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轻质合金三重奏——钛合金

发布日期:2017-10-24 浏览次数:
轻质合金三重奏
钛合金

钛合金是以钛为基础加入其他元素组成的合金。地壳中金属含量钛排第七,但是从其氧化物中提出钛难度高。

 

图片来源:forum.golem.de

常用
常用钛合金主要有以下四个类别
α钛合金

组织稳定,耐磨性高于纯钛,抗氧化能力强。在500℃~600℃的温度下,仍保持其强度和抗蠕变性能,但不能进行热处理强化,室温强度不高。

近α钛合金

成分中主要含有α稳定元素铝、锡、锆等和少量β稳定元素钼、钒、锰等。具有优良的高温抗蠕变能力,良好的热稳定性和焊接性能。长期工作温度达300℃。采用真空自耗电弧炉熔炼制取。

β钛合金

未热处理即具有较高的强度,淬火、时效后合金得到进一步强化,室温强度可达1372~1666 MPa;但热稳定性较差,不宜在高温下使用。

α+β钛合金

是双相合金,具有良好的综合性能,组织稳定性好,有良好的韧性、塑性和高温变形性能,能较好地进行热压力加工,能进行淬火、时效使合金强化。热处理后的强 度约比退火状态提高50%~100%;高温强度高,可在400℃~500℃的温度下长期工作,其热稳定性次于α钛合金。

特性
造价高昂贵,比强度高

钛合金按用途可分为耐热合金、高强合金、耐蚀合金(钛-钼,钛-钯合金等)、低温合金以及特殊功能合金(钛-铁贮氢材料和钛-镍记忆合金)等。

强度高密度低

钛合金的密度一般在4.51g/立方厘米左右,仅为钢的60%,一些高强度钛合金超过了许多合金结构钢的强度。因此钛合金的比强度(强度/密度)远大于其他金属结构材料,可制出单位强度高、刚性好、质轻的零部件。

热强度高

在中等温度下仍能保持所要求的强度,可在450~500℃的温度下长期工作这两类钛合金在150℃~500℃范围内仍有很高的比强度。钛合金的工作温度可达500℃,铝合金则在200℃以下。

低温性能好

钛合金在低温和超低温下,仍能保持其力学性能。低温性能好,间隙元素极低的钛合金,如TA7,在-253℃下还能保持一定的塑性。因此,钛合金也是一种重要的低温结构材料。

 

各种金属比强度随温度变化。来源:中工高雄会刊

导热弹性小

钛 的导热系数λ=15.24W/(m.K)约为镍的1/4,铁的1/5,铝的1/14,而各种钛合金的导热系数比钛的导热系数约下降50%。钛合金的弹性模 量约为钢的1/2,故其刚性差、易变形,不宜制作细长杆和薄壁件,切削时加工表面的回弹量很大,约为不锈钢的2~3倍,造成刀具后刀面的剧烈摩擦、粘附、 粘结磨损。

化学活性大

钛的化学活性大,与大气中O、N、H、CO、CO2、水蒸气、氨气等产生强烈的化学反应钛的化学亲和性大,易与摩擦表面产生粘附现象。

 

钛或钛合金表面氧化可以形成很多漂亮的颜色(理发剪刀)图片来源:venusworldwide

加工
工艺特点

钛合金的常见形式是和铝、钒混合,这种材料具有可锻性好、蠕变小的特点。钛合金的延展性有限-薄板弯曲半径大于厚度的1.5倍。可以焊接,但难度较大,但容易扩散性结合。

各种钛合金低温下延展性变化:来源:中工高雄会刊

钛/钛合金产品形态

 

吸引力十足但价位高
缺点
钛合金的价格十分昂贵。因此它们刚开始大多用在飞机结构、航空器,以及用在石油和化学工业等高科技工业。也有部分钛合金民生用品,,只是这些产品价格仍然偏高,多属于高价位的产品。
经典案例
钛合金主要应用
航空航天

 

 

图片来源:Steve Mann/Shutterstock.com

鼎鼎有名的SR-71黑鸟侦察机

 

图片来源:airandspace.si.edu

SR- 71的机身大部份都是钛,而这些钛还是在冷战高峰期从苏联方面得到的,洛克希德用各种可行的伪装方法防止被苏联政府得知这些钛的用途。为了降低成本,他们 使用的是可在较低温度软化而较易加工的钛合金,完成的飞机会涂上暗蓝色(趋近黑色),以加强热辐射冷却与高空的伪装效果

 

 

图片来源:wikimedia

医疗

钛 及钛合金材料经过加工可以作为人体植入物,钛合金的弹性模量和人体骨骼接近,相容性好,植入人体的钛合金表面都需要进行氧化处理,处理后表面会形成蜂窝 孔,这样表面蜂窝孔有利于细胞的生长结合。且没有毒性等影响。钛合金耐蚀性非常强,人体的酸碱值是时常变化的,而钛耐蚀性非常好。