钛工业新技术的发展

1、钛工业新技术的发展钛工业新技术的发展钛合金研究所钛合金研究所 trcnintrcnin 被称为崛起的被称为崛起的“第三金属第三金属”的钛因性能优良，在航空航天、的钛因性能优良，在航空航天、化工冶金、能源电力、船舶汽车制造、建筑、文体用品中具有化工冶金、能源电力、船舶汽车制造、建筑、文体用品中具有广阔的应用前景。然而钛的提取、熔炼、加工和设备制造的工广阔的应用前景。然而钛的提取、熔炼、加工和设备制造的工艺复杂，能耗高，成本高；因而钛材价格是普通钢的十几倍至艺复杂，能耗高，成本高；因而钛材价格是普通钢的十几倍至二十几倍，是不锈钢的二十几倍，是不锈钢的58倍，严重地阻碍了钛的应用和发展。倍，严重地阻

2、碍了钛的应用和发展。降低成本的途径主要有四条：降低成本的途径主要有四条： 扩大生产规模；扩大生产规模； 降低原料和能量消耗，提高冶炼厂的金属回收率、加降低原料和能量消耗，提高冶炼厂的金属回收率、加工厂的工厂的 成材率和设备制造厂的成品率；成材率和设备制造厂的成品率； 研究新技术新工艺；研究新技术新工艺； 开发研制低成本新型钛合金。开发研制低成本新型钛合金。trcnin 钛的冶炼钛的冶炼 现阶段钛的冶炼方法主要为：现阶段钛的冶炼方法主要为： kroll镁还原法；镁还原法； 导电体介入还原法导电体介入还原法(emr)； hunter法；法； armstrong法。法。trcnin海绵钛的生产方法海

3、绵钛的生产方法-镁还原法镁还原法trcninbefore crushing after crushingti sponge:trcnin 英国剑桥大学、日本京都大学分别报道了英国剑桥大学、日本京都大学分别报道了“ffc剑桥工剑桥工艺艺”和和“os京都工艺京都工艺”生产电解钛的新方法生产电解钛的新方法(20022003)fcc cambridge 法法trcninfcc cambridge 原理图原理图os 原理图原理图以上新工艺缩短了海绵钛的生产周期，可大大提高海绵钛的生产率以上新工艺缩短了海绵钛的生产周期，可大大提高海绵钛的生产率trcnin 由于由于ffc存在固相传质，电解效率较低，西北有

4、色金存在固相传质，电解效率较低，西北有色金属研究院杜继红等人利用电解化学反应原理，探索出了在属研究院杜继红等人利用电解化学反应原理，探索出了在tio2中加入中加入caco3，提高了电解效率，提高了电解效率trcnin 钛合金研究钛合金研究 近年来，钛合金的研发一直十分活跃。近期国内外近年来，钛合金的研发一直十分活跃。近期国内外研制的钛合金主要有：研制的钛合金主要有：bt37、ct20、ti-600、ti-60、7715d、ti-40、ti-26、ti-6al-4v-2mo-1fe+10vol.% tib2,tp-650、橡胶金属、橡胶金属、ti-b19、ti-91等，这些合金等，这些合金可以满

5、足不同构件对材料应用性能的要求，如可以满足不同构件对材料应用性能的要求，如ct20合金合金是一种应用于火箭发动机液氢管路的新型低温钛合金；是一种应用于火箭发动机液氢管路的新型低温钛合金；timetal 511合金、合金、ti-b19合金和合金和ti-91合金等因具有良好合金等因具有良好的韧性、抗腐蚀性和透声性等，将有望用于大型舰船制的韧性、抗腐蚀性和透声性等，将有望用于大型舰船制造和海洋工业中。造和海洋工业中。trcnin 钛合金研究钛合金研究 高温钛合金高温钛合金 国内发展的国内发展的600用钛合金用钛合金ti60和和ti600合金均是以合金均是以ti-a1-sn-zr-mo-si等高温系的

6、基础上加入少量的稀土元素等高温系的基础上加入少量的稀土元素nd，通过内氧化方式形成富有通过内氧化方式形成富有nd、sn和和o的稀土相，降低基体的稀土相，降低基体中的氧含量，从而起到净化基体，改善合金热稳定性的作中的氧含量，从而起到净化基体，改善合金热稳定性的作用，同时稀土第二相粒子的析出强化改善了其高温强度和用，同时稀土第二相粒子的析出强化改善了其高温强度和蠕变性能。蠕变性能。 特别是西北有色金属研究院特别是西北有色金属研究院(nin)自主研发的自主研发的600 c高高温钛合金，合金中含有少量的温钛合金，合金中含有少量的y，使合金在保证较高高温强，使合金在保证较高高温强度的同时，具有稳定的蠕变

7、性能。度的同时，具有稳定的蠕变性能。trcnin拉伸性能：拉伸性能： （ 2mm板材）板材）rm1075mpa；rp0.2987mpa； a12； z18%蠕变性能：蠕变性能： 600 c/150mpa/100h redu=0.03； 650 c/100mpa/100h redu= 0.07。ti600的性能的性能trcnin 钛基复合材料是钛基复合材料是600 c以上温度使用钛合金的延伸，以上温度使用钛合金的延伸， tp-650合金是合金是nin自主研发的自主研发的tic颗粒增强的钛基复合材颗粒增强的钛基复合材料，其设计使用温度为料，其设计使用温度为650 c,该合金具有高的比强度、该合金具

8、有高的比强度、比刚度和良好的耐蚀性能，具有良好的综合力学性能比刚度和良好的耐蚀性能，具有良好的综合力学性能tp650复合材料复合材料trcnin 50万个复合材料（万个复合材料（ti-6al-4v-2mo-1fe+10vol.% tib2）汽车发动机排气阀必用在）汽车发动机排气阀必用在 toyota alzeta汽车上。汽车上。trcnin 美国坩锅材料公司通过冷壁坩锅熔炼技术和氩气雾化法，用钛美国坩锅材料公司通过冷壁坩锅熔炼技术和氩气雾化法，用钛锭，锭，alv中间合金，碳化钛，硼化钛制成复合材料粉末，再经中间合金，碳化钛，硼化钛制成复合材料粉末，再经1000/103mpa/3hr热等静压制成

9、挤压坯，经热等静压制成挤压坯，经9：1挤压成挤压成12mm的棒材。的棒材。trcnin有望进一步提高钛合金使用温度的合金： 700c：o相tial合金 800： -tial合金变形困难，塑性低变形困难，塑性低trcnin 损伤容限型钛合金损伤容限型钛合金 在在bt37、bt22型高强合金的改型上，如型高强合金的改型上，如vt22pt (0.25c+0.2b)，它比，它比bt22具有更高的室温、中温强度及蠕具有更高的室温、中温强度及蠕变持久性能变持久性能; tc21高强高韧损伤容限型钛合金高强高韧损伤容限型钛合金ti-bl9高强高韧耐蚀钛合金高强高韧耐蚀钛合金tc4-dt中强高韧钛合金中强高韧钛

10、合金国内研制情况：国内研制情况：国外研制情况：国外研制情况：trcnintc21ti-bl9tc4-dt几种损伤容限型钛合金的性能对比几种损伤容限型钛合金的性能对比西北有色金属研究院研制的高强韧损伤容限型钛合金西北有色金属研究院研制的高强韧损伤容限型钛合金ti-al-sn-zr-mo-cr-nb-si ti-al-sn-zr-mo-cr-nb-si 系系两相钛合金两相钛合金uts = 1100 mpa, ys = 1000 mpa, el = 8%, ra =12% uts = 1100 mpa, ys = 1000 mpa, el = 8%, ra =12% k kicic = 70 mpa

11、 = 70 mpa m m，疲劳裂纹扩展速率疲劳裂纹扩展速率da/dn da/dn 同同 ti-6-4ti-6-4合金相当合金相当tc21trcnin美国美国timettimet公司与美国和海军联合开发了一种具有强度适中，公司与美国和海军联合开发了一种具有强度适中，韧性高、焊接性能好的近韧性高、焊接性能好的近 钛合金钛合金 名义化学成分名义化学成分：ti-5al-1zr-1sn-1v-0.8mo-0.1siti-5al-1zr-1sn-1v-0.8mo-0.1si 特点：特点：良好的断裂韧性及抗氧化腐蚀性能。其冲击韧性约为良好的断裂韧性及抗氧化腐蚀性能。其冲击韧性约为ti-ti-6al-4v6

12、al-4v的的3 3倍倍具有良好的室温蠕变性能具有良好的室温蠕变性能易于焊接，可以进行大规格型材的焊接，主要用于舰船易于焊接，可以进行大规格型材的焊接，主要用于舰船制造和海洋工程制造和海洋工程trcnin几种合金断裂韧性比较几种合金断裂韧性比较 加入加入0.05%pd0.05%pdtimetal timetal 5111pd5111pd，提高耐缝隙腐蚀性能，提高耐缝隙腐蚀性能几种合金的耐蚀性能比较几种合金的耐蚀性能比较trcninti-al-mo-zr-cr-v系系 特点：特点：具有高强度（具有高强度（ 1250mpa）具有很好的韧性（具有很好的韧性（kic 70mpa m），在相同），在相同

13、的断裂韧性条件下，的断裂韧性条件下，ti-b19比比 c的强度高的强度高50100mpa西北有色金属研究院研制，弹射装置用缸体用材西北有色金属研究院研制，弹射装置用缸体用材trcnintrcninalloy g/cm3thermal treatmentconditionutsmpaysmpaelra c(ti-38644)4.821097 c/5hac+816 c/0.5ac+534 c/24hac117311034.59.21097 c/5hac+927 c/0.5ac+510 c/24hac1178112012.515.8ti-b204.70780 cwq+500 c ageing1536

14、14878.033780 cac+550 c ageing142913711041 ti-b20 nin自主研发的一种自主研发的一种 钛合金。固溶强化后，合金的最钛合金。固溶强化后，合金的最大拉伸强度为大拉伸强度为1400 mpa，延伸率为，延伸率为8 10，断面收缩率，断面收缩率为为30 40%。西北有色金属研究院研制，舰船导流罩装置用透西北有色金属研究院研制，舰船导流罩装置用透声钛合金，用于我国舰船声纳装置声钛合金，用于我国舰船声纳装置 名义化学成分名义化学成分： ti-3.5al-1v-1fe-0.5zr特点特点：良好的机械性能，透声性能和冷成型性能良好的机械性能，透声性能和冷成型性能t

15、rcnintrcnin 低成本钛合金低成本钛合金 以廉价的合金化元素如以廉价的合金化元素如fe、si等代替昂贵的等代替昂贵的v，mo、nb等元素，实等元素，实现原材料成本降低三分之一。现原材料成本降低三分之一。几种低成本钛合金的室温机械性能几种低成本钛合金的室温机械性能alloyuts / mpays / mpael / %ra / %alloy typedesignationerti8lc118011201636near + nin(china)ti12lc120011002048near nin(china)ti62s10249961426near americantimetal lcb1

16、05010051649near americantrcnin 橡胶金属橡胶金属 “gum metal,” ： 超低模量超低模量40 gpa 、高的强度、高的强度2000 mpa ； 超塑性性能超出正常超塑性性能超出正常 2.5%； 非线性塑性变形行为；非线性塑性变形行为； 冷加工性能可达冷加工性能可达 99.9% ，无加工硬化；，无加工硬化； 成分：成分： ti + 25 mole % (ta, nb, v) + (zr, hf, o)trcnin 钛合金熔炼钛合金熔炼 钛熔炼技术的进步：电子束冷床炉钛熔炼技术的进步：电子束冷床炉(eb) 等离子冷床炉（等离子冷床炉（plamsa）熔炼）熔炼乌

17、克兰的乌克兰的antares公司公司trcnin凝壳凝壳自耗电极熔炼技术：自耗电极熔炼技术： 俄罗斯发展的一种类似于冷床炉的新型熔炼技术，其特点：俄罗斯发展的一种类似于冷床炉的新型熔炼技术，其特点：能有效去除熔融金属中密度和熔点高于基体金属的颗粒；能有效去除熔融金属中密度和熔点高于基体金属的颗粒；难熔金属组元可以纯金属的形式加入；难熔金属组元可以纯金属的形式加入；可制备异型铸锭；可制备异型铸锭；同时可大量回收利用残钛；同时可大量回收利用残钛；炉子造价比冷床炉的低，耗电量较小。炉子造价比冷床炉的低，耗电量较小。 一次熔炼采用该工艺，二次采用真空自耗进行熔炼一次熔炼采用该工艺，二次采用真空自耗进行

18、熔炼 trcnin 电渣重熔炉电渣重熔炉 (esr): esr 和和 var的区别是电极熔滴经过熔渣进入熔的区别是电极熔滴经过熔渣进入熔池而被提纯了，非金属的杂质和熔渣发生反应，由池而被提纯了，非金属的杂质和熔渣发生反应，由于属于非直接结晶，消除了中心结晶孔，提高了均于属于非直接结晶，消除了中心结晶孔，提高了均匀性，目前德国的匀性，目前德国的ald公司已可用公司已可用 esr生产长方形生产长方形扁锭。扁锭。trcnin在惰性气体保护下在惰性气体保护下ald真空技术电渣重熔炉真空技术电渣重熔炉trcnin 置氢脱氢处理技术置氢脱氢处理技术 置氢脱氢处理技术是通过氢的可逆合金化作用，即置氢脱氢处理

19、技术是通过氢的可逆合金化作用，即利用钛合金的吸氢放氢过程，可以把氢作为一种临时性利用钛合金的吸氢放氢过程，可以把氢作为一种临时性的合金元素，使钛合金具有良好的热加工性能，待加工完的合金元素，使钛合金具有良好的热加工性能，待加工完毕后，通过真空去氢处理，使材料的氢含量恢复到常温下毕后，通过真空去氢处理，使材料的氢含量恢复到常温下的安全水平，对钛合金的微观组织、力学性能和加工性能的安全水平，对钛合金的微观组织、力学性能和加工性能进行调整的一种新兴热加工技术。进行调整的一种新兴热加工技术。 钛加工钛加工trcnin 运用氢处理技术提高钛合金性能的途径有两种：运用氢处理技术提高钛合金性能的途径有两种：

20、 利用氢增塑效应；利用氢增塑效应； 利用氢处理细化钛合金的微观组织。利用氢处理细化钛合金的微观组织。 trcnin 氢增塑效应氢增塑效应 在钛合金超塑性成形之前加入适量的氢，降低合金的最在钛合金超塑性成形之前加入适量的氢，降低合金的最佳应变速率敏感性指数佳应变速率敏感性指数m和延伸率，使形变激活能升高，降和延伸率，使形变激活能升高，降低超塑性变形时的流变应力，达到改善钛合金超塑性性能的低超塑性变形时的流变应力，达到改善钛合金超塑性性能的目的。目的。 对对ti-6a1-4v合金来说，在给定温度的超塑性变形条件合金来说，在给定温度的超塑性变形条件下，氢含量为下，氢含量为0.17wt%时可到降低流变

21、应力和增加时可到降低流变应力和增加m 值的作值的作用，同时使合金的超塑变形温度降低用，同时使合金的超塑变形温度降低100以上（由以上（由900降降低至低至785）。）。trcnin 氢处理细化钛合金的微观组织氢处理细化钛合金的微观组织 结合塑性变形技术制备超细晶钛合金，使钛合金在较结合塑性变形技术制备超细晶钛合金，使钛合金在较低的变形温度和较高的变形速率下具有优异的超塑性性能。低的变形温度和较高的变形速率下具有优异的超塑性性能。600 700 c，如将，如将ti-6al-4v中添加中添加0.5wt%h, 合金晶粒尺合金晶粒尺寸可降低至寸可降低至0.3 0.5 m；变形温度为；变形温度为800

22、c, 应变速率为应变速率为1.0 10-3s-1时，合金的延伸率将高达时，合金的延伸率将高达 6000%。 trcnin 氢处理细化钛合金的微观组织氢处理细化钛合金的微观组织 结合塑性变形技术制备超细晶钛合金，使钛合金在较结合塑性变形技术制备超细晶钛合金，使钛合金在较低的变形温度和较高的变形速率下具有优异的超塑性性能。低的变形温度和较高的变形速率下具有优异的超塑性性能。 600 700 c时，如将时，如将ti-6al-4v中添加中添加0.5wt%h, 合金合金晶粒尺寸可降低至晶粒尺寸可降低至0.3 0.5 m；变形温度为；变形温度为800 c, 应变速应变速率为率为1.0 10-3s-1时，合

23、金的延伸率将高达时，合金的延伸率将高达 6000%。 trcnin spfdb（超塑性成型扩散连接）技术（超塑性成型扩散连接）技术 在航空航天部件的生产上已得到越来越广泛的应用。在航空航天部件的生产上已得到越来越广泛的应用。超塑性成型结构可使成本节省超塑性成型结构可使成本节省2040。 晶粒的超细化不仅使材料在常温下具有优异的力学性晶粒的超细化不仅使材料在常温下具有优异的力学性能，高应变速率超塑性或低温超塑性的实现，有利于提高超能，高应变速率超塑性或低温超塑性的实现，有利于提高超塑成形的效率及节省能源和降低模具的损耗塑成形的效率及节省能源和降低模具的损耗 在细晶超塑性研究中，首先要获得等轴细在

24、细晶超塑性研究中，首先要获得等轴细晶组织晶组织 trcnin 大塑性变形制备细晶的方法大塑性变形制备细晶的方法 利用大变形量获得超细晶材料：截面挤压利用大变形量获得超细晶材料：截面挤压(e-cap)、高、高压扭转变形压扭转变形(torsion straining under high pressure)、多、多道次轧制、高温多重等温锻造以及压缩变形等。道次轧制、高温多重等温锻造以及压缩变形等。 其中获得工业应用的主要有等温锻造工艺，目前我国已其中获得工业应用的主要有等温锻造工艺，目前我国已研制出万吨数控等温钛合金锻造液压机，其技术性能指标达研制出万吨数控等温钛合金锻造液压机，其技术性能指标达到

25、世界先进水平。该机的等温锻造超塑性成型速度可达到到世界先进水平。该机的等温锻造超塑性成型速度可达到0.005 0.05mms。trcnin 利用大塑性变形法，已在利用大塑性变形法，已在tc4、tc11、ti-10-2-3、tial等合金中获等合金中获得了亚微米晶或纳米晶，变形温度为得了亚微米晶或纳米晶，变形温度为750 800 c时，利用时，利用spfdb技术技术可将亚微米晶的可将亚微米晶的ti-6a1-4v合金板材成型出形状复杂、组织高度均匀的空合金板材成型出形状复杂、组织高度均匀的空心近净型件心近净型件多层蜂窝结构（多层蜂窝结构（ spfdb 技术）技术） trcnin 固态自由成型技术（

26、固态自由成型技术（solid freeform fabrication） 成型无需硬模；成型无需硬模； 省时：一次成型，无需后续加工；省时：一次成型，无需后续加工； 节省成本：成本降低节省成本：成本降低151530%30%，材料利用率提高，材料利用率提高5 5； 既可制造简单零件，也可成型形状复杂的零件，特别既可制造简单零件，也可成型形状复杂的零件，特别 有利于复杂形状、多品种、小批量零件的生产；有利于复杂形状、多品种、小批量零件的生产； 成型材料性能介与铸造与锻造之间。成型材料性能介与铸造与锻造之间。trcnin stl file e beam process finished sff pa

27、rt 电子束熔化成型电子束熔化成型: 由由 cad 文件控制电子束对钛金属粉末床进行熔化扫描文件控制电子束对钛金属粉末床进行熔化扫描,融化所需要的工件形状融化所需要的工件形状,这样将粉末一层层铺上去在扫描熔化这样将粉末一层层铺上去在扫描熔化.形形成三维结构。成三维结构。trcninprinciple of aeromet laser additive manufacturing unit 激光熔化成型技术激光熔化成型技术: 同同 ebm相似相似 ,加热源换成了激光束加热源换成了激光束.trcnin 德国德国trumpf公司、美国的公司、美国的aeromet公司利用激光熔化成公司利用激光熔化成型技术生产出形状复杂的零件，其中型技术生产出形状复杂的零件，其中aeromet公司利用该技公司利用该技术制成术制成f22飞机支架，飞机支架，f/a-18e/f飞机机翼连接板的翼根加飞机机翼连接板的翼根加强筋，目前利用该技术制造出强筋，目前利用该技术制造