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高强度高弹性钛合金的发展现状

[ 信息发布:钛谷网 | 发布时间:2021-05-24 | 浏览:56539次 ]

金属材料的弹性变形能力受屈服强度和弹性模量的影响,拉伸线的弹性极限(ε0.2)一般小于1%。传统钛合金的强度按合金等级在400~1500 MPa范围内,弹性模量在50~120 GPa之间,远低于钢(约210 GPa),弹性变形能力约为钢的两倍。合金因其高强度、低弹性模量而具有优异的弹性变形能力,被广泛应用于航空航天领域。

20世纪50年代,美国首次在B-52轰炸机上使用TI-6AL-4V制造的钛合金螺栓,开启了钛合金紧固件在航空航天领域的应用。随着航空航天和武器装备的不断轻量化要求,轻量化、高强度、高弹性钛合金在紧固件上的应用逐渐取代了传统的30CrMosia钢,提高了设备的安全性和可靠性。目前常用的α+β和β型钛合金,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,抗拉强度基本为1000 MPa级。

钛合金

自20世纪70年代以来,McDonnell Douglas一直在使用TI-13V-11CR-3AL制造民用飞机弹簧,取代了弹簧钢,减轻了70%的重量。后来,洛克希德、波音和空客开始使用β-钛合金材料制造弹簧组件,如起落架上下锁、液压返回和飞机控制。典型的合金为Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn和Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr (β-C),其弹性模量约为104 GPa。抗拉强度为1300~1450 MPa。

在中国使用的典型品牌有TB2、TB3和TB5。目前,用于弹簧和紧固件的α+β和β型钛合金一般采用α+β两相组织获得高强度。同时,弹性模量(90~120 GPa)也较高,导致其弹性性能较低。因此,很难满足先进飞机对高强度、高弹性材料的要求。β型Ti-45Nb合金作为一种特殊的铆钉材料,已在国内外航空航天产品中得到广泛应用。该合金具有弹性模量低、塑性好、冷加工成形性好等优点,但强度,特别是屈服强度较低,强度与弹性性能匹配差。

自20世纪90年代以来,为了降低医用钛合金的弹性模量,人们开发了一系列低弹性模量亚稳态β型钛合金,如Ti-29NB-13Ta-4.6Zr和Ti-35NB-5Ta-7Zr等,以获得更好的弹性性能。然而,这种钛合金是为医疗领域开发的。钛合金强度低,难以满足航空紧固件和弹簧用钛合金的高强度、高弹性要求。2003年,日本丰田中央研究院研制出综合性能优异的多功能钛合金(橡胶金属),典型成分为ti- 23nb -0.7 ta - 2zr -1.2 2o(原子分数%),合金经过90%冷轧变形后强度可达到1200 MPa,弹性模量为55 GPa,弹性极限可达2.5%左右,表现出优异的高强度和高弹性匹配,合金在较宽的温度范围内具有恒定的弹性。

中国科学院金属材料研究所研制的亚稳β型合金Ti-24Nb-4Zr-8Sn (Ti-2448)也表现出优异的弹性性能,其弹性模量低至42 GPa,弹性应变高达3.3%。经固溶时效处理后,还具有优异的高强度和高弹性匹配。橡胶金属和TI-2448是先进高强度高弹性钛合金的典型代表,这说明钛合金可以达到高强度高弹性的匹配,其优异的性能取决于巧妙的成分设计和适当的制备工艺。

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