《航空工程材料（活页式）》 课件 10钛及钛合金

第7讲钛及其合金目录123钛合金的性能及分类钛合金的发展与应用工业纯钛简介1791年，英国牧师Gregor发现了一种新元素。1795年，法国化学家克拉普罗特以日耳曼神话中女神坦的名字为它命名“Titanium”，译成中文就是“钛”。从此，钛便进入了科学家的实验室。“钛”的由来简介钛是一种新金属，由于它具有一系列优异特性，被广泛用于航空、航天、化工、石油、冶金、轻工、电力、海水淡化、舰艇和日常生活器具等工业生产中，它被誉为现代金属。金属钛生产从1948年至今才有半个世纪的历史，它是伴随着航空和航天工业而发展起来的新兴工业。它的发展经受了数次大起大落，这是因为钛与飞机制造业有关的缘故。但总的说来，钛发展的速度是很快的，它超过了任何一种其他有色金属的发展速度。这从全世界海绵钛工业发展情况可以看出：海绵钛生产规模60年代为60kt/a，70年代为110kt/a，80年代为130kt/a，到1992年已达140kt/a。1908年挪威和美国开始用硫酸法生产钛白，1910年在试验室中第一次用钠法制得海绵钛，1948年美国杜邦公司才用镁法成吨生产海绵钛——这标志着海绵钛即钛工业化生产的开始。而钛合金因具有比强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。世界上许多国家都认识到钛合金材料的重要性，相继对其进行研究开发，并得到了实际应用。中国钛工业起步于20世纪50年代。1954年，北京有色金属研究总院开始进行海绵钛的制备工艺研究，1956年国家把钛当作战略金属列入了12年发展规划，1958年在抚顺铝厂实现了海绵钛工业试验，成立了中国第一个海绵钛生产车间，同时在沈阳有色金属加工厂成立了中国第一个钛加工生产试验车间。60年代中期开始钛材的工业化生产。简介一.工业纯钛工业纯钛Ti：纯钛密度4.507g/cm3熔点高1688℃具有同素异构转变:

≤882.5℃为密排六方结构的α相≥882.5℃体心立方结构的β相纯钛比强度高，塑性、低温韧性和耐蚀性好。钛在氮气中加热可发生燃烧，因此钛在加热和焊接时应采用氩气保护。

-Ti⇌

-Ti美F-22战机约36%重量的零件用钛合金制造一.工业纯钛密度小,比强度高（比强度高的特性仍可保持到550～600℃。与高强合金相比，相同强度水平可降低重量40％以上）弹性模量低（120GPa），约为铁的54％。抗拉强度与其屈服强度接近无磁性、无毒耐热性能好耐低温性能好（在液氮温度下仍有良好的机械性能，强度高而仍保持良好的塑性及韧性）耐腐蚀性能(钝化层（TiO2）,纳米尺度，室温下长大极慢)导热系数小（比铁低4.5倍）抗阻尼性能强吸气性能（储气、干燥）一.工业纯钛特点：一种银白色的金属是很活泼的元素。有很好的钝化性能，钝化膜很稳定，在许多环境中表现出很好的耐蚀性。有“耐海水腐蚀之王”之称。高温下，钛的化学活性很高，能与卤素、氧、氮、碳、硫等元素发生剧烈反应。钛一般不发生孔蚀；除在几种个别介质（如发烟硝酸、甲醇溶液）中，也不发生晶间腐蚀；钛的应力腐蚀破裂敏感性小，具有抗腐蚀疲劳的性能，耐缝隙腐蚀性能良好。

一.工业纯钛根据杂质含量，钛分为高纯钛（纯度达99.9%）和工业纯钛（纯度达99.5%）。工业纯钛有三个牌号，分别用TA＋顺序号数字1、2、3表示，数字越大，纯度越低。杂质含量对钛的性能影响很大，少量杂质可显著提高钛的强度，故工业纯钛强度较高，接近高强铝合金的水平。一.工业纯钛纯钛主要用于350℃以下工作、强度要求不高的零件，如石油化工用热交换器、反应器，海水净化装置、舰船零部件及飞机蒙皮等。钛钢复合反应釜钛管换热器钛制蒸馏塔二.钛合金的性能及分类2.1钛合金纯钛加入合金元素形成钛合金。钛合金几乎都含有铝。铝能提高钛合金的强度、比强度和再结晶温度.按退火组织，钛合金可分为

型钛合金、

型钛合金和

+

型钛合金三类，它们的牌号分别用TA、TB、TC加顺序号表示。如TA5、TB2、TC4等。其中TA0~TA3为工业纯钛。钛合金泵二.钛合金的性能及分类2.1

钛合金的特点强度高钛合金的密度一般在4.5g/cm³左右，仅为钢的60％，若按单位重量的强度（称比强度）测定，钛合金是铝合金的1.3倍，镁合金的1.6倍，不锈钢的3.5倍，是所有金属材料中的冠军。热强度高使用温度比铝合金高几百度，可在450～500℃的温度下长期工作。抗蚀性好耐酸、耐碱、耐大气腐蚀，对点蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强。二.钛合金的性能及分类低温性能好间隙元素极低的钛合金TA7,在-253℃下还能保持一定的塑性。化学活性大钛合金高温时化学活性很高，轻易与空气中的氢、氧等气体杂质发生化学反应，生成硬化层。导热系数小、弹性模量小钛的导热系数约为镍的1/4，铁的1/5，铝的1/14，而各种钛合金的导热系数比钛的导热系数约下降50％。钛合金的弹性模量约为钢的1/2。二.钛合金的性能及分类2.2

钛合金的分类钛合金按组织基体可分为：α合金、(α+β)合金、β合金。中国分别以TA、TC、TB表示。钛合金按用途可分为：耐热合金、高强合金、耐蚀合金(钛-钼，钛-钯合金等)、低温合金以及特殊功能合金(钛-铁贮氢材料和钛-镍记忆合金)等。

二.钛合金的性能及分类1、

型钛合金主加元素为铝，还有锡、硼等。

不能热处理强化，通常在退火状态下使用,组织为单相

固溶体.

强度低于另两类钛合金，但高温强度、低温韧性及耐蚀性优越.钛合金氢泵诱导轮钛合金氢泵壳体二.钛合金的性能及分类常用牌号有TA5、TA7等主要用于制造500℃以下工作的零件，如飞机压气机叶片、导弹的燃料罐、超音速飞机的蜗轮机匣及飞船上的高压低温容器等。TA5主要用于制造船舰零件。

钛合金卫星框架钛合金液下泵-Ti合金组织二.钛合金的性能及分类2、

型钛合金加入的合金元素有钼、铬、钒、铝等。经淬火加时效处理后，组织为

相基体上分布着细小的

相粒子。这类合金强度高，但冶炼工艺复杂，难于焊接，应用受到限制。钛合金管钛合金管应用二.钛合金的性能及分类

型钛合金有TB2、TB3、TB4三个牌号。主要用于350℃以下工作的结构件和紧固件,如飞机压气机叶片、轴、弹簧、轮盘等。钛合金棒β钛合金眼镜架钛离心泵二.钛合金的性能及分类3、

+

型钛合金加入的合金元素有铝、钒、钼、铬等。可进行热处理强化，强度高，塑性好，具有良好的热强性、耐蚀性和低温韧性。钛合金列管式换热器二.钛合金的性能及分类

+

型钛合金共有九个牌号，其中以TC4应用最广、用量最大，其经过淬火加时效处理后，组织为

+

+时效析出的针状

。α+β钛合金组织α+β钛合金组织（电镜）二.钛合金的性能及分类

+

型钛合金主要用于制造400℃以下工作的飞机压气机叶片、火箭发动机外壳、火箭和导弹的液氢燃料箱部件及舰船耐压壳体等.

TC10是在TC4基础上发展起来的，具有更高的强度和耐热性。生物医用材料飞机压气机叶片三.钛合金的应用与发展目前尽管钛及其合金应用的历史不长，但由于它那超众的性能，已经获得了多个光荣称号。首先荣获的称号就是“空间金属”。它重量轻、强度大又耐高温，特别适于制造飞机和各种航天器。目前世界上生产的钛及钛合金，大约有四分之三都用于航空航天工业。许多原来用铝合金的部件，都改用了钛合金。三.钛合金的应用与发展航空航天电讯器材

医疗造船工业

机械工业硬质合金

3.1

钛合金的应用三.钛合金的应用与发展俄海军塞拉II级钛合金攻击核潜艇

潜艇在深海中航行时，要承受巨大的压力。下潜得愈深，承受的压力愈大。核潜艇的外壳采用钛合金制造，其下潜深度是一般潜艇的两倍，可达4500m。如果没有钛合金，潜海是不可能达到这样的深度的。钛合金没有磁性，用它建造的核潜艇不必担心磁性水雷的攻击。

三.钛合金的应用与发展耐热强度高，做钻头耐热阀，常用于石油工业三.钛合金的应用与发展钛镍形状记忆合金

三.钛合金的应用与发展硬质金属外壳（质量轻、耐腐蚀、耐磨损）三.钛合金的应用与发展①生物相容性等于75%黄金合金。②

使用寿命长，强度高。③安全、高贵、价格适中。三.钛合金的应用与发展1、现代航空中钛合金使用情况1950年美国首次在F-84战斗轰炸机上用作后机身隔热板、导风罩、机尾罩等非承力构件。60年代开始钛合金的使用部位从后机身移向中机身、部分地代替结构钢制造隔框、梁、襟翼滑轨等重要承力构件。70年代起，民用机开始大量使用钛合金，如波音747客机用钛量达3640公斤以上占机重28%。随着加工工艺技术的发展，在火箭、人造卫星和宇宙飞船上，也用了大量的钛合金。飞机越先进，使用的钛越多。美国F—14A战斗机使用的钛合金，约占机重的25%；F—15A战斗机为25.8%；美国第四代战斗机用钛量为41%，其F119发动机用钛量为39%，是目前用钛量最高的飞机。三.钛合金的应用与发展三.钛合金的应用与发展三.钛合金的应用与发展F22“猛禽”，钛合金比例高达39%，后机身前后梁采用了热等静压钛合金铸件结构。三.钛合金的应用与发展中国采用钛合金技术生产的歼八II战机，让俄罗斯兄弟红了眼。钛合金主要应用于机体部位，以抵抗两台喷气发动机运行时所产生的高温。三.钛合金的应用与发展钛合金主要用于飞机及发动机的制造材料，如锻造钛风扇、压气机盘和叶片、发动机罩、排气装置等零件以及飞机的大梁隔框等结构框架件。此外，波音787机翼还采用了钛-石墨复合材料。三.钛合金的应用与发展波音飞机主要机型的平均用钛量（单位：吨/架）预测至2032年波音公司在中国将新增客机数量5580架。假设飞机平均用钛量30吨/架，通过计算至2032年，中国将消耗16.7万吨钛，平均每年为8370吨。三.钛合金的应用与发展宝钢集团研制出了大型飞机起落架用钢和钛合金结构用钢在飞机降落时，起落架要承受强大的冲击力

三.钛合金的应用与发展钛合金零件在先进航空发动机上占有相当的比重,并且呈现出结构集成度愈来愈高、结构愈来愈复杂的发展趋势,在减轻发动机重量、改善和提高性能等方面发挥着日益重要的作用。航空发动机三.钛合金的应用与发展2、钛合金的发展钛合金研究起源于航空，航空工业的发展促进了钛合金的发展，航空用钛合金也形成了自己的体系。航空用钛合金的研究一直是钛合金领域中最重要、最活跃的一个分支，但其发展也极其艰辛，如高温钛合金为克服“热障”问题，就花费了人们十几年的精力。80年代之前我国的航空用钛合金研究是完全仿制，80年代后逐步走向仿制与创新相结合的研究之路，研究水平并不落后于国外。三.钛合金的应用与发展3.航空用钛合金的重点研究发展方向航空用钛合金研究在材料研制部门受到高度重视，取得了可喜进展，满足了航空应用研究部门、设计部门和应用部门的一定需求。材料研制部门