特种材料——钛合金
1钛合金的发展历程
钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，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。世界上许多国家如美国、日本、俄罗斯以及中国等都认识到钛合金材料的重要性，并相继对其进行了研究开发，得到了实际应用。
美国钛工业起步较早，其规模和技术目前都处在世界领先地位，一开始就注重钛合金材料的基础研究，并以此指导钛合金材料的应用和开发，取得了举世瞩目的成就。第一个实用的钛合金就是1954 年美国研制成功的Ti-6AL-4V合金，由于它的耐热性、强度、塑性、韧性、成形性、可焊性、耐蚀性和生物相容性均较好，而成为钛合金工业中的王牌合金，该合金使用量已占全部钛合金的75%〜85%[1~3]。
20世纪50〜60年代，主要是发展航空发动机用的高温钛合金和机体用的结构钛合金，70年代开发出一批耐蚀钛合金，80年代以来，耐蚀钛合金和 高强钛合金得到进一步发展。耐热钛合金的使用温度已从50年代的400℃：提高到90年代的600〜650℃。α2（Ti3Al）和γ(TiAl)基合金的出现，使钛在发动机的使用部位正由发动机的冷端〔风扇和压气机）向发动机的热端〔涡轮）方向推进。结构钛合金向高强、高塑、高强高韧、高模量和高损伤容限方向发展。目前，美国航空航天用钛量最大，在20 世纪80年代以后设计的各种先进军用战斗机和轰炸机中，钛合金的用量已稳定在20%以上[4,5]。
2钛合金的研究新进展
近年来，各国正在开发低成本和高性能的新型钛合金，努力使钛合金进入具有巨大市场潜力的民用工业领域。国内外钛合金材料的研究新进展主要体现在以下几方面。
2.1高温钛合金
世界上第一个研制成功的高温钛合金使用温度仅为300～350℃。随后相继研制出使用温度达400℃的IM1550，BT3-1等合金，以及使用温度为450～500℃的IMI679，IM685,Ti-6246，Ti-6242等合金。目前已成功的应用在军用和民用飞机发动机中的新型高温钛合金有英国的IMI829，IMI834合金； 美国的Ti-1100合金；俄罗斯的BT18Y，BT36合金等。美国麦道公司采用快速凝固/粉末冶金技术成功研制出一种高纯度、高致密性钛合金，在760℃下其强度相当于目前室温下使用的钛合金强度[6]。
2.2钛铝化合物为基的钛合金
与一般钛合金相比，钛铝化合物为基的Ti3Al(α2)和TiAl(γ)金属间化合物
的最大优点是高温性能好〔最高使用温度分别为816℃和982℃、抗氧化能力强、抗蠕变性能好和质量轻（密度仅为镍基高温合金的1/2〕，这些优点使其成为未来航空发动机及飞机结构件最具竞争力的材料。
目前，已有两个Ti3Al为基的钛合金Ti-21Nb-14Al和Ti-24Al-14Nb-3V-0.5Mo在美国开始批量生产，前者已用作高压压气机机闸、高压涡轮支撑环、导弹尾翼和燃烧室喷管密封片等，后者通过形变热处理可获得良好的强度和塑性[7]。
2.3高强高韧β型钛合金
β型钛合金最早是20世纪50年代中期由美国Crucible公司研制出的B120VCA合金。β型钛合金具有良好的冷热加工性能，易锻造，可轧制、焊接， 可通过固溶-时效处理获得较高的力学性能、良好的环境抗力及强度与断裂韧性的很好配合。新型高强高韧β型钛合金最具代表性的有以下几种：
(1)Ti1023是为适应损伤容限设计原则而研制的具有高的结构效益、可靠性、低成本的可锻钛合金。该合金与飞机结构件中常用的30CrMnSiA高强度结构钢性能相当，具有优异的锻造性能，目前已在波音757， 737，A300，A320，F14,F18上得到应用。
(2)Ti153合金冷加工性能比工业纯钛还好，可在固溶状态下进行各种复杂零件的冷成型，时效后的室温抗拉强度可达1000Mpa以上，目前已用于飞机短舱、紧固件、液压管、弹簧、直升机旋翼等。
(3)β21S合金是由美国钛金属公司Timet分部研制的一种新型抗氧化、高强钛合金，具有良好的抗氧化性能，冷热加工性能优良，其应用范围也非常广泛。
2.4阻燃钛合金
常规钛合金在特定的条件下有燃垸的倾向，这在很大程度上限制了其应用。针对这种情况，各国都展开了对阻燃钛合金的研究并取得一定突破。美国研制出的AlloyC(也称为Ti-1720)，名义成分为Ti-35V-15Cr，是一种对持续燃烧不敏感的阻燃钛合金，具有较高的室温及高温强度、良好的室温及高温塑性、良好的抗蠕变和疲劳性能，可制成板材、带材、棒材及锻件，目前己用于F119发动机 [8]。 3钛合金在主要领域的发展及应用
3.1钛合金在军事工业上的发展及应用
钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，其最早的应用，就是为军事航空工业提供高性能材料。钛在军事工业上使用，主要是基于钛及钛合金具有的优异性能：质量轻、比强度高、耐高温、耐腐蚀性好，另外可与复合材料结构匹配。除上述特性外，钛还具有高韧性、高弹性、无磁等诸多优点。这些都为钛在军事工业中的应用提供了可选择的条件。
3.1.1钛合金在飞机上的应用
钛合金是当代飞机和发射机的主要结构材料之一，美国在20世纪80年代以后设计的各种先进军用战斗机和轰炸机中，钛的用量已在20%以上。如第3代
F-15战斗机的钛合金用量占27%，而第4 代F-22战斗机的钛合金用量占41%,F-22战斗机是美国洛克西德公司、波音公司和通用动力公司设计的战术战斗机，是目前世界上具有代表性的第4 代战斗机。它首次将隐身、高机动性和敏捷性、不加力超音速巡航等特性融于一体，将作为美国空军2000 年以后的主力制空机种。另外在舰载飞机F/A-18中，钛合金主要用于飞机的承力框纵梁、翼根和尾部结构等关键部位。另外，为降低成本，提高材料利用率，在着陆拦阻钩支架接头及发动机安装架还采用了热等静压的Ti-6Al-4V粉冶金制造。
3.1.2钛合金在舰船上的应用
因为钛有很强的耐酸碱腐蚀能力，在海水中浸5年不锈蚀，钢铁在海水中则会腐蚀变质。所以用钛合金为船只制造外壳，海水无法腐蚀它，制成的潜艇，既能抗海水腐蚀，又能抗深层压力，其下潜深度比不锈钢潜艇增加80%。同时，钛无磁性，不会被水雷发现，具有很好的反监测作用。一般钢铁潜艇下潜超过300m就容易被水压压坏。钛潜艇下潜深度超过300m不但不会被压坏，还能有效的避开深水炸弹的攻击，显示了“钛潜艇”的独特魅力和优异性能。目前钛是深海领域舰船用材不可替代的材料。俄罗斯早在1968年便成功制造出全钛潜艇， 从20世纪60年代中期开始，俄罗斯先后生产了 6〜7艘双层高压壳“阿尔法”级全钛潜艇，每艘潜艇用钛达3000t。另外如“鲨鱼”级核潜艇、多用途的945型及988型核潜艇等，其水下排水量大，水下航速快，极限潜水深度可达800m，其耐压壳体就是用钛合金建造。钛合金目前也广泛应用在鱼雷发射水缸、鱼雷发射高压气瓶、危机冷却器上，用钛合金制作的泵、阀、管子、螺旋桨等，使用效果良好，使用寿命大大延长[9]。
3.2钛合金在生物医学上的应用
生物医用材料是材料科学的一个重要分支，是用于诊断、治疗或替代人体组织、器官或增进其功能、具有高技术含量和高经济价值的新型载体材料，是材料科学技术中一个正在发展的新领域。
近10多年以来，生物医用材料及制品的市场增长率一直保持在20%～25%。左右，预计未来10～15年内，包括生物医用材料在内的医疗器械产业将达到医药制品市场规模，成为21世纪世界经济的支柱产业。
钛无毒、质轻、强度高且具有优良的生物相容性，是非常理想的医用金属材料。钛及其合金凭借优良的综合性能，成为人工关节（髋、膝、肩、踝、肘、腕、指关节等）、骨创伤用品（髓内钉、托板、螺钉等）、脊柱矫形内固定系统、牙种植体、牙托、牙矫形丝、人工心脏瓣膜、介入性心血管支架等医用内植入产品的首选材料等等。
3.3钛合金在民用领域的应用
3.3.1钛合金在自行车行业的应用
作为制作高档自行车架的材料应具有较高的强度和硬度，钛合金将是一种极
好的选择。不仅其质量仅为钢的50%。，且强度质量比比铬钼钢高28.4%。钛合金同时具备很好的抗疲劳性能，疲劳极限是钢的两倍，铝合金车架在使用较长时间以后在这方面也无法和钛合金相比。作为应用在自行车架上的高强度低密度的钛合金材料，它不仅会让车架质量轻、强度高，而且会让车架更经久耐用。
3.3.2钛合金在汽车行业的应用
钛制品应用势头发展迅猛的另一行业是汽车业。目前，汽车发动机气门、连杆、曲轴、排气管、悬簧、消音器、车体和紧固件等，都用上了钛或钛合金。比如气门，用上新近开发的钛铝合金后， 可以大大改善发动机性能，比过去用的镍基合金相对密度小，抗蠕变强度大，具有更好的耐磨性。随着钛产品进一步开发和应用，钛制零部件对提高汽车性能、档次、舒适性等将发挥越来越大的作用。特别是中高档轿车，对安全性、舒适性和长寿命的要求越来越高，给钛在汽车工业中的应用提供了巨大发展机遇。
3.3.3钛合金在体育行业的应用
钛在体育用品中的应用，从最早的网球拍、羽毛球拍到最近几年广泛使用的高尔夫球头、杆以及赛车等，使人们对钛的认识提高了一大步。
钛合金高尔夫球杆、球头市场在经历了前几年的大幅调整后，目前仍是钛民用领域的一大支柱， 美国在高尔夫球等民用品方面的用钛量增长很快。另外，现在最常在市场出售的钛制品是网球球拍。目前，钛在网球拍上，主要是将以纯钛制的网埋入球拍框架内的方式来使用钛材。最近，钛在利用其回弹力增强击球效果等新用途上备受关注[10]。
4钛合金在我国的应用前景
近年，随着我国国民经济的持续快速发展，人民生活水平不断提高，钛和钛合金材料逐渐进入了民用领域。由钛及钛合金板、管、带、丝、箔、饼、环等加工材和多种金属复合材制成的钛产品，在医疗、体育及眼镜、手表、洗衣机等日用消费品领域得到应用，受到市场的青睐，未来的市场十分巨大。目前，世界上能进行钛工业生产的只有美国、俄罗斯、日本、中国和欧洲的少数国家。而我国具有钛资源的优势，在全球，我国的钛资源占各国之首位。据统计，我国已探明拥有8.7亿吨的资源储量，是世界已探明储量的60%。左右。所以，发展钛材制品在我国有着得天独厚的有利条件。
由于民用领域对钛的需求逐年增长，使我国的钛工业得到较快发展。目前，研制的钛合金已达50多种，列入国家标准的钛和钛合金牌号近30个。我国已经成为世界上继美国、俄罗斯、日本之后，具有完整工业体系和生产能力的世界第 4大钛工业国。
参考文献
[1]吴引江，罗建军，段庆文。钛工业进展[J]，2003，,20（1）：1
[2] 彭艳萍，曾凡昌，王俊杰等.材料工程[J]，1997，（10）：3
[3] 赵树萍，吕双坤.钛工业进展[J]，2002.19(6):18
[4] 杨冠军.钛工业进展[J]，2001.18（3）：1
[5] 钱九红.稀有金属[J]，2000,24（3）：218
[6] 高静，姚丽.世界有色金属[J]，2001，（2）：5
[7] 李东.世界有色金属[J] ，1999，（9）：16
[8] 陈军，赵永庆，常辉.材料导报[J]，2005，（6）：75
[9] 陈丽萍，娄贯涛.舰船科学技术[J]，2005，（5）：14
[10] 冯颖芳.钛工业进展[J]，2002,19（3）：9
特种材料——钛合金
1钛合金的发展历程
钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，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。世界上许多国家如美国、日本、俄罗斯以及中国等都认识到钛合金材料的重要性，并相继对其进行了研究开发，得到了实际应用。
美国钛工业起步较早，其规模和技术目前都处在世界领先地位，一开始就注重钛合金材料的基础研究，并以此指导钛合金材料的应用和开发，取得了举世瞩目的成就。第一个实用的钛合金就是1954 年美国研制成功的Ti-6AL-4V合金，由于它的耐热性、强度、塑性、韧性、成形性、可焊性、耐蚀性和生物相容性均较好，而成为钛合金工业中的王牌合金，该合金使用量已占全部钛合金的75%〜85%[1~3]。
20世纪50〜60年代，主要是发展航空发动机用的高温钛合金和机体用的结构钛合金，70年代开发出一批耐蚀钛合金，80年代以来，耐蚀钛合金和 高强钛合金得到进一步发展。耐热钛合金的使用温度已从50年代的400℃：提高到90年代的600〜650℃。α2（Ti3Al）和γ(TiAl)基合金的出现，使钛在发动机的使用部位正由发动机的冷端〔风扇和压气机）向发动机的热端〔涡轮）方向推进。结构钛合金向高强、高塑、高强高韧、高模量和高损伤容限方向发展。目前，美国航空航天用钛量最大，在20 世纪80年代以后设计的各种先进军用战斗机和轰炸机中，钛合金的用量已稳定在20%以上[4,5]。
2钛合金的研究新进展
近年来，各国正在开发低成本和高性能的新型钛合金，努力使钛合金进入具有巨大市场潜力的民用工业领域。国内外钛合金材料的研究新进展主要体现在以下几方面。
2.1高温钛合金
世界上第一个研制成功的高温钛合金使用温度仅为300～350℃。随后相继研制出使用温度达400℃的IM1550，BT3-1等合金，以及使用温度为450～500℃的IMI679，IM685,Ti-6246，Ti-6242等合金。目前已成功的应用在军用和民用飞机发动机中的新型高温钛合金有英国的IMI829，IMI834合金； 美国的Ti-1100合金；俄罗斯的BT18Y，BT36合金等。美国麦道公司采用快速凝固/粉末冶金技术成功研制出一种高纯度、高致密性钛合金，在760℃下其强度相当于目前室温下使用的钛合金强度[6]。
2.2钛铝化合物为基的钛合金
与一般钛合金相比，钛铝化合物为基的Ti3Al(α2)和TiAl(γ)金属间化合物
的最大优点是高温性能好〔最高使用温度分别为816℃和982℃、抗氧化能力强、抗蠕变性能好和质量轻（密度仅为镍基高温合金的1/2〕，这些优点使其成为未来航空发动机及飞机结构件最具竞争力的材料。
目前，已有两个Ti3Al为基的钛合金Ti-21Nb-14Al和Ti-24Al-14Nb-3V-0.5Mo在美国开始批量生产，前者已用作高压压气机机闸、高压涡轮支撑环、导弹尾翼和燃烧室喷管密封片等，后者通过形变热处理可获得良好的强度和塑性[7]。
2.3高强高韧β型钛合金
β型钛合金最早是20世纪50年代中期由美国Crucible公司研制出的B120VCA合金。β型钛合金具有良好的冷热加工性能，易锻造，可轧制、焊接， 可通过固溶-时效处理获得较高的力学性能、良好的环境抗力及强度与断裂韧性的很好配合。新型高强高韧β型钛合金最具代表性的有以下几种：
(1)Ti1023是为适应损伤容限设计原则而研制的具有高的结构效益、可靠性、低成本的可锻钛合金。该合金与飞机结构件中常用的30CrMnSiA高强度结构钢性能相当，具有优异的锻造性能，目前已在波音757， 737，A300，A320，F14,F18上得到应用。
(2)Ti153合金冷加工性能比工业纯钛还好，可在固溶状态下进行各种复杂零件的冷成型，时效后的室温抗拉强度可达1000Mpa以上，目前已用于飞机短舱、紧固件、液压管、弹簧、直升机旋翼等。
(3)β21S合金是由美国钛金属公司Timet分部研制的一种新型抗氧化、高强钛合金，具有良好的抗氧化性能，冷热加工性能优良，其应用范围也非常广泛。
2.4阻燃钛合金
常规钛合金在特定的条件下有燃垸的倾向，这在很大程度上限制了其应用。针对这种情况，各国都展开了对阻燃钛合金的研究并取得一定突破。美国研制出的AlloyC(也称为Ti-1720)，名义成分为Ti-35V-15Cr，是一种对持续燃烧不敏感的阻燃钛合金，具有较高的室温及高温强度、良好的室温及高温塑性、良好的抗蠕变和疲劳性能，可制成板材、带材、棒材及锻件，目前己用于F119发动机 [8]。 3钛合金在主要领域的发展及应用
3.1钛合金在军事工业上的发展及应用
钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，其最早的应用，就是为军事航空工业提供高性能材料。钛在军事工业上使用，主要是基于钛及钛合金具有的优异性能：质量轻、比强度高、耐高温、耐腐蚀性好，另外可与复合材料结构匹配。除上述特性外，钛还具有高韧性、高弹性、无磁等诸多优点。这些都为钛在军事工业中的应用提供了可选择的条件。
3.1.1钛合金在飞机上的应用
钛合金是当代飞机和发射机的主要结构材料之一，美国在20世纪80年代以后设计的各种先进军用战斗机和轰炸机中，钛的用量已在20%以上。如第3代
F-15战斗机的钛合金用量占27%，而第4 代F-22战斗机的钛合金用量占41%,F-22战斗机是美国洛克西德公司、波音公司和通用动力公司设计的战术战斗机，是目前世界上具有代表性的第4 代战斗机。它首次将隐身、高机动性和敏捷性、不加力超音速巡航等特性融于一体，将作为美国空军2000 年以后的主力制空机种。另外在舰载飞机F/A-18中，钛合金主要用于飞机的承力框纵梁、翼根和尾部结构等关键部位。另外，为降低成本，提高材料利用率，在着陆拦阻钩支架接头及发动机安装架还采用了热等静压的Ti-6Al-4V粉冶金制造。
3.1.2钛合金在舰船上的应用
因为钛有很强的耐酸碱腐蚀能力，在海水中浸5年不锈蚀，钢铁在海水中则会腐蚀变质。所以用钛合金为船只制造外壳，海水无法腐蚀它，制成的潜艇，既能抗海水腐蚀，又能抗深层压力，其下潜深度比不锈钢潜艇增加80%。同时，钛无磁性，不会被水雷发现，具有很好的反监测作用。一般钢铁潜艇下潜超过300m就容易被水压压坏。钛潜艇下潜深度超过300m不但不会被压坏，还能有效的避开深水炸弹的攻击，显示了“钛潜艇”的独特魅力和优异性能。目前钛是深海领域舰船用材不可替代的材料。俄罗斯早在1968年便成功制造出全钛潜艇， 从20世纪60年代中期开始，俄罗斯先后生产了 6〜7艘双层高压壳“阿尔法”级全钛潜艇，每艘潜艇用钛达3000t。另外如“鲨鱼”级核潜艇、多用途的945型及988型核潜艇等，其水下排水量大，水下航速快，极限潜水深度可达800m，其耐压壳体就是用钛合金建造。钛合金目前也广泛应用在鱼雷发射水缸、鱼雷发射高压气瓶、危机冷却器上，用钛合金制作的泵、阀、管子、螺旋桨等，使用效果良好，使用寿命大大延长[9]。
3.2钛合金在生物医学上的应用
生物医用材料是材料科学的一个重要分支，是用于诊断、治疗或替代人体组织、器官或增进其功能、具有高技术含量和高经济价值的新型载体材料，是材料科学技术中一个正在发展的新领域。
近10多年以来，生物医用材料及制品的市场增长率一直保持在20%～25%。左右，预计未来10～15年内，包括生物医用材料在内的医疗器械产业将达到医药制品市场规模，成为21世纪世界经济的支柱产业。
钛无毒、质轻、强度高且具有优良的生物相容性，是非常理想的医用金属材料。钛及其合金凭借优良的综合性能，成为人工关节（髋、膝、肩、踝、肘、腕、指关节等）、骨创伤用品（髓内钉、托板、螺钉等）、脊柱矫形内固定系统、牙种植体、牙托、牙矫形丝、人工心脏瓣膜、介入性心血管支架等医用内植入产品的首选材料等等。
3.3钛合金在民用领域的应用
3.3.1钛合金在自行车行业的应用
作为制作高档自行车架的材料应具有较高的强度和硬度，钛合金将是一种极
好的选择。不仅其质量仅为钢的50%。，且强度质量比比铬钼钢高28.4%。钛合金同时具备很好的抗疲劳性能，疲劳极限是钢的两倍，铝合金车架在使用较长时间以后在这方面也无法和钛合金相比。作为应用在自行车架上的高强度低密度的钛合金材料，它不仅会让车架质量轻、强度高，而且会让车架更经久耐用。
3.3.2钛合金在汽车行业的应用
钛制品应用势头发展迅猛的另一行业是汽车业。目前，汽车发动机气门、连杆、曲轴、排气管、悬簧、消音器、车体和紧固件等，都用上了钛或钛合金。比如气门，用上新近开发的钛铝合金后， 可以大大改善发动机性能，比过去用的镍基合金相对密度小，抗蠕变强度大，具有更好的耐磨性。随着钛产品进一步开发和应用，钛制零部件对提高汽车性能、档次、舒适性等将发挥越来越大的作用。特别是中高档轿车，对安全性、舒适性和长寿命的要求越来越高，给钛在汽车工业中的应用提供了巨大发展机遇。
3.3.3钛合金在体育行业的应用
钛在体育用品中的应用，从最早的网球拍、羽毛球拍到最近几年广泛使用的高尔夫球头、杆以及赛车等，使人们对钛的认识提高了一大步。
钛合金高尔夫球杆、球头市场在经历了前几年的大幅调整后，目前仍是钛民用领域的一大支柱， 美国在高尔夫球等民用品方面的用钛量增长很快。另外，现在最常在市场出售的钛制品是网球球拍。目前，钛在网球拍上，主要是将以纯钛制的网埋入球拍框架内的方式来使用钛材。最近，钛在利用其回弹力增强击球效果等新用途上备受关注[10]。
4钛合金在我国的应用前景
近年，随着我国国民经济的持续快速发展，人民生活水平不断提高，钛和钛合金材料逐渐进入了民用领域。由钛及钛合金板、管、带、丝、箔、饼、环等加工材和多种金属复合材制成的钛产品，在医疗、体育及眼镜、手表、洗衣机等日用消费品领域得到应用，受到市场的青睐，未来的市场十分巨大。目前，世界上能进行钛工业生产的只有美国、俄罗斯、日本、中国和欧洲的少数国家。而我国具有钛资源的优势，在全球，我国的钛资源占各国之首位。据统计，我国已探明拥有8.7亿吨的资源储量，是世界已探明储量的60%。左右。所以，发展钛材制品在我国有着得天独厚的有利条件。
由于民用领域对钛的需求逐年增长，使我国的钛工业得到较快发展。目前，研制的钛合金已达50多种，列入国家标准的钛和钛合金牌号近30个。我国已经成为世界上继美国、俄罗斯、日本之后，具有完整工业体系和生产能力的世界第 4大钛工业国。
参考文献
[1]吴引江，罗建军，段庆文。钛工业进展[J]，2003，,20（1）：1
[2] 彭艳萍，曾凡昌，王俊杰等.材料工程[J]，1997，（10）：3
[3] 赵树萍，吕双坤.钛工业进展[J]，2002.19(6):18
[4] 杨冠军.钛工业进展[J]，2001.18（3）：1
[5] 钱九红.稀有金属[J]，2000,24（3）：218
[6] 高静，姚丽.世界有色金属[J]，2001，（2）：5
[7] 李东.世界有色金属[J] ，1999，（9）：16
[8] 陈军，赵永庆，常辉.材料导报[J]，2005，（6）：75
[9] 陈丽萍，娄贯涛.舰船科学技术[J]，2005，（5）：14
[10] 冯颖芳.钛工业进展[J]，2002,19（3）：9