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高強(qiáng)度高彈性鈦合金發(fā)展現(xiàn)狀

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高強(qiáng)度高彈性鈦合金發(fā)展現(xiàn)狀

高強(qiáng)度高彈性鈦合金發(fā)展現(xiàn)狀

高強(qiáng)度高彈性鈦合金發(fā)展現(xiàn)狀

金屬材料的彈性變形能力受屈服強(qiáng)度和彈性模量的影響,拉伸線彈性極限(ε0.2)大多低于1%。傳統(tǒng)鈦合金的強(qiáng)度根據(jù)合 號(hào)不同在400~1500 MPa 范圍內(nèi),彈性模量介于 50~120 GPa之間,遠(yuǎn)低于鋼(約 210 GPa),彈性變形能力約為鋼的 2 倍。鈦合金的高強(qiáng)度和低彈性模量賦予其優(yōu)異的彈性變形能力,作為結(jié)構(gòu)功能一體化材料在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

20世紀(jì)50年代,美國(guó) 在 B-52 轟炸機(jī)上使用 Ti-6Al-4V 制造的鈦合金螺栓,由此開啟了鈦合金緊固件在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用。隨著航空航天和武器裝備的不斷輕量化要求,輕質(zhì)高強(qiáng)度高彈性鈦合金逐漸部分取代了傳統(tǒng) 30CrMoSiA 鋼在緊固件中的應(yīng)用,提高了裝備使用安全性與可靠性。目前常用的 α+β 和 β 型鈦合金的抗拉強(qiáng)度基本為 1000 MPa 級(jí),如 Ti-6Al-4V、Ti-3Al-5Mo-4.5V、Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al 和 Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.3Si(β 21S)等。

自20世紀(jì)70年代起,麥道公司開始使用 Ti-13V-11Cr-3Al 制造民用飛機(jī)用彈簧,替代彈簧鋼實(shí)現(xiàn)減重 70%。隨后,洛克希德、波音和空客等開始使用 β 鈦合金材料制造起落架上下鎖、液壓回程和飛機(jī)控制等彈簧部件,代表性合金有 Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn 和 Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr(β-C),其彈性模量約為104 GPa,抗拉強(qiáng)度為 1300~1450 MPa。

國(guó)內(nèi)應(yīng)用的典型牌號(hào)有 TB2、TB3 和 TB5 等。目前彈簧和緊固件使用的 α+β 和 β 型鈦合金一般采用 α+β 兩相態(tài)組織以獲得高強(qiáng)度,同時(shí)彈性模量(90~120 GPa)也較高,導(dǎo)致彈性性能較低,難以滿足 飛行器對(duì)于高強(qiáng)度高彈性材料的使用需求。β 型 Ti-45Nb 合金作為鉚釘專用材料,在國(guó)內(nèi)外航空航天產(chǎn)品中獲得了應(yīng)用。該合金具有低彈性模量,塑性和冷加工成型性好等優(yōu)點(diǎn),但強(qiáng)度特別是屈服強(qiáng)度低,強(qiáng)度與彈性性能的匹配較差。

從20世紀(jì)90年代開始,為了降低醫(yī)用鈦合金的彈性模量,人們開發(fā)了一系列低彈性模量亞穩(wěn) β 型鈦合金,如 Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr 和 Ti-35Nb-5Ta-7Zr 等,獲得了更佳的彈性性能,但此類鈦合金為醫(yī)療領(lǐng)域開發(fā),強(qiáng)度低,難以滿足航空緊固件和彈簧用鈦合金對(duì)高強(qiáng)度和高彈性的使用需求。2003 年,日本豐田中央研究院開發(fā)了綜合性能優(yōu)異的多功能鈦合金(橡膠金屬),典型成分為 Ti-23Nb-0.7Ta-2Zr-1.2O(原子分?jǐn)?shù) %),該合金經(jīng) 90% 冷軋變形后強(qiáng)度可達(dá) 1200 MPa,彈性模量為 55 GPa,彈性極限高達(dá)約 2.5%,顯示出優(yōu)異的高強(qiáng)度和高彈性匹配,并且該合金在較寬的溫度范圍內(nèi)具有恒彈性。

中國(guó)科學(xué)院金屬材料研究所開發(fā)的亞穩(wěn) β 型合金 Ti-24Nb-4Zr-8Sn(Ti-2448)同樣顯示出優(yōu)異的彈性性能,具有低至 42 GPa 的彈性模量和高達(dá) 3.3% 的彈性應(yīng)變,經(jīng)固溶時(shí)效處理后亦具有優(yōu)異的高強(qiáng)度和高彈性匹配。橡膠金屬和 Ti-2448 是 高強(qiáng)度高彈性鈦合金的典型代表,預(yù)示著鈦合金能實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度和高彈性匹配,其優(yōu)異的性能依賴于巧妙的成分設(shè)計(jì)及合適的制備工藝。

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