钛合金发展现状及展望

李勇

（长春师范大学 吉林长春 130000）

1 引言

金属钛是元素周期表中第ⅣB类元素，纯净的钛金属呈银白色，密度为4.51g/cm3，是轻金属的一种。熔点为1720℃，属于难熔性金属。由于金属钛很难被提炼，又被称为稀有金属。金属钛在目前发现的所有元素中的含量为0.56%（质量分数），在所有元素中排名第9位，在结构材料金属中则享有更高地位第4位，仅次于金属铝、铁、镁。钛主要存在于岩石中，特别是砂石和粘土中。我国钛的资源极为丰富，位居世界第一。仅四川攀枝花-西昌地区发现的特大型钒钛磁铁矿中，伴生钛金属储量约达4.2亿t，与国外目前发现钛储量的总和不相上下。合理的开发利用它，对于我国发展钛工业具有深远意义。

2 钛合金的分类及其性能

2.1 钛合金的分类

钛是同素异构体，钛的熔点为1720℃，在温度低于882℃时的结构呈密排六方排布，称作α钛；温度高于882℃时则呈体心立方品格结构，称作β钛。结构决定性质，利用钛的两种结构不同的特点，适当的添加某些合金元素，改变其相变温度和相分含量从而得到不同组织的钛合金。在常温常压下，钛合金存在三种基体组织，即：α合金，（α+β）合金和β合金，我国也以TA、TC、TB表示。

2.1.1 α钛合金

退火组织为单一α相固溶体的钛合金被称为α钛合金，如锡、锆、铝。它是α相固溶体组成的单相合金，不管是在常温下，还是在较高的实际工作温度下，均是α相，组织结构特别稳定，热稳定性与焊接性较好，是高温钛合金研究与发展的方向。由于近α合金具有优异的综合性能，高合金化α钛合金其高温性能好。故大多数高于近α型，例如钛合金IMI829合金用于RB211-535E4发动机的高压压气机，制作的后3级盘、鼓筒及后轴用电子束焊为一体，取代了RB211-535c上的镍基合金材料，使转子质量减轻了30%左右[2]。

2.1.2 β钛合金

β钛合金是β相固溶体组成的单相合金。这类钛合金的主要合金元素为钼、铬、钒等β稳定性元素。广义的β钛合金包括在平衡状态下具有较多口相的近β从β区淬火后能将β相保留到室温的高β稳定元素含量的钛合金。通过淬火工艺，可以使其具有很高的室温强度。目前，工业上实际应用的多是近α钛合金和介稳定β钛合金。β钛合金的变形加工性能良好，并且强度和断裂韧度组合极佳，以及拥有较高的抗腐蚀性能。但是，焊接性能不好热稳定性较差，不宜在高温下使用。Ti-10V-2Fe-3Al可以获得最佳的强度、韧性和高周疲劳强度匹配。该合金在相对低的温度下可以进行等温锻或热模锻，特别适合于制造各种近净形锻件[3]。是目前应用最广的近β钛合金，该钛合金具有优异的抗疲劳性，主要应用于飞机的起落架。

2.1.3 α+β钛合金

α+β钛合金是双相合金，其平衡状态下的组织以α相为主，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。热压力加工性好，有些α+β钛合金如TC17，耐热性也比较好，焊接性能良好。目前，所有钛合金产品中的60%Ti-6Al-4V且在飞机结构中钛合金用量中约占80%左右。如美国第四代战斗机F22上的钛合金用量占机体总重量的41%，α+β钛合金是工业上应用最多的一类钛合金。如TC6，TC17等分别为发动机前轴颈、盘件、叶片和前机闸等键结构件。

2.2 钛合金的性能

2.2.1 比强度高

钛合金具有较高的强度，其抗拉强度686～1176MPa[4]，密度一般在4.5g/cm3左右，仅为钢的60%左右。其强度远远高于其它金属，因此钛合金的比强度（强度/密度）远大于其它金属结构材料，位于金属之首。可制出单位强度高、刚性好、质轻的零部件。目前飞机的发动机构件、骨架、蒙皮、紧固件及起落架等都使用钛合金。

2.2.2 热强度高

新型钛合金可在600℃或更高的温度下长期使用。其使用温度比铝合金高几百度，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，而铝合金在150℃时比强度明显下降。

2.2.3 抗腐蚀性好

钛是一种非常活泼的金属，其平衡电位很低，在介质中的热力学腐蚀倾向大。但实际上钛在许多介质中很稳定，如钛在氧化性、中性和弱还原性等介质中是耐腐蚀的。钛合金在潮湿的大气和海水介质中工作，其抗蚀性远优于不锈钢；对点蚀、酸蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强；对碱、氯化物、氯的有机物品、硝酸、硫酸等有优良的抗腐蚀能力。这是因为钛和氧有很大的亲和力，在空气中或含氧的介质中，钛表面生成一层致密的、附着力强、惰性大的氧化膜，保护了钛基体不被腐蚀。即使由于机械磨损也会很快自愈或重新再生。这表明了钛是具有强烈钝化倾向的金属。介质温度在315℃以下，钛的氧化膜始终保持这一特性。

经过近50年的研究，我国也已独立研制出Ti31、Ti75、TiB19、Ti70、Ti80和TA5等一批具有自主知识产权的船用耐腐蚀合金[5]，均获得了很好的使用效果。

2.2.4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。钛合金TA7（Ti-5Al-2.5Sn），TC4（Ti-6Al-4V）和Ti-2.5Zr-1.5Mo等为代表的低温钛合金，其强度随温度的降低而提高，但塑性变化却不大。在-196℃低温下保持较好的延性及韧性，避免了金属冷脆性，因此，钛合金也是一种重要的低温结构材料。是低温容器，贮箱等设备的理想材料。

2.2.5 化学活性大

钛的化学活性大，与大气中 O2、N2、H2、CO、CO2、水蒸气、氨气等产生强烈的化学反应。含碳量大于0.2%时，会在钛合金中形成硬质TiC；温度较高时，与N2作用也会形成TiN硬质表层；在600℃以上时，钛吸收氧形成硬度很高的硬化层；氢含量上升，也会形成脆化层。吸收气体而产生的硬脆表层深度可达0.1～0.15mm，硬化程度为20～30%。钛的化学亲和性也大，易与摩擦表面产生粘附现象。

2.2.6 导热系数小、弹性模量小

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低约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。

3 钛合金应用领域

3.1 钛合金在军事领域应用

钛及钛合金最早应用于军事领域，至今在宇航、核能、军舰、战车和武器等领域获得了大量的应用，已成为无可替代的战略金属[6]。钛合金的应用水平反映了一个国家武器装备的现代化程度，也是其军事水平和军事实力的重要指标。我国舰船钛合金的研究始于1962年，经过50年的研究，在规模和水平上都得到了很大的提高。钛合金耐腐蚀性极强，其在海水中5年不锈蚀，所以现在军舰外壳都是用钛合金制成的，既能抗海水腐蚀又能抗深水压力。钛制耐压壳体主要用在深海潜水器上。如制造美国Aivin号、我国自主设计建造的载人潜水器“蛟龙”号都是由钛合金制造。其下潜深度比不锈钢潜艇增加近一倍，而且钛无磁性，因而具有很好的反监测能力。在宇航领域通过科学家们对钛合金性能的不懈研究，不断取得新的进展。原来由钛、铝、钒组成的钛合金，最高工作温度为550～600℃，而新研制的钛化铝（TiAl）合金，最高工作温度已提高到1040℃。用钛合金代替不锈钢制造高压压气机盘和叶片，可以减轻结构重量。飞机每减轻重10%，可节省燃料4%。对火箭来说，每减轻1kg的重量，就可增加15km的射程。

3.2 钛合金在生物医学上的应用

20世纪40年代初期，Bothe等发表了有关多种金属种植体与骨骼之间反应的文章，从而首次将钛引入生物医学领域经过半个多世纪的发展，钛合金己取代医用不锈钢和钻基合金，成为广泛应用于医学领域且最有发展前途的医用生物金属材料。由于钛的生物安全性和生物功能性，使其成为理想的医用金属材料。目前，钛合金被广泛用于人工骨、人工关节、齿科、整形外科、心脏外科、体内支撑架及医疗器械等医学领域[8]。最早用作生物材料的钛合金Ti6Al4V已实用多年。我国在20世纪90年代先后仿制了Ti6Al7Nb和Ti5Al2.5Fe这两种合金，对其生物学性能、植入试验和临床等进行了深入的研究，目前这两种合金，特别是Ti6Al7Nb合金已被我国医学界所承认。

3.3 汽车领域应用

目前，在国内外钛及钛合金在汽车产品上的用途主要分为两大类，第一类的目的是减少原有零件的质量，涉及零件主要有发动机的高速往复运动件和汽车自重。对于高速往复运动零件而言，即使质量减少几克也会对零件性能造成非常大的影响，而降低汽车总质量是我们节能减排的重要措施之一。第二类是用来制作耐腐蚀件，主要包括排气系统，底盘零件，悬架系统等零件这类所处环境恶劣的汽车零部件，提高汽车零件的使用寿命目前为止，汽车上钛及其合金主要应用在发动机关键元件和底盘部件上。在发动机系统中，钛及其合金可制作连杆、阀门弹簧、阀门、阀簧承座等部件；在底盘部件主要为消声器及其连接件、减震弹簧、半轴和紧固件等。当前，节能减排已成为汽车行业竞争的杀手铜。因为汽车的质量每降低10%，燃料消耗可节省8～10%，废气排放可减少10%。日本日立公司用Tr5Al-2Cr-1Fe合金制造进气阀门，质量比钢制的减轻40%，性能提高10～15%钦合金的应用，使连杆的重心贴近曲轴方向，可大幅度地降低噪声、振动，提高了发动机性能，减少了燃料的消耗。发动机日趋高速化的倾向，使钛也更进一步向齿轮方面发展，这是因为钛合金具有优良的抗氧化性和抗蠕变性。意大利的法拉利2003En2型V12发动机使用钦合金连杆后机动性增强，速度在3.9s内可达到62km/h。

4 钛合金存在问题与展望

中国已经具有完整的钛工业体系和生产能力，成为继美、俄、日之后的第四大钛工业国。使中国成为继美国和俄罗斯之后能直接生产金属钛粉末的世界第三大钛工业国。我国钛工业任重道远，与发达国家相比还存在很多问题：现有钛合金的强度（尤其是强韧性匹配）不能满足航空要求，钛合金成本太高，钛合金性能对工艺参数敏感等问题使其应用受到了一定限制。而且铸造钛合金种类太少熔铸设备落后、铸件质量不高，钛铸件在各行业中的使用比例不高，管理水平和生产效率低，钛合金的循环再利用非常少。但由于我国目前对钛合金开发与重视，业内对中国钛工业的中、长期发展前景仍十分看好。从国内外的研究动态与发展需求来看，我国钛合金开发将朝着降低成本、提升合金化理论水平、理顺钛合金成分-工艺-性能之问的关系和扩大应用领域等多方面努力。相信在不久的将来，我国在钛合金领域一路领跑，创造辉煌。

[1]张喜燕，赵永庆，自晨光.钛合金及应用[M].北京：化学工业出版社，2005.

[2]魏宝敏，台立民.Ti-A1-Sn-Zr-Mo-Si系高温钛合金的研究进展[J].特种铸造及有色合金，2013，33（5）：424～428.

[3]鲍如强，黄 旭，黄利军.Ti-10V-2Fe-3A1合金热工艺的研究[J].有色金属，2005，29（2）：214～217.

[4]程巨强，史超.钛合金的组织、性能及加工技术研究进展[J].热加工工艺，2016，45（2）：5～13.

[5]李德强，王树森，包恩达.钛合金材料在船舶材料上的应用与发展[J].世界有色金属，2015（9）：127～128.

[6]刘奇先，刘杨，高凯.钛合金的研究进展与应用[J].航天制造技术，2011（4）：45～55.

[7]胡欣，魏强，李长义，张连云.医用钛合金生物学及机械性能评述[J].材料导报：综述篇，2009，23（10）：57～60.

[8]李哲，李佐臣.钛基生物医用复合材料发展现状与进展[J].工业进展，2004.