引言 鈦及鈦合金具有良好的綜合性能，在航空航天、石油化工、生物醫學、環境保護等領域的應用都很廣泛，有較高的比強度，良好的耐腐蝕、耐高溫等性能，在金屬材料王國中被稱為“全能金屬”，是繼鐵、鋁之后極具發展前景的“第三金屬”和“戰略金屬”[1] ，作為高性能航空航天結構的關鍵材料，其性能對飛行器結構、質量、效率、服役可靠性和使用壽命都具有重要的作用。 作為飛機上重要的結構材料和功能材料，近十幾年國內外關于鈦合金材料的應用及研究也越來越多。戰斗機和轟炸機的用鈦量在不斷提高，美國的 F-15，從 20%升至 27%，美國 F-22 戰機的用鈦量升為 41% [2] 。 1、鈦合金的特點及應用 鈦有兩種晶格類型，相互之間可以發生同素異構轉變：溫度在 882益以下時，為 α-Ti （hpc），晶格結構為密排六方，溫度在 882益以上時，為 β-Ti （bcc），晶格結構為體心立方。合金元素的不同對相變溫度的影響也很大，可分為三類： 1）穩定 α 相，能提高相變溫度的 α 穩定元素有：Al、C、O、N 等； 2）穩定 β 相，能降低相變溫度的 β 穩定元素有兩類：同晶型 Mo、Nb、V 等；共析型 Cr、Mn、Cu、Fe 等； 3）中性元素，其對相變溫度的作用很小：Zr、Sn 等。不同元素對相變溫度的作用不同，對應的溫度變化如圖1所示。 鈦密度為 4.5g/cm3 ，屬于輕金屬，熔點為 1669℃，化學活性大，容易與空氣中的氧發生反應生成致密的氧化膜，阻止進一步氧化，高溫時，反應劇烈，氧化膜脫落會加速反應速度，所以，在鈦合金的制備過程中，真空或氣體保護是非常必要的。 鈦合金作為應用廣泛的結構材料，比鋁、鋼強度高，而且在海水中有較好的抗腐蝕和耐低溫的性能。目前，飛機的機架、起落架、機身蒙皮以及發動機的葉片等制造材料的選擇，主要來源于鈦合金及其復合材料，基于鈦合金的發展水平，可以作為判斷先進水平檢測的重要指標 [4] 。隨著鈦合金用量的不斷增加，其應用也越來越廣泛。由于鈦的無毒、質輕、耐腐蝕、強度高以及較好的生物相容性等特點，可以作為植入人體的植入物和手術機械等材料；鑒于其良好的結構彈性，可以用來減輕設備的質量，提高性能，增加壽命。例如 Ti-6Al-4V 制造的榴彈炮座，質量降低了31%，采用鈦合金代替軋制均質鋼，在制造坦克其它部件的過程中，減重可達 420kg 以上 [5] 。鈦合金在航海領域也有很好的發展前景，其耐蝕性、高比強度、無磁等特性使得其在發動機、螺旋槳、聲納系統等裝置的應用極為廣泛。 2、鈦合金的分類 鈦會發生同素異構轉變，在低溫時，穩態的 α-Ti 是密排的晶格結構；高溫時，β-Ti 的體心晶鈦合金組織有 α 型、α β 型、β 型三種結構，對應的符號為 TA、TC、TB。 2.1 α 型鈦合金 α 鈦合金是單相合金，其組織是 α 相固溶體，符號用TA 表示。合金的主要元素為中性元素或 α 穩定元素，例如 Al、Sn、Zr 等，基本不含 β 穩定元素。工業純鈦，組織均為 α 相，屬于典型的 α 型鈦合金。α 型鈦合金的抗氧化能力和切削加工性能良好，其強度和蠕變抗力在 500~600℃范圍內仍可維持，缺點是無法實行熱處理工藝進行強化，室溫的強度相對較低，退火后的強度變化量很小或基本無變化。 2.2 α β 型鈦合金 α β 型鈦合金的組織為 α 相、β 相的兩相合金，符號用 TC 表示。它是雙相合金，α 相和 β 相的比例取決于合金的成分，主要與 β 穩定元素的含量有關，β 相所占的比例約為 1/20~1/4。α β 型合金有較好的組織與性能，比較適合熱處理強化，熱加工過程中最能體現合金的塑韌性和高溫變形能力。這類合金最大的特點是可以通過不同的熱處理工藝，獲得不同的組織形態如魏氏組織、網籃組織、雙態組織和等軸組織，進而得到不同的合金性能。 2.3 β 型鈦合金 β 鈦合金是由 β 相組成的單相合金，符號用 TB 表示。其中，β 穩定元素的含量大于 17% [6] ，β 單相組織的晶粒一般要大于等軸的 α 或 α β 組織，并且可以進行淬火、時效強化。強度高，變形能力好，但焊接性能和熱穩定性較差，長期處于高溫條件下會產生硬脆相，因此不宜在高溫下使用，并且耐熱性也不好。 3、鈦合金的典型組織 TC4 是典型的 α β 雙相鈦合金，優點是可以進行熱處理強化，熱處理工藝不同，合金的顯微組織也不同，主要有以下四類，其顯微組織如圖 3 所示 [7] ： 3.1 魏氏組織 第一類如圖 3（a）所示為魏氏組織，其組織特點是 β晶粒比較清晰且保存完整，晶界比較明顯，晶內 α 相呈層片狀、粗針或細針狀規則排列，生成的條件是在 β 相區熱加工或 β 相區退火，且變形量小于 50%，從 β 轉變溫度以上緩慢冷卻。冷卻的快慢對 α 相的大小影響很大，快冷時，得到的 α 相較窄，緩慢冷卻時，獲得的 α 相較寬，快速冷卻時，可能得到的針狀的馬氏體 α [8] 。魏氏組織有良好的斷裂韌性，原始 β 晶粒及完整“晶界”的存在可以限制裂紋的擴展速度。由于沒有其它相的牽制，β 相的晶界容易遷移，造成晶粒長大，因此合金塑性、疲勞性較差，拉伸性能不好，所以在實際的工業生產中，應該盡量避開這種組織的出現。 3.2 網籃組織 第二類如圖 3（b）所示為網籃組織，網籃組織是在 β相區加熱，并在 α β 相區最終變形的結果，變形量較大，大約為 0.5~0.8，β 相及晶界的處 α 相被破壞，冷卻后 α 束變細，尺寸也變短小，且相互交錯雜亂排列，呈網籃狀，最后形成了網籃組織；特點是 α、β 交錯排列強度高，但塑性差，與魏氏組織相比，其塑性，疲勞韌性比較高，但斷裂韌性低，目前可代替魏氏組織應用于在高溫條件下長期受力的零部件。 3.3 雙態組織 第三類如圖 3（c）所示為雙態組織，雙態組織是在熱處理溫度低于 β 相變點較少加熱或變形時獲得的綜合性能比較好的組織，其組織特點是在轉變 β 組織上分布一定數量的等軸的初生 α 相。一種是片狀 α 束域，分布在 β 轉變組織中；另一種是分布在 β 轉變組織間，數量小于 50%的 α相，這種 α 相是等軸狀。雙態組織不僅有較高的疲勞強度、塑性，其蠕變性能、熱穩定性能及疲勞性能也比較好。 3.4 等軸組織 第四類如圖 3（d）所示為等軸組織，等軸組織與雙態組織相同，都是初生的 α 相和 β 轉變組織，只是初生 α 相的含量有差異（大于 50%）。等軸組織加熱屬于 α β 相區，變形溫度較高，會發生再結晶，獲得完全等軸的 α β 組織，如果變形溫度較低時，再結晶部分發生或者不發生時，可進行再結晶退火，仍可獲得等軸組織，鈦合金中等軸 α相的含量影響合金的塑性，含量越高，塑性越好。其組織特點剛好與魏氏組織相反，優點是良好的塑性、疲勞強度及抗缺口敏感性，缺點是斷裂韌性，蠕變性能相對較差。 4、展望 隨著科技的進步和現代工業的發展，鈦合金在軍工和民用領域的應用也越來越廣泛，在汽車行業，鈦合金的應用不僅能減重，更能滿足環保的要求，未來航空航天和推力系統需要鈦合金材料具有更小的密度，更高的強度、工作溫度和彈性模量，對材料性能的要求也逐漸提高，高強度、高硬度、高耐熱性的材料越來越受各領域的青睞，優質輕型金屬材料的鈦合金必將代替部分傳統的材料，既減輕質量，又降低成本，達到降低能源消耗的目的，因此高性能鈦合金的研究已成為重要的發展方向，相信隨著發展的需要，鈦合金在我國的市場前景會越來越好。 參考文獻 [1]劉奇先，劉楊，高凱.合金的研究進展與應用[J].航天制造技術，2011，8（4）：45-48. [2]吳歡，趙永慶，葛鵬，等.β 穩定元素對鈦合金 α 相強化行為的影響[J].稀有金屬材料與工程，2012，41（5）：807-810. [3]白新房，趙永慶，鄭翠萍，等.不同組織形態 TC4 鈦合金力學性能研究[J].鈦工業進展，2011，28（3）：27-29. [4]何丹琪，石顥.鈦合金在航空航天領域中的應用探討[J].中國高新技術企業，2016，27（18）：50-51. [5]Klenz E. Titaniium Industry Overview [C]. InternationalTitanium Association: TITANIUM 2008. 2008, 117-119. [6]黃曉艷，劉波，李雪.鈦合金在軍事上的應用[J].輕金屬，2005（9）：51-53. [7]金和喜，魏克湘，李建明，等.航空用鈦合金研究進展[J].中國有色金屬學報，2015（2）：280-292. [8]蔡一湘，李達人.粉末冶金鈦合金的應用現狀[J].中國材料進展，2010，29（5）：31-37. [9]任朋立.高溫鈦合金的應用及其發展前景[J].新材料產業，2014（3）：56-58  相關鏈接 2021-12-29 利泰金屬談鈦合金在航天領域的應用需求 2021-12-28 航空航天領域用鈦鍛件鈦棒等鈦合金的特點及類型 2021-12-21 鎳鈦絲鈦合金板在口腔正畸臨床中的應用 2021-11-30 TC11鈦合金材料氬弧焊補焊工藝研究 2021-11-30 大型航空用鈦合金鍛件材料及成形技術應用現狀 2021-11-16 2020年波音空客公司航空用鈦鍛件鈦合金棒消費量 2021-11-14 艦船用鈦合金材料的特點及影響其發展的因素 2021-10-24 鈦合金葉輪鈦鍛件等鈦合金材料的機械加工工藝 2021-10-15 Ti80/TA5/TiB19鈦合金材料在船舶建造耐壓殼體中的應用特點 2021-10-06 鈦及鈦合金熱處理標準現狀及發展趨勢