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鈦合金的特性及其應(yīng)用
（作者未知） 2010/5/27
鈦合金的特性及其應(yīng)用
［摘 要］綜述了鈦合金材料的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀，著重介紹了鈦及鈦合金的主要特性，加工性能及其在航空航天、軍事工業(yè)和汽車制造方面的應(yīng)用，并在此基礎(chǔ)上展望了鈦合金的發(fā)展方向。
［關(guān)鍵詞］鈦合金 特性 加工性能 應(yīng)用領(lǐng)域
Ti在地殼中的豐度為0.56%(質(zhì)量分數(shù)，下同)，在所有按元素中居第9位，而在可作為結(jié)構(gòu)材料的金屬中居第4位，僅次于Al、Fe、Mg，其儲量比常見金屬Cu，Pb，Zn儲量的總和還多。我國鈦資源豐富，儲量為世界第一。鈦合金的密度小，比強度、比剛度高，抗腐蝕性能、高溫力學(xué)性能、抗疲勞和蠕變性能都很好，具有優(yōu)良的綜合性能，是一種新型的、很有發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景的結(jié)構(gòu)材料。近年來，世界鈦工業(yè)和鈦材加工技術(shù)得到了飛速發(fā)展，海綿鈦、變形鈦合金和鈦合金加工材的生產(chǎn)和消費都達到了很高的水平，在航空航天領(lǐng)域、艦艇及兵器等軍品制造中的應(yīng)用日益廣泛，在汽車、化學(xué)和能源等行業(yè)也有著巨大的應(yīng)用潛力。
一、鈦及鈦合金的特性
鈦及鈦合金具有許多優(yōu)良特性，主要體現(xiàn)在如下幾個方面：
1.強度高。鈦合金具有很高的強度，其抗拉強度為686—1176MPa，而密度僅為鋼的60%左右，所以比強度很高
2.硬度較高。鈦合金(退火態(tài))的硬度HRC為32—38。
3.彈性模量低。鈦合金(退火態(tài))的彈性模量為1.078×10－1.176×10MPa，約為鋼和不銹鋼的一半。
4.高溫和低溫性能優(yōu)良。在高溫下，鈦合金仍能保持良好的機械性能，其耐熱性遠高于鋁合金，且工作溫度范圍較寬，目前新型耐熱鈦合金的工作溫度可達550—600℃；在低溫下，鈦合金的強度反而比在常溫時增加，且具有良好的韌性，低溫鈦合金在－253℃時還能保持良好的韌性。
5.鈦的抗腐蝕性強。鈦在550℃以下的空氣中，表面會迅速形成薄而致密的氧化鈦膜，故在大氣、海水、硝酸和硫酸等氧化性介質(zhì)及強堿中，其耐蝕性優(yōu)于大多數(shù)不銹鋼。
二、鈦及鈦合金的加工性能
1.切削加工性能
鈦合金強度高、硬度大，所以要求加工設(shè)備功率大，模具、刀具應(yīng)有較高的強度和硬度。切削加工時，切屑與前刀面接觸面積小，刀尖應(yīng)力大。與45鋼相比，鈦合金的切削力雖然只有其2/3—3/4，可是切屑與前刀面的接觸面積卻更小(只有45鋼的1/2—2/3)，所以刀具切削刃承受的應(yīng)力反而更大，刀尖或切削刃容易磨損；鈦合金摩擦因數(shù)大，而熱導(dǎo)率低(分別僅為鐵和鋁的1/4和1/16)；刀具與切屑的接觸長度短，切削熱積聚于切削刃附近的小面積內(nèi)而不易散發(fā)，這些因素使得鈦合金的切削溫度很高，造成刀具磨損加快并影響加工質(zhì)量。由于鈦合金彈性模量低，切削加工時工件回彈大，容易造成刀具后刀面磨損的加劇和工件變形；鈦合金高溫時化學(xué)活性很高，容易與空氣中的氫、氧等氣體雜質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成硬化層，同時進一步加劇了刀具的磨損；鈦合金切削加工中，工件材料極易與刀具表面粘結(jié)，加上很高的切削溫度，所以刀具易于產(chǎn)生擴散磨損和粘結(jié)磨損。
2.磨削加工性能
鈦合金化學(xué)性質(zhì)活潑、在高溫下易與磨料親和并粘附，堵塞砂輪，導(dǎo)致砂輪磨損加劇，磨削性能降低，磨削精度不易保證。砂輪磨損同時也增大了砂輪與工件之間的接觸面積，致使散熱條件惡化，磨削區(qū)溫度急劇升高，在磨削表面層形成較大的熱應(yīng)力，造成工件的局部燒傷，產(chǎn)生磨削裂紋。鈦合金強度高、韌性大，使磨削時磨屑不易分離、磨削力增大、磨削功耗相應(yīng)增加。鈦合金熱導(dǎo)率低、比熱小、磨削時熱傳導(dǎo)慢，致使熱量積聚在磨削弧區(qū)，造成磨削區(qū)溫度急劇升高。
3.擠壓加工性能
對鈦及鈦合金進行擠壓加工時，要求擠壓溫度高，擠壓速度快，以防溫降過快，同時應(yīng)盡量縮短高\溫坯錠與模具的接觸時間。因此擠壓模具應(yīng)選用新型耐熱模具材料，坯錠由加熱爐到擠壓筒的輸送速度也要快。鑒于在加熱和擠壓過程中金屬易被氣體污染，故還應(yīng)采用適當?shù)谋Ｗo措施。擠壓時應(yīng)選擇合適的潤滑劑，以防粘結(jié)模具，如采用包套擠壓和玻璃潤滑擠壓。因鈦及鈦合金的變形熱效應(yīng)較大，導(dǎo)熱性較差，故在擠壓變形時還要特別注意防止過熱現(xiàn)象。鈦合金的擠壓過程比鋁合金、銅合金、甚至鋼的擠壓過程更為復(fù)雜，這是由鈦合金特殊物理化學(xué)性能所決定的。鈦合金在常規(guī)熱反擠成形時，模具溫度低，與模具接觸的坯料表面溫度迅速下降，而坯料內(nèi)部因變形熱而溫度升高。由于鈦合金熱導(dǎo)率低，表層溫度下降后，內(nèi)層坯料熱量不能及時傳輸?shù)奖韺友a充，會出現(xiàn)表面硬化層，而使得變形難以繼續(xù)進行。同時，表層與內(nèi)層會產(chǎn)生很大的溫度梯度，即使能成形，也容易造成變形（未完，下一頁）
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