鈦合金的特性及其應用
綜述了鈦合金材料的應用及研究現狀，著重介紹了鈦及鈦合金的主要特性，加工性能及其在航空航天、軍事工業和汽車制造方面的應用，并在此基礎上展望了鈦合金的發展方向。
［關鍵詞］鈦合金 特性 加工性能 應用領域
Ti在地殼中的豐度為0.56%(質量分數，下同)，在所有按元素中居第9位，而在可作為結構材料的金屬中居第4位，僅次于Al、Fe、Mg，其儲量比常見金屬Cu，Pb，Zn儲量的總和還多。我國鈦資源豐富，儲量為世界第一。鈦合金的密度小，比強度、比剛度高，抗腐蝕性能、高溫力學性能、抗疲勞和蠕變性能都很好，具有優良的綜合性能，是一種新型的、很有發展潛力和應用前景的結構材料。近年來，世界鈦工業和鈦材加工技術得到了飛速發展，海綿鈦、變形鈦合金和鈦合金加工材的生產和消費都達到了很高的水平，在航空航天領域、艦艇及兵器等軍品制造中的應用日益廣泛，在汽車、化學和能源等行業也有著巨大的應用潛力。
一、鈦及鈦合金的特性
鈦及鈦合金具有許多優良特性，主要體現在如下幾個方面：
1.強度高。鈦合金具有很高的強度，其抗拉強度為686—1176MPa，而密度僅為鋼的60%左右，所以比強度很高。
2.硬度較高。鈦合金(退火態)的硬度HRC為32—38。
3.彈性模量低。鈦合金(退火態)的彈性模量為1.078×10－1.176×10MPa，約為鋼和不銹鋼的一半。
4.高溫和低溫性能優良。在高溫下，鈦合金仍能保持良好的機械性能，其耐熱性遠高于鋁合金，且工作溫度范圍較寬，目前新型耐熱鈦合金的工作溫度可達550—600℃；在低溫下，鈦合金的強度反而比在常溫時增加，且具有良好的韌性，低溫鈦合金在－253℃時還能保持良好的韌性。
5.鈦的抗腐蝕性強。鈦在550℃以下的空氣中，表面會迅速形成薄而致密的氧化鈦膜，故在大氣、海水、硝酸和硫酸等氧化性介質及強堿中，其耐蝕性優于大多數不銹鋼。
二、鈦及鈦合金的加工性能
1.切削加工性能
鈦合金強度高、硬度大，所以要求加工設備功率大，模具、刀具應有較高的強度和硬度。切削加工時，切屑與前刀面接觸面積小，刀尖應力大。與45鋼相比，鈦合金的切削力雖然只有其2/3—3/4，可是切屑與前刀面的接觸面積卻更小(只有45鋼的1/2—2/3)，所以刀具切削刃承受的應力反而更大，刀尖或切削刃容易磨損；鈦合金摩擦因數大，而熱導率低(分別僅為鐵和鋁的1/4和1/16)；刀具與切屑的接觸長度短，切削熱積聚于切削刃附近的小面積內而不易散發，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量。由于鈦合金彈性模量低，切削加工時工件回彈大，容易造成刀具后刀面磨損的加劇和工件變形；鈦合金高溫時化學活性很高，容易與空氣中的氫、氧等氣體雜質發生化學反應，生成硬化層，同時進一步加劇了刀具的磨損；鈦合金切削加工中，工件材料極易與刀具表面粘結，加上很高的切削溫度，所以刀具易于產生擴散磨損和粘結磨損。
2.磨削加工性能
鈦合金化學性質活潑、在高溫下易與磨料親和并粘附，堵塞砂輪，導致砂輪磨損加劇，磨削性能降低，磨削精度不易保證。砂輪磨損同時也增大了砂輪與工件之間的接觸面積，致使散熱條件惡化，磨削區溫度急劇升高，在磨削表面層形成較大的熱應力，造成工件的局部燒傷，產生磨削裂紋。鈦合金強度高、韌性大，使磨削時磨屑不易分離、磨削力增大、磨削功耗相應增加。鈦合金熱導率低、比熱小、磨削時熱傳導慢，致使熱量積聚在磨削弧區，造成磨削區溫度急劇升高。
3.擠壓加工性能
對鈦及鈦合金進行擠壓加工時，要求擠壓溫度高，擠壓速度快，以防溫降過快，同時應盡量縮短高\溫坯錠與模具的接觸時間。因此擠壓模具應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程中金屬易被氣體污染，故還應采用適當的保護措施。擠壓時應選擇合適的潤滑劑，以防粘結模具，如采用包套擠壓和玻璃潤滑擠壓。因鈦及鈦合金的變形熱效應較大，導熱性較差，故在擠壓變形時還要特別注意防止過熱現象。鈦合金的擠壓過程比鋁合金、銅合金、甚至鋼的擠壓過程更為復雜，這是由鈦合金特殊物理化學性能所決定的。鈦合金在常規熱反擠成形時，模具溫度低，與模具接觸的坯料表面溫度迅速下降，而坯料內部因變形熱而溫度升高。由于鈦合金熱導率低，表層溫度下降后，內層坯料熱量不能及時傳輸到表層補充，會出現表面硬化層，而使得變形難以繼續進行。同時，表層與內層會產生很大的溫度梯度，即使能成形，也容易造成變形和組織不均勻。
4.鍛壓加工性能
鈦合金對鍛造工藝參數非常敏感，鍛造溫度、變形量、變形及冷卻速度的改變都會引起鈦合金組織性能的變化。為更好地控制鍛件的組織性能，近幾年，熱模鍛造、等溫鍛造等先進的鍛造技術在鈦合金的鍛造生產中得到了廣泛應用。
鈦合金的塑性隨溫度升高而增大，在1000—1200℃溫度范圍內，塑性達到最大值，允許變形程度達70%—80%。鈦合金鍛造溫度范圍較窄，應嚴格按(α+β)/β轉變溫度進行掌握(鑄錠開坯除外)，否則β晶粒會劇烈長大，降低室溫塑性；α鈦合金通常在(α+β)兩相區鍛造，因(α+β)/β相變線以上鍛造溫度過高，將導致β脆相，β鈦合金其始鍛和終鍛都必須高于(α+β)/β轉變溫度。鈦合金的變形抗力隨變形速度的增加提高較快，鍛造溫度對鈦合金變形抗力影響更大，因此常規鍛造必須在鍛模內冷卻最少的情況下完成。間隙元素(如O、N、C)的含量對鈦合金的鍛造性也有顯著影響。
5.鑄造工藝性能
由于鈦和鈦合金的化學活性高，易與空氣中的N、O、N發生劇烈化學反應，且易與鑄造中常用的耐火材料發生化學反應。鈦和鈦合金的鑄造，特別是熔模精鑄要比鋁和鋼的熔模精鑄難度大得多，需借助特殊手段才能實現。鑄鈦發展初期，由于鑄造工藝的發展落后于壓力加工工藝，因此，先選用已有一定變形的中強鈦合金，如TiΟ6AlΟ4V，TiΟ5AlΟ2.5Sn等作為鑄造合金材料。這些合金至今還在廣泛應用。但隨著鑄鈦工藝的發展和應用領域對鑄造鈦合金各方面性能要求的提高，以及鑄件結構復雜程度的加大，過去那種認為“所有的變形鈦合金都適合用作鑄造合金”的論點應加以修正。隨著合金使用溫度和工作強度的提高，合金中所添加元素的數量和加入量也相應增加，但同時必須考慮到合金的鑄造性能、流動性凝固區間結晶組織、力學性能等等，即合金的化學成分必須根據鑄造工藝的要求進行調整。
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