钛合金材料及其制备技术研究进展

摘要：钛合金具有密度低、比强度高、高温力学性能、生物相容性及耐蚀性优异等突出特点，在航空、航天、船舶、海洋、石化和生物医学工程等领域得到广泛应用。本文对钛合金的发展历史、组织性能和制备方法等进行了总结。主要介绍了真空自耗炉熔炼、激光快速成形技术制备钛合金。激光快速成型技术尤其独特的优点，如晶粒细小、成分均匀、组织致密的独特快速凝固组织、综合力学性能优异；零件的材料利用率高等。

关键词：钛合金；真空自耗熔炼；激光成

钛是五十年代兴起的一种重要结构金属，同其它结构金属相比，它具有两个显著的优点：比强度高和耐腐蚀性能好。钛还具有韧性好、熔点高、热膨胀系数低及耐生物侵蚀等，在航空、航天、和生物医学工程等领域得到广泛应用。但是用常规方法生产的钛合金的强度和使用温度与先进的飞机、火箭等飞行器的要求相比还存在较大差距。快速凝固技术的应用可以有效地提高常规钛合金的性能，并为研制新型钛合金创造了条件。

从70年代末期开始，在一般快速凝固技术的基础上对设备和工艺参数做了一些改进，研究出一些适用于钛合金生产的快速凝固方法和设备。金属材料激光表面重熔处理是实现快速凝固的基本方法之一，由于其独特的“无界面热阻”自淬火快速热传导作用，激光表面重熔也是迄今为止能实现冷速最快的方法之一。因此激光表面重熔作为快速凝固理论研究的基本手段和提高零件表面性能的主要方法得到广泛应用。

1钛合金的组织性能

钛具有两种同素异晶体，分别为a和β来表示。熔点为1720℃，在882℃以上时呈体心立方晶格结构，称为B钛；在低于882℃时呈密排六方结构，称为d钛。钛的导热性较差，其导热系数比不锈钢略低。钛的纯度对其导热性的影响较大。当钛中存在杂质时，其导热系数则有所下降。纯钛在25℃的比热容为527.5J/（kg.℃），随温度提高，钛的比热容也逐步增加。

钛及大多数钛合金的密度约为4.5/cm3，介于铝和钢之间。高强度钛合金的强度极限可达到1470MPa以上，比强度约为33。对于钢来说，要达到这样高的比强度，则需要具有2500-2600MPa的强度极限。然而，制造和在结构中使用这样的钢，制备成形工艺上是十分困难的；即使钢的强度还能提高，锈蚀也是一个很大的缺点，严重影响其应用。高强度不锈钢不仅热处理工艺复杂，且在许多情况下耐蚀性仍不足。

2国外钛合金的研究进展

2.1BT37合金宇航用钛合金。由于大型航空发动机压气机对工作300-350℃用材的需要，俄罗斯的全俄轻金属研究院研究了同时添加锡和锆来改善BT22钛合金的强度和高温蠕变性能，研制出了性能优于BT22的一种新的航空用钛合金。新合金的名义化学成分为：Ti-5M-5Mo-5V-1Fe-1Cr-1.7Sn-2.5Zr，被赋予正式牌号BT37。用BT37合金来取代传统的BT3-1、BT6热强钛合金来制造在300-350℃工作的壓气机大尺寸盘和叶片，可使重量减轻20 25%。

2.2Timetal5111船用钛合金。美国Timer公司与美国海军联合开发了一种具有强度适中韧性高焊接性能好的近a钛合金，命名为Timet-a15111，其名义化学成分为：Ti-5M-1Zr-1Sn-1V-0.8Mo-0.1Si该合金的突出特点是具有良好的断裂韧性及抗应力腐蚀性能，同时又具有良好的室温蠕变性能。其冲击韧性约为.Ti-6M-4V的3倍，并且易焊接，可以进行大规格型材的焊接，主要用于舰船制造和海洋工程。

2.3生物用钛合金。最新开发的生物钛合金主要有：Ti-5A1-3Mo-4Zr、Ti-6A1-7Nb、Ti-13Nb-13Zr、Ti-35Zr-10Nb、Ti-16Nb-10Hf、Ti-35.3Nb-5.1Ta一-.1Zr等。为了减少或消除A1、V元素的不利影响开发了一系列生物用新型钛合金，其中Ti-12Mo-6Zr-2Fe是一种亚稳态合金，与Ti-6A1-4V合金相比，该合金具有较高的强度、断裂韧性，较好的耐磨性，优秀的耐蚀性和较低的弹性模量，适合用于矫形器件。用zr、Nb、Ta、Pd和sn作为合金元素来改善钛合金力学性能、耐蚀性和生物相容性是开发生物钛合金的主要途径。如开发出的Ti-15Mo-5Zr-3A1（时效态）及Ti-15Sn-4Nb-2Ta-0.2Pd（时效态）的强度较高；Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr合金的耐磨性和力学性能都接近于Ti-6Al-4合金，且弹性模量更接近于人体骨骼。

2.4汽车用钛铝合金。日本大同钢铁公司研制成一种新型钛铝合金，将它应用于制造汽车发动机的排气阀，可大大改善发动机的性能。这种新型钛铝合金的成分为称33.5A1-1Nb-0.5Cr-0.5Si（wt%），其中加入Nb和si是为了提高抗氧化性能及抗蠕变性能。将用这种新型钛铝合金制成的排气阀装在汽油发动机上，以每分钟6400转的速度运转150小时后的试车结果表明，该阀门由磨损和氧化所造成的损耗很小。在另外一种不增压发动机上的试车结果表明，在很短时间内，发动机转速就高达每分钟13000转，最大突变转速可提高到每分钟14000转。

2.5高强钛合金。俄罗斯研制的VST5553（Ti-5A1-5Mo-5V-3Cr）作为高强近B钛合金可替代BT22和Ti-1023铁合金大量使用在飞机的起落架上，该合金的淬透性更好，俄罗斯的VSMPO联合体分别用B锻和a+B锻制造了该合金的大型锻件。另外俄罗斯研制的VST3553（Ti-3M5-Mo-5V-3Cr）是用于紧固件用钛合金，其强度和加工性能均优于Ti-64。

2.6阻燃钛合金。

AlloyC（Ti-35VTi-15Cr）是美国研制的一种高稳定化的阻燃钛合金，该合金具有良好的阻燃性能和力学性能，已在F22飞机的F119发动机中得到实际应用。

3钛合金的制备方法

3.1真空白耗电弧炉熔炼。目前生产钛及其合金铸锭的主要方法依然是真空白耗电弧炉熔炼（VAR），它可以成功的熔炼易偏析和高活性的金属材料。其实质是自耗电极作负极，铜坩埚作正极，在真空或惰性气氛中，将已知化学成分的自耗电极在电弧高温加热下迅速熔化，形成熔池并受到搅拌，一些易挥发杂质将加速扩散到熔池表面被去除，合金的化学成分经搅拌可达到充分均匀。

VAR技术的优点是熔炼速度快，可生产大型铸锭，可满足一般工业要求，能去除氢等气体；能降低高蒸气微量元素的含量；可得到从下向上的近定向凝固柱状晶；降低宏观偏析和微观偏析。随着科学技术的进步，技术不断完善，通过运用先进的技术生产出了大规模低偏析高质量的铸锭。

VAR技术还存在着一些不足，如熔炼易偏析合金元素较多的钛合金时，仍然会出现宏观和微观偏析；化学成分均匀性差；容易产生组织缺陷；制造电极、破碎料增加成本等。虽然通过改进新工艺生产出了高质量的钛合金，但是提高了生产成本。另外该工艺回收废料困难，生产的铸锭发生夹杂的频率很高，因而限制了它在熔炼高质量合金中的应用。现在，自耗电极电弧炉多用来重熔铸锭这在一定程度上克服了上述缺点，可生产致密无缺陷成分均匀具有所要求的化学成分尺寸和晶粒结构铸锭。

3.2激光快速成形技术。高性能金属结构件激光熔化沉积“近净成形”制造技术，利用快速原型制造的基本原理，以金属粉末（或丝材）为原材料，通过高能激光束对金属原材料的逐层熔化堆积，直接由零件CAD模型一步完成全致密、高性能、大型复杂金属零件的“近终成形”制造，是一种具有“变革性”意义的数字化、短周期、低成本、先进“近净成形”制造新技术，在航空、航天等国防装备研制与生产中具有广阔的应用前景，与传统制造技术相比，具有以下突出优点：

（1）无需零件毛坯制備和锻压模具加工、无需大型或超大型锻铸工业装备及其相关配套设施；

（2）零件具有晶粒细小、成分均匀、组织致密的独特快速凝固组织、综合力学性能优异；

（3）零件的材料利用率高，制造成本低、生产制造周期短；

（4）工艺与设备简单、工序少而短、具有高度柔性与“超常”快速反应能力；

（5）可以方便地实现包括w、Mo、Nb、Ta等各种难熔及Ti、zr等各种高活性高性能金属材料零件的材料制备和零件直接“近净成形”：

（6）可根据零件的工作条件和性能要求，实现多材料梯度复合高性能金属的直接近净成形制造；

（7）具有对构件设计与批量变化的高度柔性与快速反应能力。激光快速成形技术的独特优点，为克服大型钛合金结构件上述制造技术缺点提供了一条新途径，也由于钛合金结构件激光快速成形技术对先进国防装备研制与生产的重要性和广泛实用性美国等西方工业及军事强国对其十分重视。

4结论

综上所述，钛合金因其优良的性能在航空工业有着广泛的应用前景。目前，世界先进战斗机的钛用量在20%以上，民用客机用钛量在10以上。美国F-22，钛合金用量已占机体总重量的41%，应用部位：隔框、主翼梁、后梁、水平尾翼转轴等，使用的主要钛合金材料为Ti-6M-4V，还有一些结构件使用了Ti-62222S，如机身隔框Ti-6A1-4V钛合金模锻件和后机身发动机机舱框架Ti-6A1-4V钛合金模锻件。美国Boe-ing787飞机，钛合金用量达到了15%；欧洲A380飞机，单架飞机用钛65吨，占飞机总重量的10%，而且采用了全钛挂架。

同时，钛的冶炼技术一旦有所突破，其价格也将明显降低。随着钛合金的开发研制、钛材品种的增多及价格的降低，钛在民用工业中的应用将成倍增加，特别是在造船、汽车制造、化工、电子、海洋开发、海水淡化、地热发电、排污防腐等民用领域将获得广泛的应用。与此同时，市场的需求也将加速钛工业与钛材加工技术的发展。

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