钛潜艇下潜深度超过300m不但不会被压坏，还能有效地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3000t。

“阿尔法”级攻击潜艇由于采用了先进

的钛合金为壳体材料，最大最大深度高达900m。

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米，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）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，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和机动性。

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“艾布拉姆斯”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他部件的技术项目。

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，两种口径为155mm轻型牵引榴弹炮大量使用了钛合金。

在未来“十字军战士”口径为155mm自行榴弹炮中，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，另一种方案是用钛合金代替钢制造负重轮、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，但其成本却很低。

这些钛合金新材料对促进和扩大钛合金在国防领域中的应用具有重要的意义。

如上述，在未来的战车和火炮系统中，美国陆军将用低成本钛合金取代轧制均质钢和铝合金，用以制造装甲和零部件，以增强装甲和减轻重量，其应用范围将逐步扩大。

2、钛合金的民用领域

1）钛合金在生物医学上的应用

生物医学材料是材料科学的一个重要分支，是用于诊断、治疗或替代人体组织、器官或增进其功能、具有高技术含量和高经济价值的新型载体材料，是材料科学技术中一个正在发展的新领域。

近10多年以来，生物医用材料及制品的市场增长率一直保持在20-25%左右，预计未来10-15年内，包括生物医用材料在内的医疗器械产业将达到医药制品市场规模，成为21世纪世界经济的支柱产业的一部分。

钛无毒、质轻、强度高且具有优良的生物相容性，是非常理想的医用金属材料。

钛及其合金凭借优良的机械性能，成为人工关节（髋、膝、肩、坏、肘、腕、指关节等）、骨床上用品（髓内钉、托板、螺钉等）、脊柱矫形内固定系统、牙种植体、牙托、牙矫形丝、人工心脏瓣膜、介入性心血管支架等医用内植入产品的首选材料。

目前，还没有比钛合金更好的金属材料用于临床。

世界人口近65亿，据不完全统计伤残者接近4亿，肢体伤残者6000万，牙

病患者20亿，目前生物材料期间植入者仅有3500万，每年关节置换量约

150万例，与实际需要相差甚远。

因此，生物医用材料市场需求潜力巨大。

作生物医用金属材料的首选--钛及钛合金需求也将大增。

2）钛合金在体育行业的应用

钛在体育用品中的应用，从最早的网球拍、羽毛球拍到最近几年广泛使用的高尔夫球头、杆以及赛车等，使人们对钛的认识提高了一大步。

钛合金高尔夫球杆、球头市场在经历了前几年的大幅度调整后，目前仍是钛民用领域的一大支柱，美国在高尔夫球等民用品方面的用钛量增长很快。

目前，钛在网球拍上，主要是将以纯钛制的网埋入球拍框架内的方式来使用钛材。

最近，钛在利用其回弹力增强击球效果等新用途上备受关注。

登山用品和滑雪板登山用具向着比较容易携带，既轻量小、小型化的方向发展。

具有比重轻、比强度大、在低温下冲击值不降低等特性的钛，作为优越的登山用具材料，已广泛使用。

钛制体育用品还有：

击剑防护面罩、宝剑、冰刀、钓鱼用品、赛艇用零部件、化学用品、登山用品等等。

三、2007年中国钛合金的发展状况

根据国内二十家企业的统计，截止2007年底，中国的钛锭产能达到了48300吨。

其中年产能2000吨以上的企业有：

宝鸡钛业股份公司12000吨，北京航空材料研究院2000吨，北京中北钛业3000吨，北京宏大钛科贸2000吨，沈阳鑫通科技贸易4800吨，河北德林钛业2000吨,宝钢股份特殊钢公司5000吨，东港东方高新2500吨，洛阳船舶材料研究所2000吨，遵义钛厂2000吨，西北有色金属研究院4000吨。

2007年我国钛锭的实际产量是34469吨，比2006年多生产了12349吨，增长了558%。

其中宝鸡钛业股份公司生产了11000吨，西北有色金属研究院生产了3800吨，沈阳鑫通科技生产了3100吨，北京中北钛业生产了2000吨，宝钢股份特殊钢公司生产了1961吨，北京航材院生产了1800吨，河北德林钛业生产了1800吨，洛阳船舶所生产了1500吨，北京宏大钛科贸生产了1500吨，宝钛股份钛锭年产首次突破万吨大关，成为名副其实的世界级钛的生产大厂。

2007年钛材产量是23640吨，比2006年多生产108324吨，增长了846%。

说明钛的市场是多么的好，当然，任何事物都得一分为二看，需求的增长是有理性的一面，可以说钛材的数量也将趋于稳定。

下表是我国2007年钛材在不同领域的销售量

表A（吨）

行业

化工

航空航天

船舶

冶金

电力

医药

制盐

海洋工程

体育休闲

其他

数量

10316

4061

197

652

938

416

1393

374

3831

1492

比例（%）

43.6

17.2

0.8

2.8

4.0

1.8

5.9

1.6

16

6.3

总量

23640

四、钛合金的分类和牌号

1、钛合金的基本分类

钛合金可按其退火组织分为三类：

α钛合金、β钛合金、α＋β钛合金（还包含有少量β相的近α钛合金）

1）α钛合金退火组织以α钛为机体的单相固溶体的合金称为α合金。

我国α合金的牌号编号为TA，后跟一个代表合金序号的数字。

TAD是高纯钛，

TA0-TA3是纯钛，TA4－TA10都属于α合金。

纯钛根据它们所含的杂质元素铁

、碳、氢、氧、氮的含量不同来进行分类的，当然它们的性能因为杂质含量的不同也有差别。

这类合金中的合金元素主要是α稳定元素和中性元素，如铝、锡、锆，基本不含或只含少量的β稳定元素，强度较低。

其主要特点是组织稳定，焊接性能良好，热稳定性好，对氢脆敏感，不能热处理强化。

（2）α＋β合金退火