1、制造二廠 史小云鈦及鈦合金綜述一 鈦及鈦合金的發(fā)展鈦在化學(xué)元素周期表中屬于TVB族元素，其原子其原子序數(shù)為22。鈦在地殼中的含量為0.6，在所有的元素中，名列第九，但在常用金屬元素中僅次于鋁、鐵、鎂，居第四位。鈦在地殼中大都以金紅石（TiO2）和鈦鐵礦等形式存在。由于分離提取困難，具有工業(yè)意義的金屬鈦直到20世紀(jì)40年代才生產(chǎn)出來(lái)。鈦及鈦合金的密度小，抗拉強(qiáng)度高（可達(dá)140Kg/mm2）。在253600范圍內(nèi)，它的比強(qiáng)度（抗拉強(qiáng)度/密度）在金屬材料中幾乎最高。它在適當(dāng)?shù)难趸孕原h(huán)境中可形成一種薄而堅(jiān)固的氧化膜，具有優(yōu)異的耐蝕性能。此外，鈦及鈦合金還具有非磁性、線膨脹膨脹系數(shù)小等特點(diǎn)，這就使鈦及

2、鈦合金首先成為重要的宇航結(jié)構(gòu)材料，隨后又推廣到艦船制造、化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域，并得到了迅速的發(fā)展。二 鈦及鈦合金的分類(lèi)及應(yīng)用鈦及鈦合金按組織結(jié)構(gòu)分為合金、合金、合金等三大類(lèi)合金。1 合金合金中有TA1、TA2、TA3、TA4、TA5、TA6、TA7、TA8等8種合金。TA1、TA2、TA3是工業(yè)純鈦。它們是按雜質(zhì)元素含量分的三個(gè)等級(jí)。它們主要應(yīng)用于要求高塑性、適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度、良好的耐蝕性以及可焊接性的場(chǎng)合。TA1、TA2、TA3它們的冷加工性能好，可生產(chǎn)各種規(guī)格的板材、棒材、型材、帶材、管材和箔材。板材可以進(jìn)行冷沖壓。TA4是一種鈦鋁二元合金。它的抗拉強(qiáng)度比工業(yè)純鈦稍高，可以做中等強(qiáng)度范圍的結(jié)構(gòu)材料。國(guó)

3、內(nèi)主要用做焊絲。TA5是一種全型合金。它的抗拉強(qiáng)度比工業(yè)純鈦高，但塑性稍差，有良好的焊接性能及耐腐蝕性能。這種合金在要求在退火狀態(tài)下交貨，可用做海水腐蝕環(huán)境下的結(jié)構(gòu)材料。目前已成功地應(yīng)用于造船工業(yè)。TA6是一種全型的鈦鋁二元系合金。它的抗拉性能高于TA4，但是它的23塑性稍差。用它制成的板材可進(jìn)行冷沖壓，焊接性能良好，耐蝕性好。它和TA5一樣，也是在退火狀態(tài)交貨，適用于400以下和存在浸蝕介質(zhì)的環(huán)境下工作。TA7是一種鈦鋁錫三元系全鈦合金。它在退火狀態(tài)下具有中等強(qiáng)度（80Kg/mm2左右）和足夠的塑性，焊接性能良好，可作為500以下溫度使用的結(jié)構(gòu)材料，短時(shí)間使用的溫度可達(dá)900。TA7的間隙元

4、素含量極低時(shí)，在超低溫（253）還具有良好的韌性和綜合性能，是優(yōu)良的超低溫用合金。TA8是一種有沉淀硬化效應(yīng)的化合物合金。它具有較高的室溫抗拉強(qiáng)度和較好的耐熱性能，可作為450溫度工作的壓氣機(jī)盤(pán)及葉片用材料。2 合金合金包括TB1和TB2兩種合金。TB1合金是一種亞穩(wěn)定型鈦合金。它是在固溶處理狀態(tài)下較交貨，具有良好的冷成型性和可焊接性。TB1合金在固溶處理加時(shí)效處理狀態(tài)下，可獲得130Kg/mm2以上的室溫抗拉強(qiáng)度和5以上的伸長(zhǎng)率。焊接后的時(shí)效處理將使焊縫脆化。TB2合金也是一種亞穩(wěn)定型合金。它在固溶處理后一般采用空冷，并具有良好的冷成型性和焊接性能。TB2在固溶加時(shí)效處理后，室溫抗拉強(qiáng)度可達(dá)

5、140Kg/mm2，伸長(zhǎng)率可保持78以上。但是TB2合金在焊接結(jié)構(gòu)中應(yīng)降低強(qiáng)度使用。一般用在350以下使用的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件上。3 合金合金包括TC1、TC2、TC3、TC4、 TC5、TC6、TC7、TC8、TC9、TC10等十種合金。TC1合金是具有良好冷成型性和焊接性能。它是在退火狀態(tài)下交貨使用，可作為在400以下溫度使用的結(jié)構(gòu)材料。目前主要以板材和管材形式供貨。TC2具有良好的冷成型性和焊接性能。它的抗拉強(qiáng)度比TC1稍高，也是在退火態(tài)交貨使用，可作為在400以下使用的結(jié)構(gòu)材料從。TC3合金是一種具有中等強(qiáng)度水平的型合金，它在退火態(tài)下的低溫韌性僅次于TA7。TC3合金具有弱的熱處理強(qiáng)化效應(yīng)，

6、一般在退火狀態(tài)下交貨使用。TC3薄板具有良好的焊接性能，但成型時(shí)需要加熱，它主要以板材的形式供應(yīng)。TC4合金是目前應(yīng)用最廣、產(chǎn)量最大的型合金，具有中等強(qiáng)度和適用的塑性。TC4主要產(chǎn)品有棒材和餅材，可用做450以下使用噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片和渦輪盤(pán)。TC4具有良好的焊接性能，可熱處理強(qiáng)化，一般在退火狀態(tài)下交貨使用。TC5是一種三元系型合金，它在室溫下具有中等強(qiáng)度和適合的延性，較好的高溫持久性能，有熱處理強(qiáng)化效應(yīng)。由于它的熱穩(wěn)定性能較差，已逐漸為T(mén)C6合金所代替。TC6合金的化學(xué)成分相當(dāng)于在TC5合金的基礎(chǔ)上添加了2鉬和1鐵。與TC5相比，TC6的熱強(qiáng)性能高，熱穩(wěn)定性能好。TC6是在450以下使用，

7、主要作為飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)材料。TC7合金是一種具有化合物吸出的型合金。TC7在500以下具有較高的抗拉強(qiáng)度，而且焊接性能良好。TC7合金主要以板材和棒材形式應(yīng)用在500以下使用的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件上，交貨狀態(tài)為退火態(tài)。TC8合金是一種具有彌散強(qiáng)化效應(yīng)的型合金。TC8在450以下具有較高的抗拉強(qiáng)度，但熱穩(wěn)定性差。在退火狀態(tài)下，它可作為450以下使用的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)零件，但目前應(yīng)用較少。TC9在室溫具有中等強(qiáng)度并具有較好的高溫力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性能。TC9主要以棒材和餅材供貨，主要應(yīng)用在450500使用的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)盤(pán)和葉片上。TC10合金是在TC4基礎(chǔ)上發(fā)展的一種高強(qiáng)度型合金，它具有熱處理強(qiáng)化效應(yīng)。一

8、般在退火狀態(tài)下使用，使用溫度在400以下。近年來(lái)，隨著我國(guó)鈦工業(yè)的發(fā)展和市場(chǎng)的需求，相繼又出現(xiàn)了TA9、TA10、TA15等型合金和TC11、TC16等+型合金，為我國(guó)的航海、航天和航空工業(yè)作貢獻(xiàn)。三 高強(qiáng)度合金的研究發(fā)展和應(yīng)用1 高強(qiáng)度合金發(fā)展的現(xiàn)狀高強(qiáng)度合金是指亞穩(wěn)定鈦合金和近合金。穩(wěn)定鈦合金由于與其它鈦合金比較優(yōu)越性不大，作為結(jié)構(gòu)材料在工業(yè)中還未找到廣泛的應(yīng)用。這類(lèi)合金的缺點(diǎn)是：含大量的合金化貴重元素，不能熱處理強(qiáng)化，比重偏大。但是它有獨(dú)特的性能。TI32Mo具有很高的抗腐蝕性能，其它合金不能比擬的。正式由于這個(gè)性能，世界上好幾個(gè)國(guó)家都爭(zhēng)先開(kāi)始投入大量的人力、物力來(lái)研究這種合金。 （1）

9、美國(guó)鈦合金的發(fā)展情況世界上第一個(gè)鈦合金是上世紀(jì)50年代在美國(guó)研制成功的，首先在工業(yè)上應(yīng)用的鈦合金是B-120VCA（Ti-3Al-13V-11Cr），該合金的特點(diǎn)是，除含有與同晶形的V元素外，還含有大量的能組成共析體的Cr元素；合金在淬火狀態(tài)下具有高的塑性，在時(shí)效處理后合金有很高的強(qiáng)度水平。到70年代末，在收音機(jī)上使用后，所積累的足夠資料證實(shí)，這個(gè)合金存在著許多不足，即在冶金過(guò)程和產(chǎn)品制造中性能的穩(wěn)定性差。含有大量的Cr元素和鈦合金，在溫度超過(guò)200和工作應(yīng)力下，長(zhǎng)期負(fù)荷時(shí)出現(xiàn)脆性，由于Cr元素含量高，鈦合金中形成了Cr化合物，導(dǎo)致了脆性的發(fā)生。70年代之后，吸收了B-120VCA鈦合金的經(jīng)驗(yàn)

10、，又一代新的鈦合金出現(xiàn)，采用Mo，V，Nb為特定相元素。盡量減少或不選用Cr元素的合金，為了強(qiáng)化相和相、合金中選用了中性元素Zr和Sn，這樣就不會(huì)出現(xiàn)共析脆性。在這一時(shí)期研制的鈦合金較多：例如Ti-16-2（Ti-16V-2.5Al），Ti-17（Ti-5Al-4Mo-4Cr-2Zr-2Sn），c（Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr），-CE2（Ti-5Al-4Mo-2Cr-4Zr-2Sn），B（Ti-11.5Mo-6Zr-4.5Cr），Ti-1023（Ti-10V-2Fe-3Al），Ti-15-3（Ti-15V-3Al-3Cr-3Sn），-21s（Ti-3Al-8V-4Mo-6Cr-

11、4Zr）等，上述這些合金的性能差別不大，但是它們的綜合性能和工藝性能有明顯的差異，它們的應(yīng)用范圍也有不同，在整個(gè)鈦合金的發(fā)展過(guò)程中，在不同的程度上都起到很大的作用。尤其是Ti-1023，Ti-15-3和-21s三個(gè)新的鈦合金，在當(dāng)今世界上許多國(guó)家，包括中國(guó)在內(nèi)都在進(jìn)行仿制、研究和應(yīng)用，具有很廣泛的影響。Ti-10V-2Fe-3Al（Ti-1023）鈦合金是由于Timer公司在80年代初期開(kāi)發(fā)的，是用做收音機(jī)機(jī)架與結(jié)構(gòu)鋼材料競(jìng)爭(zhēng)的高強(qiáng)高韌性合金。此合金經(jīng)適當(dāng)?shù)募庸ず吞幚砜蛇_(dá)強(qiáng)度、韌性和抗疲勞性能的最佳配合。Ti-15V-3Al-3Cr-3Sn（Ti-15-3）鈦合金是在美國(guó)空軍部門(mén)資助下開(kāi)發(fā)出來(lái)

12、的。確定成分的初步合同是由洛克希德公司完成的，隨后由Timer公司進(jìn)行了一系列改進(jìn)性研究，使產(chǎn)量有了遞增。此合金突出的優(yōu)點(diǎn)是冷變形性能好，可以生產(chǎn)薄帶和板材。時(shí)效硬化性能和可焊接性能優(yōu)良。Ti-15-3合金是作為有生命力的航空航天合金出現(xiàn)的，可以生產(chǎn)出箔材、線材、板材和管材等多個(gè)品種。B-1上的250多個(gè)零部件是聯(lián)合制造出來(lái)的。它在波音777上應(yīng)用控制系統(tǒng)管道和滅火罐。最令人鼓舞的是用它制造壘球棒，可以歸入消費(fèi)品市場(chǎng)，它的用途已經(jīng)擴(kuò)展。-21s是Timer公司在1998年為麥道公司提供一種用于航天飛機(jī)的鈦合金基復(fù)合材料中所需的抗氧化箔材而開(kāi)發(fā)的。與Ti-15-3相比，-21s的抗氧化性能提高的

13、100倍左右。它具有特別好的高溫強(qiáng)度和抗蠕變性能，因此可用于管道、發(fā)動(dòng)機(jī)襯套和噴管等結(jié)構(gòu)之中。波音公司已經(jīng)選用-21s合金作為777的襯套和噴管材料合金。最高工作溫度超過(guò)了540，但應(yīng)力比較低；也可以將該合金用于260425溫度范圍內(nèi)的高應(yīng)力的用途。（2）俄羅斯（獨(dú)聯(lián)體）鈦合金的發(fā)展俄羅斯鈦合金是在上世紀(jì)50年代末出現(xiàn)的，研究的第一個(gè)鈦合金是BT15（Ti-3Al-7Mo-11Cr），很相似于美國(guó)的B-120VCA合金，其主要區(qū)別是不含V，而是用Mo代替，據(jù)說(shuō)當(dāng)年俄羅斯沒(méi)有高純度的V元素。在同一時(shí)代又研制出另一種鈦合金TC6（Ti-3Al-6V-5Mo-11Cr）。它們?cè)?0年代和70年代初經(jīng)

14、過(guò)了工業(yè)部門(mén)的廣泛試驗(yàn)，作為彈性元件和蜂窩結(jié)構(gòu)數(shù)量不大，到70年代末的應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)了在長(zhǎng)時(shí)間負(fù)荷作用下出現(xiàn)了脆性。在鈦合金中又改進(jìn)了一些新合金。例如BT30（Ti-11V-4Zr-6Sn），BT32（Ti-2Al-8.5V-8.5Mo-1.2Fe-1.2Cr），BT35（Ti-3Al-15V-1.2Mo-1.2Zr-3Sn-1.5Nb），BT22（Ti-5Al-5V-5Mo-1Fe-1Cr），BT22U（Ti-3Al-5V-5Mo-1Fe-1Cr），這些合金的性能差不多。目前在俄羅斯應(yīng)用較為廣泛的鈦合金是BT22、BT22U、BT32、BT35和老合金B(yǎng)T15。其中BT22合金的用量和用途廣，在

15、世界各國(guó)的應(yīng)用影響大，它是用于高負(fù)荷構(gòu)件及焊接件，在宇航技術(shù)和發(fā)動(dòng)機(jī)制造業(yè)中較為廣泛的應(yīng)用。（3）中國(guó)鈦合金的發(fā)展中國(guó)的鈦合金發(fā)展也比較早，上世紀(jì)60年代初期北京有色院金屬研究院研制出了Ti-55378（Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al）合金；合金化原理和性能與BT5和B120-VCA合金很相似；研制工作和應(yīng)用取得了較大的進(jìn)展，并于1969年列入冶金部標(biāo)準(zhǔn)，牌號(hào)為BT2合金。進(jìn)入70年代，世界上鈦合金有了很大的發(fā)展，研制出了新品種牌號(hào)合金，對(duì)原來(lái)的鈦合金的不足進(jìn)行了改進(jìn)，在這個(gè)時(shí)期寶雞有色金屬研究所研制出了Ti-22（Ti-10Mo-8V-1Fe-3.5Al）和上海鋼鐵研究所研制出了Ti-4

16、7121（Ti-4Al-7Mo-10V-2Fe-1Zr）這兩種鈦合金經(jīng)過(guò)了10年的研究和應(yīng)用，也取得了較大的成績(jī)，并于1993年列入國(guó)家鈦合金標(biāo)準(zhǔn)，其牌號(hào)為T(mén)B3和TB4。亞穩(wěn)穩(wěn)態(tài)鈦合金主要用于緊固件，航空航天空間承力結(jié)構(gòu)件。TB2合金帶材制作星箭連接帶用于衛(wèi)星的發(fā)射，該合金制作的燃?xì)獍l(fā)生器殼體通過(guò)試驗(yàn)，力學(xué)性能和性能穩(wěn)定性滿足了設(shè)計(jì)的要求。TB3鈦合金飛機(jī)緊固件的應(yīng)用很成功，正在向其它飛機(jī)上推廣應(yīng)用。TB4合金層試制過(guò)高銷(xiāo)螺栓緊固件，由于絲材表面質(zhì)量滿足不了要求，最終沒(méi)有成功，但該合金在物理工程中作了大量的工作，80年代每年供貨量一噸左右。也曾為潛艇提供制造刀具的材料。從上述三種鈦合金比較，

17、TB2和TB3研制工作進(jìn)展快，領(lǐng)導(dǎo)部門(mén)重視的結(jié)果。TB4由于90年代中期以后，科研人員發(fā)生了變換，鈦合金后繼無(wú)人，對(duì)鈦合金的發(fā)展受到較大的影響。近鈦合金的研制北京有色院填補(bǔ)了我國(guó)的空白，Ti-5523（Ti-5Mo-5V-2Cr-3Al）合金比較成功，它與俄羅斯BT22和美國(guó)Ti-1023相似，主要用于航空飛機(jī)和大鍛件。機(jī)械性能由于其它兩個(gè)合金。據(jù)介紹已經(jīng)在航天領(lǐng)域制作飛行器硬回收體裝置，在石油化工領(lǐng)域中用于中醫(yī)結(jié)構(gòu)件和高壓結(jié)構(gòu)件等。（4）日本鈦合金的發(fā)展情況日本發(fā)展鈦合金重點(diǎn)是民品工業(yè)，用于生物體工程植入發(fā)展很快、吸收了歐美國(guó)家的生物體工程的經(jīng)驗(yàn)，選用無(wú)毒合金化元素，研制出自己的鈦合金，例如

18、Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr。它選用對(duì)人體有利的元素Nb、Ta和Zr，合金的成本是很高的，但對(duì)人體是有利的。另一個(gè)新鈦合金是Ti-15Mo-5Zr-3Al，這是日本早期研制的合金，它的用途比較廣泛。這兩個(gè)鈦合金強(qiáng)度和塑性配合的很好，生物相容性良好，彈性模量較好的生物工程材料。日本住友金屬工業(yè)公司開(kāi)發(fā)了一種冷鍛和冷變形優(yōu)良的鈦合金（Ti-20V-3Al-1Sn）。把鈦合金向民生用品和眼鏡架領(lǐng)域開(kāi)發(fā)，提高鈦合金冷加工性是非常重要的。應(yīng)該是冷加工應(yīng)力低，以不產(chǎn)生冷成型裂紋為加工界限，同時(shí)考慮在冷鍛造和擠壓成型時(shí)控制磨損等因素。這個(gè)合金與Ti-15-3和c鈦合金比較，變形抗力低，極限后縮率達(dá)到

19、80以上。經(jīng)過(guò)850固溶處理后，進(jìn)行450或500時(shí)效處理30小時(shí)，強(qiáng)度可達(dá)到1400Mpa。可以采用現(xiàn)有的鋼鐵制作設(shè)備，可以生產(chǎn)出板、棒、帶和線材等。采用這些產(chǎn)品加工成高爾夫球桿、球頭、眼鏡架和自行車(chē)零部件等，這個(gè)合金在民生用品中很有前途。2 鈦合金的應(yīng)用范圍（1）在航天航空工業(yè)上的應(yīng)用在對(duì)全球主要航空機(jī)構(gòu)所作的調(diào)查表明，鈦合金在很大程度上開(kāi)始應(yīng)用于軍用和民用飛機(jī)上。主要原因能夠減輕飛機(jī)的重量，提高飛機(jī)的飛行速度。現(xiàn)在最明顯的實(shí)例Fe基和Ni基合金正在被Ti-1023鈦合金所代替。鈦合金可以通過(guò)熱處理達(dá)到橫的強(qiáng)度水平，具有良好的斷裂韌性和優(yōu)良的疲勞強(qiáng)度性能。從鈦合金目前的應(yīng)用來(lái)看，合金鍛件占

20、了相當(dāng)?shù)谋戎亍i-1023合金的應(yīng)用是鍛件鈦合金的典型。波音公司第一個(gè)將該合金用于波音757，用它來(lái)取代鋼鐵材料，既達(dá)到了相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度水平，同時(shí)可能使重量減輕。波音777是Ti-1023合金用得最多的機(jī)型，該機(jī)的主要起落架幾乎整個(gè)都是用Ti-1023合金制造的，用來(lái)代替4340M合金，并可使每架飛機(jī)減重270公斤左右這個(gè)合金的最大優(yōu)點(diǎn)可鍛性優(yōu)良，采用低的鍛造溫度，可以降低模具成本。在80年代中期，北美洛克韋爾公司在B-1B轟炸機(jī)上使用T-15-3鈦合金，每架飛機(jī)上使用T-15-3成型零件達(dá)100個(gè)以上。該合金冷成型優(yōu)良，使零件成本下降。俄羅斯開(kāi)發(fā)的可鍛造多的BT22合金在世界上影響較大，該合金

21、不僅限于鍛件，還能擠壓成管及其它產(chǎn)品。其應(yīng)用包括IL-86和IL96-300上的起落部件、襟翼軌道和其它高承載部件。中國(guó)研制的TB2鈦合金制作星箭連接帶在航天工業(yè)獲得很大成功；TB3合金在飛機(jī)上左緊固件也很成功。（2）生物體用鈦合金的開(kāi)發(fā)據(jù)日本有關(guān)資料介紹，到21世紀(jì)初，65歲以上的高齡者占世界人口的25，開(kāi)發(fā)能安全、長(zhǎng)期植入人體內(nèi)新材料顯得更為主要。就金屬材料的使用爾言，不銹鋼占一半，其次是鈦及鈦合金。不銹鋼的耐磨性和生物相容性較差，它的加工優(yōu)良、成本低；鈦合金具有良好的耐腐蝕性和生物相容性，耐磨性較差。生物體用鈦合金，要求抗拉強(qiáng)度6001000MPa范圍，延伸率在628，鈦合金的優(yōu)良性能基

22、本上都滿足了。（3）鈦合金在生活用品和文體用品上的開(kāi)發(fā)最近幾年，日本在鈦上的應(yīng)用結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大變化，不是在軍工產(chǎn)品上，而是在民用生活用品和文體用品上的用量增長(zhǎng)非常顯著，消費(fèi)量達(dá)到1057噸。這一領(lǐng)域中，以眼鏡架的新開(kāi)發(fā)為代表，擴(kuò)展到許多領(lǐng)域。民生制品和文體用品由于需要冷軋或冷擠壓加工，要求高的強(qiáng)度，冷成型優(yōu)良的鈦合金。除了純鈦之外，就是鈦合金的特性了。鈦合金在固溶處理狀態(tài)是體心立方單相組織，此時(shí)有良好的熱加工特性，經(jīng)過(guò)時(shí)效處理析出六方晶格相，使其強(qiáng)度提高。希望在冷加工時(shí)加工應(yīng)力降低，不允許產(chǎn)生冷成型時(shí)的表面裂紋，同時(shí)要求能夠冷加工鍛造，冷擠壓成型后優(yōu)良。據(jù)此，日本住友金屬工業(yè)公司開(kāi)發(fā)了新型鈦合

23、金Ti-20V-3Al-1Sn合金。Ti-20V-3Al-1Sn合金具有良好的冷加工性能，可以利用現(xiàn)有的鋼鐵制造設(shè)備生產(chǎn)鈦合金，可以生產(chǎn)出板、棒、線材等產(chǎn)品。利用這些產(chǎn)品可進(jìn)行加工高爾夫球桿、球頭、自行車(chē)零部件，眼鏡架等民生制品和文體用品。3 鈦合金發(fā)展中影響工藝和性能的問(wèn)題自從美國(guó)首次研制成功的鈦合金以來(lái)，經(jīng)過(guò)五十年的發(fā)展歷史。在這期間，各國(guó)相繼發(fā)展了許多牌號(hào)的鈦合金，為鈦合金領(lǐng)域做出了貢獻(xiàn)。但是，與型和型鈦合金相比較，它所占的鈦市場(chǎng)總量比例很小（美國(guó)占1，獨(dú)聯(lián)體占3），而在發(fā)展中存在一些問(wèn)題。因此，國(guó)際上比較重視，已經(jīng)召開(kāi)了兩次鈦合金國(guó)際會(huì)議，針對(duì)鈦合金的特點(diǎn)，提出了一些現(xiàn)存在的問(wèn)題。這類(lèi)

24、鈦合金的成本比較高，主要來(lái)自配方成本，因?yàn)樗枰邼舛鹊母邇r(jià)格的穩(wěn)定元素（如Mo、V、Nb等）。由于純金屬的熔點(diǎn)和密度較高，必須采用Al-V、Al-Mo和Ai-Nb中間合金配入，可以減少合金的成本。這類(lèi)鈦合金在冶煉中容易產(chǎn)生偏析現(xiàn)象，影響鈦錠的質(zhì)量，就要求改善冶煉工藝，提高合金的成材率，使合金的成本盡量減少。鈦合金一般具有優(yōu)良的鑄造充滿特性，但偏析可能會(huì)限制某些鈦合金的應(yīng)用。鈦合金具有優(yōu)良的冷加工性能和冷成型性能，可以生產(chǎn)出多品種多規(guī)格的產(chǎn)品。由于它的模量低，強(qiáng)度高，常常會(huì)產(chǎn)生在工具設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮嚴(yán)重的彈性后效作用。鈦合金在固溶處理時(shí)，單相相比較穩(wěn)定。但在時(shí)效處理時(shí)，性能很不穩(wěn)定。由于具有較

25、寬的顯微組織區(qū)間，則在工藝過(guò)程中顯微組織發(fā)生變化（包括晶粒尺寸，晶界析出，初生針狀的變化），需要有精確的從顯微組織方面給予測(cè)性能的能力，這對(duì)于生產(chǎn)大型部件和鍛件非常重要。鈦合金在固溶狀態(tài)下具有單一的組織穩(wěn)定性，機(jī)械性能和物理性能比較穩(wěn)定，具有良好的冷加工性能，具有低的彈性模量（一般為6575GPa），與人體骨頭的彈性模量相近，適合于人體生物植入部件。時(shí)效處理，鈦合金性能不穩(wěn)定，也是鈦合金的主要缺陷，強(qiáng)度很高，塑性下降，彈性模量一般為103110GPa。鈦合金的機(jī)械加工性能較差，它的硬度高于一般鈦合金（一般大于洛氏硬度4550），加工成本高，機(jī)加工部件難度大。鈦合金適合于冷成型部件，具有良好的可

26、焊接性能，適合于300以下的溫度范圍。應(yīng)用成功的不多，其主要原因是多方面的，產(chǎn)品的成本太高是一個(gè)主要原因。在鈦合金是在綜合性能良好的這一驅(qū)動(dòng)力作用下開(kāi)發(fā)的，這些性能包括力學(xué)性能、物理性能、耐腐蝕性能、焊接性能和制造性能等。以后，這一驅(qū)動(dòng)力將繼續(xù)起作用。成本高的不利因素和其它因素，將在鈦合金的發(fā)展中得到解決，鈦合金在鈦市場(chǎng)中毅然具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。四 高溫鈦合金的發(fā)展?fàn)顩r1 高溫鈦合金的研究發(fā)展與應(yīng)用高溫鈦合金是隨著航空工業(yè)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的，其研制工作始于上世紀(jì)50年代初。世界上第一個(gè)研制成功的高溫鈦合金是Ti-6Al-4V，使用溫度為300350。隨后相繼研制出IMI550、BT3-1等合金，

27、使用溫度稍有提高，達(dá)400左右。60年代，各國(guó)先后研制成功了IMI679、IMI685、Ti-6246、Ti-6242等合金，使用溫度在450以上，均不超過(guò)500。目前已成功地應(yīng)用于軍用和民用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中的新型高溫合金有：英國(guó)的IMI829 、IMI834；美國(guó)的Ti1100合金；俄羅斯的BT18Y、BT36合金等。進(jìn)一步提高這些合金的工作溫度往往受到蠕變溫度、組織穩(wěn)定性和表面抗氧化能力的限制。美國(guó)冶金學(xué)家用0.5%1%Ta（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）代替IMI834合金中的Nb，稱為IMI834-Ta。IMI834-Ta合金的高溫性能和IMI834幾乎相同，600時(shí)屈服強(qiáng)度達(dá)580MPa、蠕變性能高于IMI

28、834。另外，在合金中添加硅和鐵是至關(guān)重要的問(wèn)題，硅能有效地改變?nèi)渥儚?qiáng)度；相反，增加鐵含量貴蠕變強(qiáng)度卻有致命的影響，鐵含量必須控制在0.015%以下。減少偏析程度和夾雜物，對(duì)提高高溫合金的性能有明顯的作用。近幾年國(guó)外把采用快速凝固/粉末冶金技術(shù)研制鈦合金作為高溫鈦合金的發(fā)展方向，使鈦合金的使用溫度可提高到650以上。美國(guó)麥道公司采用這種技術(shù)成功地研制出一種高純度、高致密性鈦合金，在760以下其強(qiáng)度相當(dāng)于目前室溫下使用的鈦合金強(qiáng)度。2 影響高溫鈦合金性能的因素（1）各向異性純鈦的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，決定著高溫鈦合金的基本相組成為+。研究表明低溫穩(wěn)定相具有較高的強(qiáng)度，其屈服強(qiáng)度約為相的四倍，其熱穩(wěn)定性也

29、明顯高于，而相具有較好的塑性。Inagaki在研究鈦合金超塑性時(shí)指出，增加相的量可以增加合金的延展性，合金元素在相內(nèi)的擴(kuò)散速度比在相內(nèi)高出2個(gè)數(shù)量級(jí)，在相周?chē)南啾∧?nèi)的變形是大量超塑性變形的起源。就變形能力而言，具有Bcc結(jié)構(gòu)的相由于其滑移系遠(yuǎn)多于Hcp結(jié)構(gòu)的相，所以相的變形能力要明顯優(yōu)于相的變形能力。（2）組織對(duì)合金性能的影響與鋼不同，鈦合金的組織在熱變形時(shí)就已定型，熱處理過(guò)程中不發(fā)生實(shí)質(zhì)性的變化。在鈦合金半成品的生產(chǎn)過(guò)程中，隨著變形條件的不同可獲得三類(lèi)基本顯微組織：第類(lèi)顯微組織（等軸組織），是均勻分布的混合組織，其中有初生的相和+混合組織。其初生的相含量與（+）相區(qū)固溶處理溫度有關(guān)，隨著

30、固溶處理溫度的提高，初生相含量減少；第類(lèi)顯微組織（網(wǎng)籃狀組織），這種組織的特點(diǎn)是保留下來(lái)的原始晶粒輪廓中存在著網(wǎng)籃編織的片狀結(jié)構(gòu)，初生組織被拉成片狀，其間分布著和的混合體；第類(lèi)顯微組織，是粗大的原始晶粒和晶內(nèi)的粗針或細(xì)針狀組織，這類(lèi)組織相對(duì)于類(lèi)和類(lèi)組織各方面性能都沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，在高溫鈦合金鍛造時(shí)基本不被采用。等軸組織（類(lèi)）相對(duì)于網(wǎng)籃狀組織（類(lèi)）具有較高的拉伸強(qiáng)度、好的塑性和優(yōu)良的疲勞裂紋產(chǎn)生抗力；而網(wǎng)籃狀顯微組織則具有高疲勞裂紋擴(kuò)展抗力、高斷裂韌性和優(yōu)異的抗蠕變性能。原則上在相變點(diǎn)以下50范圍內(nèi)熱加工，能獲得介于等軸組織和網(wǎng)狀組織之間的雙態(tài)組織，等軸相的含量隨鍛造溫度的提高而減少。這類(lèi)組織兼顧了等

31、軸組織強(qiáng)度及塑性好和網(wǎng)狀組織熱強(qiáng)性好的優(yōu)點(diǎn)，目前熱強(qiáng)鈦合金片普遍采用這種鍛造方式。（3）合金元素對(duì)合金性能的影響高溫鈦合金的發(fā)展主要方向是合金組元的多元化，目前主要的合金元素有Al、Mo、Zr、Sn、Si、Cr、V、Fe、W、Nb等，不同組元對(duì)合金性能的貢獻(xiàn)不同，研究各 合金組元的作用對(duì)高溫鈦合金的設(shè)計(jì)意義重大。（a）合金元素對(duì)轉(zhuǎn)變溫度的影響純鈦?zhàn)陨碓?82發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，鈦合金的轉(zhuǎn)變溫度是指它的/+相轉(zhuǎn)變溫度。合金元素根據(jù)其對(duì)轉(zhuǎn)變溫度的影響，可以分為三類(lèi)：提高轉(zhuǎn)變溫度的元素稱為穩(wěn)定元素，降低轉(zhuǎn)變溫度的元素稱為穩(wěn)定元素，介于兩者之間的元素稱為中性元素。中性元素在鈦合金中所起的某些作用與穩(wěn)定元

32、素相同，因此通常也被當(dāng)作穩(wěn)定元素來(lái)看待。合金元素分類(lèi)示意圖如圖1所示。合金元素和雜質(zhì)穩(wěn)定元素中性元素穩(wěn)定元素間隙元素置換元素置換元素置換元素間隙元素同晶型元素共析分解元素C N OZr SnHf GeAlHV Nb MoTaCr Fe Si WCu Ag AuMo圖1 鈦的合金元素分類(lèi)示意圖由于穩(wěn)定元素能提高相的穩(wěn)定溫度范圍，增加相的體積分?jǐn)?shù)，所以原則上添加穩(wěn)定元素可以提高合金的熱穩(wěn)定性和強(qiáng)度。鋁是鈦合金中最常用的穩(wěn)定元素，Rosenerg將其它穩(wěn)定元素的作用與鋁的作用進(jìn)行比較，提出了著名的鋁當(dāng)量經(jīng)驗(yàn)公式，來(lái)衡量鈦合金中穩(wěn)定元素的綜合作用： （1）相相對(duì)相塑性較高，添加穩(wěn)定元素能增加合金中相的

33、體積分?jǐn)?shù)，提高合金的塑性，同時(shí)+型鈦合金可通過(guò)熱處理改善性能。鈦合金中穩(wěn)定元素的綜合作用可以用Mo當(dāng)量來(lái)衡量： （2）式（1）和（2）中，代表合金M的重量百分?jǐn)?shù)。人們還采用相條件穩(wěn)定系數(shù)來(lái)衡量不同的穩(wěn)定元素對(duì)鈦合金相的穩(wěn)定作用。二元合金的值等于合金中穩(wěn)定元素含量C與該元素的臨界濃度之比，指通過(guò)淬火得到百分之百的組織所需該元素的最小濃度。對(duì)于同時(shí)含有幾種穩(wěn)定元素的合金，值等于各種穩(wěn)定元素的值之和，即： （3）目前，值、鋁當(dāng)量和鉬當(dāng)量是鈦合金分類(lèi)的基礎(chǔ)，它們和鈦的二元系、多元系實(shí)測(cè)相圖相結(jié)合，在鈦合金的相結(jié)構(gòu)以及組織和性能預(yù)測(cè)中發(fā)揮了一定的作用。例如，在高溫鈦合金的研制中，通過(guò)利用率當(dāng)量經(jīng)驗(yàn)，使合

34、金的蠕變強(qiáng)度與熱穩(wěn)定之間的矛盾得到了一定程度的調(diào)和。（b）合金元素對(duì)鈦合金強(qiáng)度的影響合金元素溶入鈦合金后都能起到固溶強(qiáng)化作用，這種固溶強(qiáng)化作用可以定性地解釋為：溶質(zhì)與周?chē)腡i原子形成強(qiáng)烈的、有方向性的局域電子鍵。其中相穩(wěn)定元素Al對(duì)Ti的固溶強(qiáng)化作用如圖2所示。從圖2中可以看出Al能提高Ti合金的強(qiáng)度，加入量達(dá)到1at.，Ti強(qiáng)度即可提高一倍。表1給出相穩(wěn)定元素對(duì)Ti的固溶強(qiáng)化效果，從表中可以看出，過(guò)渡族元素對(duì)Ti的平均強(qiáng)化能力約為30MPa/at.，顯然要弱于相穩(wěn)定元素的強(qiáng)化。有研究表明，合金元素的混合強(qiáng)化效果更好。表1 相穩(wěn)定元素對(duì)Ti的固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化率MPa合金元素VCrMnFeCo

35、NiCuMoPer wt.1921344648351427Per at.2023395459431854圖2 合金元素Al對(duì)Ti的固溶強(qiáng)化作用（c）合金元素造成第三相析出的影響由于Ti-Al二元相圖可知，Al加入量超過(guò)某一值時(shí)，在一定溫度范圍內(nèi)將析出具有有序的DO19結(jié)構(gòu)的Ti3Al相。自從1957年Crossley和Carew首先報(bào)道了Ti-8Al合金的脆性問(wèn)題，Solits研究證實(shí)了這一現(xiàn)象的原因在于Ti3Al相析出以來(lái)，各國(guó)科研工作者對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究。為了防止Ti3Al等脆性相的析出，保證合金有足夠的熱穩(wěn)定性，在合金化設(shè)計(jì)時(shí)必須將Al等穩(wěn)定元素的含量限制在一定的范圍內(nèi)。據(jù)此，R

36、osenberg等人提出了著名的鋁當(dāng)量限制性經(jīng)驗(yàn)公式，即： （4）后有人認(rèn)為這一值應(yīng)。大量試驗(yàn)工作驗(yàn)證，上述鋁當(dāng)量經(jīng)驗(yàn)公式的基本思想是正確的。高溫鈦合金在成分設(shè)計(jì)上只要遵循這一公式，就可以使合金的蠕變強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性矛盾得到一定程度的統(tǒng)一。但這一限制鋁當(dāng)量公式只是經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，它的出發(fā)點(diǎn)是基于鈦合金中穩(wěn)定元素可能在熱暴露過(guò)程中析出有序相Ti3X，而對(duì)Ti3X相的形成規(guī)律尚不清楚，不能確定Ti3X的析出溫度以及析出量，所以這一經(jīng)驗(yàn)公式只能對(duì)合金成分設(shè)計(jì)有指導(dǎo)作用，而對(duì)合金熱處理制度沒(méi)有指導(dǎo)作用。圖1中的穩(wěn)定元素中有部分是非共晶型的共析分解型穩(wěn)定元素，添加這一類(lèi)元素使合金在降溫或熱暴露過(guò)程中，可能會(huì)析

37、出含該元素的化合物顆粒，對(duì)合金的性能產(chǎn)生較大的影響。俄羅斯BT3-1高溫鈦合金的成分設(shè)計(jì)中添加1.52.5Cr和0.50.8Fe，由二元相圖可知這兩種元素是較強(qiáng)的穩(wěn)定元素。然而，含這兩種元素的-Ti相分別在660和590左右發(fā)生共析分解出脆性的Laves相TiCr2和TiFe，嚴(yán)重降低合金塑性，這是BT3-1高溫鈦合金沒(méi)有得到推廣應(yīng)用的主要原因。有Ti-Si二元相圖可看出，Si急劇降低Ti的熔化溫度，但對(duì)T相變溫度的影響不大（只從905將到887）。相能溶解較多的Si，在1340溶解度達(dá)到最大，約為3wt.，隨著溫度的降低，溶解度逐漸下降，析出Ti5Si3化合物相；溫度降低到1170，Si又以

38、Ti3Si的形式析出。Si在相中的溶解度較小，于887達(dá)到最大，也只有0.3wt.，溫度低于700時(shí)，Si在相中幾乎不溶解，以Ti3Si化合物形式從相中析出。若合金中起始Si含量大于0.3wt.，相在887發(fā)生共析分解。現(xiàn)在普遍接受固溶部分Si元素能提高高溫鐵合金的熱強(qiáng)性（抗蠕變和疲勞性能），所以高溫鈦合金設(shè)計(jì)中通常添加部分Si元素。一直以來(lái)，對(duì)Si提高合金熱強(qiáng)性的機(jī)理存在兩種解釋：一是認(rèn)為固溶在基體中的Si容易偏聚，形成氣團(tuán)，阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)；第二種解釋認(rèn)為在熱處理過(guò)程中，Si以大量的小顆粒硅化物彌散析出，能起到阻礙位錯(cuò)滑移的作用。經(jīng)過(guò)多年的研究，現(xiàn)在普遍認(rèn)為第一種是Si提高熱強(qiáng)性的主要機(jī)制。

39、大量研究表明：Zr對(duì)硅化物的析出產(chǎn)生較大的影響，含Si、Zr的高溫鈦合金在加工及熱處理、熱暴露過(guò)程中會(huì)析出(Ti,Zr)5Si3或(Ti,Zr)6Si3化合物。而且Zr在Ti中的擴(kuò)散速度要遠(yuǎn)小于Ti的擴(kuò)散速度，添加Zr元素，能減緩硅化物的析出和長(zhǎng)大速度，減輕硅化物對(duì)合金抗蠕變性能的不良影響。研究表明，由于W自身抗蠕變性能高，可以提高合金的熱強(qiáng)性。俄羅斯的BT25、BT25y和BT36合金設(shè)計(jì)中添加一定量的W元素，由Ti-W二元相相圖可知W在相中溶解度很小，745左右溶解度最大，約只有0.8wt.，600以下幾乎不溶解，并從相中析出富W的相。若起始合金中W含量超過(guò)0.8wt.，則在745左右將發(fā)

40、生偏析反應(yīng)，由于BT25系列合金中W含量在0.71.5wt.，理論上析出富W相的數(shù)量不超過(guò)2wt.，而且該相和殘余相具有相同的結(jié)構(gòu)，晶格參數(shù)相差不大，所以難以分辨，在有關(guān)此類(lèi)合金的研究中沒(méi)有關(guān)于該相的報(bào)道。除了上述合金化元素外，我國(guó)新型高溫鈦合金設(shè)計(jì)中均添加部分稀土元素，這是由于稀土元素和氧有著較高的結(jié)合能力，會(huì)降低和合金中的氧含量，從而起到提高合金熱穩(wěn)定性能的作用，同時(shí)氧化物的析出能細(xì)化晶粒，而提高合金性能。五 鈦鋁化合物為基的鈦合金與一般的鈦合金相比，鈦鋁化合物為基的Ti3Al（2）和TiAl（）金屬間化合物的最大優(yōu)點(diǎn)是高溫性能好（它們的最使用溫度分別為816和982）、抗氧化能力強(qiáng)、抗蠕

41、變性能好和重量輕（它們的密度與鈦合金相當(dāng)，只有鎳基高溫合金的1/2），這些優(yōu)點(diǎn)使其成為未來(lái)航空用發(fā)動(dòng)機(jī)及飛機(jī)結(jié)構(gòu)件最具競(jìng)爭(zhēng)力材料。目前，已有兩個(gè)Ti3Al為基的鈦合金Ti-21Nb-14Al和Ti-24Al-14Nb-3V-0.5Mo在美國(guó)開(kāi)始批量生產(chǎn)。Ti-21Nb-14Al合金已經(jīng)熔鑄出了3200kg重的鑄錠，并軋制出0.08mm×914mm×2438mm的箔材，其蠕變強(qiáng)度與鎳基高溫合金Inconel713相當(dāng)，最高韌性可達(dá)32MPa·m1/2，已制成高壓壓氣機(jī)機(jī)匣、高壓渦輪支承環(huán)、導(dǎo)彈尾翼和燃燒室噴管密封片等。Ti-24Al-14Nb-3V-0.5Mo合金通

42、過(guò)熱機(jī)械處理（TMP）可獲得具有良好強(qiáng)度、塑性的綜合機(jī)械性能：拉伸強(qiáng)度b893MPa、屈服強(qiáng)度0.2738MPa、延伸率26。上世紀(jì)80年代后期，鈦鋁為基的高溫鈦合金（如Ti-30Al-12Cr-15V）采用等溫軋制已軋制出尺寸為1.27mm×380mm×690mm的薄板。影響鈦鋁為基的合金迅速推廣應(yīng)用的主要障礙是在室溫下的低塑性，以及與其相關(guān)的低斷裂韌性和高裂紋擴(kuò)展速率。研究發(fā)現(xiàn)，在鈦鋁中加入Nb、V、Cr和Mn等合金元素可明顯改善其塑性，采用等溫軋制已軋出1.27mm×2400mm×3050mm的鈦鋁基合金薄板。在1149就能對(duì)超細(xì)晶的鈦鋁基合金進(jìn)行

43、SPF/DB處理，如Ti-46Al-3Cr合金熱機(jī)械處理后，在1100、1×104s1應(yīng)變速率下，流動(dòng)應(yīng)力為5MPa，可獲得450的伸長(zhǎng)率。可見(jiàn)，鈦鋁基合金良好的超塑成形性能，使它可以克服室溫塑性低、難加工成形的問(wèn)題，制造出了大型復(fù)雜的薄板結(jié)構(gòu)件和NASP用的機(jī)身和機(jī)翼壁板。進(jìn)來(lái)美國(guó)Texas儀器公司和Textron特殊材料公司聯(lián)合研制生產(chǎn)鈦鋁化合物箔材的新工藝的成功，無(wú)疑會(huì)促進(jìn)鈦鋁化合物在航空航天構(gòu)件上的應(yīng)用。該工藝是現(xiàn)進(jìn)等離子噴射成形技術(shù)制得薄板，然后經(jīng)過(guò)冷軋而成箔材。采用此工藝生產(chǎn)鈦鋁化合物箔材，可使其價(jià)格較化銑的下降4倍多，即下降到1540美元/kg，材料利用率也由56提高到

44、80以上。使用高能球磨和熱等靜壓技術(shù)可生產(chǎn)出完全致密的鈦鋁金屬間化合物構(gòu)件，其室溫塑性可達(dá)5。另外，在提高鈦鋁化合物抗氧化性方面也取得了一些進(jìn)展。日本東北工業(yè)技術(shù)研究所通過(guò)鈦鋁合金與SiC復(fù)合，在氧氣氛中加熱，在合金表面上能生產(chǎn)氧化鋁的保護(hù)薄膜，以防止氧化，使抗氧化性能飛速提高。鈦鋁合金在1000經(jīng)20h，增加22重量，而新合金在1100經(jīng)60h，僅增加0.1重量，在1200，僅增加0.6重量。美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和NASA路易斯研究中心共同開(kāi)發(fā)出一種簡(jiǎn)單、低成本的提高鈦鋁化合物抗氧化性的方法，且效果良好。該方法是將鈦鋁化合物試樣經(jīng)過(guò)噴丸處理，然后用磷酸溶液（在水中含磷酸85）進(jìn)行噴涂處理。最

45、后一道工序是在200旋轉(zhuǎn)甩干，在置于400下鍛燒30分鐘。在試驗(yàn)過(guò)程中，經(jīng)處理和未經(jīng)處理的Ti-48Al-2Cr-2Nb（原子分?jǐn)?shù)）鈦鋁化合物試樣在大氣中800下進(jìn)行周期性氧化500h（1824h為一個(gè)循環(huán)）。試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)處理試樣的氧化速率比未經(jīng)處理的試樣降低了近2個(gè)數(shù)量級(jí)。六 鈦合金半成品的蝕洗在鈦合金半成品的生產(chǎn)中，表面清理是必要的環(huán)節(jié)，目的是清除氧化皮、防護(hù)潤(rùn)滑圖層（在采用表面涂層的情況下），剝除吸氣層和對(duì)半成品表面進(jìn)行光亮處理。氧化皮和吸氣層的去除過(guò)程是相當(dāng)復(fù)雜的，這是因?yàn)檠趸づc基體金屬牢固地連接在一起，并在一系列浸蝕性介質(zhì)中具有高的耐腐蝕性。二氧化鈦具有兩性性能，是化學(xué)穩(wěn)定的氧

46、化物。它是難以溶解的，實(shí)際上既不溶解于水又不溶解于稀釋的酸、堿溶液；只有氫氟酸才能夠溶解TiO2并形成氧氟鈦酸。二氧化鈦在濃硫酸中的溶解非常緩慢，但是在熔融堿中容易過(guò)渡到溶解狀態(tài)。1 半成品主要表面清理方法半成品的表面清理可用機(jī)械、化學(xué)和電化學(xué)方法實(shí)現(xiàn)。機(jī)械清理方法主要靠砂輪打磨。化學(xué)方法和電化學(xué)方法的分類(lèi)如圖3所示。（1）化學(xué)方法化學(xué)方法是工業(yè)上使用最多的是鈦合金半成品表面清理方法。通常，表面清理分為兩個(gè)階段進(jìn)行，去除氧化皮或者使其破碎（疏松），在酸溶液中對(duì)吸氧層進(jìn)行腐蝕。去除氧化皮應(yīng)采用溫度為380450的熔融堿。在此情況下，二氧化鈦與堿熔合形成在隨后酸洗時(shí)易于去除的鈦酸鹽。蝕洗或者在酸溶

47、液中進(jìn)行，以去除鈦酸鹽，或者在專門(mén)用于去除吸氣層的溶液中進(jìn)行。兩階段表面清理方法，即通常所謂的酸堿方法，在蘇聯(lián)及國(guó)外都得到了廣泛的推廣。該方法可以去除各種狀態(tài)的不同鈦合金的氧化皮，是所有表面清理方法中最有效和生產(chǎn)率最高的方法。該方法優(yōu)點(diǎn)還有：去除氧化皮時(shí)，金屬的損失不在熔融鹽堿中處理酸 洗去除氧化皮去除氧化皮去除吸氣層表面光亮處理 (a) 化學(xué)方法在熔融鹽堿中處理酸 洗去除氧化皮去除氧化皮(b) 電化學(xué)方法圖3 半成品的化學(xué)和電化學(xué)的表面清理方法多、酸洗槽的生產(chǎn)能力提高，不必用機(jī)械的方法預(yù)先疏松氧化皮。堿酸表面清理方法可保證獲得最高的表面質(zhì)量。除堿酸蝕洗方法外，還可采用酸洗法表面清理。可在酸溶

48、液中進(jìn)行蝕洗的是：帶有氧化色類(lèi)型薄氧化層的半成品、以機(jī)械方法預(yù)先破碎了氧化皮的半成品，例如退貨狀態(tài)或熱軋狀態(tài)和溫軋狀態(tài)的板狀半成品。酸洗的主要目的是去除預(yù)先進(jìn)行了堿洗或者經(jīng)過(guò)平整的半成品上的吸氣層，并進(jìn)行表面光亮處理。眾所周知，要使鈦合金酸洗速度相當(dāng)高，只有在含有氫氟酸或者氫氟酸鹽的溶液中才能實(shí)現(xiàn)。實(shí)際上酸洗是在H2SO4、HCl、HNO3溶液中，或者以HF的形式，或者以氫氟酸的鹽的形式加入氟離子的混合酸溶液中進(jìn)行。由于鈦在含氟介質(zhì)中的腐蝕比氧化物快，由于氧化物皮致密而又不均勻，基體金屬也會(huì)發(fā)生局部的表面腐蝕并惡化表面質(zhì)量。酸性蝕洗方法的主要缺點(diǎn)是酸溶液的活性隨著鈦在其中的聚集而迅速降低，因此

49、而導(dǎo)致頻繁更換酸洗液及中和廢液。當(dāng)去除氧化皮時(shí)，特別是腐蝕吸氣層時(shí)，鈦合金的酸洗過(guò)程中引起機(jī)體金屬的滲氫，從而使鈦合金的脆化。所以，鈦合金酸洗的主要問(wèn)題之一就是減少滲氫。鈦合金的滲氫既與酸洗條件（溶液溫度、酸洗劑成分）有關(guān)，又與合金的組織狀態(tài)及相組成有關(guān)。實(shí)踐中應(yīng)選擇合金滲氫非常少的酸洗條件。對(duì)某些半成品好要進(jìn)行真空退火，以去除在化學(xué)處理過(guò)程中吸收的氫。我們公司對(duì)半成品的蝕洗方法采用的是酸性蝕洗的方法。酸洗溶液是由HNO3溶液和HF溶液再加水混合而成的，以去除鈦合金表面的氧化皮。（2）電化學(xué)方法半成品的電化學(xué)表面清理方法，是完善的化學(xué)清理方法。電解蝕洗由于在電流作用下對(duì)溶液的電解作用而析出氧或

50、氫，可加快清理過(guò)程。電解清理還可在含有氟離子的溶液中進(jìn)行。通常可進(jìn)行電流換向：開(kāi)始進(jìn)行陰極處理，然后進(jìn)行陽(yáng)極處理，這種循環(huán)應(yīng)多次重復(fù)。在電解表面清理時(shí)，鈦的吸氫量比采用各種化學(xué)處理方法時(shí)少得多。氧化皮可僅僅依靠陽(yáng)極極化的作用，以電化學(xué)的方法來(lái)去除。必需的表面清理?xiàng)l件是保持規(guī)定的電流和電壓規(guī)范。鈦合金也可在高溫熔融堿和在酸溶液電解蝕洗條件下清理表面的氧化皮。這兩種方法不會(huì)腐蝕表面，也不會(huì)吸氫。電解蝕洗在運(yùn)動(dòng)的帶材上進(jìn)行，即在連續(xù)蝕洗機(jī)組上進(jìn)行較為合適。這時(shí)，與不銹鋼蝕洗相類(lèi)似的無(wú)接觸雙極蝕洗是可進(jìn)行的。當(dāng)采用無(wú)接觸酸洗方法時(shí)，運(yùn)動(dòng)帶材不直接通電，運(yùn)動(dòng)帶材的極化率根據(jù)輔助電極在蝕洗槽中的極性而變化

51、。對(duì)于這種電解蝕洗方法，必須安裝兩個(gè)串聯(lián)的蝕洗槽（兩個(gè)裝入熔融堿的蝕洗或者一個(gè)是堿槽，另一個(gè)是酸槽）。雖然電解蝕洗效果很高，但是這種表面清理方法在工業(yè)上暫時(shí)還未能獲得大量的使用，其原因是該方法的使用比較復(fù)雜，費(fèi)用也顯著高于其它的清理方法。但是它對(duì)于連續(xù)蝕洗而言，它卻是最有前途的。2 半成品表面化學(xué)清理使用的酸溶液鈦合金在酸溶液中進(jìn)行蝕洗的目的是去除低溫氧化皮、高溫氧化皮、吸氣層和對(duì)半成品表面進(jìn)行光亮處理。蝕洗槽中的主要蝕洗組分為氫氟酸。鈦在氫氟酸溶液中會(huì)按照2Ti+6HF2TiF3+3H2反應(yīng)很快地溶解。實(shí)際上，鈦合金的酸洗可在氫氟酸溶液中或者在含有硝酸、鹽酸、硫酸或其混合劑的氫氟酸鹽溶液中進(jìn)

52、行。鈦合金的酸洗伴隨著金屬表面的滲氫，而滲氫率則取決于酸液的成分、溫度規(guī)范、酸洗時(shí)間，以及鈦合金的組織和相組成。向氫氟酸溶液中加入硝酸，可顯著減少鈦合金的滲氫量。早先，這種組分的溶液是推薦去除鈦及其合金的氧化層，但是后來(lái)則開(kāi)始采用HF-HNO3溶液來(lái)酸洗去除鈦合金的吸氣層，剝除氧化色類(lèi)型的低溫氧化物。硝酸-氫氟酸溶液可最廣泛的用于經(jīng)HF-H2SO4和HF-HCl溶液酸洗后的鈦及其合金的表面光亮處理。以氫氟酸和硫酸、氫氟酸和鹽酸為基的溶液，在工業(yè)中既可用于去除預(yù)先以機(jī)械方法疏松的氧化皮，又可用于剝除在堿熔體中去除氧化皮后的吸氣層。向氫氟酸溶液中加入無(wú)機(jī)酸（HNO3，H2SO4，HCl）對(duì)鈦合金的

53、酸洗速度和滲氫量可產(chǎn)生不同的影響。加入硫酸可略微加速酸洗過(guò)程，并使?jié)B氫量有所減少。向0.5當(dāng)量濃度HF中加入數(shù)量達(dá)2當(dāng)量濃度的鹽酸，可使鈦合金的腐蝕速度幾乎提高1倍，進(jìn)一步增加HCl則不影響溶解。合金的滲氫隨著HCl濃度的提高而增加，在所有濃度下，滲氫都比在含有H2SO4的溶液中多。加入硝酸可降低酸洗速度，并同時(shí)降低鈦合金的滲氫率。但是鈦合金在硝酸-氫氟酸溶液中酸洗時(shí)的滲氫量，在很大程度上與硝酸和氫氟酸的比例有關(guān)，并且當(dāng)溶液中硝酸濃度提高時(shí)，會(huì)急劇減少。無(wú)論在HF-H2SO4，HF-HCl溶液中酸洗，或者在HF-HNO3溶液中酸洗，滲氫量取決于合金的組織和相組成。在硝酸-氫氟酸溶液中酸洗有助于

54、獲得高光潔度等級(jí)的表面。盡管無(wú)機(jī)酸參與HF溶液溶解鈦合金過(guò)程的程度不同，但是它們的存在有助于提高工作能力。在氫氟酸含量相同的情況下，含有硝酸的溶液具有最低的工作能力。HF-HNO3-H2O系是具有很大實(shí)際意義的系，因?yàn)樗瓤捎糜趧兂辖鸬臐B氫層，有可用于+和鈦合金的酸洗及化學(xué)銑切，還可用于各種合金的表面光亮處理。用硝酸-氫氟酸溶液酸洗的過(guò)程具有很小的滲氫量，因?yàn)榧尤氲南跛崾顷帢O去極化劑，可使合金的電位移向氫離子放電有困難的陽(yáng)極區(qū)。向HF中加入硝酸時(shí)，合金的溶解速度提高，當(dāng)合金過(guò)渡到鈍化狀態(tài)時(shí)，先通過(guò)最大值，然后則下降。隨著氫氟酸的贈(zèng)加，溶解速度的最大值向較大硝酸濃度側(cè)偏移。在含有20 HNO3

55、和4.5 HF的溶液中，鈦的溶解較多。而且決定硝酸和氫氟酸比例的不但有溶解速度，還有表面纖維形貌的變化，不管是在含有30 HNO3和30以上 HNO3的溶液中酸洗時(shí)金屬溶解量的多少，表明粗糙度實(shí)際上都一樣，都有未處理到的表面。當(dāng)HNO3的濃度降低到20以下時(shí)，表明粗糙度提高。所以，根據(jù)酸洗工序目的和合金類(lèi)型（其組織狀態(tài)和相組成）及對(duì)半成品提出的要求，以硝酸和氫氟酸為基的溶液組分可以是不同的。鈦合金使用最多的是低濃度的HF和HNO3溶液，例如10 HNO3和2HF溶液。中等濃度的硝酸和氫氟酸溶液（4-5）HF+20 HNO3具有最高的酸洗活性，可用于處理不趨向大量吸氫的+鈦合金。反之，兩相合金則

56、必須在更高的硝酸含量下進(jìn)行酸洗，其目的是提高介質(zhì)的氧化性能，從而減少合金在酸洗過(guò)程中的滲氫量。鈦合金由于吸氫強(qiáng)烈，其酸洗只有在對(duì)應(yīng)合金正電位的強(qiáng)氧化性介質(zhì)中酸洗的條件下，在高濃度的HF和HNO3溶液中才能進(jìn)行，例如在（4-5）HNO3中進(jìn)行酸洗。與或相組織的單相鈦合金不同，+兩相鈦合金根據(jù)合金及溶液的不同，會(huì)具有不同的酸洗特征。例如，Ti-Al-Mo系鈦合金，在對(duì)應(yīng)于活性溶解區(qū)（負(fù)電位區(qū)）時(shí)，在含有HCl、H2SO4甚至HNO3的HF溶液中酸洗，會(huì)在表面形成不能沖洗去除的黑色薄膜。表面發(fā)黑是由各相的不同腐蝕性和一相組分的聚集造成的。鈦合金的光亮酸洗可在高氧化性能的溶液中進(jìn)行。鈦合金表明的光亮處理用的溶液應(yīng)該由HF和HNO3組成，其比例應(yīng)在正電位下保證酸洗的進(jìn)行。這樣的溶液為下列成分：（1520）HNO3和（0.50.8）HF，以及濃度高的溶液（4-6）HF+40HNO3，這些溶液的優(yōu)點(diǎn)是可同時(shí)進(jìn)行鈦合金的酸洗和光亮處理。七 制造二廠的主要生產(chǎn)狀況我從進(jìn)入公司的第一天起就在制造二廠工作，到現(xiàn)在已經(jīng)近八個(gè)月了。在這段時(shí)間