美国大力开发低成本钛合金

从国外的一些报刊提供的各种信息看出,美国的钛生产厂家正在把它们的大部分研究与开发预算投放到研制低成本的钛合金上,并且力图将其推向新的市场,主要以非航空与航天工业的需求为目标。     

低成本钛合金在车辆上的工程应用研究

随着钛合金在航空航天等领域的用量不断提升,昂贵的加工和使用成本已经成为制约其扩大应用的主要障碍,迫切需要发展低成本钛合金材料及其加工技术,因此钛合金低成本化以及钛合金材料成形的低成本化已成为国内外钛工业领域研究的重要方向。本文通过添加100%返回料的方式,成功制备了化学成分合格的Ti-Al-V系低成本钛合金铸锭,并采用短流程轧制技术制备了各种规格的板材,分析了轧制过程中Ti-Al-V系低成本钛合金的组织性能演变过程,研制的各规格板材通过了某车辆炮塔体的考核试验。同时采用短流程锻造加工技术,研制了低成本高性能钛合金平衡肘锻件,其显微组织和力学性能均能满足技术标准要求,通过了某车辆的跑车考核试验。     

低成本高性能钛合金研究进展

基于钛合金材料在新一代航空航天飞行器上大量使用,以满足减重、延长寿命的设计和使用要求,因此钛合金低成本化以及钛合金材料成形的低成本化已成为国内外钛工业领域研究的重要方向。发展具有我国自主知识产权的航空用高性能低成本钛合金材料及其加工技术,是提高我国钛合金材料在航空领域用量和应用水平的重要途径。介绍了国内外主要钛合金生产国一些低成本钛合金的研发背景、典型力学性能以及实际应用情况,指出了降低航空用高性能钛合金材料的发展思路。     

锻造工艺对新型低成本钛合金组织和性能影响

研究准β锻造工艺和两相区锻造工艺对新型低成本Ti-Al-Mo-Cr-Zr系钛合金显微组织和力学性能的影响规律。采用金相显微镜(OM)观察新型低成本钛合金不同锻造工艺后的退火态组织特征,采用扫描电镜(SEM)分析合金的断口形貌,并测试合金的拉伸性能、断裂韧度等主要力学性能。结果表明:合金采用两相区锻造工艺(895℃),获得双态组织,β基体上均匀分布着约占40%的等轴初生α相;合金的强度和塑性较高,其中抗拉强度σb=1054 MPa,延伸率δ5=17%,断面收缩率ψ=51%;但断裂韧度偏低,KIC=63 MPa(1/2)m。采用准β锻造工艺(940℃),获得网篮组织,细小的板条状次生α相交织分布,无初生α相;合金的强度和塑性有所降低,抗拉强度σb=1008 MPa,延伸率δ5=13%,断面收缩率ψ=33%;但断裂韧度较高,KIC槡=86 MPa m。随着锻造温度从两相区895℃升到β单相区940℃,新型低成本Ti-Al-Mo-Cr-Zr系钛合金强度变化幅度小,而断裂韧度、塑性,特别是断面收缩率性能指标对锻造温度变化反应敏感。     

低成本钛合金与汽车制造

叙述了钛在汽车制造中应用的必要性、应用的优势和应用范围（汽车发动机的气门弹簧、气门、气门座圈和连杆）、供汽车制造用低成本钛材的品种和性能、降低钛材成本和加工制造费用的途径、钛在汽车上应用的现状与未来。指出我国应积极参与汽车轻量化的国际竞争，为钛材打开通向世界的应用渠道。     

低成本XRF001钛合金抗弹性能研究

研究了一种新型装甲用低成本钛合金XRF001的组织与性能,重点对其抗弹性能进行了测试,分析了抗弹机理。结果表明：普通退火态XRF001钛合金板材的强度、塑性、硬度和冲击韧性匹配良好,抗弹性能与ATI425-MOD钛合金相当,优于ATI425钛合金。XRF001钛合金在不同热处理状态下的组织不同,抗弹性能也不同,普通退火态下的抗弹性能优于双重退火态。经普通退火后,XRF001钛合金中形成的细小板条及片层状组织能够改变绝热剪切带走向,改变裂纹扩展路径,消耗更多的能量,有利于提高抗弹性能。     

钛与钛合金的低成本清洁制备新技术

提出了多级深度热还原的理念,发明了镁热/铝热自蔓延-深度多级还原制备钛与钛合金的关键技术,成功制备出纯度为99.69%高纯还原钛粉,Ti6Al4V合金粉：Ti:89.5-90.2%、Al:5.85-6.57%、V:3.90-4.17%,氧含量<0.15%;制备出20kg级规模的TiAl合金铸锭,Ti/Al原子比为1:1,氧含量为0.09%。成果已在山东傅山集团成功转化应用,500t/a还原钛粉工业示范线于2018年12月08日试车成功,可使金属钛与钛合金的生产成本降低30%以上,项目的推广应用为钛材低成本清洁利用奠定工业化基础。     

Ti-Al-Fe低成本钛合金TIG焊焊接组织和性能研究

研究了Ti-Al-Fe低成本钛合金钨极氩弧焊焊接接头的内部质量、组织和力学性能,并与TC4钛合金进行了比较。结果表明,Ti-Al-Fe低成本钛合金焊缝表面质量良好,焊缝内部融合良好,无焊接缺陷,可焊性好; 2种合金的焊缝区宏观组织均由粗大的柱状晶和少量等轴晶组成,Ti-Al-Fe合金柱状晶组织较细,晶内由针状次生α相和少量的长条状初生α相组成; 2种合金热影响区均为粗大的等轴晶,晶内由大量初生α相和少量针状次生α相及残余β相组成; Ti-Al-Fe低成本钛合金焊缝抗拉强度达到1 204 MPa,比TC4钛合金高111 MPa。     

低成本钛合金开发现状

钛及钛合金在航空工业与舰艇制造业中获得了较为广泛的应用,波音飞机公司在新设计与制造的大型777型客机中使用了大量的钛材;前苏联制造的α级核潜艇潜入深度超过300m、航速达83.34km/h(45海里/时);其艇体就是用钛合金制造的。但是,在除航空航天工业以外的其他工业部门,如石油、化工、造纸、造船、食品等工业部门的许多零部     

航空用新型低成本钛合金显微组织与损伤容限性能关系研究

利用扫描电镜对某新型航空用Ti—A1-Mo—Cr—Zr系低成本钛合金的双态组织、片层组织及网篮组织3种典型显微组织特征和裂纹扩展过程进行了观察和分析,并对具有不同类型显微组织的合金进行了拉伸、断裂性能和疲劳性能的检测。结果表明：该新型Ti—A1-Mo—Cr—Zr系高性能低成本钛合金在不同显微组织下均具有良好的强度-塑性-韧性-疲劳性能的匹配。其中,双态组织的该合金具有最高的强度和塑性,但损伤容限性能较低（断裂韧性稍低,疲劳裂纹扩展速率高）;网篮组织的该合金具有良好的断裂韧性和疲劳强度,疲劳裂纹扩展速率与双态组织的水平相当;片层组织的该合金具有最为优异的损伤容限性能（最低的疲劳裂纹扩展速率和最高的断裂韧性）,但疲劳极限、强度和塑性稍低于双态组织和网篮组织的该合金。     

几种含铌低弹性模量钛合金组织与性能研究

通过对含Nb钛合金进行成分优选，设计出4种具有较低弹性模量的新型Ti-Nb-X系钛合金，并对4种新型钛合金的组织与性能进行了研究。研究结果表明，4种新成分钛合金的弹性模量均低于80GPa，符合设计要求。4种合金的组织均匀，组织类型为等轴组织。个别晶粒中存在一定的孪晶与合金加工变形过程有关。此类合金在医学外科植入物、眼镜架用材、运动器材等领域有推广价值。     

微观组织对TA15钛合金力学性能的影响

比较了两个(α＋β)两相区轧制的TA5钛合金环形件的显微组织和力学性能，分析了两个环形件的工艺控制特征及微观组织对力学性能的影响。结果表明，两相区轧制的TA15合金环形锻件获得了含有等轴初生α相和β转变组织基体的双态组织，等轴初生α相及β转变组织的体积分数和口转变组织中的次生α相的形貌对合金的力学性能有显著影响。等轴初生α相体积分数增加有利于塑性和冲击韧性性能提高，但降低了断裂韧性、持久和蠕变性能。β转变组织体积分数减少且次生α相的球化会显著降低合金抗裂纹扩展的能力，从而降低了高周疲劳性能。     

弹簧用高强钛合金的研究进展

β钛合金因综合性能优异（良好的冷热成形性、时效强化效应明显、耐蚀等）成为高强钛弹簧的理想选择。简述了2种弹簧用高强β钛合金Timetal LCB和Ti-B20的研发现状,并指出钛合金大量用作弹簧的关键在于合金性能的提高以及成本的降低。     

基于氢化脱氢钛粉制备低成本高性能钛合金

粉末冶金是短流程制备低成本、高性能钛及钛合金的有效方法之一。采用氢化脱氢(HDH)制粉—冷等静压成形—真空烧结致密化的技术路线制备了间隙原子含量低(O 0. 16%、N 0. 05%、H 0. 015%,质量分数)、具有均匀细小近等轴α组织且室温拉伸性能(R_m为840～950 MPa、R_(P0. 2)为770～900 MPa、A为12%～16%)良好的Ti-6Al-4V合金烧结坯,证明了HDH工艺制备低间隙原子含量钛粉的可行性,而间隙原子含量的增加主要源于粉末及压坯的操作、转移和储存过程。由于粉末冶金钛合金具有细晶和近净成形的特点,无需开坯锻造,并且近净成形的烧结坯能够提高材料利用率,减少后续热加工变形量及加工道次。因此,以粉末钛合金烧结坯替代锻坯进行后续的塑性加工能够大幅度降低钛合金构件及型材的成本。     

颗粒增强低成本钛基复合材料

采用TiC颗粒和熔铸法制备TiCp／TIMETAL62S复合材料，研究了钛基复合材料的显微组织和室温力学性能。结果表明：TiCp／TIMETAL62S复合材料的组织由针状αa相、少量β相和TiC颗粒组成；TiC颗粒改变了基体合金原有组织，促进了复合材料组织的细化；钛基复合材料具有良好的室温强度和塑性，复合效果良好。     

西北有色金属研究院钛合金研究进展

概述了西北有色金属研究院（NIN）研发的部分高温、高强、低成本、超塑性及低温钛合金近年来的研究进展。指出：使用温度在550～650℃之间的高温钛合金中，550℃高温钛合金已获得应用，Ti-600合金因室温和600℃下综合性能优异，尤其是极佳的蠕变性能，可以用做高推重比发动机压气机轮盘和叶片，具有较好的应用前景；在强度级别为1000～1600MPa的高强钛合金中，Ti—B20合金和Ti-1300合金适宜制作高强或超高强钛合金弹簧；低成本钛合金、超塑性温度较低且应变速率较高的超塑性钛合金、低温钛合金的研究从未间断过，某些合金也已得到应用；NIN今后研究重点是建立已研发合金的规范体系，降低其制造成本，提高其使用性能，最终使其获得广泛应用。     

钛合金粉末热等静压近净成形成本分析

采用粉末冶金热等静压近净成形（NNS-PM-HIP）技术制备了几种典型的钛合金结构件,利用技术成本模型分析了NNS-PM-HIP工艺制备钛合金构件的经济性,并与其他成形工艺进行了对比。结果表明：随着工件尺寸的加大、复杂程度的提高,包套/模具的制作以及热等静压成为影响采用NNS-PM-HIP技术制备钛合金构件成本的主要因素。有限元模拟仿真的介入和工件的批量化生产使得NNS-PM-HIP工艺的成本显著降低。与锻造等工艺相比,工件越复杂、尺寸越大,以及原材料成本占总成本比例越低,NNS-PM-HIP工艺成形钛合金构件的优势越发突出。