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钛合金材料在航空及汽车等领域的应用

发布时间:2021-03-24 22:51:46 浏览次数 :

1、钛和钛合金工业的市场现状和发展空间

众所周知+钛是地壳中蕴藏量丰富的金属(居第4位).其特点是密度低、强度高和耐蚀能力强;与另外两种轻金属— — 铅和镁相比,钛具有一系列的优点。

钛和钛台金的传统用途主要集中在航空与航天工业领域,但钛和钛合金的许多其他用途也不断得到发现。其中最有代表性的是豪华汽车零件,而扩大应用中最突出的问题是降低产品成本、改进加工技术和开发新工艺钛及其合金的市场和产品需求主要来自喷气发动机、飞机骨架和工业应用三部分,从另外一个角度来看。也能够分为军用、民用航空与航天和非航空航天三大领域。每个市场对钛合金产品的性能要求是有所不同的。

例如,喷气发动机的要求主要集中于高温抗拉强度、蠕变强度、疲劳强度以及高温热稳定性;飞机骨架所考虑的基本性能是断裂韧性、很高的拉伸强度和良好的疲劳强度。是否容    易将钛及其合金材料加工成为各种各样的零件也是一个重要考虑固素,工业应用要求材料在各种环境中具有优良的抗腐蚀能力、足够的强度、可加工性和成本竞争力。

就1990年的世界钛及其合金市场而论,美国的消耗量约为欧洲消耗量的2.5倍;日本的钛材大部分用于非航空与航天工业部门;前苏联在1989年曾经拥有大约90 000 t/a的钛生产能力,如今的用量虽然不得而知,但是肯定已经大大减少了。

据有关报道,影响美国钛市场的另一个重要固素是来自前苏联的海绵钛进口。例如.在1994年的最初5个月里.前苏联卖给美目的海绵钛约占美国海绵钛进口总量(约1 970 t)的68% 。但是,为了避免关税壁垒,前者现在已经改为向后者出口加工产品了今非昔比.前苏联的海绵钛现在已经不可能支配美国的海绵钛市场了.因为一些海绵钛厂业已停产或者关闭。

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应该指出的是.在美国钛工业成长的历史进程中.开发了太量的钛合金。这项工作基本上是在美国国防部的赞助下完成的,其中只有很少一部分投入商业用途。在最近几年里,为了降低成本而研制了“低成本钛台金”,应用在非航空航天领域。这类台金包括Ti-6A1-1.7Fe-0.1Si(TIMETAL62S)和Ti4.5Fe-6.8Mo-1.5Ai(TIMETAL LCB,低成本β钛合金)。利用钛取代Ti-6A1-4V合金中的钒,显著地降低材料成本。装甲用途中也使用了成本比较低的钛合金,并且简化了化学处理和加工工艺过程。

在住友金属工业公司的组织下,日本也大力开发新的钛合金。在1996年于Las Vegas召开的国际钛协会(ITA)会议上,A.Kumda报告了他们开发的3种钛台金:可 以模锻成形、适台于制造眼镜架的SAT10ZCF(Ti-10Zr);显示出高强度和低成形应力及优良可冷成形性而适合于用作高尔夫球杆头、自行车齿轮和眼镜架的S AT2041;具有极强抗磨能力、可以用作汽车引擎阀门和化学工业泵叶轮的SAT64AW ( Ti-6A1-4V/TiC粒子),钛基材料开发的另一领域是金属问化合物 TixA1(x=l,3).尤以TiA1为主。

2、非航空航天用途

钛及钛合金的传统非航空航天用途包括换热器管路和医学修补元件,还包括手表外壳、运动器械、建筑物顶盖、石油工业与近海/海上设施和腐蚀环境内的桥梁等等。

2.1 运动器械

钛在运动器械中的用途是相当广泛的,同时又存在一些争议。迄今为止,钛制运动器械包括短跑运动鞋的钉子、高尔夫球杆、高尔夫球杆头、网球拍、登山钉鞋、冰斧、雪撬、冰鞋刀刃、自行车车架、豪华摩托车连杆、潜水员手表、步枪、潜水服和飞行服等。空心的高尔夫球杆并不便宜,一根这种球杆的售价高达1500美元。据报道.美国在为生产高尔夫球杆而消耗了许多钛。

运动实践表明,钛制网球拍比传统的网球拍更加柔韧,这意味着球与拍的接触时间更长一些,使旋转增加40%。另外,由钛粉末冶金复合材料生产的冰鞋刀刃质量比传统的钢制刀刃质量减少了40% ,现已处于试生产阶段。用钛做成的运动器械的又一实例是熔模铸造的空心高尔夫球头。

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2.2 汽车

钛在汽车中的应用愈来愈多,50年代中期就生产出“全钛”汽车 克莱斯勒公司、福特和通用汽车公司等卡车生产厂家都需要质量轻的材料来达到待殊的目的,钛就是选材对象之一 据称,美国每年投入1亿美元来开发新一代汽车,其重要目标是减轻汽车自身的质量,降低燃料消耗。从附图可以看出,减轻车重对于降低油耗来说是至关重要的。

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美国人的研究开发结果表明.钛在汽车中的潜在用途是连杆、阀门、阀门弹簧、阀门弹簧支承座等。在1996年国际钛协会展览会上展出了用工业纯钛制做的汽车排气系统,其质量仅为32.234kg,比409不锈钢做成的同一系统减少质量达到10kg之多,其效果是相当明显的。

据最新报道,在不久前召开的关于运输工业用钛专题讨论会上,人们十分关注怎样才能够把钛及其台金零件的成本降低到可以接受的水平。按照传统的生产技术,其轧制产品的成本是4.4美元/kg,要用它们加工出来的零件取代常用的相应钢制零件是不可能的。美国福特汽车公司1997年10月所用钛原料的成本如附表所示。

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按照一般的经验,每一个加工步骤要使其成本翻一番,所以材料费用至少达到l7.62美元/kg,而轧制产品在制作成最终机械加工零件之后,其成本则必然高达44.05 美元/kg。这显然比期待的钛及其合金零件成本高得多。

实践证明,粉末冶金方法具有很强的竞争力。如果目前可以获得的海绵钛细粉或者残料的价格为4.4~8.8美元/kg,那么净形或者近净形压制坯料的成本就会低于4.4美元/kg;在最小数量的切削加工之后,连杆等零件的成本就是8.8~11美元/kg。

金属模型铸造也能够生产低成本的钛和钛合金零件。与生产航空与航天质量的铸件所用的陶瓷模具工艺相比,金属模具铸造能够大大减少花费。采用冷壁坩埚熔炼技术,能够生产出具有精细显微组织、没有α外壳(表面上的富氧和富氮区域)的零件。据称,国外已经借助这种新技术制造了先进战术歼击机F22动力系统的F119燃气发动机可变叶片和I型赛车的一些阀门。

净形或者近净形(粉末冶金或者铸造)方法是生产尺寸较大、价格较低汽车零件的有效途径之一 。粉末冶金不仅能够提供低成本的原材料,而且可以降低机械加工的费用。铸造零件也能减少切削加工成本。就需要线材和板材的弹簧和排气系统而言,可以使用成本较低的海绵钛为原料。

美国福特公司和通用汽车公司都对汽车的进气与排气阀门进行过试验,质量比较轻的阀门不仅改善汽车性能,而且允许使用较低的阀门弹簧载荷,可降低噪音和摩擦以及提高燃料效率。最新的结果表明,一旦安装了阀门,低的塑性和韧性并不是什么问题,但是有的阀门会在装配或者拆卸过程中受到破坏。需要克服的问题还包括开发低成本、高效果的涂层,以有效地保护阀门不受破坏。

福特公司“最佳协和作用”2010概念汽车,它能够达到34km/L;福特P2000是另一种概念车。在这两种小轿车上都使用了许多钛制零件。

2.3 装甲

钛及其合金能够作为坚固的外壳而应用在武器装备中,早在40多年前,美国陆军就对利用钛作为装甲材料很感兴趣。与传统的钢制装甲相比,可以使质量减轻25%~ 60% 。另外,美国空军已经使用焊接的Ti-6A1-4V合金“浴盆”来保护密闭支撑的A-10A“Warlhong ”飞机。

在诸如MIA2坦克之类的陆军运输工具中也有用钛的很大潜力,它可以使原来的68.5 t质量减轻51% 左右。事实表明,在坦克中用钛的主要优点是其强度/密度比高.弹道和多目标性能好、抗腐蚀能力强、具有可焊性和可切削加工性,而其缺点则是费用高。

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2.4 其他

挤压产品的应用很广,钛的挤压加工不像铝挤压那么容易,但是现今已经取得了一些钛及其合金挤压型材,如果将来投入应用,将使有关装置和设备的性能大大改善。钛和钛合金的其他各种各样用途是很多的,而业已成熟和投入实用的则包括电子计算机磁盘基片、悬挂滑翔机框架、纺织机的钛综鱿框架、钛刀具和钛制大型体育场球顶。

传统的电子计算机磁盘基片是由诸如铝之类的金属做成的。钛磁片基片有许多优点,其中包括比铝更高的强度(从而能够降低厚度、提高叠层密度和加大磁盘转速),没有表面凹凸不平(允许减小磁头与磁盘之间的距离和提高存储密度),增大的损伤偏差,能够加大表面硬度,可以经受更高的温度,能够采用更高的磁性介质涂覆温度等等。

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