钛合金的性能及应用.pdf

总第2 11期2023年第8 期行业纵横摘要：钛是自然界较常用的难熔稀有轻金属，具有耐腐蚀性能较强、强度高、重量轻、耐高温、耐热性好和低温韧性良好等性能，该合金应用范围较广泛，是飞机、导弹、火箭等设备十分重要的材料，但其不耐高温氧化。鉴于此，重点叙述钛及钛合金的重要物理性能和相关的应用领域，并对钛合金的使用温度进行具体阐述。关键词：物理性能；应用领域；使用温度；钛合金中图分类号：TG146.2*30引言钛属于难熔稀有金属，近年来人们将它划人轻有色金属。纯钛的外形与钢相似，呈银灰色,其粉末为深灰色。钛是重要的结构金属之一,地壳中储量丰富 1-1。目前和将来,钛都是一种重要的航空材料。钛的资源极为丰富，其含量占地壳质量的0.6 1%，在所有元素中含量居第十位，仅少于铝、铁、钙、钠、钾、镁、氢、氧、硅，比常见的铜、镍、铅、锌含量的总和还要多十几倍。钛及钛合金是二战以后逐步发展应用起来的，钛的矿物有7 0 多种，目前用来提取海绵钛的主要有金红石（T i O 2)和钛铁矿（TiFeO）。工业上主要采用镁还原法（即克劳尔法)和钠还原法生产海绵钛，钙还原法、电解法和热离解法等其他生产方法均未在工业生产中得到大规模推广。目前对电解法生产海绵钛的研究较多，国外已利用该法开始走向工业化。1钛的性能1.1物理性能钛的熔点高（16 6 8 10）,比铁、镍都要高，作为耐热材料有很大的潜力，钛的热膨胀系数较小，高温条件下或热加工过程中产生较小的热应力。钛的密度是4.51g/cm,钛合金的密度约为钢的6 0%、铜的50%、铝的1.8 倍。钛易加工成形,且具有优异的耐腐蚀性能，屈强比较高，使得钛和钛合金冷变形成形时回弹性大,不易成形和矫直。钛的机械性能，尤其是材料强度和加工的难易在很大程度上取决于钛的纯度，纯度愈高,加工愈容易，但强度愈低。在钛中加入其他元素制成钛合金可获得更佳的性能。1.2机械性能1.2.1强度纯钛的拉伸强度为2 7 6 3 kg/mm，一般钛合金的拉伸强度为7 0 12 0 kg/mm,目前最高可达18 0 kg/mm。许多钢的强度高于钛合金，但钛合金的比强度（即强度和密度的比值)比目前其他任何材料都大。钛的剪收稿日期：2 0 2 3-0 3-0 9第一作者简介：郎雪琴（19 8 3 一),女，山东莱州人，毕业于长春工业大学，本科，中级工程师，主要从事核反应设备工程材料研究及核工程项目建设研究与管理工作。山西冶金ShanxiMetallurgy钛合金的性能及应用郎雪琴，代琨（上海核工程研究设计院股份有限公司，上海2 0 0 2 3 3）文献标识码：A切强度一般为拉伸强度的6 0%7 0%。钛的抗压强度与其拉伸强度相近似，薄板钛和钛合金的承压屈服强度大约是拉伸强度的1.2 2.0 倍。在大气中，经加工和退火处理的钛及钛合金的抗疲劳极限是拉伸强度的50%6 5%。1.2.2硬度最高纯度级的加工工业纯钛的硬度（布氏)通常小于12 0，其他工业纯的加工钛的硬度（布氏）为200295。T i-5A 1-2.5S n 和Ti-6A1-4V在铸造状态下的硬度为3 2 0（布氏）。大多数钛合金在退火状态下的拉伸弹性模量为110 0 0 12 0 0 0 kg/mm。时效硬化的钛合金比在退火状态下的钛合金具有稍高的拉伸弹性模量，抗压弹性模量等于或者大于拉伸弹性模量。虽然钛和钛合金的刚度比铝及铝合金高很多，但是其刚度仅为钢刚度的55%。钛合金的比弹性模量和铝合金相等，仅次于铍、钼和某些超级合金。1.2.3韧性提高钛合金的强度，增加间隙物含量都会给合金的抗冲击性能和断裂韧性带来有害影响。却贝V切口冲击强度根据钛合金的品种和状态的不同而不同，加工工业纯钛的为1.52 5.52 kgm，铸造状态的约为0.41 1.1kgm。在退火状态下钛合金的冲击强度为1.3 2 2.6 4kgm，时效状态下稍低。铸造状态的Ti-5A1-2.5Sn的钛合金的却贝V切口冲击强度为1.1kgm,Ti-6A1-4V为2.0 7 2.3 5kgm,含氧愈低，此值愈高。许多钛合金具有高的断裂韧性和抗破裂传播性能,缺口集中系数K高达10 mm时,缺口拉伸强度与非缺口拉伸强度之比大于1。1.3化学性能钛在含氧环境中能够形成一层薄而坚固的氧化物薄膜，这种薄膜能耐氧化溶液和氯化物溶液的侵蚀,因而具有优异的耐腐蚀性能。钛对于工业腐蚀气氛及海水具有极为突出的耐蚀性能，事实上，没有哪Total 211No.8,2023DOI:10.16525/14-1167/tf.2023.08.035文章编号：16 7 2-1152(2 0 2 3)0 8-0 0 9 1-0 2山西冶金92E-mail:第46 卷一种材料对盐水的耐蚀性能超过金属钛。它还能耐许多酸和盐类溶液的腐蚀，因而将其用作化工设备结构材料的情形越来越多。氢能大量溶于钛中，当w(H)超过0.0 15%时，钛和钛合金的塑性及韧性明显下降，使合金变脆，因此，在热加工和酸洗过程中必须严格控制氢的侵入。真空退火可以有效减少钛及钛合金中氢的含量。钛能被强的还原酸迅速地侵蚀,在一些特定条件下使用钛，也可避免还原酸对钛的腐蚀。2钛的应用2.1应用于航空航天在航空工业中，钛合金主要用于航空发动机和机身，如用作发动机的压气机盘和叶片及飞机机身的防火壁、发动机短舱、蒙皮、机架、纵梁、舱盖、龙骨、速动制动闸、开裂停机装置、紧固件、起落架梁、前机轮、襟翼滑轨、路标灯、信号板等。在火箭、导弹和宇航工业中，钛合金主要用于压力容器、火箭发动机壳体、火箭喷嘴套筒、人造卫星外壳、载人宇宙飞船船舱（蒙皮及结构骨架）、主起落架、登月舱及推进系统等。2.2应用于医学钛的比强度大，又易于为人体所容纳，且钛合金较耐腐蚀，强度较高，因而成为医学补形术的理想材料，可用钛来代替人体内损坏的骨骼，如髋关节、头盖骨、肘骨等。2.3应用于化工设备在化工设备中应用最多的是钛制热交换器,其他还应用于泵、管道、阀门、反应器、洗涤塔、蒸馏器、冷却器、混合器、过滤器、离心机、烟道衬里、阳极、回转窑等。钛的耐蚀性能可以保持热交换器表面的光滑，获得高的热导率；钛制泵具有好的耐腐蚀、耐浸蚀和耐涡流损坏等特性。此外，钛在海水淡化方面的应用逐年增多，由于海水对设备局部的浸蚀和腐蚀，而海水淡化系统设备的许可水流速度通常是有限的,在受腐蚀很严重的情况下,球形阀和小半径弯管会发生破坏紊流，钛制阀不受这些形式腐蚀的影响。钛在电化学工业中可用于电镀、电解抛光、电解，钛制阳极具有寿命长、电力消耗少、维修费用低等优点。钛的耐蚀性能较好,在硫酸、盐酸和硝酸中均具有良好的稳定性，在氢氧化钠等碱性液、湿氯及海水中具有优良的耐蚀性能,但氢氟酸对钛有很大的侵蚀作用。钛在大气中十分稳定，其表面生成致密的氧化膜，使它能保持金属光泽。当加热到6 0 0 以上时，氧化膜便失去保护作用。高温下钛与气态的氢、碳、氮、氧等具有较大的亲和力，氢、碳、氮、氧与钛能形成间隙固溶体，可显著提高钛的强度和硬度，从而降低钛的塑性和韧性。因此，工业中通常按其硬度或屈服强度来评定钛的纯度。3钛的使用温度在高温下钛合金仍能保持其室温下的性能。一般工业钛合金在540 温度下仍能保持其性能，但保持时间短，钛性能长时间稳定的温度范围为450 480。目前已研制出供6 0 0 温度下使用的钛合金。在导弹中，钛合金可在540 温度下长时间使用，还可在7 6 0 温度下短时间使用。钛和钛合金在低温和超低温下仍能保持其机械性能。随着温度的降低,钛和钛合金的强度不断升高，而延性逐渐下降。许多退火状态下的钛合金在-195.5温度中仍能保持有足够使用的延性和断裂韧性。含间隙元素特低的Ti-5A1-2.5Sn钛合金能在-252.7温度下使用，该温度下，它的切口拉伸强度同非切口拉伸强度之比为0.9 5 1.15。液氧、液氢和液氟是导弹和宇航装置中的重要推进剂。材料的低温性能对于制作低温气体容器和结构是非常重要的。当显微结构呈等轴和间隙元素（碳、氢、氮和氧）的含量很低时，钛合金的延性仍在5%以上。大多数钛合金在-2 52.7 温度下具有低的延性，而Ti-6A1-4V的延伸率则达到12%。钛合金是火箭、导弹燃料储箱的理想材料。4钛的分类钛合金的性能主要取决于化学成分和显微组织，化学成分决定了和相的体积分数。以钛为基体的合金按照其组织存在的相分类，可主要分为：含相的钛合金称为相合金，相合金具有钛的密集六方晶体结构;由相和相稳定元素的合金称为近相钛合金，该合金具有良好的焊接性能、抗蠕变性和韧性、强度高、塑性低和弹性模量高；由+两相混合组成的合金归类为+相合金，该类合金有一种或一种以上足够数量的稳定相元素，因此，在室温下可保持相当数量的相，形成+组织,+型钛合金可通过固溶处理、淬火和时效来提高强度；含有相的钛合金称为合金，该合金经固溶处理冷却至室温，也同样稳定含有相，通过淬火或其他处理后进行空冷。室温下存在全部由亚稳定相组成的组织,该合金经水淬后组织由亚稳定相组成，通过固溶和时效处理后，可获得较高强度，达到147 0 MPa。5结语进入新世纪以来，钛及钛金属的应用范围更广，已成为新型功能材料与生物材料的重点。鉴于钛及钛合金的广泛应用前景，应加大对钛及钛合金的研发创新力度，增加更多有自主知识产权的拳头产品，占领该领域的制造制高点。(下转第9 5页）2023年第8 期李秀秀：某钢铁公司秋冬防期间重污染天气的应对分析研究95强化无组织排放源的管理；对公司有组织排放大气污染源进行排查，保证环保设施运行正常，严格执行生产调度指令下达的污染物排放标准。3)除特殊情况外，停止所有厂内车辆运输、检修作业。4)采取洒水抑尘、喷水雾等措施减少路面扬尘起尘;增加道路清扫、洒水频次,确保扬尘得到有效控制。5)禁止使用国四及以下重型载货车辆（含燃气和改造车辆)进行物料运输，车辆出入口安装视频监控系统，记录所有车辆进出情况，并保留监控记录3 个月以上。6)建议周边员工骑行、步行上下班，城区员工乘坐员工通勤上下班，减少汽车排放污染。7)应急组根据生产实际情况以及各个部门要求制订限产减排具体实施方案，能源管控中心根据具体实施方案对各生产单位下发生产控制指令，各生产单位应急组、环保组根据指令落实减排限产措施。4.4应急值班及响应终止加强应急值班工作，在重污染天气应急响应期Analysis and Research on the Response of a Certain Steel Company to Heavy PollutionWeather during Autumn and Winter Prevention Period(Yaodu Branch of Linfen Ecological Environment Bureau,Linfen Shanxi 041000,China)Abstract:In order to further promote the ultra-low emission transformation of the steel industry and the emergency reduction of heavypollution weather,taking a certain steel company as an example,the companys overview and emergency response organizational system forheavy pollution weather were mainly introduced.The companys early warning and response to heavy pollution weather were analyzed,andspecific emergency response procedures and measures were provided.At the same time,from the perspective of environmental managementand environmental monitoring,this article elaborates on the verification methods for the implementation of the companys heavily pollutedweather and the regulatory conclusions for the company,in order to provide reference for environmental protection such as air pollutionprevention and control research.Key words:steel company;heavy polluting weather;emergency response;control measures间，集团公司实行2 4h应急值守及领导带班制度。重污染天气应急指挥办公室接到环境保护行政管理部门重污染应急办大气污染预警解除命令，由公司应急指挥部发布通报、预警解除。5重污染天气落实情况核查为了确保秋冬防及重污染天气的应对落实到位，通过现场核查、台账核查、运输核查等进行监督管理。开展生产现场核查、主控室DCS曲线核查，主控室DCS曲线保留至少1年以上。对各生产环节设施生产进行台账核查，记录生产设施运行、检修情况，生产台账至少保留1年以上。在车辆出入口安装视频监控系统，记录所有车辆进出情况，并保留监控记录3 个月以上。通过对该公司2 0 2 2 年10 月一2 0 2 3 年1月的驻厂监管及现场核查、台账核查、运输核查等，该钢铁公司按要求落实了当地环境保护行政主管部门每次重污染天气应急调令及应急减排措施。（编辑：武倩倩）LiXiuxiu(上接第9 2 页）参考文献1周芝骏，宁崇德.钛的性质及其应用 M.北京：高等教育出版社，1993.(Shanghai Nuclear Engineering Research&Design Institute Co.,Ltd.,Shanghai 200233,China)Abstract:Titanium is a common refractory rare and light metal in nature,It has strong corrosion resistance,high strength,light weight,hightemperature resistance,good heat resistance and good low-temperature toughness.The alloy has a wide range of applications.It is a veryimportant material for aircraft,missiles,rockets and other equipment,but it is not resistant to high-temperature oxidation.This paperdescribes the important physical properties and application fields of titanium and titanium alloys,as well as the service temperature oftitanium alloys.Key words:physical property;application field;service temperature;titanium alloy2 谢成本.钛及钛合金铸造 M.北京：机械工业出版社，2 0 0 5.3周彦邦.钛合金铸造概论 M.北京：航空工业出版社,2 0 0 0.Properties and Applications of Titanium AlloysLangXueqin,Dai Kun（编辑：武倩倩）