钛金属的主要物理性能

2.1钛的根本性质C1〜8］工业纯钛钛的矿物在自然界中分布很广，处于分散状态，主要形成矿物钛铁矿 Fe—TiO3、金红石TiO2及钒钛铁矿等，约占地壳重的0.6%,在金属世界里排行第7,含钛的矿物多达70多种，在海水中含量是1Ug/L,在海底结核中也含有大量的钛。钛的根本性质主要包括以下几个方面。2.1.1物理性质纯洁的钛是银白色金属，具有银灰色光泽。钛属难熔金属，原子序数为22,相对原子质量为47.90，位于周期表WB族。钛有两种同素异构体，。一Ti在882'C以下稳定，为密排六方晶格〔hep〕结构；p—Ti在882~C与熔点1678~C±间稳定存在，具有体心立方晶格〔bbc〕结构。在882~C发生。一p转变。。一Ti的点阵常数〔20'C〕为a=0.2950nm‘=0.4683nm‘/o/=1.587;p—Ti的点阵常数为o=0.3282nm〔20C〕或o=0.3306nm〔900~C〕。钛的密度为4.51g/cm3只相当于钢的57%，属轻金属。钛的熔点较高，导电性差，热导率和线膨胀系数均较低，钛的热导率只有铁的 1/4,是铜的1/7。钛无磁性，在很强的磁场下也不会磁化，用钛制人造骨和关节植入人体内不会受雷雨天气的影响。当温度低于 0.49K时，钛呈现超导电性，经合金化后，超导温度可提高到9〜10K,钛的根本物理性能数据列于表2—1。1111名称丨数值丨1相对原子质量丨47.9|1.. --门11原子半径/nm|0.145|n 11e—Ti-~-Ti相变潜热/(kJ/mo1)|3.47|111比密度续表2.1,2力学性能室温下纯钛的晶体结构为密排六方结构，其点阵长短轴比 c/aGI.633,室温变形时主要以＜1010}＜1210＞柱面滑移为主，并常诱发孪生［9］;钛同时兼有钢〔强度高〕和铝〔质地轻〕的优点。高纯钛具有良好的塑性，但杂质含量超过一定时，变得硬而脆Ilo］。工业纯钛在冷变形过程中，没有明显的屈服点，其屈服强度与强度极限接近，在冷变形加工过程中有产生裂纹的倾向，工业纯钛具有极高的冷加工硬化效应，因此可利用冷加工变形工艺进行强化。当变形度大于20%〜30%时，强度增加速度减慢，塑性几乎不降低。;钛的屈服强度与抗拉强度接近，屈强比〔do.2/db〕较高，而且钛的弹性模量小，约为铁的54%,成形加工时回弹量大，冷成形困难。有时利用这一特性，将钛合金作为弹性材料使用［11'12］，但是，高弹钛合金多属。+p〔或近a〕合金，具有六方晶系结构，其物理性能呈强的各向异性，如弹性模量绕c轴呈对称分布，c轴方向弹性模量为14313GPa底面各取向的弹性模量为10414GPa因此需要仔细考虑合金板材的各向异性、弹性模量以及合金织构与弹性各向异性之间的关系，通过合金化与工艺的调整，有目的地控制织构与弹性各向异性

以满足设计和使用要求。图2—1所示为钛单晶弹性模量取向分布［13］图2•1钛单晶弹性模量取向分布〔单位：GPa〕工业纯钛与高纯钛〔99.9%〕相比强度明显提高，而塑性显着降低，二者的力学性能数据列于表2—2。衰2-2纯钛的力学性能I性能丨高纯钛丨工业纯钛丨性能丨高纯钛丨工业纯钛|11111111111111111 1I抗拉强度o~/MPa|250|300~600|正弹性模量E/MPa|108X1031112X103111111111111111111 1I屈服强度fo.2/MPa|190|250~500|切变弹性模量G/MPa|40X103)41X103)I I I I I11111111111111111 1I伸长率a/%|40|20~30|泊松比f|0.34|0.32|1111.11111111111 1I断面收缩率％| 60|45| ,I|||冲击韧性oh/MJ-m—2|>2.5|0.5—1.5|1111111111|体弹性模量K/MPa|126X109|104X103||||丨丨丨丨I钛的另一特点是在高温能保持比较高的比强度。作为难熔金属，钛熔点高，随着温度的升高，其强度逐渐下降，但是，其高的比强度可保持到 550〜600r。同时，在低温下，钛仍具有良好的力学性能：强度高，保持良好的塑性和韧性。曾经对工业纯钛在一196C下进行拉伸和低周循环疲劳实验L1‘］，结果说明，变形后的强度较之室温拉伸变形有了明显提高，同时塑性也有明显增加。但其循环变形具有明显的循环硬化特性并伴随有大量的孪晶生成，从而显示出低温循环疲劳在微观结构演化上可能与室温的情况不同 ［1s］，室温循环疲劳中位错的行为起了关键性的影响［“］。表2—3列出了工业纯钛的低温力学性能。表2-3工业纯钛的低温力学性能111温度/r|fb/mp1111|Oo.2/MP|f/%|矽％|n i i i iI20|520|400|24|59|1 I I I I In I I I II—196|990|750|44|68|I I I I II I I I II—253|1280|900|29|64|I I I I II I I I II—269|1210|870|35|58|1111112.1.3化学性能工业上大量应用的工业纯钛纯度约为99.5%,钛在淡水和海水中有极高的抗蚀性，在海水中的抗蚀性比铝合金、不锈钢和镍基合金都好。钛与氧形成高化学稳定性的致密的氧化物保护膜，因而在低温和高温气体中具有极高的抗蚀性。在室温条件下，钛不与氯气、稀硫酸、稀盐酸、硝酸和铬酸作用，在碱溶液和大多数的有机酸和化合物中抗蚀性也很高，但能被氢氟酸、磷酸、熔融辕侵蚀。钛是一种非常活泼的金属，其平衡电位很低，在介质中的热力学腐蚀倾向大。但实际上钛在许多介质中很稳定。如钛在氧化性、中性和弱复原性等介质中是耐腐蚀的，这是因为钛和氧的亲和力大，在空气中或含氧介质中，钛外表生成一层致密、附着力强、惰性大的氧化膜，保护了钛基体不被腐蚀，即使受到机械磨损，也会很快自愈或再生，这说明钛是具有强烈钝化倾向的金属，介质温度在315C以下，钛的氧化膜始终保持这一特性，完全满足钛在一般环境中的耐蚀性。钛最突出的性能是对海水的抗腐蚀性很强。工业纯钛的耐蚀性与高纯钛相似，但低温性能那么差得多。张树霞 cl，]等通过实验发现，工业纯钛在稀盐酸溶液中存在一个腐蚀临界浓度 (0.74%)，当盐酸浓度低于该值时，在任何情况下钛都不会发生腐蚀，同时工业纯钛还在一定浓度的盐酸中有一个临界腐蚀温度，当溶液温度高于此临界温度，钛外表的保护膜很快就被破坏，而低于此临界温度时，钛处于钝化状态。图 2—2所示为工业纯钛在稀盐酸中腐蚀临界温度和盐酸浓度之间的关系。500.000.400.801.201.602.002.40盐酸浓度工业纯钛在稀盐酸中腐蚀临界温度和盐酸浓度之间的关系2.2杂质元素对钛性能的影响杂质对工业纯钛的性能影响很大，杂质含量高那么强度提高，塑性急剧降低，生产上常以硬度作为测定工业纯钛的纯度标准[1〜3)，钛的纯度与硬度的关系见表2—4。钛是一种化学性质非常活泼的金属，原子价是可变的。在较高的温度下，衰2-4钛的纯度与硬度的关系I纯度/%|99.95|99.8|99.6|99.5|99.4|111111111111111111I硬度(HV)|90|145|165|195|225|钛金属的主要物理性能名？??称单？??位数???据名???称单???位数???据原子序数22比？??热卡/克.度0.138原子量47.9热膨胀系数x10-6/C(0-100C)8.2克原子体积厘米3/克原子10.7弹性模量公斤/毫米210850密度20克/厘米34.505拉伸公斤/毫米210340熔点C1668±4压缩公斤/毫米210550沸点C3535剪切公斤/毫米24500熔化潜热千卡/克分5导热系数卡/厘米.秒.C0.036子二汽化潜热千卡/克分子112.5±0.3%电阻系数x10-6欧母.厘米47.8同素异晶转变温度882转变时体积的变化%5.5转变时熵的变化C0.587磁化率x10-6厘米3/克3.2转变潜热千卡/克分子678±10%泊桑比0.41钛的性质◊原子结构「\I钛位于元素周期表中WB族，原子序数为22,原子核由22个质子和20-32个中子组成，核外电子、卜夕寸"二厂?结构排列为1S22S22P63S23D24S2原子核半径5x10-13厘米。'■I'< .◊物理性质钛的密度为克/立方厘米〔20C〕，熔点1668±4C，熔化潜热千卡/克I、 /|Pg./|'J#原子，沸点3260±20C,汽化潜热千卡/克原子，临界温度4350C，临界压力1130大气压。◊钛的导热性和导电性能较差，近似或略低于不锈钢，钛具有超导性，纯钛的超导临界温度为\1、。在25E时，钛的热容为0.126卡/克原子•度，热焓1149卡/克原子，熵为7.33卡/克原子•度，金属钛是顺磁性物质，导磁率为1.00004。'J\ ''钛具有可塑性，高纯钛的延伸率可达50-60%,断面收缩率可达70-80%,但强度低，不宜作结构材料。钛中杂质的存在，对其机械性能影响极大，特别是间隙杂质〔氧、氮、碳〕可大大提高钛的强度，显着降低其塑性。钛作为结构材料所具有的良好机械性能，就是通过严格控制其中适当的杂质含量和添加合金元素而到达的。化学性质钛在较高的温度下，可与许多元素和化合物发生反响。各种元素，按其与钛发生不同反响可分为四类：第一类：卤素和氧族元素与钛生成共价键与离子键化合物；第二类：过渡元素、氢、铍、硼族、碳族和氮族元素与钛生成金属间化物和有限固溶体；第三类：锆、铪、钒族、铬族、钪元素与钛生成无限固溶体;第四类：惰性气体、碱金属、碱土金属、稀土元素〔除钪外〕，锕、钍等不与钛发生反响或基本上不发生反响。*与化合物的反响：HF和氟化物氟化氢气体在加热时与钛发生反响生成TiF4，反响式为〔1〕;不含水的氟化氢液体可在钛外表上生成一层致密的四氟化钛膜，可防止 HF浸入钛的内部。氢氟酸是钛的最强熔剂。即使是浓度为1%勺氢氟酸，也能与钛发生剧烈反响，见式〔2〕;无水的氟化物及其水溶液在低温下不与钛发生反响，仅在高温下熔融的氟化物与钛发生显着反响。门“TiJ"?i->Ti+4HF=TiF4+2H2+135.0千卡〔1〕2Ti+6HF=2TiF4+3H2〔2〕!I17HCl和氯化物氯化氢气体能腐蚀金属钛，枯燥的氯化氢在>300C时与钛反响生成TiCl4，见式〔3〕;浓度<5%勺盐酸在室温下不与钛反响，20%勺盐酸在常温下与钛发生瓜在生成紫色的 TiCl3，见式〔4〕;当温度长高时，即使稀盐酸也会腐蚀钛。各种无水的氯化物，如镁、锰、铁、镍、铜、锌、汞、锡、钙、钠、钡和NH4离子及其水溶液，都不与钛发生反响，钛在这些氯化物中具有__、Xf/ I|很好的稳定性。Ti+4HCI=TiCl4+2H2+94.75千卡〔3〕2Ti+6HCI=TiCl3+3H2⑷◊硫酸和硫化氢T、FI钛与<5%勺稀硫酸反响后在钛外表上生成保护性氧化膜，可保护钛不被稀酸继续腐蚀。但 >5%的硫酸与钛有明显的反响，在常温下，约 40%勺硫酸对钛的腐蚀速度最快，当浓度大于 40%达到60%寸腐蚀速度反而变慢，80%又到达最快。加热的稀酸或50%勺浓硫酸可与钛反响生成硫酸钛，见式〔5〕,〔6〕,加热的浓硫酸可被钛复原，生成 SO2见式〔7〕。常温下钛与硫化氢反响，在其外表生成一层保护膜，可阻止硫化氢与钛的进一步反响。但在高温下，硫化氢与钛反响析出氢，见式〔8〕，粉末钛在600°C开始与硫化氢反响生成钛的硫化物，在900°C时反响产物主要为TiS，1200C时为Ti2S3。Ti+H2SO牟TiSO4+H2(5)2Ti+3H2SO牟Ti2(SO4)3+H2(6)2Ti+6H2SO牟Ti2(SO4)3+3S0甘6H23202千卡(7)Ti+H2S=TiS+H2+70千卡(8)◊硝酸和王水致密的外表光滑的钛对硝酸具有很好的稳定性，这是由于硝酸能快速在钛外表生成一层牢固的氧化膜，但是外表粗糙，特别是海绵钛或粉末钛，可与次、热稀硝酸发生反响，见式( 9)、(10)，高于70C的浓硝酸也可与钛发生反响，见式(11);常温下，钛不与王水反响。温度高时，钛可与王水反响生成TiCI2。3Ti+4HN0+4H283H4TiO4+4NO(9)3Ti+4HN0+H283H2TiO3+4NO(10)Ti+8HNO^Ti(NO3)4+4NO+4H2O(11)综上所述，钛的性质与温度及其存在形态、纯度有着极其密切的关系。致密的金属钛在自然界厂1 户中是相当稳定的，但是，粉末钛在空气中可引起自燃。钛中杂质的存在，显着的影响钛的物理、化学性能、机械性能和耐腐蚀性能。特别是一些间隙杂质，它们可以使钛晶格发生畸变，而影Lf-'*• '] /I响钛的的各种性能。常温下钛的化学活性很小，能与氢氟酸等少数几种物质发生反响，但温度增加时钛的活性迅速增加，特别是在高温下钛可与许多物质发生剧烈反响。钛的冶炼过程二|般都在800C以上的高温下进行，因此必须在真空中或在惰性气氛保护下操作。中国美国俄罗斯TAD碘化钛Grade11号纯钛BT1-00工业纯钛TA1工业纯钛Grade22号纯钛BT1-0工业纯钛TA2工业纯钛Grade33号纯钛0T4-0Ti-0.8A1-0.7SnTA3工业纯钛Grade44号纯钛0T4-1Ti-2a1-1.5MNTA4Ti-3AlGrade5Ti-6a1-4v0T4Ti-3A1-1.5MnTA5Ti-4AI-0.005BGrade6Ti-5A1-2.5VBT5Ti-5A1TA6Ti-5AIGrade7Ti-0.2pdBT5-1Ti-5A1-2.5SnTA7Ti-5Al-2.5SnGrade9Ti-3A1-2.5vBT6Ti-6A1-4vTA8Ti-5Al-2.5Sn-3Cu-1.5ZrGrade10Ti-11.5Mo-4.5Sn-6ZrBT6cTi-6A1-4vTC1Ti-2A1-1.5MnGrade11Ti-0.2pdBT3-1TC2Ti-3A1-1.5MnGrade12BT9TC3Ti-4A1-4vA-1Ti-5A1-2.5SnBT/4Ti-5A1-3Mo-0.3SiTC4Ti-6A1-4vA-3Ti-6A1-2Nb-仃aBT16Ti-8A1-5Mo-5VTC6A-4Ti-8A1-1Mo-1VBT18Ti-8a1-0.6Mo-11Zr-1nTC7AB-1Ti-6a1-4vBT19TC9Ti-6A1-3.5Mo-2.5Sn-0.3SiAB-3Ti-6A1-6V-2SnBT20TC1AB-4Ti-6A1-2Sn-4Zr-2MoBT22Ti-5.5A1-5V-5Mo-1.5Cr-1.0TC11AB-5Ti-3A1-2.5VBT-3BTi-4A1-2V钛合金的具体分类按照合金在平衡和亚稳定状态的相组成，钛合金可分为 a、近a、a+?、近？、？等五类；但习惯上将钛合金分为a、a+?和？三大类。钛合金分类如图所示。假设按照使用性能特点，那么可分为结构钛合金、耐热〔热强〕钛合金和抗钛合金等类。我国钛合金国标牌号中，TA系列代表a型钛合金；TB系列代表?型钛合金；TC系列代表a+?型钛合金。中国钛合金的牌号及其名义成分牌号名义成分合金类型二工作温度〔C〕TA7VTi-5A-2.5Sna500TC1Ti-2Al-1.5Mn近a350TC3Ti-5Al-4Va+?400TC4Ti-6Al-4Va+?400TC6a+?450 '.JTC11Ja+?500TB2二Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al?300Ti-22Ti-10Mo-8V-1Fe-3.5Al?:.30047121Ti-7Mo-10V-2Fe-1Zr-4AI?^J二300ZTC4Ti-6Al-4Va+?L 350ZT3a+?厂500世界各国钛合金的特性及应用合金牌号\ 特性及应用Ti-5Al-2.5Sn'A.''J'/ \1锻造时抗裂纹的能力较好，成型性尚可，焊接性良好，热处理不能强化。用于传动齿轮箱外壳，喷气发动机外壳装置及导向叶片罩，管道结构等Ti-8Al-1Mo-1V成型性及锻造时抗裂纹的能力尚可，焊接性好，但不可热处理强化。用地制作喷气发动机叶片，叶轮和外壳，陀螺仪万向导向叶片罩，喷管装置的内蒙皮和框架等1\ % ■i""-—■' !1HTi-6Al-4V属于热处理强化的钛合金，它具有较好的焊接性薄板成型性和锻造性能。用于制造喷气发动机压缩机叶片，叶轮等。其他如起落架轮和结构件，紧固件，支架，飞机附件，框架、桁条结构、管道，应用非常广泛Ti-6Al-6V-2Sn属于可热处理强化的钛合金，锻造时抗裂纹的能力好，但焊接性差，用于制造紧固件，入风口控制导向装置，试验结构件Ti-13V-11Cr-3Al属于可热处理强化的钛合金，成型性良好，锻造时有一定抗裂纹能力，焊接性尚可，用作结构锻件，板状桁条结构，蒙皮，框架、支架、飞机附件，紧固件Ti-2.25Al-11Sn-5Zr-1Mo-0.2Si属于可热处理强化的钛合金，锻造时抗裂纹的能力好，用于制造喷气发动机叶片，叶轮，起落架滚轮，飞机骨架、紧固件等Ti-6AI-2Sn-4Zr-2Mo成型性焊接性好，锻造时有良好的抗裂纹能力，但不热处理强化。用于制造压缩机叶片，叶轮，起落架滚轮，隔圈压气机箱组合件，飞机骨架，蒙皮构件等Ti-4AI-3Mo-1V属于可热处理强化的钛合金，锻造性、成型性好。用于制造飞机骨架构件IMI125IMI130IMI160工业纯钛，抗蚀性优异，比强度较咼，疲劳极限较好，锻造性好，可用普通方法锻造、成形和焊接。可制成板、棒、丝材。应用于航空、医疗、化工等方面，如排气管，防火墙、受热蒙皮以及要求塑性好、能抗蚀的零件IMI317属于a型钛合金，可焊接，在315~593oC具有良好的抗氧化性、强度和高温稳定性，可制造锻件及板材零件，如航空发动机压气机叶片、壳体、支架IMI315属于a+?型钛合金，可热处理强化，用于航空发动机压气机盘和叶片、导弹部件等IMI318a+?型合金，锻造性及综合性能良好，是各国普遍使用的钛合金，用于航空发动机压气机盘和叶片等部件IMI550■■a+?型钛合金，易锻造，室温强度好，蠕变抗力较高〔400oC以下〕，持久强度高，广泛用于制造发动机及机翼滑轨，动力控制装置外壳等。IMI551__『11\•-1属于a+?型钛合金高强度钛合金，它具有强度咼、蠕变极限咼〔400oC以卜〕，锻造性良好等特性，用于制造飞机构件如起落架、安装座、燃气涡轮部件，亦可用于一般工程和化工、汽轮机叶片，压气机零件及其他高速旋转的部件IMI685是一种属于a+?型钛合金，在室温及中温的比强度咼，在咼温〔520oC〕抗蠕变性能良好，咼温稳定性好，可焊接，容易加工，其使用温度较咼。用于制作航空发动机零部件IMI684属于a+?型钛合金，可焊接、抗蠕变性能〔535oC以下〕好，热稳定性优良。该合金与IMI685性能相近，用途相同。用于制作高压压气机盘及叶片等IMI679是一种复杂的a型钛合金，在450~500oC具有较好的强度、高的蠕变极限以及高温稳定性和良好的抗氧化性，它的缸口疲劳强度咼。用于制造航空发动机压气机盘、叶片，飞机骨架等IMI230a型钛合金，中等强度，塑性好，可焊接，能时效强化，易成形，合金在退火状态下使用，具有较高的力学性能。用于制作350oC以下工作的发动机导管，飞机结构等T-A5E在-253oC下具有好的塑性和韧性T-A6V综合性能好，是宇航工「业用的优质材料T-A7D可焊性中等，力学性能高，用作锻件T-A6V6E2主要用于制作燃气涡轮发动机和飞机导弹结构件T-TU2淬火状态下具有可焊性和成形性，在350oC以下使用T-T6Zr4DE可焊接，用于喷气发动机叶片和盘Ti-6246可制作燃气涡轮盘、风扇叶片及飞机和导弹的结构件T-V13CA用于制作250oC以下的框架、蜂窝结构件等T-A6Z5W可焊接的高强度钛合金，在520oC有良好的抗蠕变性能T-A6ZD用于制作喷气发动机的零件〔如叶片、盘等〕T-A4DE2合金在400oC以下具有咼强度和抗蠕变性能3.7114可焊接，成型性合格,强度中等3.7124塑性、焊接性和高温强度与工业纯钛相似，用于350oC以下的零件及抗蚀件3.7134密度小，弹性模量高，用于制作在450oC以下工作的压气机盘、叶片等，是航空工业的重要材料3.7144用于制作在450oC以下工作的航空发动机转子和叶片3.7164综合性能好，用于350oC以下工作的高应力机械零件3.7154合金的强度咼、抗蠕变性能好，可焊接。用于500oC以下长期工作的零件，如航空发动机压气机部件等3.7174属于高强度钛合金，可热处理强化，锻造性能良好3.7184用于制作在400oC以下工作的航空发动机部件，如压气机盘、叶片等LT32合金的强度高、淬透性好，用于制作427oC以下工作的飞机骨架，导弹锻件等LT41是一种可热处理化的钛合金，它的成形性优异，用于制作飞机的骨架、蒙皮、蜂窝结构、压力容器以及高强度紧固件等全球钛金属产业的现况与趋势经济部技术处ITIS计画/产业分析师蔡幸甫钛〔Ti，比重4.5〕为轻金属之一，其比重较同为轻金属的铝〔Al，比重2.7〕、镁〔Mg比重1.74,〕二者要大，但仍较一般的结构用金属为轻〔如：铁、镍、铜、锌等〕。钛因提炼困难，一直未成为商用上大量实用化的金属；直到I960年前後，美国为开展高性能战机，才投入巨大的人力物力资源建立其钛合金的军事工业体系。钛合金除了是航太方面的重要材料以外，最近十余年来，钛合金也逐渐拓展出商业方面的用途，其中较知名的为钛制高尔夫球具。其主要原因为，钛虽然是三种轻金属当中比重最大者，但仍有其特色：钛的耐蚀性甚佳，在一般的环境〔如：办公室环境、普通的大气环境、 〕下，其耐蚀性甚至还超过不锈钢，且其外表还可施以外表处理来表现各种金属颜色。钛的外表金属原色为所有结构材最高级的，因此只要外表予以抛光就可以有 '很好的效果，这一点特色已经有许多高级相机利用来展现产品的高级感。纯钛为所有金属中，与人体的适配性最正确，最不容易发生过敏、排斥反响的现象，又有足够的强度、硬度、耐蚀性，因此在生医材料〔如人工骨骼〕的应用上，亦迅速取得一席之地。钛合金的强度可藉加工/热处理方法到达高强度合金钢的程度，假设以这样的强度水准加上比重来衡量〔即：强度/重量比〕，那么钛合金金的强度/重量比可到达极高的比值，远超过铝合金、镁合金、工程塑胶等常用的轻量化材料，十分适合需求求高性能的航空 /太空用途，因此钛合金一向在航太产业是极重要的高级材料。在目前资讯电子产品应用轻金属作为机壳构件的热潮中，钛金属〔包括钛合金〕由於其具有高强度、高耐蚀性及极佳的外表质感，看起来应是十分适合用来作为可携式资讯电子产品的机壳材料，因此也一直都是深受瞩目的材料，其应用产品也都不断地在高阶产品有应用例〔如笔记型电脑及等〕。但在全球的钛材市场，仍以传统的航太及工业等用途为主，图 1显示最近3年全球钛材〔MillProducts〕之需求量及用途分析。全球钛产业〔以供应欧美军用/航太的钛产业为主〕於1999~2000年初到达谷底，2000年本已逐渐恢复景气的状况，但在2001年受911事件的冲击，导致航太产业陷入极端不景气的状况， 至今仍未恢复，钛结构材产业亦深受影响，2002年全球的钛材需求量，据国际钛协会〔ITA〕的统计，较2001年大幅下跌19.6%，只有约4.1万吨。短期的未来，此方面的钛结构材产业仍难望有明显的成长，惟钛金属中属於民生/休闲、建筑、资讯电子方面应用的新兴市场那么是较不受不景气冲击的部份，这也是全球钛产业的业者寄予厚望的部份，此外在商用汽车轻量化、新能源应用方面也可望开发新市场。这些都是钛合金产业未来开拓产品应用新领域的重点，依国际钛协会的估计，新兴市场的规模可望自2001年的5,000吨钛材需求量倍增至2006年的10,000吨，如图1所示。钛材生产工艺目前，金属钛生产的工业方法是可劳尔法，产品为海绵钛。制取钛材传统的工艺是将海绵钛经熔铸成锭，再加工而成钛材。按此，从采矿到制成钛材的工艺过程的主要步骤为：钛矿->采矿->选矿->太精矿->富集->富钛料->氯化->粗TiCI4->精制->纯TiCl4->镁复原->海绵钛->熔铸->钛锭->加工->钛材或钛部件上述步骤中如果采矿得到的是金红石，那么不必经过富集，可以直接进行氯化制取粗TiCI4另外，熔铸作业应属冶金工艺，但有时也归入加工工艺。上述工艺过程中的加工过程是指塑性加工和铸造而言。塑性加工方法又包括锻造、挤压、轧制、拉伸等。它可将钛锭加工成各种尺寸的饼材、环材、板材、管材、棒材、型材等制品，也可用铸造方法制成各种形状的零件、部钛和钛合金塑性加工具有变形抗力大；常温塑性差、屈服极限和强度极限比值咼、回弹大、对缺口敏感、变形过程易与模具粘结、加热时又易吸咐有害气体等特点，塑性加工较钢、铜困难。故钛和钛合金的加工工艺必须考虑它们的这些特点钛采用塑性加工，加土尺寸不受限制，又能够大批量生产，但成材率低,加工过程中产生大量废屑残料。钛材生产的原那么流程如图 1—1。针对钛塑性加工的上述缺点，近年来开展了钛的粉末冶金工艺。钛的粉末冶金流程与普通粉末冶金相同，只是烧结必须要在真空下进行。它适用乎生产大批量、小尺寸的零件，特别适用于生产复杂的零部件。这种方法几乎无须再经过加工处理，成材率高，既可充分利用钛废料作原料，又可以降低生产本钱，但不能生产大尺寸的钛件。钛的粉末冶金工艺流程为 ：钛粉〔或钛合金粉〕->筛分->混合->压制成形->烧结->辅助加工->钛制品。钛材生产的原那么流程钛材除了纯钛外，目前世界上已经生产出近30种牌号的钛合金。使用最广泛的钛合金是Ti-6AI-4V，Ti-5AI—2.5Sn等。我国常见的钛合金牌号及其成分，详见表8—9。图1钛合金、铝合金和钢的强度比照1.1复合材料先进复合材料是比通用复合材料有更高综合性能的新型材料， 它包括树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料和碳基复合材料等， 它在军事工业的开展中起着举足轻重的作用。 先进复合材料具有高的比强度、高的比模量、耐烧蚀、抗侵蚀、抗核、抗粒子云、透波、吸波、隐身、抗高速撞击等一系列优点，是国防工业开展中最重要的一类工程材料。树脂基复合材料树脂基复合材料具有良好的成形工艺性、 高的比强度、高的比模量、低的密度、抗疲劳性、减震性、耐化学腐蚀性、良好的介电性能、较低的热导率等特点，广泛应用于军事工业中。树脂基复合材料可分为热固性和热塑性两类。热固性树脂基复合材料是以各种热固性树脂为基体，参加各种增强纤维复合而成的一类复合材料；而热塑性树脂那么是一类线性高分子化合物， 它可以溶解在溶剂中，也可以在加热时软化和熔融变成粘性液体，冷却后硬化成为固体。树脂基复合材料具有优异的综合性能，制备工艺容易实现，原料丰富。在航空工业中，树脂基复合材料用于制造飞机机翼、机身、鸭翼、平尾和发动机外涵道；在航天领域，树脂基复合材料不仅是方向舵、雷达、进气道的重要材料，而且可以制造固体火箭发动机燃烧室的绝热壳体，也可用作发动机喷管的烧蚀防热材料。近年来研制的新型氰酸树脂复合材料具有耐湿性强，微波介电性能佳，尺寸稳定性好等优点，广泛用于制作宇航结构件、飞机的主次承力结构件和雷达天线罩。金属基复合材料金属基复合材料具有高的比强度、高的比模量、良好的高温性能、低的热膨胀系数、 良好的尺寸稳定性、优异的导电导热性在军事工业中得到了广泛的应用。铝、镁、 钛是金属基复合材料的主要基体，而增强材料一般可分为纤维、颗粒和晶须三类，其中颗粒增强铝基复合材料已进入型号验证，如用于F-16战斗机作为腹鳍代替铝合金，其刚度和寿命大幅度提高。碳纤维增强铝、镁基复合材料在具有高比强度的同时，还有接近于零的热膨胀系数和良好的尺寸稳定性，成功地用于制作人造卫星支架、L频带平面天线、空间望远镜、人造卫星抛物面天线等；碳化硅颗粒增强铝基复合材料具有良好的高温性能和抗磨损的特点，可用于制作火箭、导弹构件，红外及激光制导系统构件， 精密航空电子器件等；碳化硅纤维增强钛基复合材料具有良好的耐高温和抗氧化性能， 是高推重比发动机的理想结构材料，目前已进入先进发动机的试车阶段。在兵器工业领域，金属基复合材料可用于大口径尾翼稳定脱壳穿甲弹弹托，反直升机/反坦克多用途导弹固体发动机壳体等零部件，以此来减轻战斗部重量，提高作战能力。陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料是以纤维、晶须或颗粒为增强体，与陶瓷基体通过一定的复合工艺结合在一起组成一 I的材料的总称，由此可见，陶瓷基复合材料是在陶瓷基体中引入第二相组元构成的多相材料， 它克服了陶瓷材料固有的脆性，已成为当前材料科学研究中最为活泼的一个方面。 陶瓷基复合材料具有密度低、比强度高、热机械性能和抗热震冲击性能好的特点， 是未来军事工业开展的关键支撑材料之一。陶瓷材料的高温性能虽好，但其脆性大。改善陶瓷材料脆性的方法包括相变增韧、微裂纹增韧、弥散金属增韧和连续纤维增韧等。陶瓷基复合材料主要用于制作飞机燃气涡轮发动机喷嘴阀，它在提高发动机的推重比和降低燃料消耗方面具有重要的作用。碳—碳复合材料碳-碳复合材料是由碳纤维增强剂与碳基体组成的复合材料。 碳-碳复合材料具有比强度高、抗热震性好、耐烧蚀性强、性能可设计等一系列优点。碳-碳复合材料的开展是和航空航天技术所提出的苛刻要求紧密相关。80年代以来，碳-碳复合材料的研究进入了提高性能和扩大应用的阶段。在军事工业中，碳-碳复合材料最引人注目的应用是航天飞机的抗氧化碳-碳鼻锥帽和机翼前缘，用量最大的碳-碳产品是超音速飞机的刹车片。碳-碳复合材料在宇航方面主要用作烧蚀材料和热结构材料，具体而言，它是用作洲际导弹弹头的鼻锥帽、固体火箭喷管和航天飞机的机翼前缘。目前先进的碳—碳喷管材料密度为1.87~1.97克/厘米3,环向拉伸强度为75~115兆帕。近期研制的远程洲际导弹端头帽几乎都采用了碳-碳复合材料。随着现代航空技术的开展，飞机装载质量不断增加，飞行着陆速度不断提高，对飞机的紧急制动提出了更高的要求。碳-碳复合材料质量轻、耐高温、吸收能量大、摩擦性能好，用它制作刹车片广泛用于高速军用飞机中。1.2超高强度钢和先进高温合金超高强度钢是屈服强度和抗拉强度分别超过1200兆帕和1400兆帕的钢，它是为了满足飞机结构上要求高比强度的材料而研究和开发的。超高强度钢大量用于制造火箭发动机外壳，飞机机身骨架、蒙皮和着陆部件以及高压容器和一些常规武器。 由于钛合金和复合材料在飞机上应用的扩大， 钢在飞机上用量有所减少，但是飞机上的关键承力构件仍采用超高强度钢制造。 目前，在国际上有代表性的低合金超高强度钢300M是典型的飞机起落架用钢。此外，低合金超高强度钢D6AC是典型的固体火箭发动机壳体材料。超高强度钢的开展趋势是在保证超高强度的同时，不断提高韧性和抗应力腐蚀能力。高温合金是航空航天动力系统的关键材料。高温合金是在 600~120(JC高温下能承受一定应力并具有抗氧化和抗腐蚀能力的合金，它是航空航天发动机涡轮盘的首选材料。按照基体组元的不同，高温合金分为铁基、镍基和钻基三大类。发动机涡轮盘在 60年代前一直是用锻造高温合金制造，典型的牌号有A286和Inconel718。70年代，美国GE公司采用快速凝固粉末Rene95合金制作了CFM56发动机涡轮盘，大大增加了它的推重比，使用温度显着提高。从此，粉末冶金涡轮盘得以迅速开展。最近美国采用喷射沉积快速凝固工艺制造的高温合金涡轮盘， 与粉末高温合金相比，工序一简单，本钱降低，具有良好的锻造加工性能，是一种有极大开展潜力的制备技术。图2为美国战斗机各种材料结构的重量比。2军用功能材料2.1光电功能材料光电功能材料是指在光电子技术中使用的材料， 它能将光电结合的信息传输与处理，是现代信息科技的重要组成局部。光电功能材料在军事工业中有着广泛的应用。碲镉汞、锑化铟是红外探测器的重要材料；硫化锌、硒化锌、砷化镓主要用于制作飞行器、 导弹以及地面武器装备红外探测系统的窗口、头罩、整流罩等。氟化镁具有较高的透过率、较强的抗雨蚀、抗冲刷能力，它是较好的红外透射材料。激光晶体和激光玻璃是高功率和高能量固体激光器的材料， 典型的激光材料有红宝石晶体、掺钕钇铝石榴石、半导体激光材料等。2.2贮氢材料某些过渡簇金属，合金和金属间化合物，由于其特殊的晶格结构的原因，氢原子比较容易透入金属晶格的四面体或八面体间隙位中，形成了金属氢化物，这种材料称为贮氢材料。在兵器工业中，坦克车辆使用的铅酸蓄电池因容量低、 自放电率高而需经常充电，此时维护和搬运十分不便。放电输出功率容易受电池寿命、充电状态和温度的影响，在寒冷的气候条件下，坦克车辆起动速度会显着减慢，甚至不能起动，这样就会影响坦克的作战能力。贮氢合金蓄电池具有能量密度高、耐过充、抗震、低温性能好、寿命长等优点，在未来主战坦克蓄电池开展过程中具有广阔的应用前景。2.3阻尼减震材料阻尼是指一个自由振动的固体即使与外界完全隔离， 它的机械性能也会转变为热能的现象。采用高阻尼功能材料的目的是减震降噪。因此阻尼减震材料在军事工业中具有十分重要的意义。国外金属阻尼材料的应用主要集中在船舶、航空、航天等工业部门。美国海军已采用Mn-Cu高阻尼合金制造潜艇螺旋桨，取得了明显的减震效果。在西方，阻尼材料及技术在武器上的应用研究工作受到了极大的关注，一些兴旺国家专门成立了阻尼材料在武器装备上应用的研究机构。 80年代后，国外阻尼减震降噪技术有了更大的开展，他们借助CAD/CAMfe减震降噪技术中的应用，把设计一材料-工艺-试验一体化，进行了整体结构的阻尼减震降噪设计。我国在 70年代前后进行了阻尼减震降噪材料的研究工作，并取得了一定的成果，但与兴旺国家相比，仍有一定的差距。 阻尼材料在航空航天领域主要用于制造火箭、导弹、喷气机等控制盘或陀螺仪的外壳；在船舶工业中，阻尼材料用于制造推