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钛及钛合金的应用简介

来源:钛棒,钛板,钛丝,钛管,钛设备,钛合金 发布时间:2013-3-18 11:15:26
钛及钛合金的应用简介
(1)耐蚀
及钛合金
工业纯钛
工业上大量的用作耐蚀材料的仍然是工业纯钛。这是因为工业纯钛对于海水、湿氯气、及氧化性、中性、弱还原性和加入缓蚀剂的还原性介质中具有良好的耐蚀性;而且综合机械性能和加工工艺性能亦较优越;价格也较钛合金为低。因此,只有在工业纯钛不能满足耐蚀性能要求的情况下,才使用其他的耐蚀钛合金,我国将工业纯钛分成三级,即TA1、TA2、TA3。这三种工业纯钛的间隙元素是逐渐增加的;而机械强度和硬度也随着逐级增加。工业上常用的钛合金是TA2。这种钛合金的耐蚀性能和综合机械性能适中。对耐磨(钛及钛合金不耐磨)和强度要求较高时可采用TA3。对要求较好的成型性能时可采TA1。各级工业纯钛有相似的耐蚀性能。
在某些情况下,特别是在强氧化性或还原性酸中,由于钛中有铁元素杂质引起热影响区的金相组织变化,使其耐蚀性能降低。在这种情况下,应考虑钛中的铁元素含量不超过0.05%。
Ti-(0.15-0.20)Pa合金
这种钛合金与工业纯钛相比具有下列三个优点:
a,既对氧化性介质具有优良的耐蚀性能;又对弱的还原性介质具有一定的耐蚀能力。如Ti-0.2Pa对硝酸的耐蚀性能和工业纯钛一样好;但对稀盐酸和稀硫酸的耐蚀性能却比纯钛高500-1000倍。
b,具有较好的耐缝隙腐蚀能力。工业纯钛对缝隙腐蚀比较敏感,往往由于钛制设备中存在缝隙而导致此处加速腐蚀。如果在缝隙处采用Ti-(0.15-0.2)Pa代替工业纯钛,则可消除缝隙腐蚀。
c,吸氢能力小,不易产生氢脆。工业纯钛在高温时能大量吸氢。特别是对于腐蚀时产生的原子氢更易吸收,导致氢脆Ti-(0.1-0.20)Pa表面生成的氧化膜具有较高的抗氢渗透能力,故抗氢脆的能力比工业纯钛要大得多。
但这种对强还原性介质并不耐蚀;而且还含有稀贵金属—钯。它的物理、机械性能、加工工艺性能和工业纯钛相似。目前用这种合金制造的列管式换热器,用于稀盐酸和磷酸中;在纺织工业中用它制作喷丝头;在乙醛和对苯二甲酸装置中所有钛设备的法兰衬环和菱形垫片也均用这种合金,其使用效果良好。
Ti-Pa合金主要用于稀硫酸、盐酸、磷酸的环境;也用于钛设备防止缝隙腐蚀。在硫酸、盐酸、磷酸的环境下,Pa的含量低于0.05%时腐蚀率反而增加,高于0.20%时腐蚀率几乎不变。
Ti-0.3Mo-0.8Ni合金
这种合金改善了耐蚀性能在还原性介质中的耐蚀性能;而且它保持了工业纯钛耐硝酸、铬酸等氧化性介质的耐蚀性能。例如,它在室温的10%硫酸、10%盐酸以及中等浓度的甲酸和柠檬酸中均具有较好的耐蚀性能。它含有的合金元素较少;特别是不含有稀贵的钯元素。因此,它的价格仅比工业纯钛高10%左右,它的加工工艺性能、焊接工艺性能和工业纯钛接近;而在200-300℃温度下强度较工业纯钛高1.5-2倍。由于这种合金具有这种优点,因此,它可取代工业纯钛在高温海水、盐水、湿氯气以及高温、高浓度的氯化物中使用。
Ti-Mo合金
Ti-32Mo合金在沸腾的40%硫酸和20%盐酸溶液中的耐蚀性能较工业纯钛有显著提高,是目前最耐还原性介质腐蚀的钛合金之一。
但它在氧化性介质中的耐蚀性能却很低
而且钼含量过高,使合金变脆,加工工艺性能变差。为了克服这种合金由于高钼含量所带来的缺点,在Ti-Mo合金的基础上添加了Nb、V、Zr和Pa。使这种合金既保持了Ti-Mo合金的优良的耐蚀性能,又改善了它们的加工工艺性能。例如Ti-15Mo-5Zr合金,不仅避免了Ti-15Mo合金中ω相析出而引起的合金脆化,改善了它的冷加工工艺性能和焊接性能,而且还改善了合金的耐蚀性能。又如,Ti-15Mo-0.2Pa合金在氧化性和还原性介质中都有较好的耐蚀性能。
Ti-2Ni合金
  这种Ti合金作为脱盐装置的结构材料,使用温度可达200℃左右,而工业纯钛只能达到120℃左右。并且它的耐缝隙腐蚀的性能较工业纯钛为优。但这种合金的使用范围比Ti-Pa、Ti-Mo合金窄的多。它只是在蚁酸、热浓氯化镁溶液中的耐蚀性较工业纯Ti为优;但在盐酸、硫酸中的耐蚀性比纯钛还差。所以,Ti-2Ni合金一般只限于在中性或偌还原性的盐液中使用。
Ti-6Al-4V(TC4)合金
这是一种广泛使用的Ti合金。它的耐蚀性能比工业纯钛稍差,但对海水、许多酸、碱和其它腐蚀介质仍具有令人满意的耐蚀性能。它具有良好的综合机械性能。所以,这种合金一般用在要求高强度或者高疲劳性能的场合。
使Ti的钝化膜能处于稳定状态的介质是钛耐腐蚀的介质。这些介质是氧化性、中性、弱还原性。
使Ti的钝化膜遭到破坏的各种介质是钛不耐腐蚀的介质。这些介质是强还原性酸和无水强氧化剂。
在5%盐酸溶液中,TA0、BT1-0、Ti-0.2Pa、Zr-O的耐蚀性能从高到低的排列顺序是Zr-O、Ti-0.2Pa、TA0、BT1-0。
(2)医用钛合金
作为长期外科植入物材料有下列基本要求;抗腐蚀性、生物相容性、优越的机械性能和疲劳性能及韧性,低的弹性摸量、高的抗磨损性和令人满意的价格。
Ti-6Al-7Nd    (瑞士)(TC20)          ISO5832-11
Ti-5Al-2.5Fe   (德国)(TC15)         ISO5832-10
Ti-6Al-4V       (TC4)                ISO5832-3
工业纯钛(TA0、TA1、TA2、TA3、)        ISO5832-2
人们希望用无毒的Fe和Nd来代替有潜在毒危险的V元素。
(3)热强钛合金
这是一组能在高于400℃以上工作的钛合金
合 金    工作温度℃ (允许时间)退火状态   热处理强化状态
TC6(BT3-1) 400                 无 限         1000
             450                  3000         500
TC8(BT8)   450                 无 限         6000
             500                 6000          500
TC11(BT9)  400                 无 限         6000
             450                  3000          500
             500                  500           100
BT18        550                  500          不强化
BT25        450                 无 限          --
            500                  6000          --
            550                  3000          --
BT20       450                   6000          不强化
Ti-55(TA12)(550℃)                Ti-60(600℃)
(4)低温钛合金
Ti-6Al-4V(TC4)(ELI)
这种低间隙元素的钛合金在-200℃时,其延伸率才开始明显降低,故可用作-200℃下使用的设备结构材料。
Ti-5Al-2.5Sn(TA7)(ELI)
这种低间隙元素的钛合金在在-250℃以下时,其延伸率尚未明显地变化,仍保持在15%左右,而拉伸强度却上升到1400MPa以上。为了保持这种合金的良好的低温性能,必须严格控制它的间隙元素含量。如Fe的含量应控制在0.25%以下;氧的含量应控制在0.12%以下;其它间隙元素(H、N、C)的含量也应低于普通合金的含量。
工业纯钛(ELI)
TA1、TA2这两种工业纯钛在含Fe量为0.095%、氧为0.08%、氢含量为0.009%、氮含量为0.0062%时,延伸率由50%降到40%,强度约为室温下的2倍,达到800MPa,因此,这两种工业纯钛可用作-253℃以下的结构材料。
(5)管材用钛合金
除工业纯钛外还有TA16(Πt-7M  Ti-2Al-2.5Zr)
TA18(Gr.9)   Ti-3Al-2.5V
(6)板材用钛合金
BT14           Ti-4.5Al-3Mo-1V
 TB5(Ti-15-3-3-3)   Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al
 (7)舰船用钛合金
TA5-A          TI-4Al-0.005B   (AL:3.7-4.5%,船用钛合金)
TA16(ПT-7M)              Ti-2Al-2.5Zr
TA17(ПT-3B)              Ti-4Al-2V
Ti-70           Ti-2.5Al-2.0Zr-1Fe-0.1O
Ti-31           Ti-3Al-1Mo-1Ni-1Zr
Ti-75           Ti-3Al-2Mo-2Zr
Ti-80           Ti-6Al-3Nb-1Zr-1Mo
Ti-91           Ti-3.4Al-1V-1Fe-0.6Zr
(8)紧固件用钛合金
TC16(BT16)      Ti-3Al-5Mo-4.5V
TB2            Ti-3Al-5Mo-5V-8Cr
TB3            Ti-3.5Al-10Mo-8V-1Fe
(9)焊丝用钛合金
TA4               Ti-3Al
TA20(CПT-2)      Ti-4Al-3V-1.5Zr
(10)弹簧用钛合金
TB9(βc ,Ti-38644) Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr (做钛弹簧)
(11)几个比较专用的钛合金
10A发动机用:
YZTC4  TC17(Ti-17)  TA11(Ti-811)  TA19(Ti-6242)
斯贝发动机用:
TA13(Ti-230)
某新型发动机用:
BT25    Ti-6.8Al-1.7Zr-2Sn-2Mo-0.7W-0.2Si
450℃加热到10000小时
500℃加热到6000小时
550℃加热到3000小时,都具有满意的热稳定性。所以,这种合金何在550℃下使用。由于它是近α型钛合金,它的焊接性能和工艺性能良好,是制造压气机零件的理想材料。
新型飞机结构用:
TC18(BT22)   Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe
BT22钛合金是前苏联航空材料研究院于1974年研制成功的一种高结构效益钛合金。为富β相的α+β型两相钛合金。亦称过渡型两相钛合金。该合金的常用物理常数为:密度4.60g/CM3,相转变温度840-880℃,弹性摸量113GPa;具有高强、高韧、淬透性好(淬透深度可达200mm)和可焊接等优点。BT22钛合金常以退火态使用,退火态保证强度极限高于1080MPa。BT22钛合金还以强化处理态使用,且热处理强度达1370MPa时仍有良好的塑性,尤其是可用它制成大型锻件和模短件,如飞机承力框架、起落架及部件。
BT22钛合金与美国结构钛合金Ti-1023相比,退火态强度高300MPa,热处理强化态高300MPa。同时塑性亦较好,生产成本低,无Fe偏析缺陷,是最有发展前途的结构钛合金。近年来,美国不仅从俄罗斯购买了BT22的生产技术和相关的资料,而且用BT22合金制造起落架等关键零件。
TC21(Ti-62222S)  Ti-6Al-2Zr-2Mo-2Sn-2Cr-0.25Si
高强、高韧、好的淬透性、低的密度
σb=1035-1140 MPa   σ0.2=930-1000 MPa
δ≥6%    ψ≥12%    KIC=77-88                  
用于大型摸锻件,制作结构件
TB6(Ti-1023)     Ti-10V-2Fe-3Al
TB6(Ti-1023)美国Timet公司为适应损伤容限设计原则需要于70年代初研制的一种高强、高韧、淬透截面大、各向异性小锻造温度低和抗应力腐蚀能力强等一系列优点,能够满足高结构效益、高可靠性和低制造成本的设计要求,经过不同的热处理可是合金具有强度/韧性/塑性三者良好匹配,热处理分三种级别:
1241 MPa      44 MPa M
1100 MPa      82.5 MPa M
896 MPa       110 MPa M
由于高的疲劳性能及高的韧性及强度,已在直升机浆毂、飞机起落架等关键部位使用。
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