国内外钛合金研究及应用现状

正一、国内外钛合金发展概况钛合金是以钛为基础加入其他元素组成的合金。在近代工业中,钛合金以其优良的高强度、耐蚀性及耐热性等特点已成为高性能结构件的首选材料。此外,钛具备生物相容性、超导、储氢、形状记忆等独特功能,而被广泛应用在医疗器械、化工、航天航空、舰船等领域。目前,已有上百种钛合金问世,其中最著名的合金有20~30种。钛合金可以分为α合金、(α+β)合金、β合金     

变更合金化元素对IMI550超塑性形变的影响

大量实验数据表明,化学成分的变换决定α+β钛合金的超塑性形变性能.在一定温度下,这种变更不仅引起α/β比例的变化,而且改变α和β相的蠕变性能.普遍使用的β稳定元素使β-Ti的示踪自扩散系数发生很大的变化.英国学者对工业板材合金IMI550(Ti-4Mo-4Al-2Sn-0.5Si)的超塑性形变性能进行研究.同时,用1wt%Fe(快速扩散合金元素)取代基础合金IMI550中的1wt%Mo(缓慢扩散合金元素),以形成特殊的"改良"合金,其中的铁作为微量杂质.     

新型TC21钛合金相变行为和相组成研究

采用X射线衍射(XRD)对TC21钛合金β热处理后,经不同冷却速率冷却及双重退火后的相结构进行了分析,并用扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)对显微组织和相的形貌特征进行了观察研究.结果得出,TC21钛合金在β处理时经炉冷和水冷后,合金由α和β两相组成.空冷状态下,合金主相为α+β,并有少量Nb3Si相析出.实验证明,冷却速率主要影响α和β相含量的比例,相的组成基本不受冷却速率的影响.合金经970.,30min,空冷+600℃,4h退火后,仍由α相和β相组成,没有发现新的析出相,但观察到转变β相中存在次生析出的细小针状α相.     

1200MPa级新型高强韧钛合金

随着飞机结构件用钛量的大幅度增加,对钛合金的性能要求也随飞机设计概念的改变而改变,在追求钛合金高强度的同时,也要求合金具有高的韧性。为设计一种强度高于1200 MPa、断裂韧性大于65 MPa·m~(1/2)的新型高强高韧钛合金,在计算合金Mo当量的基础上,合金设计时综合考虑了合金元素对α相、β相的强化和韧化的影响,以及微观组织对强韧性的影响,设计获得一种新型高强高韧富β型的钛合金Ti-5321。实验室条件下30 kg铸锭和中试条件下500 kg铸锭试制的棒材在较理想的显微组织下,新设计的合金室温抗拉强度大于1200 MPa、延伸率大于8%、断裂韧性大于65 MPa·m~(1/2),相比于现有高强高韧钛合金,显示出明显优势。     

Ti-17合金的α+β区变形及热处理与显微组织

一、前言 Ti-17合金是美国通用电气公司研制的用于发动机风扇和压气机盘的材料。该合金是富β相的两相钛合金,其β稳定元素(Mo+Cr)含量较高。它既可以在β区加工,也可在α+β区加工,后续的热处理制度根据加工工艺确定。该合金具有较高的综合性能,经热处理调整后,屈服强度可达1034～1173MPa,与Ti-6Al-6V-2Sn相当,比TC4要高138～206MPa;它还有较高的塑性和韧性,蠕变性能更优于TC4合金。该合金在美国已投入批量生产,在F-100和F-110及CFM56等发动机中获得正式应用。本文探讨了α+β区变形和热处理对该合金显微组织的影响,为该合金的生产实践提供一些有益参数。     

粗大初生α相对TC9钛合金力学性能的影响

一、前言 TC9是α+β型热强钛合金。该合金具有良好的强度、塑性、蠕变抗力和疲劳强度;应用于航空发动机压气机盘和叶片等零件,能在500℃长期工作。 我厂在生产中发现原材料和半成品叶片的金相组织中,存在大块初生α相,致使组织严重不均匀,不能满足技术条件的要求,造成许多零件报废。虽然有许多文献报道了钛合金显     

金相法测定锆锡和锆铌系锆合金的相变温度

采用金相法测定了锆锡系Zr4锆合金和锆铌系N36锆合金由α+β相转变为β相的相变温度T_(α+β→β)。结果表明:可以通过金相法测定锆合金的相变温度T_(α+β→β),在相变温度T_(α+β→β)附近淬火,通过观察试样α相含量的变化,确定α相未完全转变和完全转变的温度区间,相变温度T_(α+β→β)取该区间的下限值,热处理加热温度间隔建议选择为10℃;试验测得Zr4锆合金的T_(α+β→β)为970℃,N36锆合金的T_(α+β→β)为890℃。     

初生α相对BT9钛合金性能的影响

BT9(Ti-6.5Al-3.5Mo-2.0Zr-0.3Si)是多组元的α+β型变形热强钛合金,广泛地用于500℃以下长期工作的发动机零件。由BT9合金制作的零件,一般在退火状态使用,其组织是初生α和转变β相,而初生α体积含量的多少,对性能有很大的影响。因此,为了研究初生α相体积含量在什么范围内性能最好, 我们进行了一些试验研究工作。     

生物医用钛合金材料的研究、开发与应用

生物医用材料及制品是近30年来发展起来的一类技术附加值最高的高新技术产品,其作用药物不能替代。近10年来,生物材料和制品的世界市场增幅百分率一直保持在两位数左右,发展趋势可与汽车和信息产业相比,正在成长为世界经济的一个新的支柱性产业,而生物材料的研发已成为世界研究热点。钛合金是一种继不锈钢、钴铬合金和TiNi形状记忆合金之后可用于人体软、硬组织修复与替代较理想的外科植入物用首选材料,它先后经过了第一代材料纯钛(α型)和Ti6Al4V合金(α β型)和第二代无钒的α β型钛合金Ti6Al7Nb和Ti5Al2.5Fe以及以β型钛合金为主的第三代新型医用钛合金(如Ti-13Nb-13Zr)的发展历程,其出发点是寻找生物相容性更好(不含对人体有毒的元素)、与人体骨骼力学相容性更加匹配(降低弹性模量、减小对骨组织的“应力屏蔽“)且综合性能优良的钛合金材料。综述了国际上生物医用钛合金的研发历史和现状,重点介绍了国际上正在热点研究的新型β型医用钛合金材料的合金设计、加工制备及其组织与性能控制和在骨科与血管介入领域的应用现状,特别是介绍了我国自主开发的两种新型医用β型钛合金的研究及其相关医疗器械产品研制情况,最后指出了医疗器...     

Ti-62A合金动态软化速率异常的热力学解释及其应变补偿本构方程

使用Gleeble-3800 热模拟试验机研究了Ti-62A合金在变形温度为800~950℃、应变速率为0.001~10 s^-1条件下的热压缩变形行为。结果表明,随着变形温度的提高出现Ti-62A合金的动态软化率降低的反常现象。(α+β)双相钛合金中Mo、Cr等β稳定元素的原子活性随着温度的升高而逐渐降低和β相比例增大,Jmatpro软件的热力学计算表明(α+β)双相钛合金的这一现象与此有密切关系。而α钛合金和β钛合金出现动态软化速率降低,与加工温度升高β相比例增大的关系更密切。从800℃升高到950℃,Ti-62A合金中β相的比例由32.1%提高到84.3%,Mo、Cr活性的降幅均达到64%。这些因素使变形过程中Ti-62A合金的晶界迁移速度和动态软化速率均随变形温度升高而降低,其950℃的真应力-应变曲线多为典型的动态回复型。α相的含量随着变形温度的提高而降低,且在较高的变形温度下β相的晶粒尺寸也较为粗大。构建的基于应变补偿的Ti-62A合金Arrhenius变形抗力模型,能较好地预测合金的流变应力行为,其相关系数R达到0.990,预测值与实测值的平均相对误差为8.983%。     

钼钨含量和热处理对一种高温钛合金拉伸性能的影响

研究了具有不同β相稳定化元素(Mo,W)含量的TMW-1(K_β=5.5)钛合金和TMW-2(K_β=3.5)钛合金,经不同双重和三重退火处理后的室温和650℃高温拉伸性能。结果表明:经适当的热处理,在不损害室温塑性的情况下,TMW-1钛合金和TMW-2钛合金在650℃的拉伸性能均能达到近α钛合金在600℃的拉伸性能。为了保证合金650℃的拉伸性能,合金中β稳定化元素(Mo,W)含量应使β稳定化系数K_β保持在3.0-3.5为宜。     

Ti-Al-Cr两相钛合金的组织与性能研究

研制了一种Ti-Al-Cr两相钛合金.实验用合金采用真空自耗电弧熔炼,在α+β两相区锻造成60mm×60mm的方棒.用金相法测试合金相变点为(970±5)℃.为了解热处理制度对合金显微组织和力学性能的影响,合金经过4种工艺制度进行热处理.用金相显微镜观测了不同热处理制度下的组织特征,并测试其力学性能.研究结果表明,相变点以下固溶处理得到双态组织,随着同溶温度的升高,初生α相含量减少,合金强度升高,塑性呈下降趋势.β固溶处理后得到魏氏组织,合金强度和韧性匹配高于相同热处理条件TC4合金水平.     

超高强β钛合金等温相转变特性及力学性能

近β钛合金的等温相转变具有多样性和复杂性的特点,对温度敏感性强,直接影响其时效后的力学性能.本工作所用合金为自主研发的Ti-Al-V-Mo-Cr-Zr-Fe-Nb超高强β钛合金,采用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、硬度计等分析表征手段对等温处理后合金的微观组织演变及力学性能进行系统研究.结果表明,合金300℃时效时只析出等温ω相,等温ω相随时效时间的延长发生长大.合金400℃时效时先析出等温ω相,随着时效时间的延长,α相依附于ω/β界面处形核.合金500℃时效时无ω相析出,针状α相直接从β基体中析出,呈"V"字形均匀分布在β基体中.400℃时效12 h时抗拉强度为1716.1 MPa,伸长率为2％.500℃时效12 h时抗拉强度为1439.8 MPa,伸长率为9.84％,具有良好的强塑性匹配.     

轧制变形对Ti-5322板材组织与性能的影响EI北大核心

Ti-5322是一种低成本的高强钛合金。本工作研究了β温区开坯的Ti-5322钛合金在α+β相区经不同变形量轧制板材后的组织及拉伸性能。显微组织的分析表明,当成品轧制变形量在50%时,合金板材呈现为具有连续晶界的网篮结构;当轧制变形量为75%时,合金板材呈现为包含球状及棒状α相组成的双态组织,晶界不连续。热处理后的拉伸性能测试结果显示,较大的轧制变形量有利于提高合金板材的强度与塑性的匹配。     

医用钛合金的发展及研究现状

纯钛及其合金以其与骨相近似性的弹性模量、良好的生物相容性及在生物环境下优良的抗腐蚀性等在临床上得到了越来越广泛的应用；综述了医用钛合金的发展和研究现状，阐述了钛的生物相容性原理，同时简单评述了钛及其合金表面改性与钛基复合材料的研究现状，分析表明：纯钛及其合金具有出色的生物相容性主要归功于表面附着的氧化层；β型钛合金与α/α β型钛合金相比，具有较高的耐磨性，是一种很有前途的外科植入用钛合金；寻求更为理想的表面改性工艺从而获得高质量的涂层，或将生物活性相添加进钛合金基体中制备成复合材料是提高医用钛合金生物活性的两种有效途径。     

热机械加工和快速热处理下Ti-4.5Fe-7.2Cr-3.0Al的性能

亚稳定β钛合金较其它钛合金具有良好的机械性能匹配,例如高的比强度、优良的抗疲劳和抗裂纹扩展能力.这种合金固溶时效后的具有完全的转变β和析出的硬化相组织,其强度由β基体上析出的α相决定,α相越细小,分散越均匀,合金强度越高;同时,β晶粒尺寸决定合金的塑性,晶粒越细小,合金塑性越好.     

α-β两相钛合金棒材常见偏析缺陷分析

对α-β两相钛合金棒材中发现的偏析缺陷进行了分析,并提出了减少或消除偏析缺陷的解决措施。结果表明:α-β两相钛合金棒材中的偏析缺陷一般以亮斑形式存在;偏析可分为间隙元素偏析和主合金化学成分偏析两大类,主合金化学成分偏析又可以分为合金元素贫化、α相稳定元素(主要是铝)富化和β相稳定元素富化3种;棒材中偏析缺陷的产生一般与合金熔炼有关,为了减少或消除偏析,应加强配料过程中间合金选择、电极制备(混布料)、合金熔炼等工艺的控制,并注重各工序间的质量检验。     

热处理工艺对BT22钛合金组织和性能的影响

研究了两级退火工艺参数对BT22钛合金显微组织和室温拉伸性能的影响.研究发现:热处理后的显微组织为α+β的两相组织,晶粒形状较为规则,晶界上有连续和不连续的α相,晶内分布着点状、球状和短杆状的α相;BT22钛合金强度在830℃(T1)出现极大值,随着等温淬火温度(T2)的升高及时效温度(T3)的降低而增高,塑性的变化规律与强度相反;等温淬火的冷却方式(υ2)对合金的性能影响不大,BT22合金具有低速冷却的淬火性能,淬透性能极好.     

杂质对新型β型钛合金显微组织及其硬度的影响

β型钛合金具有良好的强度、耐腐蚀性和优越的加工性能,尤其高强度和强耐腐蚀性在核电领域有着广泛应用,本文主要通过金相显微镜、扫描电镜、X-衍射和能谱等工具来分析杂质元素C、O等对β型Ti-Nb-Zr合金的组织和硬度影响。C、O等杂质使得合金在α相转变成β相的相变温度提高,扩大α相相区范围,均匀化热处理后将析出α相和微量脆性ω相,使合金的硬度提高,塑性降低,加工性能恶化。     

高推重比航空发动机用新型高温钛合金研究进展

综述了我国航空发动机用高温钛合金材料体系的发展状况。针对未来高推重比航空发动机对新型轻质耐高温结构材料的需求,重点介绍了TiAl合金和SiC纤维增强钛基复合材料2种关键的新型高温钛合金国外研究进展和应用情况。目前我国航空发动机主要应用的是α+β型钛合金,工作温度均在500℃以下,在更高温度使用的近α型钛合金(如600℃高温钛合金)尚处于研发阶段。国外对TiAl合金的研究已近20年,在航空发动机领域已公开报导了10多种TiAl零部件,并且完成了地面装机试验,试验结果非常理想。SiCf/Ti复合材料在航空发动机上的典型应用是叶环类和轴类零件,美、英等国均研制出了多个零部件,并进行了发动机考核试验。TiAl和SiCf/Ti复合材料将是新一代高推重比航空发动机用的2种关键结构材料。