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一、鈦合金在海洋工程上的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景展望

 

㈠、引言

 

占地球表面積約71% 的海洋中蘊(yùn)藏著豐富的資源， 開發(fā)海洋、利用海洋，讓海洋成為我們巨大財(cái)富的源泉， 這已成為人們多年來(lái)努力的方向之一。但是，由于海水中含有大約3.5% 的含鹽量，因此， 海水具有腐蝕性。此外， 海洋中的某些生物污染也加速了海水的腐蝕。

 

鈦是一種物理性能優(yōu)良、化學(xué)性能穩(wěn)定的材料。鈦及其合金強(qiáng)度高、比重小， 耐海水腐蝕和海洋氣氛腐蝕， 可以很好地滿足人們?cè)诤Ｑ蠊こ谭矫鎽?yīng)用的要求。經(jīng)過(guò)鈦業(yè)界人士和海洋工程應(yīng)用研究人員多年的努力， 鈦已經(jīng)在海洋油氣開發(fā)、海港建筑、沿海發(fā)電站、海水淡化、船舶、海洋漁業(yè)及海洋熱能轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)在， 海洋工程用鈦已成為鈦民用應(yīng)用的主要領(lǐng)域之一。

 

㈡、應(yīng)用現(xiàn)狀

 

2.1 海洋油氣開發(fā)

 

石油是一個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)命脈。據(jù)估計(jì)， 世界可開采的石油資源儲(chǔ)量為3000億噸， 其中海底石油儲(chǔ)量約為1300 億噸。海底石油的開發(fā)， 開始于20 世紀(jì)初。它的發(fā)展經(jīng)歷了從近海到遠(yuǎn)海、從淺海到深海的過(guò)程。受技術(shù)條件和材料發(fā)展的限制， 最初只能開采從海岸直接向淺海延伸的石油、天然氣礦藏。20 世紀(jì)80 年代以來(lái)， 在能源危機(jī)和技術(shù)進(jìn)步的刺激下， 近海石油勘探與開發(fā)飛速發(fā)展， 海洋石油開發(fā)迅速向大陸架挺進(jìn)， 逐漸形成了嶄新的近海石油工業(yè)部門。海上鉆井平臺(tái)是實(shí)施海底油氣勘探和開采的工作基地， 它標(biāo)志著海底油氣開發(fā)技術(shù)的水平。海上石油開采設(shè)備主要包括采油平臺(tái)和附屬設(shè)備， 附屬設(shè)備有原油冷卻器、升油管、泵、閥、接頭和夾具等。這些設(shè)備均與海水及原油中的硫化物、氨、氯等介質(zhì)接觸。由于鈦在這些介質(zhì)中具有優(yōu)異的耐蝕性， 所以美國(guó)在上世紀(jì)70 年代初就在其油田中使用了鈦制造的近海石油平臺(tái)支柱， 同時(shí)用鈦制造了列管式換熱器和板式換熱器。鈦列管式換熱器利用海水作為冷卻介質(zhì)， 把從油井里抽出的高溫汽/ 油混合物冷卻。鈦板式換熱器也是利用海水作為冷卻介質(zhì)， 把碳鋼換熱器內(nèi)冷卻原油的淡水冷卻。美國(guó)在北海油田鉆井平臺(tái)上大約使用了100 個(gè)鈦熱交換器。位于英國(guó)蘇格蘭阿伯丁的亨廷油田服務(wù)公司訂購(gòu)的鈦制部件據(jù)說(shuō)是世界上第一個(gè)鈦制高壓立管式豎井， 用于美國(guó)大陸石油公司（Conoco） 挪威的Heidrum 工程項(xiàng)目中。

 

石油鈦合金鈦鉆探管的使用壽命較長(zhǎng)，其重量?jī)H為不銹鋼的一半， 而使用靈活性卻是不銹鋼的二倍， 使用壽命為鋼的10 倍。這些優(yōu)異的性能使得鈦成為一種用于鉆探難度較大的近圓形、且深度深的油井的極佳材料。包含有鈦鉆探管的組合鉆具可以極大地減少鉆探時(shí)間、降低鉆探總成本。美國(guó)的GrantPrideco 公司、RTI 能源系統(tǒng)公司及Torch 鉆探服務(wù)公司在2000 年首次將鈦鉆探管用于工業(yè)應(yīng)用。

 

GrantPrideco 公司和RTI 能源系統(tǒng)公司共同生產(chǎn)和供應(yīng)的鈦鉆探管還配有GrantPrideco 抗疲勞公司提供的鋼工具接頭。這種接頭的重量輕、使用靈活性好，且可以使鈦鉆探管堅(jiān)固結(jié)實(shí)。

 

 

海水管道系統(tǒng)是海底石油開采不可缺少的部分， 由于鈦對(duì)海水具有很高的耐蝕性， 其使用壽命為鋼系的10 倍，因此， 鈦管系的成本與Cu-Ni 系統(tǒng)相比是合算的。美國(guó)活性金屬公司與精密管技術(shù)公司合辦了一個(gè)鈦管技術(shù)公司， 生產(chǎn)一種大口徑鈦合金管。這種管子所使用的合金是Ti-3Al-2.5V 合金， 口徑為650mm, 壁厚為22 ～ 25mm, 長(zhǎng)度為350m, 一根管子重達(dá)80 ～ 90t, 計(jì)劃用于海底石油開采。美國(guó)另一家公司利用長(zhǎng)度為15m、外徑為600mm、壁厚為25mm 的無(wú)縫鈦合金管通過(guò)擠壓方法制成了近500m 長(zhǎng)的豎井管， 已經(jīng)用于一個(gè)近海鉆井平臺(tái)。據(jù)稱， 這種豎井管的重量可以減輕一半， 從而大大降低壓載成本， 另外， 還具有很高的斷裂韌性和較長(zhǎng)的疲勞壽命。

 

據(jù)資料報(bào)道， 在美國(guó)北海油田開發(fā)項(xiàng)目中， 船上浮體裝置和海底固定裝置的用鈦量比以前有所增加。24 臺(tái)船上浮體裝置和64 臺(tái)海底固定裝置對(duì)鈦材的需求量為：安全保護(hù)裝置50 ～ 100t,連接裝置50 ～ 100t, 通用升降設(shè)備400 ～ 1000t, 鉆桿1400 ～ 4200t。海上石油開采平臺(tái)生物污染引起的結(jié)構(gòu)件腐蝕是相當(dāng)嚴(yán)重的， 美國(guó)一家公司在開采平臺(tái)上使用了鈦管制成的長(zhǎng)套管， 對(duì)平臺(tái)上的部位進(jìn)行保護(hù)。

 

在過(guò)去幾年里， 鈦合金部件在石油鉆探和海濱生產(chǎn)作業(yè)中的應(yīng)用明顯增加。鈦合金部件使得石油鉆探可以進(jìn)入更深的水域和更深的油井， 包括更高的溫度和腐蝕嚴(yán)重（ 即多鹽） 的生產(chǎn)環(huán)境。

 

對(duì)于這類應(yīng)用， 從綜合性能來(lái)考慮，TC4 鈦棒（Ti-6Al-4V） 基合金是最適用的， 且成本最低。海水管道系統(tǒng)是海底石油開采不可缺少的部分， 由于鈦對(duì)海水具有很高的耐蝕性， 其使用壽命為鋼系的10 倍， 因此， 鈦管系的成本與Cu-Ni 系統(tǒng)相比是合算的。美國(guó)活性金屬公司與精密管技術(shù)公司合辦了一個(gè)鈦管技術(shù)公司， 生產(chǎn)一種大口徑鈦合金管。這種管子所使用的合金是TA18（Ti-3Al-2.5V） 合金， 口徑為650mm, 壁厚為22 ～ 25mm, 長(zhǎng)度為350m, 一根管子重達(dá)80 ～ 90t, 計(jì)劃用于海底石油開采。美國(guó)另一家公司利用長(zhǎng)度為15m、外徑為600mm、壁厚為25mm 的無(wú)縫鈦合金管通過(guò)擠壓方法制成了近500m 長(zhǎng)的豎井管， 已經(jīng)用于一個(gè)近海鉆井平臺(tái)。據(jù)稱， 這種豎井管的重量可以減輕一半， 從而大大降低壓載成本， 另外， 還具有很高的斷裂韌性和較長(zhǎng)的疲勞壽命。

 

實(shí)踐證明，Ti-6Al-4V（Gr.5_TC4） 合金是鉆井管的最佳材料， 作為鉆井應(yīng)用，屈服強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度是最重要的， 因此，兩種特別低間隙元素的Gr.5 合金適用于比較關(guān)鍵的動(dòng)態(tài)提升裝置。當(dāng)使用溫度超過(guò)75 ～ 80℃時(shí)， 為了防止縫隙腐蝕或應(yīng)力腐蝕， 使用含釕的Gr29 合金。

 

最常用的部件包括海濱鉆井提升裝置、鉆探管、錐形應(yīng)力接頭（TSJ） 和鈦/ 鋼混合提升裝置。

 

鈦泵、閥、接頭、緊固件、夾具和零配件等小型鈦部件在石油開采平臺(tái)上已經(jīng)廣泛使用。國(guó)外海上石油勘探測(cè)井儀器外殼上也大量使用了鈦合金。

 

2.2 海港建筑

 

鈦材表面有一層厚度不超過(guò)10nm的氧化膜， 它在腐蝕環(huán)境中非常穩(wěn)定，對(duì)空氣、海水及海洋環(huán)境具有優(yōu)異的耐蝕性， 是目前最能適應(yīng)各種海洋環(huán)境的原材料。日本大力進(jìn)行海洋開發(fā)， 如本洲到四國(guó)的大橋、東京灣橫跨道路、關(guān)西機(jī)場(chǎng)、浮式儲(chǔ)油基地等。日本建設(shè)省和鋼鐵俱樂(lè)部在大井川洋面進(jìn)行的暴露試驗(yàn)以及運(yùn)輸省和鋼管樁協(xié)會(huì)在波崎漂沙棧橋上的各種防腐暴露試驗(yàn)等的調(diào)查報(bào)告也都顯示了鈦是最合適的材料。鈦除了具有優(yōu)異的防腐性能外， 還具有海水環(huán)境下溶出離子極少， 無(wú)毒性， 不必?fù)?dān)心污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。日本還建造了一個(gè)超大型浮式海洋建筑物， 在海水沖刷處使用了鈦鋼復(fù)合材；在東京灣橫跨公路的建設(shè)中使用了鈦材做橋墩的防濺軀干， 每個(gè)橋墩的用鈦量為0.9t。已經(jīng)使用或計(jì)劃中的大型浮式海洋建筑有機(jī)場(chǎng)、港灣物流基地、體育設(shè)施等等。

 

2.3 沿海發(fā)電站

 

海水的綜合利用是海洋工程中的重要項(xiàng)目之一， 沿海發(fā)電站凝汽器是利用海水量較大的設(shè)備。沿海電站用鈦主要是凝汽器用鈦。由于冷凝器是用海水做冷卻水的， 而海水中含有大量的泥砂、懸浮物質(zhì)、海生物和各種腐蝕性物質(zhì)，在海水與河水交替變化的淡鹽水中的情況更為嚴(yán)重。傳統(tǒng)的凝汽器是用銅合金管， 這種銅合金管在海水中因各種腐蝕， 經(jīng)常遭到嚴(yán)重破壞。鈦在海水， 特別是污染海水中具有良好的耐蝕性， 耐海水的高速?zèng)_刷腐蝕性能尤為突出。

 

2.4 海水淡化裝置

 

“水是生命之源”。目前， 水資源缺乏成為困擾全世界的問(wèn)題。世界上約25% 的人口沒(méi)有充足的飲用水資源。世界上的陸地河流、地下水資源已遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了工業(yè)發(fā)展的需要， 因此， 將來(lái)海水淡化將是人類解決淡水資源的有效的方法。

 

從國(guó)內(nèi)外海水淡化的發(fā)展來(lái)看， 主要由兩種方法：蒸餾法和反滲透法。前者是將海水加熱使其汽化， 然后將蒸汽冷凝而獲得淡水。后者是將海水加壓，使其中的淡水透過(guò)一種特殊的膜而將鹽分截留獲得淡水。早期的海水淡化裝置使用銅合金、碳素鋼等材料， 因這些材料不耐海水腐蝕， 生產(chǎn)效率低， 很快被耐海水腐蝕性能優(yōu)異的鈦所代替。在海水淡化中， 鈦的主要應(yīng)用是淡化裝置的加熱器傳熱管。海水淡化裝置的主要生產(chǎn)國(guó)是美國(guó)和日本。到2004 年， 全世界已建和在建海水淡化裝置已有15000多臺(tái)， 日產(chǎn)淡水約3200 萬(wàn)噸。日本公司為沙特建造日產(chǎn)淡水3 萬(wàn)噸的蒸餾法裝置10 臺(tái)， 用鈦管3200 噸， 平均日產(chǎn)1 萬(wàn)噸的裝置， 需用鈦107 噸。

 

我國(guó)的天津、山東等地均建有或在建海水淡化裝置。如天津市海水淡化的初步規(guī)劃是到2007 年日產(chǎn)淡水量達(dá)50萬(wàn)噸， 到2010 年達(dá)到70 萬(wàn)噸。預(yù)計(jì)天津和山東的海水淡化工程用鈦量大約是250 噸。

 

2.5 船舶

 

鈦及其合金在海水及海洋氣氛中耐腐蝕， 且比重輕、強(qiáng)度高、抗沖擊、無(wú)磁、透聲、膨脹系數(shù)小， 被認(rèn)為是良好的船舶材料。近年來(lái)， 鈦在船舶上的應(yīng)用備受人們的關(guān)注。各國(guó)海軍和船舶工業(yè)對(duì)鈦在船舶上的應(yīng)用研究也十分重視， 研制出了許多牌號(hào)的船用鈦合金。鈦及其合金在船舶中的應(yīng)用十分廣泛， 如船體結(jié)構(gòu)件、深海調(diào)查船及潛艇耐壓殼體、管道、閥、船舵、軸托架、配件、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置中的推進(jìn)器和推進(jìn)器軸、熱交換器、冷卻器、船殼聲吶導(dǎo)流罩等等。

 

鈦在艦船殼體上首次應(yīng)用是前蘇聯(lián)的α 級(jí)潛水艇。隨后， 鈦被用于人工或者無(wú)人駕駛的深海研究及深海援助潛水艇。一般的結(jié)構(gòu)件用工業(yè)純鈦， 壓力容器用Ti-6Al-4V 合金。據(jù)資料報(bào)道，船體結(jié)構(gòu)用鈦不但可以減輕船體自身重量， 增加有效載入重量， 而且可以減少維護(hù)、延長(zhǎng)船舶的使用壽命。鋁合金、軟鋼等船體結(jié)構(gòu)材， 一般10 年就要維護(hù)， 而鈦材幾乎不需要維護(hù)修理， 壽命也可從一般的20 年左右延長(zhǎng)到30 ～ 40年。

 

日本在深海調(diào)查船用鈦合金方面的研究卓有成效， 在“深海6500”可容納3 名操作員的耐壓倉(cāng)中幾乎全部都使用了鈦合金材料。這是三菱重工業(yè)神戶造船廠長(zhǎng)時(shí)間努力的結(jié)果。潛艇用鈦量較大， 如一艘下潛深度900m 的核潛艇的用鈦量高達(dá)3500t。

 

2.6 海洋漁業(yè)

 

據(jù)報(bào)道， 日本漁業(yè)已經(jīng)由撈魚向魚類養(yǎng)殖業(yè)轉(zhuǎn)變， 獅魚、比目魚、鰻魚等已實(shí)現(xiàn)人工養(yǎng)殖。在人工養(yǎng)殖技術(shù)中，大量使用了鈦金屬網(wǎng)和維持一定海水溫度的鈦管式熱交換器。我國(guó)福建沿海一帶地區(qū)實(shí)現(xiàn)了人工養(yǎng)殖石斑魚， 所用的鈦板式養(yǎng)殖筐對(duì)養(yǎng)殖石斑魚帶來(lái)了極好的效益。

 

2.7 海洋熱能轉(zhuǎn)換

 

海洋中蘊(yùn)藏著巨大的能量， 如潮汐能、波浪能、溫差能、海流能和鹽差能等等。隨著世界能源的日益緊缺， 人們對(duì)海洋能源進(jìn)行開發(fā)和利用的興趣會(huì)更大。已研究和開發(fā)了溫差發(fā)電和潮汐發(fā)電項(xiàng)目。溫差發(fā)電的原理是利用海洋表面溫度較高的海水將氨或者氟里昂汽化來(lái)驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電， 再用海洋深層的低溫海水將汽化的氨或者氟里昂冷卻， 構(gòu)成一個(gè)不斷循環(huán)的熱機(jī)系統(tǒng)。

 

溫差發(fā)電的主要設(shè)備是蒸發(fā)器、凝縮器及海水吸管、環(huán)路等， 要求設(shè)備不僅要耐腐蝕， 而且還要耐氨和氟的腐蝕， 鈦及其合金不但具有良好的耐海水腐蝕性能， 而且還耐氨和氟的腐蝕， 所以鈦是最理想的材料。

 

美國(guó)、日本的溫差發(fā)電站上都使用了鈦管式蒸發(fā)器和凝縮器， 取得了良好的效果。

 

㈢、前景展望

 

海洋工程作為新興的鈦的民用市場(chǎng)， 近年來(lái)發(fā)展很快。隨著世界能源危機(jī)的進(jìn)一步加劇， 世界各國(guó)將投入大量的人力和物力開采海底石油資源和其它礦物資源；全球性淡水日益缺乏的趨勢(shì)中， 各個(gè)沿海國(guó)家都將利用海水來(lái)制取淡水；況且， 各軍事大國(guó)的海軍裝備競(jìng)爭(zhēng)日益激烈等等， 這些都離不開鈦及鈦合金材料。因此， 鈦及其合金在海洋工程上的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛。預(yù)計(jì)海洋工程用鈦有望成為鈦材的一個(gè)較大的應(yīng)用市場(chǎng)。

 

二、鈦合金民用健康產(chǎn)品市場(chǎng)情況

 

1、目前市場(chǎng)情況

 

目前，國(guó)內(nèi)外餐具、炊具材料廣泛使用的是鐵、鋁、不銹鋼這些材料，在使用中對(duì)人體都或多或少會(huì)產(chǎn)生一些不利于健康的因素：

 

①鐵鍋：到了菜里的鐵，是三價(jià)鐵，人體是不能吸收，人體只能吸收二價(jià)鐵。

 

②鋁鍋：在高溫酸、堿條件下會(huì)有鋁溶出，引發(fā)鋁中毒，是不安全的。國(guó)際衛(wèi)生組織明文禁止鋁鍋接觸含有鹽類的食品使用。

 

③不粘鍋：大部分是采用“特富龍”

 

涂料，美國(guó)政府指控它是致癌物質(zhì)。特富龍?jiān)诟邷叵拢瑫?huì)釋放出十幾種有害氣體，導(dǎo)致一些呼吸道敏感的動(dòng)物死亡。

 

但這些氣體對(duì)人體的毒害作用還沒(méi)有確定。

 

④搪瓷餐具：涂在搪瓷制品外層的實(shí)際上是一層琺瑯質(zhì)，含有硅酸鋁一類物質(zhì)。因?yàn)榉吹呐鲎材Σ粒瑯O易造成破損，使硅酸鋁一類物質(zhì)便會(huì)轉(zhuǎn)移到食物中去。

 

⑤陶鍋、砂鍋：潛在危害主要有兩方面：一是土砂鍋的釉質(zhì)，二是“偽紫砂”。“偽紫砂”添加鐵紅粉、二氧化錳等化學(xué)顏料配制加工而成，用化工制劑進(jìn)行增色制造而成，而非真正紫砂。

 

2、鈦健康產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)

 

鈦健康產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)是在鈦金屬表面生有一層牢固的氧化鈦化合物薄膜，化學(xué)性質(zhì)極其穩(wěn)定，甚至酸中的“王水”都奈何不了它。鈦鍋在烹飪時(shí)不與食材發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。所以能烹飪出食材的原汁原味，純鈦鍋是唯一可以用來(lái)煎中藥的金屬鍋。

 

在美國(guó)和日本，人們稱鈦鍋是美味鍋，原汁原味的美味就是健康元素。

 

鈦鍋的熱功能優(yōu)異：能低溫、快速、低油脂的烹飪出綠色佳肴，最大限度的保留食材的營(yíng)養(yǎng)成分和口感。高營(yíng)養(yǎng)的綠色食品是健康元素。

 

鈦制餐具、炊具的使用優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

 

⑴強(qiáng)防腐蝕性：比不銹鋼更耐腐蝕，即使盛裝腐蝕性最強(qiáng)的“王水”（濃硫酸與濃硝酸的混合物）也毫無(wú)銹跡，長(zhǎng)時(shí)間烹煮和存放酸性和堿性的食物也不會(huì)產(chǎn)生金屬異味，還可以用來(lái)煲中藥。

 

其它金屬的鍋具無(wú)法做到這一點(diǎn)。

 

⑵高硬度：比不銹鋼的硬度高很多，耐磨、耐刮，半永久使用。

 

⑶重量輕：太太使用很輕松，重量只有鐵鍋的一半，使用輕便。

 

⑷無(wú)需保養(yǎng)：丈夫使用很放心 高溫?zé)粔模げ粔模瑹o(wú)需保養(yǎng)。

 

⑸抗菌性：具有天然的光觸媒抗菌效果，在自然光線下具有天然的抗菌作用，衛(wèi)生、無(wú)細(xì)菌污染。

 

⑹不粘效果：良好的不粘效果，和鐵鍋相當(dāng)，但不能完全不粘。

 

⑺節(jié)能：省時(shí)節(jié)能，傳熱速度是鐵鍋的7 倍，是復(fù)合底鋼鍋和合金鍋的數(shù)十倍，炒菜節(jié)省能源。

 

⑻生物親合性：是人體親和金屬長(zhǎng)時(shí)間接觸也不會(huì)過(guò)敏，醫(yī)療上已取代不銹鋼作為“人骨”植入人體內(nèi)。

 

⑼使用范圍：可以使用火爐和陶磁爐⑽健康性：99.75％高純度的鈦金屬制成無(wú)涂層，是最健康安全的金屬鍋具。

 

⑾表面不粘性：電解研磨更加全面徹底，不存在機(jī)械拋光遺留的有害粉塵顆粒，電解研磨的鈦鍋呈現(xiàn)細(xì)微的凹凸表面，可以提升傳熱速度和不粘性。

 

⑿眾人眼中的形象：在公眾眼中鈦是用來(lái)做航天飛機(jī)、核反應(yīng)堆、首飾、眼睛架高爾夫球棍等奢侈品。

 

鈦金屬擁有這樣絕佳的特性，同時(shí)鈦也是非常難以加工的金屬。對(duì)鈦加工技術(shù)和加工手段的了解和認(rèn)識(shí)制約了相關(guān)企業(yè)進(jìn)入這一領(lǐng)域，到目前，國(guó)內(nèi)鈦制餐具、炊具還是一塊處女地，正在等待有識(shí)之士的開發(fā)。本項(xiàng)目技術(shù)生產(chǎn)的鈦制餐具、炊具克服了純鈦金屬難展現(xiàn)藝術(shù)性的難度和美感的刻板印象，并有著鮮艷的顏色， 讓科技與生活工藝完美結(jié)合。使千家萬(wàn)戶真正體會(huì)到“要健康，用鈦鍋！”

 

三、鈦合金建筑裝飾材料應(yīng)用介紹

 

金屬材料用于建筑，特別是屋頂，首先應(yīng)用的是銅，依次開發(fā)使用的是表面處理過(guò)的鋼板、鋁、不銹鋼和鈦。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，人們對(duì)城市建筑物的要求，特別對(duì)建筑物的美觀性要求越來(lái)越高。

 

近年來(lái)建筑師追求使用比傳統(tǒng)材料更高級(jí)的新型建筑材料。鈦金屬具有許多非常優(yōu)異性能，完全滿足對(duì)建筑材料的許多特殊性能要求，因而倍受建筑師和建筑業(yè)的青睞。

 

日本是首先將鈦應(yīng)用于建筑物的國(guó)家，也是在建筑物上應(yīng)用鈦?zhàn)疃嗟膰?guó)家。

 

其主要是應(yīng)用于建筑物的屋頂，以及大廈幕墻、港口、橋梁、隧道、外壁、門牌、欄桿、管道等。英國(guó)、法國(guó)、美國(guó)、西班牙、荷蘭、加拿大、比利時(shí)、瑞士均有建筑物使用鈦金屬作屋頂和幕墻的范例，瑞典、新加坡和埃及等國(guó)家也在一些新建筑上開始使用鈦金屬。1997 年西班牙畢爾巴鄂市的古根海姆博物館就是采用鈦金屬板構(gòu)造出去曲面的建筑造型。阿布扎比機(jī)場(chǎng)也選用了鈦，且用量幾百噸，該機(jī)場(chǎng)是世界上第一將鈦?zhàn)鳛榻ㄖY(jié)構(gòu)材料使用的機(jī)場(chǎng)。

 

我國(guó)最先提出應(yīng)用鈦金屬的建筑是國(guó)家大劇院，最先應(yīng)用的是杭州大劇院。

 

應(yīng)用鈦金屬的建筑還有中國(guó)有色工程設(shè)計(jì)研究總院大門廳、杭州臨平東來(lái)第一閣、上海馬戲雜技場(chǎng)屋頂和大連圣亞極地世界等。用于城市雕塑的有陜西省寶雞市河濱公園內(nèi)的鈦雕塑“海豚與人”、河北省邢臺(tái)市中心廣場(chǎng)的鈦雕塑“乾坤球”、陜西省寶雞市步行街的鈦雕塑“雄雞報(bào)曉”等。

 

我國(guó)鈦金屬生產(chǎn)技術(shù)基本成熟，生產(chǎn)設(shè)計(jì)規(guī)模很大，但銷售市場(chǎng)不大，經(jīng)濟(jì)效益不理想，主要是缺少客戶滿意的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能好的產(chǎn)品。我國(guó)目前的建筑用鈦現(xiàn)狀如下：

 

1、產(chǎn)品單一：作為結(jié)構(gòu)材料，沒(méi)有足夠的品種以供使用者選擇。作為表面裝飾材料，目前我國(guó)沒(méi)有形成較大的鈦表面處理規(guī)模生產(chǎn)企業(yè)，加工還停留在手工作坊生產(chǎn)方式階段，這不利于大面積使用鈦?zhàn)鳛檠b飾用材。

 

2、品位低：沒(méi)有較高品質(zhì)的產(chǎn)品，更沒(méi)有鈦及相關(guān)復(fù)合材料的大量供應(yīng)，只能生產(chǎn)一些模型、城雕、工藝品等，沒(méi)有品位較高的表面裝飾材料及其生產(chǎn)手段。

 

3、價(jià)格高：由于沒(méi)有穩(wěn)定的高品質(zhì)的產(chǎn)品，不可能有大面積的廣泛應(yīng)用，導(dǎo)致使用量小、價(jià)格高，更不利于推廣使用。

 

4、設(shè)計(jì)者因素：我國(guó)沒(méi)有類似職業(yè)培訓(xùn)制度，新材料發(fā)明后沒(méi)有在建筑設(shè)計(jì)師思維中儲(chǔ)存下來(lái)，導(dǎo)致在建筑原創(chuàng)設(shè)計(jì)圖很少把鈦金屬設(shè)計(jì)進(jìn)去，用途就顯然少了。

 

近年來(lái)隨著全球海洋化的進(jìn)展以及鈦原材料價(jià)格不斷下跌，鈦在建筑、裝飾領(lǐng)域的需求量和應(yīng)用范圍正在不斷拓展，預(yù)計(jì)今后幾年在建筑、裝飾行業(yè)鈦材需求量將達(dá)5000 噸以上，海洋工程和海島建設(shè)鈦材需求量將達(dá)5000 噸以上，造船工業(yè)用鈦量將達(dá)5000 噸以上。

 

而我國(guó)現(xiàn)在還沒(méi)有一家專業(yè)從事建筑裝飾用鈦材生產(chǎn)企業(yè)，只是將工業(yè)用材料簡(jiǎn)單的應(yīng)用于民用領(lǐng)域，與市場(chǎng)和行業(yè)需求差距較大，急需建立專業(yè)化生產(chǎn)線，滿足這一領(lǐng)域的各項(xiàng)專業(yè)化需求。

 

鈦是目前能大量生產(chǎn)的、價(jià)格最低的、幾乎完全不被海水腐蝕的金屬。作為建筑材料，鈦材的反射率較小，并呈現(xiàn)淡銀灰色，擁有迷人的金屬自然光澤。

 

寶雞鈦產(chǎn)業(yè)研究院將生產(chǎn)建筑裝飾用鈦材，主要是應(yīng)用于建筑物的屋頂，其次是大廈的幕墻、港灣設(shè)施、橋梁、海底隧道、外壁、裝飾物、小配件類、立柱裝飾、外裝、紀(jì)念碑、標(biāo)牌、門牌、欄桿、管道、防蝕被覆等。項(xiàng)目利用國(guó)內(nèi)現(xiàn)有鈦板、鈦卷帶為原料，采用整形拋光、壓花技術(shù)，使板材表面光亮，色澤一致并具有金屬花紋；采用大面積板材陽(yáng)極氧化著色技術(shù)，為板材表面著色，形成多彩顏色，滿足建筑、裝飾類材料的需求。

 

四、航空用鈦合金研究進(jìn)展

 

鈦元素分布比較廣泛，其含量超過(guò)地殼質(zhì)量的0.4%，全球探明儲(chǔ)量約34 億噸，在所有元素中含量居第10 位（氧、硅、鋁、鐵、鈣、鈉、鉀、鎂、氫、鈦）。

 

美國(guó)科學(xué)家在1910 年采用“鈉法”（鈉還原TiCl4）最早獲得金屬鈦，但是鈦工業(yè)并沒(méi)有隨著鈦的發(fā)現(xiàn)立即得以發(fā)展。

 

直到第二次世界大戰(zhàn)后的1948 年，盧森堡科學(xué)家發(fā)明的“鎂法”（鎂還原TiCl4）在美國(guó)用于生產(chǎn)之后鈦工業(yè)才開始起步。

 

鈦比鋼密度小40%，而鈦的強(qiáng)度和鋼的相當(dāng)，這可以提高結(jié)構(gòu)效率。同時(shí)，鈦的耐熱性、耐蝕性、彈性、抗彈性和成形加工性良好。由于鈦具備上述特性，從一出現(xiàn)鈦合金就應(yīng)用于航空工業(yè)。1953 年，美國(guó)道格拉斯公司出產(chǎn)的DC-T 機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)防火壁和短艙上首次使用鈦材，開始鈦合金應(yīng)用于航空的歷史。

 

航天飛機(jī)是最主要的、應(yīng)用范圍最廣的航空器。鈦是飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)材料，也是航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇、壓氣機(jī)輪盤和葉片等重要構(gòu)件的首選材料，被譽(yù)為“太空金屬”。飛機(jī)越先進(jìn)，鈦用量越多，如美國(guó) F22 第四代機(jī)用鈦含量為41%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），其F119 發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦含量為39%，是目前用鈦含量最高的飛機(jī)。鈦合金研究起源于航空，航空工業(yè)的發(fā)展也促進(jìn)了鈦合金的發(fā)展。航空用鈦合金的研究一直是鈦合金領(lǐng)域中最重要、最活躍的一個(gè)分支，但其發(fā)展也極其艱辛，如人們花費(fèi)十幾年的精力克服航空發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦合金的“熱障”問(wèn)題。

 

本文從合金基體相組成角度對(duì)鈦合金進(jìn)行歸類。以飛機(jī)為航空器的代表，著重介紹鈦合金在航空發(fā)動(dòng)機(jī)、飛機(jī)機(jī)身、航空緊固件等方面的應(yīng)用研究情況。最后，分析航空用鈦合金發(fā)展過(guò)程中存在的問(wèn)題。

 

1 鈦合金的分類

 

美、英、俄、法、日等國(guó)鈦合金的分類多為廠家自定，名目繁多。某些公司直接采用元素的化學(xué)符號(hào)和數(shù)字代替所加合金元素及其含量命名，如Ti-6Al-4V（相當(dāng)于我國(guó)的TC4），各國(guó)牌號(hào)對(duì)照及化學(xué)成分如表1 所列 。按相組成鈦合金可分為：密排六方結(jié)構(gòu)（HCP）的α 型鈦合金（包括近α 型合金）—即國(guó)內(nèi)牌號(hào)TA、兩相混合的α+β 型鈦合金—即國(guó)內(nèi)牌號(hào) TC 和體心立方結(jié)構(gòu)（BCC）的β 型鈦合金（包括近β型合金）—即國(guó)內(nèi)牌號(hào)為 TB 。

 

 

 

1.1 α 型鈦合金

 

退火狀態(tài)以α 鈦為基體的單相固溶體合金為α 型鈦合金， 它主要含Al、Sn 等元素。Al 能增加合金的抗拉和蠕變強(qiáng)度，減小鈦合金的密度，提高比強(qiáng)度，是鈦合金中重要的合金元素。為了最大限度地發(fā)揮鋁的固溶強(qiáng)化作用，避免因過(guò)量Al 引起合金脆化，高溫鈦合金的合金化工作應(yīng)遵循ROSENBERG 提出的當(dāng)量經(jīng)驗(yàn)公式，只有這樣才能保證合金在提高耐熱強(qiáng)度的同時(shí)保持良好的熱穩(wěn)定性。α 鈦合金中的這些元素通過(guò)在相變溫度下抑制相變或者提高相變溫度而起到穩(wěn)定作用。與β 型鈦合金相比，α 型合金具有良好的抗蠕變性能，強(qiáng)度、可焊性以及韌性，是高溫下使用的首選合金 。同時(shí)，α 型合金不存在冷脆性，它也適合在低溫環(huán)境中使用，擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍。α 型合金鍛造性較差，容易產(chǎn)生鍛造缺陷，可通過(guò)減少每道次加工率和頻繁熱處理來(lái)控制鍛造缺陷。α 基體為穩(wěn)定相，對(duì)于給定成分合金而言，其性能變化主要是晶粒大小的變化 ，因?yàn)榍?qiáng)度和抗蠕變強(qiáng)度均與晶粒大小、變形時(shí)儲(chǔ)存的能量有關(guān)。α 型鈦合金不能通過(guò)熱處理來(lái)提高強(qiáng)度，退火后強(qiáng)度基本無(wú)變化或少有變化。有些合金含有較多的 Al、Sn、Zr 及少量的β 穩(wěn)定元素（一般小于2%）。盡管這些合金中含有β 相，但基體主要由α 相組成，在熱處理敏感性和加工性能上都與α 型合金很接近，被稱為近α 型鈦合金。近α 型合金是在人們認(rèn)識(shí)到采用固溶合金元素強(qiáng)化α 基體可以得到高的蠕變強(qiáng)度基礎(chǔ)上開發(fā)的，大多數(shù)近α型合金因具有較好的熱穩(wěn)定性，現(xiàn)在已成為高溫鈦合金的重要合金種類。它的強(qiáng)化機(jī)制是β 相中原子擴(kuò)散快，易于發(fā)生蠕變，β 穩(wěn)定元素還有抑制α 相脆化的作用（即延緩α 中形成有序相的過(guò)程）。

 

常見的α 型鈦合金（包括近α 型合金） 有Ti811（Ti-8Al-1Mo-1V）、Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V、Ti-679（Ti-2.25Al-11Sn-5Zr-1Mo-0.25Si）、BT18（Ti-7.7Al-11Zr-0.6Mo-1Nb-0.3Si） 和Ti6242S（Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si）等，其成分和性能如表2所列。

 

1.2 α+β 型鈦合金

 

為提高鈦合金的強(qiáng)度和韌性，人們研制出α+β 型鈦合金。與其他鈦合金相比，α+β 合金中同時(shí)加入α 穩(wěn)定元素和β 穩(wěn)定元素，使α 和β 相得到強(qiáng)化。α+β 合金具有優(yōu)良的綜合性能，如其室溫強(qiáng)度高于α 合金的，熱加工工藝性能良好，可以進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，因此適用于航空結(jié)構(gòu)件。α+β 型鈦合金退火組織為α+β 相，β 相含量一般為5%~40%。但其組織不夠穩(wěn)定，使用溫度最高只能到500℃，焊接性能和耐熱性低于α 型鈦合金。

 

α+β 型鈦合金主要有TC4（Ti-6 A l – 4 V ） 、T C 6 （ T i – 6 A l – 1 . 5 C r -2.5Mo-0.5Fe-0.3Si）、TC11（Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si）、TC17（Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr）、TC19（Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo）和TC21（Ti-6.2Al-2.8Mo-2Nb-2Sn-2.1Zr-1.3Cr）等。其中TC11 合金也被稱為近β 合金。

 

ZHOU 提出了一種TC11 合金加工工藝，先將合金在低于β- 轉(zhuǎn)變溫度15°下進(jìn)行熱處理，隨后快速水冷，再經(jīng)過(guò)高溫和低溫增韌強(qiáng)化熱處理，獲得一種新的顯微組織。這種新組織基體由15%等軸α 晶粒、50%~60% 層狀α 晶粒和已轉(zhuǎn)變完成的β 晶粒組成。其研究結(jié)果顯示該合金表現(xiàn)出較高的抗疲勞性能，較長(zhǎng)的蠕變疲勞壽命，高韌性和優(yōu)良的高溫服役性能，并且不降低塑性和熱穩(wěn)定性。

 

并且對(duì)該新工藝和強(qiáng)韌化機(jī)理的實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行了討論。該加工工藝實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題就是對(duì)溫度的準(zhǔn)確控制。

 

這種TC11 鈦合金加工工藝已應(yīng)用于生產(chǎn)可靠的航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)盤、旋轉(zhuǎn)子和其他部件。

 

1.3 β 型鈦合金

 

β 穩(wěn)定元素含量足夠高，且固溶處理后快速冷卻β 相保留至室溫得到的合金稱為β 型鈦合金。按照穩(wěn)定狀態(tài)組織類型分類，β 鈦合金可分為穩(wěn)定型β 鈦合金，亞穩(wěn)型β 鈦合金，如圖1所示。在圖1 中，MS 為馬氏體相變溫度線，βC 為亞穩(wěn)型合金的β 穩(wěn)定元素最低含量，βS 為穩(wěn)定型合金β 穩(wěn)定元素最低含量。

 

 

 

圖1 β穩(wěn)定劑含量和鈦合金相組成的關(guān)系

 

β 合金在固溶狀態(tài)下冷成形性能良好，而且淬透性和熱處理響應(yīng)性也優(yōu)良。

 

常用的熱處理方法是先固溶處理，然后在 450~650℃時(shí)效，合金原β 基體上會(huì)析出細(xì)小的α 相，形成彌散分布的第二相，這就是β 合金的強(qiáng)化機(jī)理。由于β 鈦合金比其他類型鈦合金在時(shí)效時(shí)析出更多的α 相，含有更多的α-β相界面阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng) ，因此β 鈦合金的室溫強(qiáng)度最高。

 

金屬材料在變形和斷裂過(guò)程中吸收能量的能力稱為韌性，材料吸收的能量越多，韌性也就越好。斷裂韌性是表示材料韌性的指標(biāo)，反映材料對(duì)裂紋和其他尖銳缺陷擴(kuò)展的抵抗能力。通常來(lái)說(shuō)，鈦合金的斷裂韌性和強(qiáng)度呈反比趨勢(shì)，即強(qiáng)度提高的同時(shí)斷裂韌性下降。研究β 鈦合金在航空航天工業(yè)的應(yīng)用，需要設(shè)計(jì)同時(shí)具備良好強(qiáng)度和斷裂韌性的顯微組織以及加工工藝和熱處理制度。合金成分和顯微組織是決定β 鈦合金斷裂韌性的兩個(gè)主要因素。合金成分決定合金中β 相的數(shù)量，也決定合金的類型和斷裂韌性。顯微組織的形態(tài)、數(shù)量、體積同樣影響合金斷裂韌性的高低。付艷艷等認(rèn)為β 鈦合金的β 穩(wěn)定元素和中型元素Zr 可以提高合金的強(qiáng)度，降低斷裂韌性。細(xì)小的β 晶粒并不能有效提高時(shí)效態(tài)β 鈦合金的強(qiáng)度，會(huì)降低Ti-15-3 合金的斷裂韌性，但對(duì)β-C和Ti-1023 合金的斷裂韌性無(wú)明顯影響。

 

時(shí)效態(tài)β 鈦合金的強(qiáng)度主要取決于時(shí)效析出的次生α 相的含量和尺寸，在含有同樣初生α 相的情況下，細(xì)小的次生α 相可以顯著提高合金的強(qiáng)度。

 

初生α 相的粗化以及初生相從球狀轉(zhuǎn)變?yōu)槠瑺顣?huì)導(dǎo)致β 鈦合金塑性降低，斷裂韌性提高。β 鈦合金的雙態(tài)組織具有良好的強(qiáng)度、塑性和韌性的匹配。

 

β 鈦合金之所以得到廣泛的應(yīng)用，也是因?yàn)槠鋾r(shí)效后具有其他類型的鈦合金無(wú)法比擬的高強(qiáng)度和高塑性優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，β 鈦合金所具有的可熱處理強(qiáng)化性和深淬透能力使得它逐漸代替α+β兩相鈦合金成為用于飛機(jī)機(jī)身和機(jī)翼的首選結(jié)構(gòu)材料，在航空航天工業(yè)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

 

2 航空用鈦合金的發(fā)展及應(yīng)用

 

20 世紀(jì)50 年代，軍用飛機(jī)進(jìn)入超音速時(shí)代，原有的鋁、鋼結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足新的需求，鈦合金恰恰在這個(gè)時(shí)候進(jìn)入了工業(yè)性發(fā)展階段。鈦合金因密度小、比強(qiáng)度高、耐蝕、耐高溫、無(wú)磁、可焊、使用溫度范圍寬（269~600℃）等優(yōu)異性能，而且能夠進(jìn)行各種零件成形、焊接和機(jī)械加工，在航空領(lǐng)域很快得到廣泛應(yīng)用。20 世紀(jì)50 年代初期的軍用飛機(jī)上開始使用工業(yè)純鈦制造后機(jī)身的隔熱板、機(jī)尾罩、減速板等受力較小的結(jié)構(gòu)件。20 世紀(jì)60 年代，鈦合金進(jìn)一步應(yīng)用到飛機(jī)襟翼滑軋、承力隔框、中翼盒形梁、起落架梁等主要受力結(jié)構(gòu)件中。到20 世紀(jì)70 年代，鈦合金在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用，又從戰(zhàn)斗機(jī)擴(kuò)大到軍用大型轟炸機(jī)和運(yùn)輸機(jī)，而且在民用飛機(jī)上也開始大量采用鈦合金結(jié)構(gòu)。

 

進(jìn)入20 世紀(jì)80 年代后，民用飛機(jī)用鈦逐步增加，并已超過(guò)軍用飛機(jī)用鈦。飛機(jī)越先進(jìn)，鈦用量越多。表3~5 所列分別為美國(guó)第3 代、第4 代戰(zhàn)斗機(jī)及先進(jìn)轟炸機(jī)、運(yùn)輸機(jī)用鈦材的質(zhì)量分?jǐn)?shù) 、一般飛機(jī)使用的鈦合金種類和空客飛機(jī)鈦合金和復(fù)合材料的用量。由表5 可知，空客A380 飛機(jī)上的鈦材使用量已達(dá)10%，鈦材已經(jīng)成為現(xiàn)代飛機(jī)不可缺少的結(jié)構(gòu)材料。根據(jù)用途不同，可將航空用鈦合金分為飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦合金、飛機(jī)機(jī)身用鈦合金和航空緊固件用鈦合金。近年來(lái)，人們對(duì)航空用鈦合金在上述 3 個(gè)方面的應(yīng)用進(jìn)行了深入研究。

 

 

 

2.1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦合金

 

發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的心臟。發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇、高壓壓氣機(jī)盤件和葉片等轉(zhuǎn)動(dòng)部件，不僅要承受很大的應(yīng)力，而且要有一定的耐熱性。這樣的工況條件對(duì)鋁來(lái)說(shuō)溫度太高；對(duì)鋼來(lái)說(shuō)密度太大。鈦是最佳的選擇，鈦在300~650℃溫度下具有良好的抗高溫強(qiáng)度、抗蠕變性和抗氧化性能。同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要性能指標(biāo)是推重比，即發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的推力與其質(zhì)量之比。最早發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比為2~3，現(xiàn)在能夠達(dá)到10。推重比越高，發(fā)動(dòng)機(jī)性能越好。使用鈦合金替代原鎳基高溫合金可使發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量降低，大大提高飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比。鈦在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上的用量越來(lái)越多。在國(guó)外先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，高溫鈦合金用量已占發(fā)動(dòng)機(jī)總質(zhì)量的25%~40%，如第3 代發(fā)動(dòng)機(jī)F100 的鈦合金用量為25%，第4 代發(fā)動(dòng)機(jī)F119 的鈦合金用量為40% 。

 

航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件要求鈦合金在室溫至較高的溫度范圍內(nèi)具有很好的瞬時(shí)強(qiáng)度、耐熱性能、持久強(qiáng)度、高溫蠕變抗力、組織穩(wěn)定性。β 型和近β 型鈦合金盡管在室溫至300℃左右具有高的拉伸強(qiáng)度，但在更高的溫度下，合金的蠕變抗力和耐熱穩(wěn)定性急劇下降，所以β 型鈦合金很少用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)。α 型和近α 型鈦合金具有良好的蠕變、持久性能和焊接性，適合于在高溫環(huán)境下使用。

 

α+β 型鈦合金不僅具有良好的熱加工性能，而且在中高溫環(huán)境下還具有良好的綜合性能。因此，α 型、近α 型和α+β 型鈦合金被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)。表6 所列為世界各國(guó)研制的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦合金。

 

目前，航空發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫鈦合金的最高工作溫度已由350℃提高到600℃，能夠滿足先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)材料的需求。經(jīng)過(guò)世界各國(guó)鈦合金研究者半個(gè)世紀(jì)的努力，研制出 Ti811（Ti-8Al-1Mo-1V）、Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V、Ti-679（Ti-2.25Al-11Sn-5Zr-1Mo-0.25Si）、TC6（Ti-6Al-1.5Cr-2.5Mo-0.5Fe-0.3Si）、TC17（Ti-5Al-4Mo-4Cr-2Sn-2Zr）、TC19（Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo）、TC21（Ti-6.2Al-2.8Mo-2Nb-2Sn-2.1Zr-1.3Cr）、Ti1100（Ti-6Al-2.75Sn-4Zr-4Mo-0.45Si）、IMI834（Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.7Nb-0.5Mo-0.35Si-0.06C）等合金。

 

Ti811（Ti-8Al-1Mo-1V） 合金具有密度低、彈性模量高、振動(dòng)阻尼性能優(yōu)良、熱穩(wěn)定性好、焊接性能和成型性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，其比剛度是所有工業(yè)鈦合金中最高的。趙永慶等對(duì)Ti811合金熱穩(wěn)定性和高溫疲勞性能等問(wèn)題進(jìn)行深入研究，研究顯微組織和試樣表面狀態(tài)對(duì)Ti811 合金熱穩(wěn)定性能的影響。結(jié)果表明：具有等軸組織和雙態(tài)組織的Ti811 合金有很好的熱穩(wěn)定性能；針狀組織的存在使Ti811 合金熱穩(wěn)定性能惡化。此外，研究認(rèn)為Ti811 合金在425℃熱暴露下，表面氧化層及暴露時(shí)間對(duì)合金的熱穩(wěn)定性能沒(méi)有明顯影響。

 

高廣睿等利用高頻疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)和自制高溫微動(dòng)疲勞裝置研究溫度、位移幅度、接觸壓力等因素對(duì)Ti811 鈦合金高溫微動(dòng)疲勞（FF）行為的影響。結(jié)果表明：

 

在350℃和500℃的高溫下，Ti811 合金微動(dòng)疲勞敏感性隨著溫度的升高微動(dòng)疲勞的敏感性增強(qiáng)，蠕變是高溫下Ti811合金FF 失效的重要影響因素，位移幅度變化影響疲勞應(yīng)力因素和磨損在FF 過(guò)程中所起作用和機(jī)制。

 

Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V 是前蘇聯(lián)20世紀(jì)60 年代研制成功的一種通用性合金， 該合金能夠在300~500 ℃ 溫度下工作，主要用于生產(chǎn)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)匣。

 

OUYANG 等在研究Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V鈦合金不同溫度和應(yīng)變速率下的再結(jié)晶行為方面做了大量工作。研究結(jié)果表明：

 

在變形溫度高于1050℃、應(yīng)變速率低于0.01s-1 時(shí)，合金的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶機(jī)制以不連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶為主；在變形溫度低于1050℃、應(yīng)變速率高于0.01s-1 時(shí)，合金的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶機(jī)制以連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶為主，同時(shí)存在少量的不連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。此外，Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V 合金相變時(shí)的位向關(guān)系與其他鈦合金有所不同，HE 等對(duì)影響該合金相變位向關(guān)系的因素進(jìn)行研究。結(jié)果表明：外部因素（如變形應(yīng)力、應(yīng)變速率和冷卻速率）在β → α 階段轉(zhuǎn)換遵守Burgers 位向轉(zhuǎn)換規(guī)則。然而，應(yīng)變速率和冷卻速率能顯著影響α 沉淀相的形態(tài)。

 

Ti-679 合金為低鋁高錫，再添加鋯、鉬、硅等合金元素而得到的，可用作發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)葉片和盤。在它的合金元素中，鋁的作用是提高合金強(qiáng)度，但易導(dǎo)致塑形變差，用低鋁高錫配合，可以獲得較好的塑形和強(qiáng)度；鉬的作用是避免形成過(guò)多的β 相，使蠕變強(qiáng)度下降；而鋯的作用是補(bǔ)充強(qiáng)化α 相 。Ti-679合金的抗蠕變性能和熱穩(wěn)定性都比較好，其工作溫度可達(dá)450℃。

 

TC6 鈦合金的熱強(qiáng)性和熱穩(wěn)定性良好，它在高溫下的力學(xué)行為與微結(jié)構(gòu)的變化引起全世界研究者的廣泛關(guān)注。白新房等對(duì)TC6 鈦合金進(jìn)行990℃保溫?zé)崽幚恚芯勘剡^(guò)程中氧原子、合金元素分布變化對(duì)內(nèi)表層組織及硬度的影響。結(jié)果表明：在990℃熱處理后試樣內(nèi)表層富氧α 層從邊部到基體內(nèi)部顯微硬度呈現(xiàn)低- 高- 低的變化規(guī)律，在距邊部約55μm 處達(dá)到最大值449HV1。內(nèi)表層顯微硬度的變化是由于氧化作用而導(dǎo)致內(nèi)表層合金元素分布變化和氧原子的富集引起的。孫坤等研究 4種典型組織TC6 鈦合金試樣在高應(yīng)變率加載條件（1×103s-1）下的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為。結(jié)果表明：不同組織TC6 鈦合金的流變應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)黾涌焖僭黾印?/p>

 

TC17 鈦合金是一種富β 穩(wěn)定元素的過(guò)渡型兩相鈦合金，該合金在中溫（300~450℃）具有抗蠕變性能高，淬透性好、斷裂韌度高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇盤、壓氣機(jī)盤。作為兩相鈦合金，TC17 可以通過(guò)熱處理調(diào)整其顯微組織，進(jìn)而提高綜合力學(xué)性能，其標(biāo)準(zhǔn)熱處理工藝為：（840℃，1hAC）+（800 ℃，4hWQ）+（630 ℃，8hACTC4）。孫曉敏等研究激光熔化沉積TC17 鈦合金原態(tài)及固溶時(shí)效后的顯微組織。結(jié)果表明：當(dāng)固溶溫度從 800℃升高到835℃時(shí)，初生α 相體積分?jǐn)?shù)由 53% 減少到34%，時(shí)效后相片層顯著增粗，寬 0.7~0.8μm，次生α 相含量伴隨固溶溫度升高逐漸增多。TC19鈦合金是20 世紀(jì)美國(guó)開發(fā)的一種富β的α+β 型鈦合金，是在Ti-6242 合金（Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo） 基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，是一種高強(qiáng)度高韌性鈦合金。與Ti-6242 合金相比，TC19 鈦合金提高M(jìn)o 含量，使室溫和高溫拉伸性能得到改善。而Sn 和Zr 的加入，使該合金的相變行為變得非常緩慢 。朱寶輝等研究不同鍛造工藝制備的TC19 鈦合金棒材。結(jié)果表明：常規(guī)鍛造工藝和高- 低-高鍛造工藝均可用來(lái)鍛造TCl9 合金棒材，但采用高- 低- 高鍛造工藝得到的棒材的力學(xué)性能優(yōu)于常規(guī)鍛造工藝。

 

TC21 合金是我國(guó)自行研制的具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型兩相高強(qiáng)韌鈦合金，在航空、航天領(lǐng)域作為重要的結(jié)構(gòu)材料使用。人們對(duì)該合金的冷卻速度、熱處理和組織性能的關(guān)系先后展開了較多研究。王義紅等提出：當(dāng)冷卻速率大于122e/s 時(shí)，β 相轉(zhuǎn)變形成正交馬氏體，冷卻速率介于 122~3℃ /s 之間時(shí)，發(fā)生塊狀轉(zhuǎn)變，冷卻速率繼續(xù)降低，相變由擴(kuò)散控制，形成兩種不同形貌的魏氏體片層。宋穎剛等的研究結(jié)果表明：

 

TC21 鈦合金表面經(jīng)噴丸強(qiáng)化后，在表層形成一個(gè)彈塑性變形層。強(qiáng)化過(guò)程中由于密排六方晶體的基面、柱面和錐面滑移系的開動(dòng)造成位錯(cuò)密度升高，A 相中位錯(cuò)形貌呈現(xiàn)網(wǎng)狀；強(qiáng)化前納米壓痕硬度為3.2GPa，強(qiáng)化后為6.7GPa，提高1 倍以上。在強(qiáng)化層內(nèi)形成很高的宏觀殘余壓應(yīng)力，并且表現(xiàn)為由表面向里逐漸減少的梯度變化。強(qiáng)化層深度達(dá)到370μm。宮旭輝等研究TC21 鈦合金的高溫動(dòng)態(tài)拉伸力學(xué)行為。結(jié)果表明：當(dāng)應(yīng)變速率為0.001 和0.05s-1 的屈服應(yīng)力- 溫度曲線存在轉(zhuǎn)折點(diǎn)，且轉(zhuǎn)折點(diǎn)溫度隨應(yīng)變速率的增大而升高；當(dāng)溫度低于轉(zhuǎn)折點(diǎn)溫度時(shí)，相同氧含量的TC21鈦合金和多晶純鈦的屈服應(yīng)力具有相似的溫度相關(guān)性。曲恒磊等對(duì)TC21 鈦合金進(jìn)行應(yīng)變速率為 0.01~50s-1、溫度為973~1373K 的壓縮試驗(yàn)后得出結(jié)論，在試樣的不同部位存在變形組織的不均勻現(xiàn)象，該合金在不同溫度區(qū)域變形時(shí)分別發(fā)生重結(jié)晶和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。重結(jié)晶導(dǎo)致晶粒粗化（ 尺寸約100~200μm）。

 

而動(dòng)態(tài)再結(jié)晶導(dǎo)致晶粒細(xì)化（最小尺寸為1~2μm）。

 

以上幾種合金為常規(guī)航空發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦合金，其使用溫度均在 650 ℃以下。

 

目前實(shí)用性能耐熱鈦合金是Ti1100 和IMI834，它們已經(jīng)分別應(yīng)用于EJ2000 和55-712 改型發(fā)動(dòng)機(jī)。由于“鈦火”事故的出現(xiàn)，阻燃鈦合金越來(lái)越受到人們的關(guān)注。美、俄等國(guó)進(jìn)行了阻燃性能良好新型鈦合金的研制。由美國(guó)普惠公司研制的高強(qiáng)阻燃鈦合金 Alloy C，已用作F119 發(fā)動(dòng)機(jī)的矢量噴口零件，該合金的名義成分為Ti-35V-15Cr（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%），合金中含大量昂貴金屬釩，再加上Alloy-C 合金鑄錠熱變形工藝要采用一些專用設(shè)備，進(jìn)一步提高了材料價(jià)格。俄國(guó)對(duì)成本較低的Ti-Cu 合金進(jìn)行了研究， 并報(bào)導(dǎo)了BT25 和BT36 合金。中國(guó)科研工作者對(duì)前人的發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦合金研究工作進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)總結(jié)和中肯評(píng)價(jià)。

 

2.2 飛機(jī)機(jī)身用鈦合金

 

飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)要求所用合金熱強(qiáng)度、比強(qiáng)度好，而機(jī)身則要求合金在中等溫度下具備強(qiáng)度好、耐腐蝕、質(zhì)輕等優(yōu)良特性。鈦合金能很好的達(dá)到這些要求，采用鈦合金做機(jī)身材料有以下5 方面優(yōu)勢(shì)：1）替代鋼和鎳基高溫合金可大大降低飛機(jī)質(zhì)量。高推重比讓鈦合金能夠替代強(qiáng)度稍好的鋼而用于飛機(jī)零部件中。2）能夠滿足飛機(jī)強(qiáng)度要求。

 

與鋁合金相比，60% 左右質(zhì)量的鈦合金即可達(dá)到相同的強(qiáng)度。在使用溫度超過(guò) 130℃時(shí)，鈦合金能取代鋁合金，因?yàn)檫@一溫度是傳統(tǒng)鋁合金的極限適用溫度。3）耐腐蝕性良好。大部分飛機(jī)支撐機(jī)構(gòu)在廚房、廁所下面，很容易產(chǎn)生腐蝕，鈦合金不需要表面防腐涂層或者鍍膜。4）與聚合物復(fù)合材料電化學(xué)相容性好。5）空間的限制，替代鋼和鋁合金。因空間限制而使用鈦合金的典型例子是波音747 的鈦合金起落架梁。這種梁是最大的鈦合金鍛件，盡管其他合金（比如7075 鋁合金）成本更低，但承載需要質(zhì)量時(shí)，鋁合金起落架體積超出機(jī)翼范圍而不符合要求。鋼的強(qiáng)度足可以承載質(zhì)量，但它會(huì)使飛機(jī)質(zhì)量大大增加。圖2 所示是波音777 飛機(jī)機(jī)身使用材料示意圖 。在飛機(jī)機(jī)身中應(yīng)用較廣泛的鈦合金有β-21S（Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si）、Ti-10-2-3（Ti-10V-2Fe-3Al）、Ti-15-3（Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn）、Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr 等。BOYER 曾就鈦合金在機(jī)身的應(yīng)用情況進(jìn)行過(guò)總結(jié)，本文作者僅討論前兩種合金。

 

β-21S（Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.25Si）合金是美國(guó)Timet 公司為國(guó)家航天飛機(jī)開發(fā)的，可制成帶材，具有抗氧化性，可作為復(fù)合材料來(lái)使用。

 

它具有較好的高溫特性，并比Ti-6-4具有更好的抗蠕變性能（ 一般β 合金在高溫環(huán)境下抗蠕變性并不好）。

 

β-21S 已被波音和P&W 用在瞬時(shí)650℃的高溫環(huán)境，它的持續(xù)工作溫度是480~565℃。β-21S 合金的突出優(yōu)點(diǎn)在于它可以較好地抗高溫液壓機(jī)液體腐蝕。這種液壓機(jī)液體是一種少數(shù)能在航天環(huán)境下腐蝕鈦合金的物質(zhì)，在超過(guò)130℃時(shí)會(huì)分解并形成一種含有機(jī)金屬的磷酸，會(huì)腐蝕鈦合金，更重要的是會(huì)使含有大量氫的發(fā)動(dòng)機(jī)泵產(chǎn)生嚴(yán)重的脆裂。β-21S 是唯一一種能抵抗這種腐蝕劑的金屬 ，這是因?yàn)棣?21S 含有鉬和鈮，可用于引擎機(jī)艙和噴射引擎部位（原先使用鋼或鎳基合金）。此外，β-21S可減少質(zhì)量，用于制造波音777 的3 種引擎（P&W4084，GE90 和Trent800）中的噴嘴、塞子、蒙皮和各種縱梁結(jié)構(gòu)，這些可以為每架飛機(jī)減少質(zhì)量74 kg。

 

Ti-10-2-3（Ti-10V-2Fe-3Al）是迄今為止應(yīng)用最為廣泛的一種高強(qiáng)韌近β 鈦合金，最早也由美國(guó)Timet 公司在1971 年研制而成。它是一種為適應(yīng)損傷容限性設(shè)計(jì)原則而產(chǎn)生的高結(jié)構(gòu)效益、高可靠性和低成本的鍛造鈦合金，V 和Fe 為主要的β 穩(wěn)定元素。為了提高合金的鍛造性能和斷裂韌性，F(xiàn)e 的含量低于2%，O 的含量限制在 0.13% 以下。

 

該鍛件抗拉強(qiáng)度可達(dá)11901Mpa，用Ti-10-2-3 可為每架飛機(jī)減少質(zhì)量270kg。

 

波音公司生產(chǎn)飛機(jī)時(shí)選擇高強(qiáng)度合金并最大限度減少質(zhì)量，該鈦合金是波音777 中用量最大的β 鈦合金，該種飛機(jī)起落架幾乎全部由該合金制成，僅內(nèi)、外氣缸和輪軸由4340M 制成（強(qiáng)度為1895MPa）。空客A380 的主起落架支柱也是采用的Ti-10-2-3 合金。該合金還具有很好的抗疲勞性能，還能消除用鋼時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力腐蝕開裂。McDonnellDouglas 采用Ti-10-2-3（1105 MPa）制成貨艙門、引擎機(jī)艙、尾翼以及C-17運(yùn)輸機(jī)的其他部分。Ti-10-2-3 在疲勞強(qiáng)度方面的優(yōu)勢(shì)也使其廣泛應(yīng)用于直升機(jī)。Bell，Westland，Sikorsky 和Eurocopter 等公司都采用Ti-10-2-3 合金做他們的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。

 

2.3 航空緊固件用鈦合金

 

不論軍民用飛機(jī)還是航天器上，除了金屬構(gòu)件還有很多碳纖維復(fù)合材料。

 

鈦與碳纖維復(fù)合材料的電極電位相近，鈦合金又成為復(fù)合材料惟一的連接材料。因此，隨著先進(jìn)軍民用飛機(jī)鈦合金和復(fù)合材料用量的不斷增加，對(duì)鈦合金緊固件的需求日益加大。鈦合金用作航空緊固件，至少具備以下4 點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：1）減重效果好。俄羅斯的一架伊爾-96 飛機(jī)用緊固件14.2 萬(wàn)件，可減少質(zhì)量近600kg。我國(guó)航空航天系統(tǒng)鈦合金緊固件的使用也有明顯的減重效果。飛機(jī)和航天器減少質(zhì)量后，可以提高推力、增加射程、節(jié)省燃料、減少發(fā)射費(fèi)用等。

 

2）鈦合金優(yōu)異的耐腐蝕性能，尤其是它正電位與碳纖維復(fù)合材料匹配，可以有效防止緊固件發(fā)生電偶腐蝕。3）在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中，緊固件部位因溫度較高，不能采用鋁合金，只能使用鈦合金。4）鈦具有良好彈性和無(wú)磁，對(duì)于防止緊固螺栓的松動(dòng)和防磁場(chǎng)干擾至關(guān)重要。

 

現(xiàn)代飛機(jī)采用多種鈦合金緊固件主要有普通鈦螺栓、干涉螺栓、特種緊固件等。美國(guó)、法國(guó)等航空發(fā) 達(dá) 國(guó) 家，95% 以 上 的 鈦 合 金 緊 固 件 都 采用Ti-6Al-4V（TC4）材料制造。除此之外，還有TB2、β III、Ti-44.5、Ti-15-3（TB5）、TB8 和TB3，其典型性能參數(shù)如表7 所列。

Ti-6Al-4V（TC4）合金β 穩(wěn)定系數(shù)最低，為0.27。它的優(yōu)點(diǎn)是密度最低，強(qiáng)度和疲勞性能良好，合金成分簡(jiǎn)單，半成品成本最低。但由于室溫塑性沒(méi)有達(dá)到足夠高，所以加工緊固件時(shí)需要采用感應(yīng)加熱進(jìn)行熱鐓成形，以及真空固溶處理和時(shí)效處理加工成本較高。

 

TB2、TB3、TB8 和TB16 為亞穩(wěn)型β 鈦合金，β 穩(wěn)定系數(shù)均比合金高，缺點(diǎn)是密度較高，強(qiáng)度雖與Ti-6Al-4V 相當(dāng)，但疲勞性能不如 Ti-6Al-4V，而且成分復(fù)雜，半成品成本高。由于同樣需要進(jìn)行真空時(shí)效處理，所以成品緊固件的成本還要高于Ti-6Al-4V。

 

 

 

3 存在的問(wèn)題與前景展望

 

鈦是一種性能優(yōu)異而又儲(chǔ)量豐富的金屬，有“現(xiàn)代金屬”的美稱，經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，鈦合金制備技術(shù)和應(yīng)用研究都取得了很大進(jìn)展，在航空領(lǐng)域中尤其得到廣泛的應(yīng)用。但存在的一些問(wèn)題也逐漸暴露出來(lái)，航空用鈦合金進(jìn)一步發(fā)展面臨著不小的挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)在以下3 個(gè)方面：

 

（1） 用量方面。不論是軍民用飛機(jī)或航空器中，鈦合金用量高低直接反應(yīng)出一個(gè)國(guó)家的航空水平。目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)鈦用量都較低，要進(jìn)一步提高至 50%左右，其難度仍相當(dāng)大。

 

（2） 性能方面。與其他航空結(jié)構(gòu)材料一樣，高性能是要求具有良好的性能匹配，即必須綜合考慮其力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能、工藝性能和缺陷的可控性。現(xiàn)有的鈦合金在600℃以上，蠕變抗力和高溫抗氧化性的急劇下降是限制鈦合金擴(kuò)大應(yīng)用的兩大主要障礙。

 

本文作者認(rèn)為，在整個(gè)航空鈦合金技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用過(guò)程中，新的制造技術(shù)將會(huì)是開發(fā)和研究的重點(diǎn)，如超塑成形等近凈型加工、粉末冶金成型法等。

 

（3） 成本方面。目前人們?cè)诮档统杀竞娇这伜辖鸱矫骐m然取得了一些成就，但仍有許多領(lǐng)域有待研究和開發(fā)。以阻燃鈦合金為例，美國(guó)發(fā)明的Alloy-C 雖然具有優(yōu)良的阻燃特性和高溫力學(xué)性能，但由于它需要添加大量昂貴的V 和較差的可鍛性而導(dǎo)致價(jià)格很高，因此只有在F119 發(fā)動(dòng)機(jī)中正式應(yīng)用。

 

由于管理和技術(shù)落后等原因，國(guó)內(nèi)鈦合金產(chǎn)品價(jià)格在國(guó)際上競(jìng)爭(zhēng)力差，在國(guó)內(nèi)不利于進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用。因此，首先必須認(rèn)真研討降低鈦產(chǎn)品成本的途徑，確定近、中、長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃。其次，我國(guó)應(yīng)建立自己的鈦合金體系，確保每一用途有多種合金備選，逐步擺脫航空關(guān)鍵材料對(duì)國(guó)外的長(zhǎng)期依賴，形成主干材料或通用材料，從根本上為實(shí)現(xiàn)低成本制造奠定基礎(chǔ)。最后，用價(jià)格較低的元素取代貴的合金元素，通過(guò)工藝途徑降低鈦合金零部件的成本，是今后鈦合金研究工作中的重要課題。

 

綜上所述，鈦合金推重比大、韌性高、強(qiáng)度和可焊接性好，是一種綜合性能優(yōu)良的航空材料。在過(guò)去幾十年中，航空用鈦合金的合金化理論、綜合強(qiáng)韌化技術(shù)和熱處理工藝均得到了很大發(fā)展。目前，鈦合金的研究主要集中在高溫下熱穩(wěn)定性、蠕變抗力和低成本的鈦合金設(shè)計(jì)及制造工藝等方面。隨著研究的深入，將以航空高端應(yīng)用帶動(dòng)鈦合金低成本加工的技術(shù)進(jìn)步，從而在根本上突破制約航空用鈦合金用量和應(yīng)用水平提升的成本瓶頸。全鈦制造的飛機(jī)也許在不遠(yuǎn)的將來(lái)即會(huì)成為現(xiàn)實(shí)。